Характеристики и сферы применения маховичных накопителей энергии

Последние достижения в нанотехнологиях и других направлениях хайтека сдвинули с места прогресс не только электрохимических накопителей энергии, чего следовало ожидать, но и механических, таких, как маховики.

Проблема безопасности маховиков была принципиально решена более полувека назад. В 1964 г. советский инженер Нурбей Гулиа предложил вместо цельнолитой конструкции, которая могла на больших оборотах разлететься на крупные куски и порушить всё вокруг, использовать барабан, изготовленный из композитных материалов, например, намотанный из тонких слоёв стальной ленты, витков стекловолокна или углеродных композитов.

Конструкция Н. Гулиа получила название супермаховика. При превышении допустимых оборотов он разрушается лишь частично, отделившиеся куски внешних слоёв обмотки тормозят барабан, предотвращая уничтожение всей конструкции.

«Супер» и «сверх»

Помещать супермаховик в вакуумированную камеру и использовать магнитную подвеску начали уже давно. В последнее время разработчики пробуют применять подвеску на основе сверхпроводящих электромагнитов и изготавливать накопительный барабан из материалов, полученных с помощью нанотехнологий.

В 2015 г. в Японии был создан маховичный накопитель мощностью 300 кВт, способный запасать 100 кВт-ч электроэнергии. Его барабан при диаметре 2 м имеет массу 4 тонны, скорость вращения достигает 6000 об./мин. Особенность конструкции -несущий подшипник включает две сверхпроводящие обмотки.

Накопительный элемент собран из девяти колец 10-сантиметровой толщины, у которых внутренний диаметр равен 1,4 м, внешний -2 м. Подобная конструкция позволяет регулировать ёмкость, меняя число колец. В кольцах намотаны нити, особым образом сплетённые из углеродных волокон.

Сверхпроводящие магниты из высокотемпературных сверхпроводников второго поколения на основе иттрия работают при температуре -223 °С. Сегодня описанная система проходит испытания на фотоэлектрической солнечной станции мощностью 10 МВт в японском местечке Комекураяма (префектура Яманаси).

Максимум скорости

Кинетическая энергия вращающегося тела (постоянной формы) пропорциональна его массе и квадрату скорости вращения, поэтому разработчики маховичных накопителей не особо гонятся за массой, предпочитая добиваться как можно больших оборотов. Для этого нужно при намотке роторов супермаховиков использовать самые прочные композитные материалы.

Boeing. В 2012 г. её инженеры сумели получить линейную скорость обода супермаховика 800 м/с. На тот момент мировой рекорд для малых тестовых систем составлял 1405 м/с. Не менее важно, что инженеры Boeing с помощью сверхпроводящих электромагнитов смогли замедлить «саморазряд» накопителя до скорости, характерной для электрохимических систем, см. рис. 1.

По замыслу инженеров Boeing, энергокомпаниям будут предлагаться контейнерные системы ёмкостью 2 МВт-ч, составленные из линейки малых маховиков по 100 кВт-ч каждый. Серийно производимые накопители для энергетических предприятий будут стоить около 100 долл. за киловатт-час ёмкости.

Инженерные решения

Маховичные накопители энергии первого поколения начали поставляться ещё в 1990-х годах и до сих пор предлагаются на рынке. Технология доказала свою эффективность, если закрыть глаза на необходимость раз в 2-3 года менять подшипники качения, останавливая накопитель на целую рабочую смену.

За последние два десятилетия разработчики маховичных накопителей предложили ряд интересных технологических решений, например, сделали вакуумный насос частью системы. Компания POWERTHRU (шт. Мичиган) использует для этого патентованный молекулярный насос с геликоидом (тонкой спиральной канавкой), находящимся непосредственно на валу маховика внутри его корпуса.

В конструкции POWERTHRU (см. рис. 2) сам маховик и мотор-генератор заключены в общий вакуумированный корпус, при этом электрическая машина компактно поместилась внутри кольца маховика. Колесо из композитного материала, включающего прочные углеродные волокна, вращается со скоростями от 30 до 53 тыс. об./мин.

Один модуль системы POWERTHRU имеет сравнительно небольшую ёмкость - 528 Вт-ч (при номинальной мощности 190 кВт она расходуется всего за 10 с), но ёмкость может быть увеличена параллельным соединением нужного количества модулей. Ток «зарядки» накопителя можно ограничить программным способом.

В прошлом номере «Энерговектора» отмечалось, что на мировом рынке промышленных систем хранения вперёд вырываются электрохимические решения, то есть аккумуляторные батареи. Тем не менее маховики имеют перед ними ряд преимуществ. Это высокое количество циклов «заряд-разряд», отсутствие деградации характеристик со временем и простота измерения оставшегося заряда. Теоретически, маховик из высококачественных углеродных нановолокон (однослойных графеновых трубок) способен обеспечить высочайшую плотность энергии - 53,4 кВт-ч/кг, - далеко обогнав всех соперников по этому показателю, но на практике гра-феновые трубки пока слишком дороги. При применении
однослойных графеновых трубок более низкого качества плотность энергии падает на порядок, а при применении многослойных - ещё в несколько раз.

Свои ниши

Как показывают исследования, маховики великолепно проявляют себя в случаях, когда требуется высокая мощность, а не ёмкость, то есть они конкурируют скорее с суперконденсаторами, чем с аккумуляторами. По всему миру разработкой маховичных накопителей занимаются более 25 научных коллективов, а производством - по крайней мере, 27 предприятий. Существуют коммерческие решения для транспорта с удельной мощностью 3,5 кВт/кг и удельной ёмкостью 6,4 Вт-ч/кг. Для сравнения: новейшая система рекуперации энергии для транспорта на основе суперконденсаторов имеет соответствующие показатели 1,7 и 2,3. В таблице приведены сравнительные характеристики трёх систем накопления энергии для электроприводного транспорта.

Зачастую основная задача маховиков - обеспечить «первую линию обороны» при отсутствии электроэнергии. Поскольку львиная доля перерывов в энергоснабжении приходится на кратковременные отключения (до 10 с), маховики экономят ресурс свинцово-кислотных батарей или дают время для запуска резервного дизель-генератора.

Ещё одна область применения - буферные накопители для повышения энергоэффективности электрических кранов, экскаваторов и других агрегатов, работающих с неравномерной нагрузкой. Например, крупные портальные краны зачастую питаются от собственной дизель-генера-торной установки. Её мощность обычно подбирают так, чтобы покрыть максимальное пиковое потребление, которое наблюдается довольно редко. В остальное время дизель-генератор существенно недогружен, что приводит к повышенному расходу топлива и снижению ресурса двигателя. Буферный накопитель в электрической системе крана берёт пиковую нагрузку на себя, тем самым выравнивая условия работы дизель-генератора, который, кстати, можно заменить на менее мощный.

В крановых системах сам накопитель подзаряжается от энергии, которая вырабатывается крановыми двигателями при опускании груза (рекуперация энергии груза). С учётом этого эффекта экономия дизельного топлива может достигать 30-35%.

* * *

Технологии производства супермаховиков на сегодня уже довольно зрелые: 500 накопителей установлены в автобусах Лондона (экономия топлива превысила 20%), 400 крупных маховиков по всему миру работают в энергетических сетях, выполняя задачи регулирования частоты, и многие тысячи задействованы в комплексных системах питания ответственного оборудования.

Константин СЕРГЕЕВ