Получить энергию - всего лишь полдела. Сегодня ученые бьются над тем, как ее хранить
Альтернативная энергетика - тема популярная и снискавшая благосклонность властей по всему миру. Но у нее есть вторая сторона, о которой говорят гораздо меньше, - новые способы хранения энергии. Сейчас ветряки и солнечные батареи накапливают излишки электроэнергии в конденсаторах и аккумуляторах, однако это заметно удорожает и усложняет использование энергии солнца и ветра. Между тем ученые и инженеры разрабатывают множество интересных способов хранения электроэнергии, преобразовывая ее в химическую или механическую. Пока технологии «накопительства» минимум на шаг отстают от технологий генерации. Возможен ли паритет этих областей?
ЖИДКОВАТЫ ВАШИ БАТАРЕЙКИ...
Вопрос более рационального хранения энергии возник десятки лет назад, но ответы на него до сих пор неудовлетворительные. Традиционные электростанции - ТЭС, ГЭС, АЭС - работают в непрерывном режиме, а вот спрос на энергию, которую они поставляют, постоянно меняется, например в зависимости от времени суток и сезона. Куда девать излишки, чтобы генерирующие мощности не трудились вхолостую?
В числе хорошо освоенных технологий - сооружение гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС). Это системы, состоящие из двух бассейнов, один из которых расположен высоко над другим - скажем, в горах. Ночью, когда потребление энергии невелико, ее излишки используются для перекачивания воды в верхний бассейн. Днем, когда потребление достигает пика, поток воды можно пустить вниз, чтобы он заставил турбины крутиться и вырабатывать дополнительную энергию. Несмотря на удобство этого метода и его долгую историю (со второй половины XIX века в мире построено более 400 ГАЭС), он применим далеко не везде. Легко заметить, что лидеры в данной области - гористые страны вроде Испании (57% в балансе энергосистемы этой страны), Японии (49%) и Швейцарии (44%): инженеры используют для сооружения гидроаккумуляторов естественный рельеф. В России же такие электростанции дают лишь 0,57% энергии. «Центральный регион, где расположена крупнейшая в нашей стране Загорская ГАЭС, имеет равнинный рельеф, и для работы новых ГАЭС необходимо дорогостоящее возведение искусственных возвышенностей, - говорит кандидат геолого-минералогических наук Артем Лучинин. -Требуется и отчуждение обширных площадей под постройку бассейнов. А ведь обязательное условие для технологии сохранения энергии - ее экономичность».
Вот почему инженеры многих стран ищут альтернативу ГАЭС. Пусть даже с применением той же воды: эту дешевую и простую жидкость можно нагревать избыточной электроэнергией, перерабатывая ее в тепловую. Затем, помещая воду в своеобразный термос (правда, объемом в миллионы раз больше, чем тот, из которого мы пьем чай), можно по мере надобности получать из нее электроэнергию, освещая дома и заводы. При этом держать тонны кипятка можно и в естественных полостях. Так, в Швеции для краткосрочного хранения энергии (на неделю-две) горячую воду закачивают в подземные пещеры: и безопасно, и не требуется никаких наземных сооружений.
Там, где вода слишком дорогая, можно нагревать почти любые подручные материалы, например камень или бетон. И пусть их теплоемкость приблизительно втрое ниже, чем у воды, зато нагреваются они не до 100, а до 1200 °С! По этому пути пошел один из районов немецкого города Фридрихсхафена: солнечные батареи площадью более 4 тыс. кв. м, снабжающие электричеством 570 домохозяйств, используют лишнюю энергию для нагрева 12 тонн камня, которую в течение недели можно превратить обратно в электричество.
ДЕЛАЕМ МАХИ
Преобразование электрической энергии в механическую - привлекательный способ, ведь механическую можно хранить «на полке». Маховики, на которые обращен пристальный взгляд нынешних инженеров, - ровесники человечества: первые из них применялись в каменном веке, а в наши дни ими пользуются и дети. Еще в 1964 году советский инженер Нурбей Гулиа запатентовал супермаховик, предназначенный для хранения энергии. КПД таких конструкций очень высок - до 98%, они экологичные, долговечные и безопасные. Они способны собирать значительное количество энергии на единицу своего веса и даже заменили бы бензиновый мотор в некоторых транспортных средствах. Беда в том, что создать трансмиссию для них непросто. Эксперименты в этой области пока не увенчались успехом. А накапливать энергию для отдачи ее в электросети они могут. Интересную разработку предложил в этом году американский изобретатель и бизнесмен Билл Грей: его маховик Velkess (сокращение от Very Large Kinetic Energy Storage System - «очень большая система хранения кинетической энергии») имеет ротор из стекловолокна и функционирует в вакууме. Это снижает потери энергии на трение всего до 2% в сутки. Причем конструкция настолько безопасна, что не боится даже стихийных бедствий и вполне годится на роль аварийной батареи в случае таких серьезных катаклизмов, как ураган или землетрясение.
Впрочем, у всех подобных способов общая проблема - их непросто применять в крупных электросетях: дело не в технологиях, а в нежелании электрокомпаний их использовать. Доверия к альтернативным методам сохранения энергии пока нет: даже в США лишь несколько компаний сделали ставку на их масштабное внедрение. Наверное, сказывается инерция мышления - куда более мощная сила, чем работающая в маховиках физическая инерция. В ряде стран, где электросети в основном государственные, существует и юридический аспект. «В России, например, нет законодательной базы, которая позволяла бы отдавать сохраняемую альтернативными средствами энергию в общие сети», - отмечает генеральный директор ООО «НПО «Специальные технологии» Геннадий Тесленко.
Еще одна загвоздка - в монетизации: созданием и внедрением методов альтернативного получения и хранения энергии за рубежом занимаются технологические стартапы. У нас они не распространены: обычно требуются многие годы, чтобы вывести разработки на стадию продукта, а тем более убедить потенциальных клиентов в его рентабельности. В условиях, когда электросети контролируются государством, это, пожалуй, почти невозможно. «В России сейчас в основном развиваются компании, специализирующиеся на каких-то отдельных направлениях «зеленых» технологий - таких, как переработка, например», - говорит директор по программам «Гринпис России» Иван Блоков.
ДАЛЬШЕ В ЛЕС - БОЛЬШЕ ДРОВ
Но если все упомянутые методы альтернативного хранения энергии появились давно и инженеры работают лишь над снижением затратности их внедрения, то ряд других создаются буквально на наших глазах. И возможно, станут ключевыми в будущем. Тем более что у них есть важные плюсы, которыми не обладает большинство современных технологий преобразования энергии. Во-первых, они могут превращать вырабатываемое солнечными панелями или ветрогенераторами электричество в другой вид энергии прямо по ходу его производства, минуя стадию зарядки аккумуляторов. Во-вторых, эту энергию можно не конвертировать обратно в электрическую, поскольку она сохраняется, например, в виде биотоплива. «В настоящее время в мире есть ряд проектов, где биологи используют генно-модифицированные бактерии для направленного преобразования одних химических веществ в другие», - рассказывает гендиректор Института биомедицинских технологий Игорь Артюхов.
В прошлом году ученым Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе удалось вывести штамм бактерии Ralstonia eutropha H16, который питается муравьиной кислотой, вырабатывая при этом производные бутанола - углеводородное топливо. Изготовить муравьиную кислоту можно, пропустив электрический ток сквозь насыщенную углекислым газом воду. Методы хранения электричества путем его преобразования в химическую энергию уже применяются (например, проект Audi e-gas использует электричество от ветрогенераторов для синтеза метана), но, возможно, существуют и другие решения, которые окажутся еще экономичнее и удобнее.
Так, инженеры Мэрилендского университета задумали создать батареи... из дерева. Исследуя перспективную технологию натрий-ионных батарей, ученые обнаружили, что металлы и пластмассы, применяемые в традиционных аккумуляторах, не подходят для новых зарядных элементов. За несколько циклов использования батареи ее анод рассыпается в порошок из-за того, что ионы натрия с каждым зарядом увеличивают ее в объеме более чем впятеро. Таким образом, чтобы сделать батарею, нужен пластичный материал. Тут исследователи вспомнили про древесину: покрыв ее волокна слоем углеродных нанотрубок и молекулами олова, они сконструировали стабильную и долговечную (не менее 400 циклов) батарею. Емкость ее невысока: аккумулятора для смартфона из нее не выйдет, но дешевизна производства позволяет собирать целые склады «дров», сохраняющих энергию. Создаваемые и уже запущенные в промышленное использование способы хранения энергии сильно различаются между собой по принципу действия, удобству применения и рентабельности. И лишь в одном у их разработчиков нет сомнений: технологиям хранения энергии придется совершить собственную революцию, чтобы сделать альтернативные источники энергии эффективными, ведь их использование так или иначе упирается именно в эту проблему.
(с) Илья Носырев