Чистая энергия: можно ли сохранять тепло и электричество? Разбираемся

Почему в 21-м веке, после стольких лет разработок, мы до сих пор не перешли на модную чистую энергию из ветра, солнца, волн? Одна из ключевых проблем — как хранить добытое электричество? Потому что ветер и солнце то есть, то нет — и потребителям надо не тогда и не столько. Как ответ рождаются самые необычные системы хранения энергии.

В подмосковном доме у Сергея Комарова часто отключают свет — и он захотел подстраховки — поставил солнечные панели. А чтобы накапливать энергию и пользоваться ей не только в светлое время, приобрёл гелиевые аккумуляторы. Это разновидность свинцово-кислотных батареек, где электролит находится в гелеобразном состоянии. Но за 2,5 года свой ресурс они выработали.

Новые накопители выдерживают перебои уже 4 месяца, и Сергей надеется, что прослужат они дольше, хотя бы лет 5. Но и их потом придётся выкинуть и покупать новые. Да и дорого это. А как хранить энергию в масштабах городов и целых стран? Новые способы разделим условно на четыре группы, почти как стихии: вода, воздух, огонь и земля.

В Подмосковье под Сергиевым Посадом уже почти 40 лет работает гидроаккумулирующая станция. Её 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 трёхэтажный 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. 

Заместитель главного инженера по технической статье Загорская ГАЭС Александр Черномор рассказывает, чтогенерация идёт в течение дня, а ночной режим — насосный. Когда водяной аккумулятор разряжается, он вырабатывает 1200 мегаватт. Этого хватит, чтобы запитать 12 миллионов холодильников одновременно. Это, на сегодняшний момент, одно из самых дешёвых способов аккумулирования электроэнергии . И работа любой ГАЭС связана с тем, что она очень манёвренная. То есть от получения команды на пост генераторный режим до набора там мощности 200 мВт проходит буквально 1-2 минуты. В насосном режиме это порядка 8-10 минут. 

Коэффициент полезного действия у гидроаккумулирующей станции почти 90%. То есть при всех переходах теряется лишь десятая часть энергии. Но инженеры и экономисты всё равно считают — надо работать эффективнее. И, 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.

Менеджер по развитию компании-производителя инновационной жидкости для ГАЭС Лиззи Голд рассказывает, что состав этот — не опасный, ингредиенты можно найти в медицинской промышленности. Их используют и дают людям. 

Воду, кстати, можно использовать для хранения не только электрической, но и тепловой энергии. В этой модульной системе отопления для частных домов стоит теплоаккумулятор. Ночью вода нагревается электрическим котлом по дешёвому тарифу и хранится в большой изолированной бочке. Днём, когда цены на электричество возрастают, у вас уже есть запас подогретой жидкости. Она становится теплоносителем и нагревает в спиралевидной трубке другую воду, которая и попадёт в горячий кран.  

Инженер модульных систем отопления Иван Анисифоров поясняет, что бывают теплоаккумуляторы со встроенными внутренними баками, змеевиками и так далее. Потому что теплоаккумулятор вот, с одной стороны, мы его нагрели электрическим котлом, а днём мы его можем догревать тепловым насосом, геотермальным насосом из речки можем тепло брать, через теплообменник, её прогонять и догревать этот теплоаккумулятор, солнечные батареи и многие другие. 

На хранение энергии в жидкости делают ставку многие разработчики в разных странах. Но есть и другие, пожалуй, более бесшабашные идеи. Вот 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 — и он раскручивает турбину генератора. КПД здесь оценивают в 70 с небольшим процентов — зато, в отличие от жидкости, не нужны перепад уровней и большое количество воды. 

Вообще, конечно, сам принцип — хранить энергию в виде поднятой на высоту тяжести — знаком нам и в быту. Так же работают часы с маятником и гирьками. Которые поднимают, чтобы, условно говоря, зарядить механизм, и 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 её в сеть, груз медленно опускается и приводит в действие генератор. Проект только готовится к запуску. Но, по планам, ёмкость бетонного аккумулятора будет 100 мегаватт-часов, а КПД обещают до 80%. Почему не больше? 

Профессор-физик НИЯУ МИФИ Константин Катин поясняет, что всегда есть какие-то потери, есть какие-то вибрации, механизм, который поднимает ваш груз, он обязательно немножко трётся. Верёвка изнашивается, механизм нагревается, поэтому все 100% использовать, конечно, не получается скорее по техническим причинам. Мы могли бы сделать какую-то идеальную верёвку, идеальный груз и очень хорошую систему с высоким КПД, но она была бы такая, дорогая, что этот высокий КПД мог бы не окупиться даже за 100 лет.

Не всегда с новациями всё идёт 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, и 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 120 000 домов компания получила убытки в $47 000 000. Да и сам этот метод аккумулирования энергии многие эксперты критикуют.

По словам Константина Катина, должен быть постоянный надзор за температурой, чтобы она поддерживалась на нужном уровне. Может так оказаться, что энергия нам понадобится не в тот момент, когда изменится температура окружающей среды, а в какой-то другой, поэтому здесь такой способ накопления энергии он завязан на температурный режим, что не очень удобно.

Ну её, эту капризную соль, решили разработчики из Массачусетса. И создали батарейку, в которой, почти как в лампочке, накаливаются графитовые трубки. Новацию назвали солнцем в коробке. Как поясняет основатель одной из компаний Асеган Генри, у графита есть очень важное для нас свойство. Он остаётся твёрдым и прочным при очень высоких температурах: выше трёх тысяч градусов по Цельсию. 

И он 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 серьёзно снизить тарифы на электричество. Про КПД, правда, умалчивают.

А 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. А, когда нужно, он отдаёт тепло воде — и она поступает в местную систему отопления. КПД оценивают в 90 процентов. Пока песчаная батарейка работает только для обогрева домов. Но к 2026-му планируют модернизировать систему, чтобы часть сохранённого тепла превращать и в электричество.

И похожие проекты позволяют добиваться большой эффективности! Так, компания из Калифорнии заявляет, что у неё 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 1 500 градусов. Потом, когда требуется «разрядить аккумулятор», через печку пропускают воздух. Он нагревается, передаёт тепло трубе с водой, там образуется пар, а он крутит генератор.

Некоторые скептики ставят под сомнение такую высокую эффективность кирпичной батарейки. И мы решили проверить её сами. Правда ли система может быть так хороша? Наш эксперт, физик Константин Катин, демонстрирует теплоёмкость разных материалов: песка, металлической пластины, кирпича и воды. Посмотрим, что медленнее остынет. Всё нагреваем примерно до 80 градусов, оставляем на полчаса и смотрим результат: железо накопило очень мало тепла и успело охладиться до 32 градусов, гораздо лучше песок — 40 — и вода — 44 градуса. Но кирпич — просто чемпион.

 Температура кирпича — 70 градусов. Температура железной пластины — 32 градуса. Температура песка — 40 градусов. И температура воды — 44 градуса. 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 учёные 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.

Благодарим за помощь в подготовке выпуска:

• ПАО «РусГидро» и сотрудников Загорской ГАЭС – крупнейшей гидроаккумулирующей электростанции России — за помощь в создании. А также лично Александра Григорьевича Черномора за участие в съёмках.
• Владельца солнечных батарей Комарова Сергея за приглашение и демонстрацию аккумуляторов.
• Профессора НИЯУ МИФИ Константина Катина за участие в съёмке, профессионализм и преданность науке. 

Полный выпуск «Чуда техники с Сергеем Малозёмовым» от 3 ноября доступен по ссылке

Все полные выпуски программы «Чудо техники» находятся здесь