Наиболее эффективные способы аккумулирования энергии  и перспективы использования технологии аккумулирования  энергии в атомной отрасли

Нуждин В.Н., Просвирнов А.А., ВНИИАЭС

 

В последнее время в энергетике все большее внимание уделяется во­просам аккумулирования энергии. РАО ЕЭС России ввело отдельные та­рифы на электроэнергию при пиковых нагрузках и в остальное время.

По сути, речь идет о качестве вырабатываемой электроэнергии. АЭС не могут конкурировать в этом вопросе с тепловыми и газовыми электро­станциями, так как для АЭС имеются ограничения маневренных характе­ристик, в основном, связанные с требованиями сохранения целостности твэлов. С сентября 2006 года вводится понижающий коэффициент от стои­мости электроэнергии для электростанций, не участвующих в режиме об­щего первичного регулирования частоты (ОПРЧ) сети. Потери в не­сколько процентов (до 5% от стоимости вырабатываемой электроэнер­гии) очень существенны, если учесть, что станции борются за каждый процент повышения эффективности выработки электроэнергии. По мне­нию гендиректора концерна Росэнергоатом С.Обозова [15], «неудачная работа за одну неделю может списать все дополнительные доходы, накоп­ленные за полгода. ...Если мы не выполняем регулируемый договор и не­допоставляем энергию, то автоматически покупаем ее на рынке на сутки вперед, а там цены в 4-5 раз выше, а на балансирующем рынке цена мо­жет быть больше в 12 раз». Единственным выходом может служить уста­новка аккумуляторов энергии, которые будут выдавать энергию при пиковых нагрузках и аккумулировать электроэнергию в другое время суток и при спаде нагрузки, а также участвовать в режиме регулирования частоты в сети. До последнего времени приемлемым единственным типом аккумулирования считалась гидроаккумулирующая электростанция. Однако в последнее время многие фирмы, такие как Сименс,  Urenco Power Technologies (Великобритания), американская компания Beacon Power проводят исследования супермаховиков для этих целей. При этом эти фирмы используют накопленный опыт в области высокооборотных центрифуг для обогащения урана. По такому показателю, как удельная ем­кость энергии  (кВт*час/кг) супермаховики вышли на первое место. При этом их срок службы намного больше, чем, например, у батарей. На­пример, в Исследовательском центре имени Гленна и Космическом цен­тре Джонсона создана маховичная энергетическая установка для между­народной космической станции (МКС), заметно превосходящая использовавшиеся ранее никель-водородные аккумуляторы. Маховики могут запасать 5,5 кВт*ч энергии против 4,6 кВт*ч у электрохимических акку­муляторов, при этом срок их службы оценивается в 15 лет, а батарей - в 5-6лет[1].

С июля 2000 г. Siemens испытывает на одной из действующих линий трам­вая в Кёльне длиной 20 км опытный высокооборотный инерционный акку­мулятор энергии мощностью 600 кВт [1].

Супермаховик способен запасать больше энергии на единицу массы (5-15 МДж/кг или 1.4-4.17кВт*час/кг), чем все известные накопители энергии -  электрохимические аккумуляторы, конденсаторы, пружины... Это объясня­ется тем, что супермаховик можно разогнать до огромных скоростей, при­чём "зарядка" такого накопителя происходит очень быстро [2].

Супермаховик, изготовленный еще лет десять назад из обычного углерод­ного волокна в Л иверморской лаборатории в США имеет удельную энерго­емкость 0,5 кВт_ч/кг, что недостижимо пока для других накопителей энер­гии [12].

Компания Active Power выпускает накопители CleanSource, в которых махо­вики объединены с мотором/генератором в один агрегат [2]. Компания Active Power подписала OEM соглашение с GE в декабре 2005 года на внедрению ма­ховиков в источники бесперебойного питания, выпускаемые GE. Накопители энергии на базе маховиков обладают рядом существенных преимуществ перед химическими аккумуляторами: они более компактны, могут работать в широ­ком диапазоне температур, чрезвычайно надежны и не требуют ремонта в те­чение 15...20-летнего срока эксплуатации, имеют более высокий КПД [13].

Существуют следующие виды аккумулирующих систем [10,14]:

•   Pumped hydropower - гидроаккумулирующие станции;

•  Тепловые аккумуляторы;

•  Compressed air energy storage (CAES) - аккумулирование энергии с по­мощью сжатого воздуха;

•   Batteries - батареи;

•  Flywheels - маховики;

•   Superconducting magnetic energy storage (SMES) - аккумуляторы на .сверхпроводниках;

• Supercapacitors - суперконденсаторы.

•  Плазмсждные аккумуляторы

Гидроаккумулирующие станции (ГАС) используются с 1929 г. ГАС состоит из 2 больших резервуаров, разнесенных по высоте. Для аккумулирования энергии вода закачивается в верхний резервуар. Для выдачи энергии вода сливается в нижний через гидротурбину с генератором.

Аккумулирование энергии с помощью ГАС:

•  Требует, как минимум, 100 м подъема воды (разность высот резервуа­ров);

•  Требует искусственного водохранилища значительного объема на вы­соте или подземного водохранилища;

•  КПД гидроподъема и выработки электроэнергии относительно низкое.

Пневматические аккумуляторы. Compressed Air Energy Storage (caes) - акку­мулирование энергии с помощью сжатого воздуха: Caes использует непико­вую энергию для сжатия и хранения воздуха в воздухонепроницаемом под­земном резервуаре или пещере. При пиковой нагрузке запасенный воздух выпускается из пещеры и пропускается через турбину с генератором. В 1991 г., первый в США CAES мощностью ПО МВТ был построен в Mclntosh, Штате Алабама, Алабамским Электрическим Обществом и EPRI. В настоящее время, изготовители могут создать CAES системы в пределах от 5-350 МВТ. EPRI оценил, что больше чем 85% пещер США имеют геологиче­ские характеристики, которые можно приспособить для CAES.

Пневмоаккумуляторы - устройства, накапливающие газ и отдающие ее в моменты наибольшего расходования с преобразованием в другие виды энергии или без этого преобразования. В ракетной технике есть почти забы­тый (из-за того, что само устройство давно уже не применяется) термин воз­душный аккумулятор давления (ВАД) [14].

Химические аккумуляторы - устройства для получения электрического тока и напряжений в результате химической реакции, как правило, в груп­пе из однотипных батарей (многоразовых гальванических элементов), со­единенных электрически и конструктивно. В настоящее время широко ис­пользуются в аэрокосмической технике. Попытки улучшения энергомассо­вых характеристик этого типа аккумуляторов ведут многие электрические, электронные и автомобильные компании мира [14].

Маховики в настоящее время используются для множества побочных применений. Для хранения энергии исследования начаты сравнительно не­давно. Маховик состоит из махового колеса, которое вращается с очень вы­сокой скоростью и имеет связь с электрическим аппаратом, который может работать или как двигатель или как генератор. Использование магнитных подшипников и вакуумной камеры позволяет уменьшить потери энергии (потери не более 2%). Основные проблемы в прочности материала колеса, способного выдержать сверхвысокие скорости вращения.

Сверхпроводящие аккумуляторы - электронакопительные системы, со­стоящие из замкнутого проводника с нулевым со­противлением. Очевидный плюс этой системы - компактность, энергоем­кость, способность хранить энергию без потерь на протяжении сколь угод­но долгого времени, пока в проводнике будет сохраняться состояние сверх­проводимости. Учитывая, что в настоящее время широко производятся только холодные и теплые сверхпроводники (с хладагентами гелием и азо­том соответственно), надо добавить, что при длительном использовании та­кого аккумулятора понадобятся дополнительные расходы энергии на ох­лаждение сверхпроводников. Наилучшим вариантом, конечно же. было бы создание сверхпроводящего аккумулятора из горячих сверхпроводников, сохраняющих свои свойства при температурах +100-200 и выше градусов Цельсия. Работы по созданию таких материалов в настоящее время усиленно ве­дутся во всем мире [14].

Конденсаторные аккумуляторы - системы, накапливающие электричес­кие заряды по принципу работы конденсатора, состоящие из двух и более подвижных или неподвижных элек­тродов (обкладок), разделенных диэлектриком. Один из несомненных плюсов конденсаторов - способность выдать всю или часть запасенной энергии в самые короткие сроки, один из минусов - опасность непредвиденного пробоя, который при мгновенном выделении всей запасенной энергии будет сравним с взрывом. В перспективе конден­саторные батареи вполне могут значительно повысить свои энергомассовые характеристики - настолько, что станут вполне конкурентоспособными с любыми применяющимися аккумуляторами или даже превзойти их. Все зависит от того - сумеют ли современные ученые значительно повысить ем­кость конденсаторов за счет применения новых технологий, материалов и конструкцийШ4У

Суперконденсаторы находятся на самой ранней стадии развития в каче­стве технологии хранения энергии. Электрохимический конденсатор состо­ит из двух противоположно заряженных электродов, сепаратора, электро­лита и сборки. В настоящее время только маленькие суперконденсаторы в диапазоне семи - десяти ватт широко доступны для домашних электриче­ских устройств. Развитие конденсаторов большего масштаба было сосредо­точено на электрических транспортных средствах [24]. В настоящее время, для мощностей smal-масштаба (<250 kW), суперконденсатор является од­ним из самых многообещающих аккумуляторов.

Теплоаккумуляторы - устройства, накапливающие тепло, предназначен­ное для покрытия пиков тепловой нагрузки или для получения других видов энергии. Устройства такого типа эффективны в прямой зависимости от существующей в агрегате и вокруг его разницы температур. Тепловые акку­муляторы уже использовались на спускаемых аппаратах АМС "Венера-9" и других автоматических зондах для охлаждения аппаратуры [14].

В рамках Инновационного форума Росатома предлагался проект тепло­вого аккумулятора для блока АЭС с ВВЭР-1000. В настоящее время предла­гается схема отбора пара турбины на нагрев аккумулирующего вещества в период низкого энергопотребления и производство дополнительного па­ра на турбину от саккумулированного тепла в период пиковых нагрузок.

Последнее пятилетие происходят значительные изменения в автомобиль­ной промышленности. Год от года растут продажи гибридных автомобилей. По оценкам специалистов, через 10 лет на гибридные автомобили будет приходиться 37% мировых продаж автомобилей. Автомобильные гиганты тратят громадные средства для разработок электромобилей и водородных топливных ячеек. General Motors обещает переворот в автомобильной инду­стрии уже совсем скоро. Перевод парка автомобилей на электрический привод ограничивается на сегодняшний день только низкими удельными параметрами аккумуляторов энергии, в качестве которых на сегодняшний день используются только электрохимические батареи. Однако, если пред­ставить на секунду, что все водители авто пересядут на электромобили, это потребует примерно удвоения существующих на сегодня электрогенериру-ющих мощностей ТЭС и АЭС. Таким образом, атомная энергетика, заинте­ресована в этом процессе, так как дефицит электроэнергии подхлестнет развитие и атомной энергетики. Прямые разработки высокотехнологичны­ми предприятиями атомной промышленности перспективных аккумулято­ров энергии для электромобилей может качественно ускорить этот процесс и подстегнуть строительство новых блоков АЭС. Необходима также будет сеть заправочных станций, закачивающих электроэнергию в аккумуляторы электромобилей и гибридных автомобилей. Наиболее перспективными мо­гут быть разработки супермаховиков, как наиболее эффективных аккумуляторов по удельным параметрам. В атомной промышленности накоплен большой опыт по производству высокооборотных центрифуг для обогаще­ния урана, который может быть использован и для разработки перспектив­ных супермаховиков. В этом отношении атомная отрасль имеет некоторое технологическое опережение и высокий интеллектуальный потенциал пер­сонала по сравнению с другими отраслями, что может положительно ска­заться на конкурентной способности изделий на базе супермаховиков.

Аккумуляторы энергии на базе супермаховиков могут быть использованы для:

 • Аварийного электропитания систем безопасности АЭС и других промышленных объектов, требующих надежного резервирования электропита­ния;

•   покрытия пиковых нагрузок электросетей, участия в общем, первич­ном регулировании частоты (ОПРЧ) сети;

•  источника электропитания электромобилей; источника электропитания электропоездов;

•    источника электропитания водных судов и других транспортных  средств;   

•  источников бесперебойного электропитания в быту и промышленности. Американская компания Beacon Power, основанная в 1997 году, создала целую линейку тяжёлых стационарных супермаховиков, предназначенных для включения в промышленные энергосети [12].

Расчётный срок службы этой конструкции - 20 лет, диапазон рабочих тем­ператур - от минус 40 до плюс 50 градусов по Цельсию. Заявленная устойчи­вость системы к землетрясениям - 40 секунд без повреждений при силе толчков до 7,6 по шкале Рихтера.

В США, например, уже действует многомилли­онный рынок регулирования частоты тока в сети. Специализированные компании предлагают генерирующим компаниям услуги по регулированию частоты в сети. 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". Для АЭС и ТЭС гонять то "вверх", то "вниз" мощности энергетически невы­годно, а если говорить буквально о секундной оперативности в изменении мощности, то и попросту - невозможно. Для таких услуг Beacon Power 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. 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 продолжительной суммарной 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. Уже в следующем году компания намерена построить полноразмерный образец Smart Energy Matrix. В планах компании - строительство целых стационарных комплек­сов по регулированию частоты сети (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 сети. 20-мегаваттный (по максимальной мощности, выдаваемой или, наоборот, впитывае­мой в течение 15 минут) регулирующий завод будет состоять 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.

Не надо также забывать, что в случае использования подобных аккумуля­торов для ОПРЧ блок АЭС будет работать в базовом режиме, а, следователь­но, с наивысшим коэффициентом использования установленной мощнос­ти (КИУМ). Установка 500 МВт аккумулирующих мощностей эквивалент­на строительству нового блока АЭС в 1000 МВт, а стоимость одного блока колеблется в диапазоне 1.5-1.6 млрд. долларов США [15]. Стоимость акку­муляторов оценивается на уровне 400-500 $/кВт установленной мощности [17], и это при сроке монтажа не более 3-4 месяцев.

С экономической точки зрения разработка кластеров массивных супер­маховиков, подобных разработкам Beacon Power, в нашей энергетике может принести значительную прибыль с учетом вводимого ограничения по тари­фам для АЭС и ТЭС, не участвующих в регулировании частоты сети. Не на­до забывать и о повышении надежности и безопасности оборудования АЭС—г-и ТЭС, при условии постоянной работы в базовом режиме без колебаний  | мощности. Перспективы для подобных разработок у нас есть: это приори­тет по патентам профессора Н.Гулиа и реальный опыт атомпрома при созда- ' ' нии высокооборотных центрифуг для обогащения урана. По заказу фирмы ' i Сименс Н.Гулиа испытаны магнитные подшипники для ротора весом 1.5 т.

Российские разработки в области высокооборотных центрифуг считаются одними из лучших в мире. В ЦНИИ «Дельфин», специализирующемся на разработке гироскопов с быстроврашающимся ротором для ВМФ, разрабо­тан виброустойчивый специальный гидростатический подшипник сколь­жения, выдерживающий 300 000 оборотов в минуту. Соединение этих со­ставляющих при соответствующем финансировании может создать условия для разработки в России супермаховика промышленного использования. Подобные разработки находятся на стыке сразу нескольких направлений техники, поэтому для решения проблемы требуется аналитическое руко­водство и планирование НИОКР на уровне отрасли.

Не надо забывать и о других приложениях подобных систем аккумулиро­вания, о которых говорилось выше (источники бесперебойного питания, источники аварийного питания, транспорт и т.д.). Так как количество акку­мулированной энергии в маховике пропорционально квадрату скорости, то выгоднее использовать легкий материал с высоким удельным сопротив­лением на разрыв. Идеальным материатом может быть паутина, как самый прочный известный в природе материал (наматывать маховик, как шпульку ниток). На базе нанотехологии разработано углеродное волокно невероят­ной прочности - на несколько порядков прочнее стали. Подобные разра­ботки открывают неограниченные возможности для кольцевых супермахо­виков с концентрацией энергии до 50 кВт*ч/кг и выше, что превышает по­казатели, например, водорода, как самого энергоемкого на сегодняшний день материала. Доведение до подобных параметров плотности энергии со­вершит переворот в энергетике и транспорте. Вполне возможно, что в буду­щем супермаховики будут основным конкурентом водородной энергетики, которой все прочат большие перспективы. При плотности энергии, сопос­тавимой с энергетическими источниками (бензин, пропан и даже водород) супермаховики можно перевозить, например, на транспорте, как перево­зится нефть или бензин в цистернах, или использовать, как мотор в транс­порте или как резервный источник электропитания.

ВВС США выделили деньги на разработку стартового комплекса запуска спутника с помощью магнитной пушки и систем магнитной подвески. Предполагается построить масштабный прототип системы с кольцом диа­метром около 50 метров. А в окончательном виде система должна представ­лять собой кольцо диаметром 2 километра с комплексом сверхпроводящих электромагнитов для удержания и разгона контейнера со спутником до ско­рости 10км/с [16]. Разгонное кольцо в этой системе, по сути, может служить прототипом кольцевого супермаховика, подтверждающим фактором техни­ческой возможности создания кольцевого супермаховика. Применение больших кольцевых супермаховиков для нужд аккумулирования энергии, вырабатываемой на АЭС и ТЭС, позволит перевести весь парк АЭС на ра­боту исключительно в базовом режиме, что, в свою очередь, позволит уве­личить коэффициент использования установленной мощности (К.ИУМ), повысить надежность и устойчивость работы АЭС, исключить потери на ба­лансирующем рынке и потери в виде штрафных санкций (до 5% от тарифа отпускаемой электроэнергии) за неучастие в ОПРЧ, выйти на рынок услуг по регулированию частоты сети не только в России, но и за рубежом. В на­стоящее время приложены большие усилия для подтверждения возможнос­ти топлива и другого оборудования АЭС работать в маневренном режиме. Однако, при комплексном и системном подходе к этой проблеме, возмож­ны другие более изящные и экономичные решения. Литература:

1.         «Аккумуляторы     энергии     в     тяговом     электроснабжении», International Railway Journal, 2001, №4, p. 42- 43.

2.         Б.Гармаев.  Электрические  мельницы прогресса,  или С мечтой о вечных аккумуляторах/ Компьютерра, 9 июня 2004 года.

3.         Flywheel Energy Matrix Systems - Today's Technology, Tomorrow's Energy Storage Solution. Alex Rojas, Group Leader. Applications Engineering, Beacon Power Corp. Wilmington, MA 01887.

4.         Megawatt-Level Energy Storage tor Distributed Generation/ Beacon POWER, Smart Energy Matrix, http://www.beaconpower.com/

5.        «Design and Testing of a Flywheel Battery for a Transit Bus», R.J. Hayes, J.P. Rajs. R.C. Thompson, J.H. BenoCenterfor ElectromechanicsThe University of Texas at Austin.

6.         Flywheels for Renewable Energy and Power Quality Applications, Energy Storage Association 2000 Annual Meeting. April 6, 2000 Donald A. Bender, Trinity Flywheel Power.

7.         Energy storage as an essential part of sustainable energy systems A review on applied energy storage technologies, Marco Semadeni, Centre for Energy Policy and Economics Swiss Federal Institutes of Technology, СЕРЕ Working Paper No. 24 May 2003.

8.         K. Halbach. Design of Permanent Multipole Magnets with Oriented Rare Earth Cobalt Material/Nuclear Instruments and Methods 169(1980), pp. 1-10. Science & Technology Review April 1996.

9.        Advances In Flywheel Energy Storage Systems. CleanSource™ system.

10.       Overview of energy storage technologies,

http://zebu.uoregon.edu/200l/phl62/append_overview.pdf#search=%22%22OVERVIEW%20OF%20ENERGY%20STORAGE%20TECHNOLOGIES%22%22

11.       DOE Superconductivity Program.

12.       Н.Гулиа. Супермаховики - из суперкарбона! ИР 12(672), 2005 г.

13.       http://www.lantree.ru/our_news/piece_of_news.html?id=2404&year=2006&vendorid

14.        http://kosmopoisk.org/superideas/showl.html

15.       С.Обозов. От масштабов задач откровенно захватывает дух/ «Ведо­мости», 27.09.2006.

16.       http://www.membrana.ru/articles/technic/2006/10/04/160900.html

17. Ali Nourai, "Comparison of the Cost of Energy Storage Technologies for T&D Applications", Based on EPRI-DOE Handbook of Energy Storage for T&D Applications, 2004, www.electricitystorage.org.