Вращающаяся армия бережёт 60 герц стабильного электричества

С древнейших времён люди используют маховики. Хотя бы вспомним гончарный круг. В век машин маховики уже можно было встретить повсюду. Однако, если вы посчитаете, сколько энергии можно "втиснуть" в простой вращающийся диск — будете разочарованы. А уж мысль о том, что маховики могут накапливать многие гигаджоули в больших хранилищах, кажется нелепицей.

 

 

Или нет?

Окунувшись на минутку в историю маховиков, просто необходимо сказать "спасибо!" нашему соотечественнику. В 1964-м инженер и учёный Нурбей Владимирович Гулиа (ныне — профессор Московского государственного индустриального университета) изобрёл супермаховик: накопитель энергии, выполненный не из сплошного диска, а намотанный из сотен или даже тысяч слоёв тонкой стальной (позже — пластиковой) ленты и помещённый (для сокращения потерь на трение) в вакуумированный кожух.

Супермаховик может собирать большое количество энергии на единицу своего веса. Ведь определяются его энергетические возможности, в первую очередь, предельной скоростью вращения (во вторую — массой), а скорость как раз зависит от прочности выбранного материала.

	Профессор Гулиа, изобретатель супермаховика (фото с сайта msiu.ru).

Современные супермаховики, намотанные из углеродного волокна, показывают удельную ёмкость порядка 80-130 ватт-часов на килограмм, что, конечно, несколько уступает показателям лучших литий-ионных аккумуляторов. Зато накопители на маховиках имеют свои достоинства. Например – умеренную цену, превосходную долговечность и полную безопасность для экологии.

Ещё супермаховик может вращаться очень долго с минимальными потерями. И, наконец, супермаховик куда более безопасен при разрушении, чем целый диск. Собственно безопасность была одним из главных козырей идеи Гулиа, когда он заменил сплошной диск ленточным.

Сам Нурбей Владимирович ещё 30-40 лет назад вовсю экспериментировал с супермаховиками, в первую очередь, как с накопителями энергии для автомобилей и даже построил несколько образцов такого транспорта.

С маховиками в качестве накопителей энергии экспериментирует и NASA, в лице исследовательского центра Гленна. Интересно, что речь идёт не об аккумуляторах для космических аппаратов, а об источниках бесперебойного питания для зданий и лабораторий. На снимке — G2 Flywheel, 2004 год (фото NASA).

О применении супермаховиков в качестве гигантских аккумуляторов в энергетической отрасли – Гулиа тоже думал. Изобретатель, преподаватель и учёный занимается этой темой до сих пор. Ему принадлежит ряд патентов этой сфере (не считая, к слову, массы изобретений в других областях техники).

Однако идея-идеей, а до практики порой дистанция огромная. Особенно, если мы говорим о применении супермаховиков для хранения более или менее промышленных объёмов энергии и не в лабораториях, а в самых обычных действующих энергосетях. Слышали о таком? Правильно — это пока ещё большая редкость. Лишь в последние годы некоторые фирмы на Западе начали такую работу.

И вот теперь переместимся в США и в наши дни. Американская компания Beacon Power, основанная в 1997 году, сделала большой шаг в этом направлении, создав целую линейку тяжёлых стационарных супермаховиков, предназначенных именно для включения в промышленные энергосети.

Контейнер, который грузят на автомобильную платформу, это "очень большая батарейка". О её устройстве — ниже (фото Beacon Power).

Её накопители представляют собой цилиндрические ёмкости, высотой примерно по пояс человеку или по грудь (а следующие модели будут уже выше человека), внутри которых, на активных магнитных подшипниках, и подвешены супермаховики.

Выполнены они из огромного числа слоёв углеволоконного композита, так что могут раскручиваться до штатных 22,5 тысяч оборотов в минуту. Вес их, к слову, составляет сотни килограммов, а вместе с корпусом и прочей начинкой – более тонны (зависит от модели).

На стальном валу маховика, там же — внутри герметичного стального цилиндра, установлен ротор высокоэффективной обратимой электрической машины — мотора-генератора (она выполнена на постоянных магнитах), который и раскручивает маховик при приёме энергии и вырабатывает ток — при подключении нагрузки.

Вытянутые вверх цилиндры с цилиндрическими же маховиками внутри – передовые разработки Beacon Power (иллюстрации Beacon Power).

Расчётный срок службы этой конструкции — 20 лет, диапазон рабочих температур — от минус 40 до плюс 50 по Цельсию. Ещё заявлена устойчивость системы к землетрясениям — 40 секунд без повреждений при силе толчков до 7,6 по шкале Рихтера. Согласитесь, для химических аккумуляторов трудновато было бы обеспечить все эти показатели.

Самые свежие разработки компании: маховичные накопители Smart Energy 6 и Smart Energy 25, с объёмом накапливаемой энергии в 6 и 25 киловатт-часов соответственно, и с мощностью (которая может ими поглощаться или вырабатываться) в 2 и 200 киловатт (это максимум, номинал у этой модели — 100 киловатт).

Beacon Power сообщает, что потеря энергии, закачанной и позднее забранной из этих накопителей, составляет 2%, что заметно лучше, чем у систем хранения энергии, основанных на иных принципах (химические аккумуляторы, буферные водохранилища с насосами для подъёма воды и турбинами-генераторами). Понятно, что недели и месяцы порцию киловатт-часов в маховиках никто хранить не намерен, да это и невозможно. Речь идёт об их работе в качестве буфера, компенсирующего резкие пики и спады потребления в течение суток.

Устройство супермаховичного накопителя Beacon Power Smart Energy (иллюстрация Beacon Power).

Наборы из множества таких накопителей, включённых параллельно, могут впитывать приличные объёмы энергии, но главное — могут делать это очень быстро и столь же быстро — отдавать накопленное. И потому для Beacon Power единичные накопители – это промежуточный этап.

Теперь нужно сказать пару слов об экономике. Нам легко представить, что в условиях разветвлённых энергетических сетей и множества местных поставщиков энергии (как и обстоит дело в тех же США) развивается рынок электроэнергии.

Но куда менее известно, что там же действует и многомиллионный так называемый рынок регулирования частоты тока, которая, из-за потребителей то включающих, то выключающих всяческие лампочки с кондиционерами, имеет тенденцию прыгать в стороны от номинала (в США эта частота — 60 герц, но все модели накопителей Beacon Power, к слову, могут переключаться и на европейские 50 герц).

Поддержка частоты тока в заданных пределах – головная боль энергетиков (фотографии Beacon Power).

Проще говоря, энергокомпании, испытывающие проблемы с наличием и мгновенным подключением резервных мощностей в пики нагрузки и с проблемой "лишней" энергии в моменты спада потребления, заключают контракты с небольшими компаниями на услугу "регулирование частоты".

Дело в том, что промышленные генерирующие мощности, типа тепловых электростанций, гонять то "вверх", то "вниз" энергетически не выгодно, а если говорить буквально о секундной оперативности в изменении мощности, то и попросту – невозможно. Это не автомобиль, в котором стоит только нажать на педаль газа, и мотор резко набирает обороты.

Вот для таких услуг Beacon Power и предлагает применять целые кластеры маховичных накопителей с соответствующей управляющей электроникой, которые обладают высокой пиковой мощностью и могут очень быстро реагировать на скачки частоты в подключённой к ним сети.

Комплекс Smart Energy Matrix легко перевезти в нужное место. Для монтажа нужна маленькая свободная площадка и "пучок проводов" (иллюстрация Beacon Power).

Этот проект Beacon Power называется Smart Energy Matrix.

В конечном виде он будет представлять собой 18-тонный контейнер (морской, 30-футовый), содержащий 10 маховичных накопителей Smart Energy 25, с суммарной продолжительной мощностью в 1 мегаватт (на короткое время, в несколько минут, и до 2 мегаватт), и с накапливаемой энергией — до 250 киловатт-часов. Время реакции всей этой системы на уход частоты в подшефной сети – порядка 5 миллисекунд.

Реальные Smart Energy Matrix, правда, пока, размером поменьше, проходят сейчас испытания в городах Амстердам (штат Нью-Йорк) и Сан-Рамон (Калифорния). На снимке под заголовком и на кадре с погрузкой – именно эти экземпляры.

Первый образец Smart Energy Matrix, с семью накопителями (фото Beacon Power).

Каждая система представляет собой контейнер с 7 накопителями Smart Energy 6, суммарной пиковой мощностью в 100 киловатт (в течение 15 минут) и объёмом накапливаемой энергии в 42 киловатт-часа.

А в следующем году компания намерена построить полноразмерный образец Smart Energy Matrix.

Дальше – ещё интереснее. В планах компании – строительство целых стационарных комплексов по регулированию частоты тока (и поставке мощностей в пик нагрузки сети). Причём фирма намерена не только предложить такой продукт клиентам, но сначала построить в разных частях страны такие заводы для собственного владения. Beacon Power станет не только поставщиком оборудования, но и сама выйдет на рынок регулирования частоты тока.

	Frequency Regulation Plant – регулирующий частоту тока завод проекта Beacon Power (иллюстрация Beacon Power).

20-мегаваттный (по максимальной мощности, выдаваемой или, наоборот, впитываемой в течение 15 минут) регулирующий завод должен состоять аж из 200 супермаховиков. Их суммарный запас энергии составит 5 мегаватт-часов.

Поглощая или выдавая по первому требованию эти самые 20 мегаватт мощности, такое сооружение (занимающее, к слову, площадь всего в 20 соток, включая всё сопутствующее оборудование) способно обеспечивать 40-мегаваттную "вилку" в реагировании той или иной электрической сети на колебания в потреблении энергии.

При этом время полной реакции, то есть, время, требуемое на подключение в сеть всей своей пиковой мощности, у данного завода составит менее 4 секунд! Попробуйте-ка на традиционной электростанции добавить к выходу в сеть дополнительные 20 мегаватт за такое короткое время. Да и резкий спад нагрузки также для обычной сети неприятен.

Регулирующий завод изнутри (иллюстрация Beacon Power).

Время реакции традиционной электростанции и традиционной распределительной сети на резкий и сильный уход частоты в сторону от номинала составляет минуты. При этом работа автоматики, защищающей систему от перегрузок, повысит вероятность аварийного отключения потребителей.

Помните электрические "затмения" целых городов в Северной Америке, случившиеся из-за цепного отключения мощностей? Инженеры Beacon Power полагают, что постройка сети регулирующих заводов на основе обширных "парков" супермаховиков позволит значительно снизить вероятность повторения таких неприятных аварий.

В силу ряда особенностей устойчивость российской энергосистемы к колебаниям нагрузки заметно выше, чем у энергосетей США.

Но, пожалуй, удивительных кластеров массивных супермаховиков, подобных разработкам Beacon Power, в нашей энергетике не наблюдается по совсем иным причинам. Ситуация, когда идея рождается в нашей стране, а воплощается – на Западе, можно сказать, традиционная.

Обидно. За Гулиа.

Статья о науки и техники получена: Membrana.ru