Система накопичення енергії маховика, пояснення

ПАМ'ЯТАТИ
  • Маховик накопичує енергію, перетворюючи кінетичну енергію обертання в електрику і навпаки.
  • Збережена енергія зростає із збільшенням маси і пропорційна квадрату швидкості обертання.
  • Існує багато додатків для маховиків: регулювання частоти та підтримка напруги на електромережах, згладжування виробництва відновлюваної енергії, децентралізовані програми тощо.
  • Два найбільші об'єкти потужністю 20 МВт кожен знаходяться в США.
Резюме
  • Визначення
  • Операція
  • Програми
  • Основні гравці
  • Ключові цифри
  • Області застосування
  • Минуле
  • Сьогодення та майбутнє

Маховик - це система накопичення енергії у вигляді обертової кінетичної енергії. Він складається з маси, більшу частину якої порожнистий або твердий циліндр (але можливі й інші форми). Ця маса обертається навколо осі, зазвичай фіксується, і укладається в захисний кожух. Він підключений до електродвигуна/генератора, який перетворює кінетичну енергію в електрику і навпаки.

маховика

Цей механізм дозволяє накопичувати енергію:

  • на фазі накопичення двигун перетворює надходить електричну енергію в кінетичну енергію, що збільшує швидкість обертання маси;
  • у стаціонарній фазі, тобто щодо енергозбереження, швидкість обертання маси повинна бути постійною. Тоді споживана енергія мінімальна і лише компенсує втрати, пов’язані з тертям;
  • на фазі розкладання або відновлення генератор перетворює механічну енергію в електроенергію, тим самим сповільнюючи масу.

Зберігається енергія збільшується з масою і пропорційна квадрату швидкості обертання. Тому можливі дві "стратегії" зберігання. Вони відповідають двом типам маховиків, один з яких грає на масі, інший на швидкості:

  • низькошвидкісні маховики: це найбільш зрілі системи, вони залучають великі маси важких матеріалів, таких як сталь. Швидкість їх обертання менше 10000 об/хв (обертів на хвилину);
  • високошвидкісні маховики: вони використовують більш легкі матеріали, такі як вуглецеве волокно або скло. Вони мають швидкість обертання до 50 000 об/хв.

Вирішальним критерієм роботи маховика є здатність мінімізувати втрати енергії під час нерухомої фази. Для цього необхідно обмежити тертя, яке зазнає обертається маса. Серед використаних рішень можна назвати: використання високоефективних кулькових підшипників, закриття маси у вакуумній камері, магнітну підвіску маси тощо.

Іншим важливим елементом у виборі матеріалу для маси є її міцність на розрив. Насправді великі швидкості обертання спричиняють значні навантаження на маси, які, якщо вони погано розмірені, можуть зламатись, що спричинить негайне руйнування маховика.

Існує багато можливих застосувань для маховиків. Серед них:

  • регулювання частоти та підтримка напруги в електричних мережах: підтримувати частоту та напругу навколо середніх значень і в межах, визначених оператором мережі;
  • згладжування виробництва відновлюваних джерел енергії: компенсація коливань у виробництві електроенергії, пов’язаних з переривчастим перебігом джерела енергії (проходження хмари, закінчення пориву вітру тощо);
  • моніторинг навантаження: тимчасово підтримувати щоденні коливання попиту на електроенергію в електромережі, наприклад, на початку або в кінці години пік, в той час як великі режими виробництва запускаються або припиняються;
  • децентралізовані програми: оптимізація використання енергії шляхом відновлення енергії гальмування метро або потенційної енергії сили тяжіння кранів або гарантування джерела безперебійного живлення (ДБЖ), що полягає у забезпеченні реле між моментом аварії та початком спрацьовування аварійний генератор.

Американська компанія Beacon Power сьогодні вважається лідером ринку маховиків. Зокрема, компанія побудувала та експлуатує дві електростанції потужністю 20 МВт у США, призначені для регулювання частоти.

Сьогодні у світі існує близько десяти гравців. Тим не менше, ринок залишається досить сегментованим, при цьому різні гравці орієнтуються на конкретні регіони та/або додатки. Наприклад, Temporal Power орієнтована на Канаду для регулювання частоти або програм інтеграції відновлюваних джерел енергії. Інший приклад - компанія Active Power, яка має велику географічну присутність, але обслуговує лише ринки безперебійного живлення.

МЕА (Міжнародне енергетичне агентство) оцінює інвестиційні витрати маховика від 1000 до 4500 доларів за кВт-год. Ця початкова вартість висока в порівнянні з іншими технологіями (ціна літієвих батарей оцінюється в межах від 500 до 2300 доларів США/кВт-год). Проте це компенсується дуже низькими витратами на обслуговування та дуже довгим терміном експлуатації.

Також зауважте, що рентабельність маховика істотно залежить від передбачуваного застосування та його особливостей. Таким чином, в регулюванні частоти часто оцінюється наявна потужність, а не поставлена ​​кВт-год. Подібним чином, для деяких додатків вхідну енергію можна вважати "безкоштовною", оскільки вона втрачається в іншому випадку (наприклад, відновлення гальмівної енергії поїзда), тоді як в інших випадках це буде витратою.

Два найбільші об'єкти знаходяться в США - Стефенсон (штат Нью-Йорк) та містечко Хейзл (Пенсільванія). Ці дві установки мають потужність по 20 МВт кожна.

Застосування маховиків відбувається у всьому світі:

  • електростанція потужністю 5 МВт, призначена для згладжування вітроенергетики, була побудована в Канаді, Онтаріо;
  • Аеропорт Мехіко обладнаний системою безперебійного живлення з використанням маховиків;
  • Острів Кадіак на Алясці також обладнаний для стабілізації цієї ізольованої мережі;
  • в метро Ренна використовується рульове колесо масою 2,5 тонни. Відновлюючи енергію під час фаз гальмування (коли вона раніше розсіювалася у вигляді тепла), це дозволяє їй виділятися під час фаз прискорення, заощаджуючи таким чином близько 230 МВт-год на рік.

Концепція маховика бере свій початок з періоду неоліту (приблизно від -10 000 до -5 000 років до нашої ери), зокрема із використанням гончарних коліс (після того, як колесо було встановлено в обертання, воно продовжує обертатися за інерцією системи).

Тим не менше, перший справжній розвиток маховика як системи накопичення енергії датується промисловою революцією. Великі масивні маховики, зазвичай виготовлені з металу, використовувались для згладжування випуску парових машин, особливо на заводах. Деякі з цих рульових коліс працюють і сьогодні. У 20 столітті відбувся занепад маховиків, пов'язаний з досягненнями в електротехніці та використанням двигунів внутрішнього згоряння.

Другий бум маховиків припадає на другу половину 20 століття, коли питання економії енергії, згладжування відновлюваних джерел енергії та стабільності мереж вдосконалили цю технологію.

У період між 2011 і 2030 роками, за підрахунками, приблизно 330 ГВт збільшиться в майбутньому накопичувальних потужностей, приєднаних до електричних мереж (за винятком мобільних сховищ, таких як автомобільні акумулятори, телефонні батареї тощо), усіх технологій та розмірів накопичувачів разом узятих. Частка, зарезервована для малих та середніх додатків (що відповідає ринку, охопленому маховиками), становила б 141 ГВт, або 43% від загальної кількості.

Ці цифри слід порівняти із загальною потужністю зберігання енергії 141 ГВт у 2010 році, понад 99% якої надходить від STEP (насосні станції передачі енергії). Слід зазначити, що це переважання очисних споруд не обов'язково відображає привабливість технологій. ПСОВ, по суті, мають значну потужність, а тому, як правило, надмірно представлені в загальних порівняннях встановленої потужності порівняно з низькими та середніми енергетичними технологіями.

Ти знав ?

У 2009 році команди Ferrari та McLaren інтегрували маховик або SREC (систему відновлення кінетичної енергії) у свої машини Формули-1. Метою було відновити енергію під час гальмування та відновити її під час певних фаз прискорення.

Інтерес SREC полягає в більш інтенсивному прискоренні, ніж у необладнаних автомобілів. Недоліком є, крім витрат на розробку, вага системи, яка карає продуктивність автомобіля. Ця система, зокрема, дозволила Кімі Райкконен виграти Гран-прі Бельгії в 2009 році за кермом свого Ferrari.