5.3. Накопичувачі енергії

Основне завдання, яке вирішується застосуванням накопичувачів енергії - підвищувати коефіцієнт використання палива на ТЕС і АЕС шляхом вирівнювання графіка їх навантажень, а для малої енергетики, навпаки, створити умови для рівномірного забезпечення енергією споживачів при її нерівномірній генерації. Часто накопичувачі енергії стають трансформаторами, перетворюючи низькопотенціальну енергію у більш якісну або перетворюючи її з однієї форми в іншу [2,4].

5.3.1. Класифікація та основні характеристики накопичувачів енергії

Суть роботи накопичувача - створення запасу енергії для його пізнішого використання.

Наприклад, схема гідростатичного накопичувача (гідроакумулюючої електростанції (ГАЕС)), показана на рис.7.

П рацює ГАЕС так : вода у верхньому б’єфі – 1 має потенціальну енергію ρgh₁ і, обертаючи вал турбіни - 3, перетворює механічну енергію в електричну, яка приводить у рух гідропомпу – 4, подаючи воду у гідроакумулятор – 6 по трубі - 5. З гідроакумулятора - 6 вода трубою – 7 при необхідності знову подається на турбіну, яка з’єднана з генератором – 3. Електроенергія подається споживачам в години пік для компенсації нестачі потужності. Переважно вода у гідроакумулятор напомповується вночі, а використовується вдень. Така ГАЕС працює на Київській ГЕС, будується Придністровська. Ланцюг перетворення енергії в ГАЕС такий

, (5.10)

якщо η₁ = 0.90, то отримуємо, що загальний ККД ГАЕС

Коефіцієнт акумуляції ГАЕС 0.68, що цілком прийнятне за техніко-економічними умовами.

Накопичувачі енергії розрізняють за декількома ознаками:

• призначенням: автономні та стаціонарні;

• формою енергії, що накопичується: механічні, теплові, електричні;

• принципами роботи: електрохімічні, хімічні, фізичні, біологічні, природні, теплові.

Характеристики матеріалів, що можуть бути робочими тілами накопичувачів енергії, представлені у табл. 3 [5].

Таблиця 3.

Теплотехнічні характеристики матеріалів.

Теплоакумулюю-чий матеріал	Густина ρ, кг/м3	Питома тепло-ємність ср,кДж/ (кг · °С)	Теплопро-відність λ, Вт/(м · °С)	Об’ємна теплоакумулю-юча здатність при Δt = 20°С Qv, МДж/м3)	Маса, необхідна для акумуляції 1 ГДж теплоти при Δt = 20°С, V1ГДж, кг	Об’єм, необхідний для акумуляції ГДж теплоти при Δt = 20°С, V1ГДж, м3	Відносний об’єм ТАМ Vвідн, м3/м3
Вода	1000	4.19	0.6	83.80	11930	11.93	1.0
Камінь природний	3100	0.83	3…5	51.46	60240	19.43	1.63
Бетон (з легкими заповнювачами)	1000	1.04	0.35	20.80	48080	48.08	4.03
Залізобетон	2200	1.08	1.56	47.52	46300	21.04	1.76
Цегла	1700	0.83	0.75	28.22	60240	35.44	2.97
Деревина	800	1.55	0.21	24.80	32260	40.32	3.38
Сталь	7800	0.47	58	73.32	106380	13.64	1.14
Пісок сухий	1500	0.83	0.58	24.90	60240	40.16	3.37
Земля суха	1000..2000	0.83	0.17…0.58	16.6…33.2	60240	60.24…30.12	5.05…2.52
Галька	2640	0.86	1.7…4.0	45.41	58140	22.02	1.85
Рідкий натрій	960	1.26	67.5	24.19	38690	41.34	3.46
Евтектична суміш (46% NaNO3 + 54% KNO3)	1733	1.55	0.57	53.72	32260	18.62	1.56

Основні характеристики накопичувачів:

• питома потужність (на одиницю об’єму);

• питома енергія;

• питома вартість накопичувача (на одиницю енергії, кВт-год);

• час циклу "заряд-розряд";

• термін придатності;

• ККД перетворення енергії;

• характерний час саморозряду (час втрати 50 % енергії);

• безпека експлуатації;

• ф орма споживаної енергії;

• простота обслуговування.

На сьогодні найпоширенішими є системи акумуляції електричної енергії на базі електрохімічних акумуляторів типу кислотних свинцевих та лужних кадмієвих, а також електролізних (електрохімічні) генераторів водню. Поширеними також є теплові акумулятори, зокрема, зручні для збереження сонячного тепла.

Відомі також механічні акумулятори (кінетична енергія маховиків, потенціальна енергія стисненого газу, до них належать також гідростатичні акумулятори).

Промислові акумулятори на стисненому повітрі будуються на базі соляних копалень, порожнин, що залишилися на використаних нафтогазових родовищах та після забору води. Наприклад, біля м. Піттсфельда (США) створено повітряно-акумуляторну ГТУ. Ємність системи 2,8 ∙ 10⁶ м³ повітря, тиск – 2,1 МПа.

Такого ж типу накопичувачі працюють в Італії та у ФРН. Водяні акумулятори теплової енергії можна створити і для присадибного та домашнього господарства. Для цього достатньо мати стальну ємність на 2 – 5 м³ для акумуляції нічної електроенергії за дешевим тарифом [6], або сонячної , див. рис. 8.

Використовуються також електрохімічні генератори водню та кисню. Проте на сьогодні водневі акумулятори мають загальний ККД, рівний 60 – 63%, що нижче від 64 – 70% для ГАЕС.

Перспективними вважаються надпровідникові індуктивні накопичувачі (НПІН). Основні їх переваги:

• щільність енергії 10⁸ Дж/м³;

• ККД = 8%;

• висока швидкодія, широкий діапазон циклу "заряд – розряд", необмежена ємність.

В Японії розроблено НПІН з параметрами:

∆Е = 5 ГВт-год; L = 71,8 Гн; P = 1ГВт, ККД = 95%.