Этот мир постоянно меняется. Огонь постепенно и настойчиво пожирает сибирские леса. Высокие температуры отмечаются в самых неожиданных местах планеты. Проблема углеродных выбросов в атмосферу постоянно нарастает. Нам некуда деваться. Планета у нас одна. И если мы хотим выжить в более или менее отдаленной перспективе, нужно менять модель своего поведения. Непременно нужно поэтапно отказываться от производства автомобилей, использующих ископаемые ресурсы в качестве топлива. Нет никаких сомнений, что будущее за электричеством. И его производство не должно зависеть от сжигания угля или продуктов переработки нефти. Нам будет нужно адаптировать свои нужды к использованию инновационной и чистой энергии. Необходимо активнее развивать возобновляемую и атомную энергетику. И продолжать пытаться приручить термоядерный синтез.
Что такое механическая батарея?
Одна из самых серьезных проблем, стоящих на пути перехода на электричество – хранение энергии. И в этом нам может помочь почти забытая технология из прошлого. Мощная. Безуглеродная. Долговечная. Это механическая батарея. Или, как ее часто называют, маховик.
Возобновляемая энергетика – вещь непредсказуемая. Да, Солнце может генерировать более чем достаточно энергии, чтобы питать всю нашу цивилизацию. И будет делать это еще миллиарды лет. Но мы пока не умеем эффективно улавливать и хранить эту энергию для использования в ночное время. То же можно сказать и о ветровой или приливной энергетике. Они часто не работают. И не могут быть включены или выключены в зависимости от наших потребностей. Эти естественные источники электричества однозначно должны быть дополнены системами хранения. Только так можно обеспечить бесперебойный и непрерывный источник энергии.
Да, избыточная энергия может храниться в обычных электрохимических литиевых батареях. Но производство таких батарей не является экологически чистым занятием. И может свести на нет смысл всех технологий по использования возобновляемых ресурсов. Они имеют ограниченный срок службы, и требует постоянной замены. К тому же, классические аккумуляторы страдают от снижения энергоемкости с течением времени. Что, в общем-то, быстро приводит к образованию множества трудно перерабатываемых отходов.
Но выход есть. Сегодня мы поговорим о совершенно новом (хорошо забытом) типе батареи. Она имеет огромную емкость, более экологична, чем существующие типы аккумуляторов, и пригодна для многократного применения без ухудшения характеристик в течение несколько десятилетий! А КПД подобного устройства достигает 95%!
Механическая батарея настолько мощна, что это обстоятельство вынудило в 90-х годах прошлого столетия автомобильную компанию Chrysler отказаться от создания гибридного гоночного автомобиля, известного как «Патриот». Автомобиль должен был иметь механическую батарею. Однако огромное количество энергии, хранящейся в ней, никак не получалось безопасно удержать.
Просто и надежно
Механическая батарея не очень сложна в производстве. И идея эта, в общем-то, не нова. Однако мощность подобного устройства просто поражает. Накапливает энергию оно за счет движения, а не за счет химических веществ. Все, что нужно сделать с подобным устройством – как следует его раскрутить!
Механические батареи состоят из маховиков, работающих совместно с двухфункциональным двигателем. Двигатель использует излишки электроэнергии из возобновляемых источников для раскрутки маховика. И эта энергия сохраняется как кинетическая. Потери энергии на трение сводятся к минимуму помещением маховика в вакуумную камеру и его левитации с помощью магнитов и специальных подшипников. Когда наступает момент получить энергию от маховика, двигатель переключается в режим генератора. И кинетическая энергия вращающегося колеса раскручивает ротор генератора. И тот начинает производить электричество.
Значение количества оборотов маховика в минуту говорит о количестве накопленной энергии. Маховики с небольшой скоростью вращения раскручиваются, как правило, до 10 000 об/мин. Но у них есть плюс – их можно изготовить из недорого материала. Например – стали. Системы с более высокой скоростью могут разгоняться до 100 000 об/мин. При этом не только сохраняется больше энергии, но и повышается эффективность устройства. Однако, с увеличением количества запасаемой энергии, возникает потребность в использовании специальных материалов. Они должны быть легкими и достаточно прочными, чтобы выдерживать огромные нагрузки. Использование неподходящего материала для производства маховика может привести к тому, что система полностью развалится. При этом высвободится огромное количество энергии в виде взрыва. Это будет очень опасно для всех, кто может находиться поблизости.
Прослужит долго
Использующая специальные материалы и магнитную левитацию, механическая батарея практически не требуют обслуживания. И может прослужить 20 и более лет. Маховики могут продолжать вращаться месяцами. В лабораторных условиях однажды маховик вращался 2 года без добавления дополнительной энергии в систему! Заряжать подобное устройство можно всего за минуты или даже секунды. Они очень неприхотливы. И могут работать в гораздо более широком диапазоне температур по сравнению с традиционными литий-ионными батареями.
Так в чем же проблема? Почему весь мир уже давно не перешел на использование подобных устройств? Дело в том, что хотя стоимость обслуживания этих батарей и может быть низкой, первоначальная стоимость их установки очень высокая. Отчасти из-за наличия специальных камер и магнитов. Просто сравните: к 2030 году ожидаемые затраты на установку систем с маховиком составят около 1000 долларов США за один кВтч. А для систем, использующих литий-ионные аккумуляторы цена вопроса – 77 долларов США за кВтч.
Самым разумным применением механической батареи является ее использование в качестве источника бесперебойного питания (ИБП). Для стабилизации электросетей и обеспечении энергией в периоды пиковой нагрузки.
Уже работают
На самом деле ИБП использует маховики для этих целей уже более 30 лет. Но именно в наши дни крупные корпорации начинают вкладывать миллионы долларов в новые исследования технологий механических батарей. Особенный интерес вызывает у исследователей использование подобных устройств в каких-то гибридных схемах, в которых маховики предполагается использовать в качестве дополнения к литий-ионным батареям.
Интересный факт – компания Amber Kinetics установила в Китае инновационные новые системы хранения энергии, в которых используется механическая батарея. Они работают с солнечными электростанциями в качестве стабилизаторов сети. С 2018 года эти системы уже накопили 75,6 мегаватт-часов электроэнергии! И все это с минимальным воздействием на окружающую среду!
Технологии возобновляемой энергетики продолжают развиваться. Интерес к системам с маховиками, несомненно, будет расти. Ведь они помогут нам собирать, хранить и перераспределять ветровую и солнечную энергию с гораздо большей эффективностью.
Мы живем в мире, где спрос на энергию и ее хранение становятся все более актуальными. Экологически чистые системы становятся для нас главным приоритетом. А это означает, что механическая батарея, одно из наших старейших и самых революционных изобретений, может спасти наш мир.