Солнце в коробке и жареные кирпичи: самые необычные системы хранения энергии

Гелевые аккумуляторы

В подмосковном доме у Сергея Комарова часто отключают свет, поэтому он для подстраховки поставил солнечные панели. Накапливать энергию и пользоваться ею не только в светлое время позволяют гелевые аккумуляторы. Это разновидность свинцово-кислотных батареек, где электролит находится в гелеобразном состоянии. Но за 2,5 года свой ресурс они выработали.

Сергей Комаров: «Когда солнышко есть, свет есть. Солнышко зашло, света нет, если нет наружного электропитания. Поэтому в 2024 году я поменял как бы эти аккумуляторы уже на современные литиевые».

Новые накопители выдерживают перебои уже 4 месяца. Сергей надеется, что прослужат они дольше, хотя бы лет пять, но и их потом придется выкинуть и покупать новые. К тому же это дорого. А как хранить энергию в масштабах городов и целых стран?

Гидроаккумулирующие станции

В Подмосковье под Сергиевым Посадом уже почти 40 лет работает гидроаккумулирующая станция (ГАЭС). Ее задача не выработка, а запасание энергии, ведь ночью, например, электростанции производят больше, чем потребителям нужно. Воду из речки в такие моменты закачивают с помощью насосов в огромный бассейн на холме, а затем, когда нужно, заряд из этой огромной батарейки извлекают — спускают жидкость по шести гигантским трубам, каждая диаметром с трехэтажный дом.

Внизу в машинном зале вода раскручивает турбины генераторов, которые и вырабатывают обратно электричество — до 1200 мегаватт. Этого хватит, чтобы запитать 12 миллионов холодильников одновременно.

Александр Черномор, Загорская ГАЭС, заместитель главного инженера по технической статье: «Это на сегодняшний момент один из самых дешевых способов аккумулирования электроэнергии. Работа любой ГАЭС связана с тем, что она очень маневренная. То есть коэффициент полезного действия у гидроаккумулирующей станции почти 90%».

При всех переходах теряется лишь десятая часть энергии, но инженеры и экономисты все равно считают, что надо работать эффективнее. Например, британская компания недавно предложила заменить воду на особую жидкость, которая плотнее, то есть тяжелее, в 2,5 раза. Это позволит строить более компактные станции при той же мощности. Состав не раскрывают, но говорят, что ингредиенты доступны любой стране в большом количестве, в отличие от того же лития для аккумуляторов.

Лиззи Голд, менеджер по развитию компании — производителя инновационной жидкости для ГАЭС: «Состав неопасный, ингредиенты можно найти в медицинской промышленности. Их используют и дают людям. Я не буду говорить больше, но это совершенно безвредно. Мы проверили жидкость в лаборатории, чтобы убедиться, что она не токсична и не навредит окружающей среде, если прольется».

Энергия из тяжести

Сам принцип хранить энергию в виде поднятой на высоту тяжести знаком и в быту. Так работают часы с маятником и гирьками, которые поднимают, чтобы, условно говоря, зарядить механизм, а потом они сами медленно опускаются вниз, раскручивая стрелки. Но теперь масштабы становятся больше. В Новосибирске уже есть батарейка размером с ангар, где вместо гирек поднимают мешки с песком. КПД оценивают в 83%.

В Китае с той же целью используют огромные бетонные блоки, связанные с мощными моторами. Они помогают энергию накопить. А когда нужно вернуть ее в сеть, груз медленно опускается и приводит в действие генератор. Проект только готовится к запуску. Планируется, что емкость бетонного аккумулятора будет 100 мегаватт-часов, а КПД обещают до 80%. Почему не больше?

Константин Катин, физик, профессор НИЯУ МИФИ: «Ну, всегда есть какие-то потери, есть какие-то вибрации, механизм, который поднимает ваш груз, обязательно немножко трется. Веревка изнашивается, механизм нагревается, поэтому все 100% использовать, конечно, не получается скорее по техническим причинам».

Изобретатели из провинции Хэбэй в Китае предлагают запасать энергию при помощи воздуха. Их супербатарейка уже хранит электричество для десятков тысяч домов. Компрессоры нагнетают давление в больших резервуарах, а потом, когда в электросети образуется дефицит, сжатый воздух выпускают, он раскручивает турбину генератора. КПД здесь оценивают в 70 с небольшим процентов.

Расплавленная соль

Не всегда с новациями все идет гладко. В Марокко несколько лет назад торжественно запустили систему, где 7500 зеркал концентрируют солнечное излучение, направляя его на башню с солью. Достигая температуры 560 градусов, она плавится, после заката в течение 7 часов эта огненная масса нагревает воду, та испаряется и раскручивает парогенератор. Звучит и выглядит красиво, но недавно на станции случилась авария: расплавленная соль вытекла из резервуара. Судя по всему, она его просто проела, вызвав сильную коррозию. В результате вместо обещанного КПД в 42% и довольных потребителей из 120 тысяч домов компания получила убытки в 47 миллионов долларов.

Солнце в коробке

Разработчики из Массачусетса решили не связываться с капризной солью и создали батарейку, в которой, почти как в лампочке, накаливаются графитовые трубки. Новацию назвали солнцем в коробке.

Асеган Генри, основатель компании: «У графита есть очень важное для нас свойство. Он остается твердым и прочным при очень высоких температурах — выше трех тысяч градусов по Цельсию».

К тому же графит не так опасен, как расплавленная соль. Когда энергию нужно получить обратно, в дело вступают термофотовольтаические элементы, которые переводят тепло и свет в электричество. Создатели уверены, что такая система хранения выгоднее литиевых аккумуляторов и позволит серьезно снизить тарифы на электричество. Про КПД, правда, умалчивают.

Горячий песок

В Финляндии сделали ставку на песок. Им наполнили металлический резервуар, внутри которого система труб и нагревательный элемент. Неиспользуемые остатки энергии от солнечных панелей и ветряков нагревают песок до 600 градусов. Когда нужно, он отдает тепло воде, которая поступает в местную систему отопления. КПД оценивают в 90%. Пока песчаная батарейка работает только для обогрева домов, но к 2026 году планируют модернизировать систему, чтобы часть сохраненного тепла превращать и в электричество.

Константин Катин, физик: «Все, кто лежали на пляже, знают, что тепло песка еще сохраняется некоторое время, даже после того, как Солнце заходит за тучу. Кроме того, песок — такой материал, с которым просто очень приятно работать, который экологически безопасен».

Жареные кирпичи

Похожие проекты позволяют добиваться большой эффективности. Компания из Калифорнии заявляет, что у нее уже есть КПД в 98%. Дают его, как шутят сами разработчики, жареные кирпичи. Их помещают между нагревательными элементами, как хлеб в тостере, только разогреваться глиняные кубики могут до 1500 градусов, а потом, когда требуется «разрядить аккумулятор», через печку пропускают воздух. Он нагревается, передает тепло трубе с водой, там образуется пар, а он крутит генератор.

Джон О’Доннелл, руководитель компании-создателя кирпичного теплоаккумулятора: «Мы достигли производственной мощности до 2,4 гигаватт-часов в год, а в ближайшие несколько лет доведем ее до 90 гигаватт-часов. Это сопоставимо с емкостью аккумуляторов двух миллионов электромобилей».

Правда ли система может быть так хороша? Физик Константин Катин продемонстрировал теплоемкость разных материалов — песка, металлической пластины, кирпича и воды. Все нагрели примерно до 80 градусов, оставили на полчаса и оценили результат. Железо накопило очень мало тепла и успело охладиться до 32 градусов, гораздо лучше песок (40 градусов) и вода (44 градуса), но кирпич — просто чемпион.

Константин Катин: «Кирпич является традиционным материалом для сохранения тепла, кирпичные печки и кирпичные дома используются довольно давно. Неудивительно, что и современная компания, занимающаяся хранением энергии, тоже использует кирпич в качестве материала, который способен хранить энергию в виде тепла».

Разнообразие новых способов хранения энергии впечатляет. Да, хорошо работают пока не все, но ученые в очередной раз доказывают, что знание физики может приносить практическую пользу, делая чище природу, давая свет с теплом, когда они нужны, и позволяя не зависеть от капризов ветра и Солнца, которые как источники энергии, конечно, чисты, но уж больно непостоянны.

Все выпуски программы «Чудо техники».