Во что можно преобразовать электрическую энергию

Тело человека — источник энергии. Есть шесть гуманных способов получить из него электричество

Ваше тело постоянно генерирует энергию: пока вы тренируетесь, потеете, работаете за компьютером, плачете из-за работы за компьютером или фильма про верного пса, гуляете с псом или без него и даже спите. Современная наука утверждает, что все это можно делать с двойной пользой, и предлагает ряд инновационных решений. Выясняем, насколько мир готов перейти на энергию, генерируемую человеческим телом.

Жара и холод

Наши тела поддерживают постоянную температуру 36,6 градуса — это оптимальный показатель для протекания химических реакций в организме. Чаще всего температура внутри человека отличается от температуры окружающей среды, и процессы генерации и отдачи тепла в теле регулируются. Примерно 75% производимой тепловой энергии рассеивается через кожу без пользы для человека.

Произвести электричество из тепла можно с помощью термоэлектрических генераторов. Такие устройства используют разницу температур между поверхностью кожи и окружающей средой: при этом не важно, где вы находитесь: в пустыне или на Северном полюсе. Чем больше абсолютная разница температур, тем больше электроэнергии вырабатывается — этот принцип называется эффектом Зеебека: если два провода из разных материалов замкнуть в электрический контур, а в местах соединения проводов поддерживать разную температуру, по этому контуру потечет электрический ток.

Мощность, с которой человеческое тело в состоянии покоя вырабатывает тепло, — около 80–100 ватт — это мощность примерно 12 светодиодных лампочек. При занятиях спортом выделение тепла усиливается, продолжается оно даже во сне, пусть и с меньшей мощностью — 60–80 ватт. Пока вы спите, браслет с термоэлектрическим генератором на запястье может преобразовать до 4,5% вашей тепловой энергии в электричество и накопить достаточно для зарядки смартфона. Будь такое устройство на руке у каждого из нас в течение 8 часов каждый день, тепло, вырабатываемое восьмью миллиардами жителей Земли, могло бы обеспечить до 25% потребляемой в мире электроэнергии.

Николай Киселев

ведущий специалист инжинирингового центра Российского экономического университета

В устройствах, основанных на термоэлектрохимических ячейках, как и у любых батареек или конденсаторов, есть электролит и электроды. Правда, КПД таких устройств пока не превышает нескольких процентов.

Вместо антиперсперанта — гидрогель и биотопливный элемент

Пот — это не просто соленая вода. В небольших количествах в нем присутствует лактат — продукт метаболизма, который при физических нагрузках выделяется из молочной кислоты в скелетных мышцах, затем попадает в кровь, органы и другие мышцы, где используется для накопления энергии.

Чтобы применить лактат для генерации электричества, ученые создали биотопливные элементы на основе углеродных нанотрубок . Устройство напоминает лейкопластырь с электродами, на поверхности которых — окисляющие ферменты. Электрохимические реакции между ферментами и лактатом в составе пота ведут к генерации электрического тока. Концентрация лактата в поте повышается при физических нагрузках, поэтому электроэнергию лучше запасать во время тренировок. Выходной мощности должно хватить для питания небольшой техники — наушников, электронных часов, фитнес-браслетов.

Во время отдыха тело человека тоже может побыть «электростанцией». Используя технологию окисления лактата, ученые создали маленькие пластины с гидрогелем и биотопливным элементом. Пластины крепятся на подушечки пальцев, где находится самая высокая концентрация потовых желез в человеческом теле. Скорость потоотделения на пальце достигает нескольких микролитров на квадратный сантиметр в минуту — в 2–3 раза быстрее, чем на других участках тела. Произведенной за восемь часов работы устройства энергии хватит, чтобы зарядить наручные часы.

Слезы, пролитые не напрасно

В слезах и слюне содержится лизоцим — фермент , который помогает разрушать стенки бактериальных клеток. Еще в 1965 году, до открытия пенициллина, Александр Флеминг исследовал потенциал этого белка в качестве антибиотика. В 2018 году лизоцим начали использовать для получения электричества. Для этого из кристаллов лизоцима создали пленку и зажали ее между двумя стеклами. Эффект, когда ток возникает при механическом воздействии на твердое тело, называется пьезоэлектрическим.

Лицозим — первый белок, используя который получили пьезоэлектричество. По эффективности кристаллы лицозима не уступают кристаллам кварца — известного пьезоэлектрика. Но, в отличие от минерала, лизоцим — биологический материал с противомикробными свойствами, и его можно использовать для биомедицинских устройств, таких как кардиостимуляторы.

В слезах есть и другие электрически перспективные вещества: глюкоза, молочная и аскорбиновая кислоты. Научный коллектив из России и других стран использовал эти соединения как топливо для умных контактных линз. В них встроены электрические сенсоры, измеряющие уровень сахара в организме. Для подпитки сенсоров ученые создали биотопливный элемент, который конвертирует аскорбат и кислород в энергию.

доктор химических наук

Мощность электрохимической ячейки очень мала — исходя из концентрации аскорбата и скорости слезотечения, она может составлять до 22,1 микроватта. Но этого достаточно для питания микро-датчика, особенно если увеличить размеры электродов , задействовав обе стороны линзы.

Электрическое сердце

Сердце окружено электромагнитным полем. Каждое сокращение мышечной ткани вызывает электрический импульс, который и фиксируют электрокардиограммы. Если ритм и скорость биения сердца нарушаются, это можно скорректировать имплантацией кардиостимулятора, который регулирует импульсы. Такое устройство состоит из микросхемы и аккумулятора, последний приходится заменять каждые 5–10 лет.

Бессрочным источником энергии может стать само сердце. Чип из наноразмерных слоев цирконата-титаната свинца — пьезоэлектрического материала — вживляется в сердце. С каждым его ударом вырабатывается электричество и накапливается в небольшой батарее. Опыты на крупных животных показали, что организм не отторгает чип.

«ГЭС» через кровоток

Кровь непрерывно движется по организму, проходя через капилляры, артерии и вены подобно реке с ее порогами и притоками. Если с помощью плотин люди конвертируют энергию падающей воды в электричество, то почему бы не установить миниатюрную «гидроэлектростанцию» в сосудах?

Модель подобной «плотины» разработали из волокон на основе углеродных нанотрубок. В экспериментах ее прикрепляли к электродам и погружали в раствор, имитирующий кровоток. При движении жидкости волокна помогали вырабатывать электричество подобно речным гидроэлектростанциям.

Энергия, которую можно услышать

Во внутреннем ухе млекопитающих находится естественный аккумулятор — ушная улитка, где генерируются крошечные электрические напряжения — 80–100 милливольт. Это эндокохлеарный потенциал, который обеспечивает работу волосковых клеток, воспринимающих звуки. Далее механическая энергия звуковых волн преобразуется в электрические импульсы, посылаемые в слуховой нерв мозга.

Для сбора электрической энергии разработали чип размером с ноготь. Его протестировали на внутреннем ухе морской свинки: мощность чипа составила около одного нановатта (одна миллиардная часть ватта) — это в миллион раз меньше, чем нужно для питания электронного имплантата, но работы по увеличению мощности продолжаются.

Использовать человеческие тела для электроснабжения городов пока не научились. Сначала, по мнению ученых, появятся самопитающиеся имплантаты и кардиостимуляторы: их энергетические запросы невелики. На клинические испытания и разрешение испытаний на живых людях потребуются годы. Энергоемкие устройства, накапливающие электричество от пота или тепла, еще долго будут слишком дорогими, чтобы обрести массовую популярность. Пока новая эра гибкой электроники не наступила, более 60% электроэнергии люди будут получать из ископаемого топлива, а хранить ее помогут привычные аккумуляторы и батарейки.

5 альтернативных способов получения электроэнергии

Сегодня все больше внимания уделяется вопросу получения электрической энергии альтернативными способами. Как получить электричество? Скоро человечество столкнется с проблемой дефицита нефти, газа и угля. Также возможны сокращения добычи урана, который используется на атомных электростанциях. Поэтому у нас возникает логичный вопрос: что мы будем делать дальше? Ведь без электричества в мире начнется полный хаос, так как все глобальные сети работают за счет потребления электричества. К чему может привести конец эры углеводородов?

5 способов получения электроэнергии

Решением данной проблемы ученые занимаются уже несколько десятилетий. Появляется все больше разработок, связанных с получением электрического тока из альтернативных источников. Некоторые из них используются человеком довольно успешно. Многие страны мира стали задействовать силы природы для преобразования их энергии в электричество. В новостях часто сообщается об открытии новых электростанций, которые работают с использованием силы ветра, отлива и прилива морей, солнечной энергии и других.

Но чтобы сократить потребление электричества и создать благоприятные условия для работы оборудования, человек использует трехфазный стабилизатор напряжения или бытовые стабилизирующие устройства. Это позволяет частично решать вопросы с перепадами напряжения в быту и на производстве, а также создает экономически выгодные условия его потребления. Мы начали уделять больше внимания экономии энергоресурсов и улучшению качества их потребления.

Наука не стоит на месте

Сегодня человечество разработало множество способов, как получить электрический ток за счет природных явлений. Мы решили рассказать сегодня про 5 способов вырабатывания электроэнергии, которые считаем необычными по той причине, что они не набрали достаточной популярности. Может, некоторые из вас скажут, что они являются экономически затратными и неэффективными, но это не говорит о том, что человечество от них откажется.

Эти инновационные способы в ближайшее время смогут использоваться человеком, как новые источники получения электрического тока. Даже с появлением нефти человечество считало этот природный ресурс неэффективным и неизвестным, но сегодня она используется во многих областях нашей деятельности.

Сегодня мы еще точно не можем сказать, чем человечество заменит привычные электрические источники. Возможно, один из способов, который мы опишем ниже, станет альтернативным.

Морская вода

Запасы соленой воды на планете просто огромны, поэтому ученые решили разработать электростанцию, которая будет работать на данном ресурсе. Единственная электрическая станция была построена в Европе фирмой Starkraft. Электрическая энергия добывается по технологии использования осмоса. Если говорить простым языком, происходит смешивание соленой и пресной воды, что приводит к образованию энергии из-за увеличения энтропии жидкостей. Данная энергия необходима для приведения в действие гидротурбин электрогенераторов.

Этот способ не такой эффективный, как атомные электростанции, но он не наносит большого вреда окружающей среде.

Топливные элементы

Сегодня также разработана электростанция, которая работает на элементах топливного типа, имеющая мощность до 0,5 ГВт. Работает она за счет горения топлива в элементе, который перерабатывает энергию тепла в электрический ток. По сути, это дизельный генератор, в котором не используется дизельное топливо и генератор. Электростанция не загрязняет окружающую среду, так как не выбрасывает в атмосферу продукты горения. Также такой источник получения электрической энергии имеет высокий КПД.

Термические генераторы

Для того чтобы получить электрический ток можно использовать энергию тепла. Этой теории уже больше 100 лет, но сегодня она стала популярной из-за большого применения технологий по энергетической экономии. Сегодня данный способ используют и в промышленных масштабах. Например, в коммунально-отопительных системах получают тепло и электроэнергию для своих нужд.

Пьезоэлектрические генераторы

Закон сохранения кинетической энергии стал основой работ для получения электричества в экспериментальных установках — пьезоэлектрических генераторах. Их применяют в качестве эксперимента в зонах большого передвижения людей, танцполах, на железнодорожных вокзалах и в метро. Есть даже идея создавать «зеленые» фитнес-центры и спортзалы, в которых посетители смогут своими действиями производить до 3,6 мегават электричества в год.

Наногенераторы

Вы знаете, что в организме человека происходят микроколебания, которые можно преобразовать в электрическую энергию? Для преобразования небольших колебаний в организме человека в электрический ток используются наногенераторы. Такие технологии можно применять для зарядки мобильных устройств. Любое движение человека можно использовать для получения электрической энергии. Сегодня существует много разработок, которые объединяют использование наногенераторов и солнечных батарей.

Ученые придумали, как получать электричество из громких звуков

Самарские ученые придумали, как преобразовать шум энергетических установок в электричество. Микроэлектростанции специалисты предложили ставить в выхлопных системах локомотивов и морских судов.

— Основной смысл нашей идеи — использовать энергию звуковых волн, которые распространяются в выхлопных системах различных энергетических установок — двигателей и компрессоров. Обычно для глушения шума в выхлопных системах используются различные методы поглощения энергии. Мы же предлагаем эту энергию утилизировать, использовать ее, тем самым мы одновременно уменьшаем уровень шума выхлопной системы и получаем из утилизируемых звуков дополнительную электрическую энергию, пусть и небольшую, но все же, — рассказал старший преподаватель кафедры теплотехники Самарского национального исследовательского университета имени С.П. Королева Артем Шиманов.

Уже сделан прототип установки. Это волновод — полипропиленовая труба длиной около трех метров, внутри которой находится пульсационная турбина с электрогенератором. К одному из концов трубы присоединен источник шума — сабвуфер мощностью порядка 80 Вт от обычной бытовой акустической системы. Внутри трубы разместили датчики, а к волноводу присоединили осциллограф (электронный прибор для измерения электрических сигналов в цепи и наблюдения за ними).

Поступающие в трубу звуковые колебания раскручивают турбину. Ученые измеряют давление в различных точках волновода и смотрят, как выстраиваются звуковые волны в зависимости от месторасположения турбины в трубе. Они стараются найти оптимальную точку с наибольшей степенью утилизации звука и выработки электроэнергии. Первые эксперименты продемонстрировали, что звук мощностью примерно 20 Вт раскручивает турбину до 13 тысяч оборотов в минуту. Это дает около 2 Вт электроэнергии.

Самарские ученые говорят, что разработка не только сделает в перспективе двигатели менее шумными и более безопасными для здоровья людей, но также шумоутилизатор уменьшит нагрузку на выхлопную систему двигателя. То есть, двигатели благодаря этому будут меньше по размеру и легче.

Исследования планируется завершить в 2021 году. Затем сделают уже металлический демонстрационный образец установки с волноводом и будут внедрять разработку на практике.

Запасаемся впрок

В 2021 году возобновляемые источники — ветер и солнечная энергия — обеспечили рекордные 10 процентов в мировой выработке электроэнергии. К 2026 году их совокупная мощность может увеличиться более чем на 60 процентов. Но отказаться от ископаемого топлива все еще не так просто. Если нефть и газ стабильно обеспечивают нас энергией, то, например, выработка гидро-, солнечных и ветряных электростанций во многом зависит от погодных условий. Устранить этот недостаток могут системы накопления и хранения энергии. Вместе с научно-просветительской платформой Homo Science рассказываем, какими они бывают.

Избавиться от метеозависимости

Представьте, что вы живете в доме, который питается исключительно от солнечных панелей. Они преобразуют энергию Солнца в электричество, не сохраняя ничего на будущее. В хорошую погоду такая система работает отлично, но наступает вечер, и ваше жилище вдруг оказывается обесточено. Еда в холодильнике портится, освещать комнату приходится с помощью свечей, а если у вас нет пауэрбанка, то нет и возможности зарядить смартфон или ноутбук.

Конечно, на самом деле в энергосистеме всегда есть резервные источники энергии — например, солнечную электростанцию без аккумуляторов можно использовать только в светлое время суток, а в отсутствие солнца пользоваться электричеством из городской сети. Однако это не решает глобальной проблемы: альтернативная энергетика по-прежнему сильно зависит от погоды. Между тем пик энергопотребления, как правило, наступает утром и вечером — как раз в отсутствие солнечного света. Миллионы людей встают по утрам на работу и включают электрические чайники, а вечером смотрят телевизор или проводят время за видеоиграми. Ситуация усугубляется осенью и зимой, когда солнце может быть скрыто за тучами почти целый день.

Компенсировать пиковые нагрузки можно с помощью невозобновляемых источников энергии — угля или газа. Но смысл альтернативной энергетики в том, чтобы научиться обходиться без них. Стоит учитывать и возможность сбоя в системе энергоснабжения. Что делать, если всю неделю стоит пасмурная погода, солнечные батареи вырабатывают мало энергии, а на электростанции как раз в это время произошел сбой?

На такой случай обеспечить дом светом могут системы накопления и хранения энергии. Они не только позволяют запасаться ею впрок, но и снижают нагрузку на электростанции. Накопители позволяют компенсировать недостатки возобновляемых источников, которые не производят энергию постоянно с одинаковой мощностью или именно в те периоды, когда это нужно людям, и больше полагаться на силу ветра и солнечный свет.

Накопительные системы устраняют необходимость одновременного производства и потребления энергии, а вот принципы их работы могут быть самыми разными.

Зарядить батарейку

Хранить энергию можно в химических связях, которые соединяют атомы в молекуле вещества. Уголь и нефть тоже в определенном смысле система хранения энергии, накопившейся за миллионы лет формирования месторождений. Однако у ископаемых источников энергии есть существенный минус: они исчерпаемы.

Этого недостатка лишены Солнце и ветер, а полученную с их помощью энергию тоже можно превратить в химические связи. Например, направить ее на электролиз воды, чтобы получить водород (эта технология так и называется — power-to-gas), который можно использовать в качестве топлива. Газ хранится в специальных резервуарах и высвобождается по мере необходимости. При сгорании водородного топлива получается вода, и, таким образом, цикл замыкается.

Еще один способ перевести энергию ветра или Солнца в химические связи — использовать перезаряжаемую аккумуляторную батарею. У литий-ионных аккумуляторов есть несколько преимуществ: они быстро производятся, эффективно хранят энергию и практически мгновенно выдают ее устройствам. Первые аккумуляторы корпорация Sony выпустила в 1991 году. С тех пор их емкость выросла практически в два раза, однако сейчас прогресс замедлился.

Как устроен аккумулятор? ↓

Любой аккумулятор состоит из двух электродов, содержащих окислитель и восстановитель, а также проводящей среды — электролита. В разряженном аккумуляторе электроды не взаимодействуют друг с другом, но под действием электрического тока приходят в неустойчивое состояние, приобретая избыточный окислительный и восстановительный потенциал. Электроды начинают взаимодействовать между собой, обмениваясь электронами, которые можно пустить по внешней цепи и использовать, например, для зарядки смартфона. В аккумуляторной батарее химические реакции обратимы. Это означает, что их можно использовать многократно.

Эксперты прогнозируют, что рынок литий-ионных аккумуляторов будет только расти: они не только используются в большинстве компактных гаджетов, таких как смартфоны и лэптопы, но также способны питать электромобили и хранить энергию для коммунальных предприятий. Поэтому крупные корпорации, в частности автоконцерны, все еще доверяют этой технологии и инвестируют в нее. Однако для таких целей требуются значительно более емкие аккумуляторы.

Такие устройства производит, например, Tesla: гигантский литий-ионный аккумулятор Megapack предназначен для хранения энергии на электростанциях и коммунальных предприятиях. Накопленная энергия расходуется в часы пиковых нагрузок. А компания Mercedes-Benz Energy разрабатывает похожие системы на основе отработавших аккумуляторов и запасных частей от электромобилей.

В 2022 году государственная корпорация Росатом приступила к строительству фабрики накопителей энергии в Калининградской области. Производство должно обеспечить литий-ионными батареями до 50 тысяч электромобилей, а также стационарные системы накопления энергии. На предприятии аккумуляторы будут делать с нуля: от смешения компонентов катодных и анодных масс до выходного контроля готовой продукции. Ожидается, что первые батареи сойдут с конвейера в 2025 году.

И все-таки литий-ионные аккумуляторы не идеальны. Они дорого обходятся в производстве и быстро деградируют, а еще чувствительны к повреждениям и высоким температурам. Это не только приводит к износу самих батарей, но и вызывает пожары, которые сложно тушить: их горение сопровождается бурной химической реакцией. Комиссия по безопасности потребительских товаров США сообщила, что за пять лет было зарегистрировано более 25 000 проблем, связанных с возгоранием или перегревом литий-ионных аккумуляторов.

Так, например, в 2016 году, через 2 месяца после старта продаж, компания Samsung отозвала более 2,5 млн смартфонов Galaxy Note 7 из-за многочисленных случаев возгораний и взрывов — ущерб составил примерно $5 млрд. Это произошло из-за неправильной конструкции аккумулятора. А в 2021 году на строящемся хранилище энергии в Австралии загорелся 13-тонный аккумулятор Tesla Megapack. Утечка в системе жидкостного охлаждения вызвала тепловой разгон внутри аккумуляторных модулей, что и привело к возгоранию.

Что такое тепловой разгон? ↓

В процессе зарядки аккумулятора электролит нагревается, что приводит к росту зарядного тока. При определенных условиях он может возрасти до значения, которое приближается к значению тока короткого замыкания, — это явление называется тепловым разгоном. Его вероятность возрастает, если нарушен теплообмен аккумулятора и окружающей среды. Стремясь не допустить возгорания батарей, компании добавляют в устройства системы, отслеживающие состояние аккумулятора.

Ученые и инженеры работают над устранением недостатков литий-ионных аккумуляторов. Например, учат их отключаться при чрезмерном нагреве, встраивают пламегаситель и пробуют использовать в качестве электрода не углерод, а кремний-углеродный нанокомпозит. Также разрабатываются литиевые аккумуляторы с твердым электролитом и быстрозарядные аккумуляторы из наноматериалов и органики.

Помимо литий-ионных аккумуляторов, существуют также свинцово-кислотные, натрий-серные, никель-металлогидридные, никель-кадмиевые и никель-железные батареи, натрий-ионные аккумуляторы, а также алюминиевые батареи, которые полностью заряжаются за 45 минут и не горят. Все они отличаются друг от друга сроком эксплуатации, устойчивостью к высоким и низким температурам и скоростью потери заряда, а также мощностью и энергоемкостью. Универсального накопителя нет — каждый из них лучше подходит под решение конкретной задачи.

Для стационарных аккумуляторов большой емкости создают проточные редокс-батареи. Это огромные контейнеры с электролитами: ванадием, соленой водой или раствором хлора или цинка, который пропускается через мембрану и создает электрический заряд. Редокс-батареи дешевле аккумуляторов, а их содержимое не заключено в единый корпус, как у аккумуляторов. Это позволяет изменять размеры резервуаров с электролитом, а также размеры модулей, преобразующих энергию химических веществ в электроэнергию, и гибко управлять мощностью и емкостью. Мощные проточные батареи сегодня используются в сочетании с солнечными и ветряными электростанциями.

Еще одна важная разработка — суперконденсаторы. Это устройство, состоящее из двух погруженных в электролит электродов и сепаратора, не допускающего перемещения заряда между электродами. Особенность суперконденсаторов заключается в том, что они способны заряжаться всего за несколько секунд или минут. Поэтому используют их там, где требуется большая мощность на небольшой срок: для запуска двигателя в автомобилях, чтобы снизить нагрузку на аккумулятор, в общественном транспорте (троллейбус может обходить на суперконденсаторе небольшие участки, где отсутствует контактная сеть) и в бытовой электронике — фотовспышках и автомагнитолах.

Преобразовать энергию

Но что, если обратиться не к химии, а к физике? Человечество придумало, как использовать для хранения электроэнергии гравитацию, энергию вращения и давление сжатого воздуха.

Плотина гидроэлектростанции (ГЭС) сохраняет потенциальную гравитационную энергию воды: накопленная в резервуарах жидкость сбрасывается с большой высоты и вращает лопасти генератора, который преобразует механическую энергию в электрическую. Более сложный вариант — гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС). Они позволяют более равномерно расходовать энергию в течение дня, снижая нагрузку на электросеть. В часы пиковой нагрузки затраты на получение энергии возрастают, а по ночам, когда энергопотребление низкое, энергия намного дешевле. По ночам ГАЭС получает из энергосети дешевую электроэнергию и расходует ее, перекачивая воду наверх с помощью насосов, а во время утреннего и вечернего пиков энергопотребления вода сбрасывается на лопасти генератора. Так вырабатывается дорогая электроэнергия, которая отдается в сеть.

ГАЭС хороши, когда надо обеспечить электроэнергией населенные пункты. Такие системы могут сохранять большие объемы электроэнергии в течение нескольких часов и в то же время не позволяют быстро забрать большое количество энергии, чтобы справиться с краткосрочным сбоем в сети.

Тем не менее в ближайшие годы использование ГАЭС будет расти. В США планируют превратить живописное водохранилище Сан-Висенте в Сан-Диего в гигантский «водяной аккумулятор». Китай расширяет свою сеть гидроаккумулирующих электростанций: в начале 2022 года заработала крупнейшая в мире ГАЭС в провинции Хэбэй, а к 2025 году собираются построить 200 насосных гидроэлектростанций общей мощностью 270 гигаватт. В России на данный момент действуют две ГАЭС: одна — в составе Каскада Кубанских гидроэлектростанций, другая — в Сергиево-Посадском районе Московской области. Еще четыре проектируются или уже строятся.

Помимо ГЭС и ГАЭС, гравитация также используется в железнодорожных накопителях. В начале 2022 года компания Fortescue Future Industries объявила о создании электрического поезда Infinity Train для перевозки железной руды. Его батарея будет перезаряжаться благодаря силе тяжести — иначе говоря, поезд будет служить гравитационным аккумулятором для самого себя.

Еще один способ сохранить электричество — преобразовать его в кинетическую энергию вращения массивного колеса (маховика). Когда энергию необходимо накопить, потребляющий электроэнергию от внешнего источника механизм разгоняет маховик. И наоборот: когда электрическая машина переходит в генераторный режим, энергия вращения маховика преобразуется в электрическую и отдается в сеть, а маховик при этом замедляется.

Наконец, в накоплении электроэнергии в больших объемах помогает давление сжатого воздуха. Дешевое электричество можно потратить, закачав воздух в специальный накопитель с помощью электродвигателя. Когда нужно получить электроэнергию, сжатый воздух выпускается из накопителя и вращает турбину генератора.

Энергию солнца можно также преобразовать в тепловую и сохранять в таком виде некоторое время. Удерживать энергию может, например, расплавленная соль. Сперва соль нагревают с помощью гелиостатов — сконцентрированных на солнце зеркал, которые собирают тепло солнечного света. Затем она направляется в резервуар и по мере необходимости приводит в действие парогенератор. Полученный пар вращает турбину, которая вырабатывает электроэнергию. Эта технология помогает подавать в дома электричество по вечерам.

Копить на будущее

По оценкам экономистов, к 2040 году мировой рынок систем накопления и хранения энергии (без учета ГАЭС) вырастет в 122 раза от уровня 2018 года, а их совокупная мощность превысит порог в 1000 ГВт, а энергия — 2,850 ГВтч. На сегодняшний день совокупная мощность систем хранения энергии в мире — примерно 150 ГВ·т.

Важнейшие параметры для накопителей — это коэффициент мощности, время заряда-разряда, продолжительность хранения и стоимость внедрения. Необходимо учитывать, что на поддержание их работы — сохранение подходящей температуры или преобразование энергии — также затрачиваются ресурсы. Поэтому наиболее перспективными сегодня выглядят именно электрохимические накопители. Другие варианты накопителей только разрабатываются, а если используются, то в экспериментальном режиме.

Проблема системы power-to-gas заключается в том, что во время электролиза теряется от 19 до 33 процентов энергии. Кроме того, электролиз — это довольно дорогой процесс. В частности, из-за того, что для уменьшения энергозатрат и ускорения реакции используются катализаторы на основе металлов платиновой группы, главным образом платины и палладия. Сегодня технологию power-to-gas целесообразно использовать только для долгосрочного хранения энергии. И наконец, перевозка водорода — также сложное предприятие, которое сопровождается риском утечек и взрывов при контакте с кислородом.

Как сделать технологию power-to-gas более доступной?

Корпорация Росатом ведет разработку новых электролизеров. В этих установках используется прочная матрица из особого материала, которая проводит анионы — отрицательно заряженные ионы ОН— — и тем самым позволяет снизить расходы на катализаторы. В 2023 году новые электролизеры планируют отправить на Кольскую АЭС, где появится испытательный комплекс производства водорода.

Кроме того, ученые изучают вещества, которые частично состоят из водорода и при этом легче транспортируются, например аммиак, который можно получить, соединив водород с азотом. Однако после транспортировки из аммиака необходимо будет вновь получить водород, а этот процесс требует дорогостоящих установок. Поэтому исследования продолжаются.

Компании со всего мира разрабатывают гибридные системы, которые объединяют преимущества и компенсируют недостатки разных типов накопителей. Например, в Нидерландах с 2020 года работают гибриды из литий-ионных аккумуляторов и маховиков от голландской компании S4 Energy. Как утверждают разработчики, использование литий-ионных аккумуляторов в сочетании с маховиками продлевает срок службы батарей как минимум до 15 лет.

Системы накопления энергии не новая технология. В конце концов, прототипы аккумуляторов появились еще в XIX веке. Однако накопители лишь относительно недавно стали достаточно эффективными, чтобы устранить характерные недостатки возобновляемой энергетики. Использование таких систем позволяет сокращать выбросы углекислого газа и расширять использование альтернативных источников энергии, а значит, приближает мир к экологичному будущему.

Хотите быть в курсе новых технологических прорывов в области энергетики? Присоединяйтесь к Homo Science! На этой научно-просветительской платформе ученые, эксперты и популяризаторы науки рассказывают удивительно интересно и просто о самых сложных научных темах.