Энергобалансирование: плотины или супермаховики?

В статье “Вперед у минуле. Чи потрібні Україні нові великі греблі” на Украинской правде поднимается важный и давно актуальный вопрос о балансировке потребления электроэнергии в пиковые периоды. Который предлагается решать средствами прошлого века – строительством новых плотин, которые, как показала практика, неприемлимы в экологическом отношении.

Тренд 21-века – демонтаж плотин в развитых странах, что является подтвеждением тому, что главной ценностью грядущего столетия является окружающая среда и ВОДА.

В нашей же стране отсутствие предпринимательской и инновационной инициативы порождает такие вот уродливые перекосы в промышленном развитии…

Суть проблемы в следующем:

Щовечора мільйони українців повертаються з роботи додому і вмикають чайники, освітлення, зігрівають їжу в мікрохвильових пічках. Синхронні дії величезної кількості користувачів різко збільшують споживання електроенергії. Енергетики називають це вечірнім піком.

Щоб забезпечити додаткову потужність на час вечірнього піку, диспетчери мережі використовують маневрові потужності — електростанції, що можуть швидко і в широкому діапазоні змінювати обсяг виробництва електроенергії.

До таких потужностей належать, зокрема, гідроелектростанції (ГЕС) та гідроакумулюючі електростанції ( ГАЕС). Саме вони дозволяють спокійно вмикати чайник увечері без остраху, що через нестачу потужності відключиться цілий район.

Вони також є резервом, який може швидко компенсувати раптовий дефіцит потужності в енергосистемі. Вони можуть швидко увімкнутися, якщо вийде з ладу якийсь енергоблок. Хоча кінцевий споживач цього не бачить, зупинка блоків електростанцій — не така рідкісна подія.

Радянське бачення енергетики передбачало активну побудову атомних електростанцій. Особливістю їх роботи є те, що вони дуже повільно нарощують або зменшують потужність, тому різкі маневри просто небезпечні.

Саме тому атомні електростанції не можуть збільшувати виробництво під час вечірніх піків і зменшувати його вночі, коли настає “нічний провал”.

“Зайву” електроенергію з атомних електростанцій вночі потрібно або використовувати, або накопичувати. Роль накопичення в Радянському Союзі відігравали ГАЕС. Останні не виробляють первинну електроенергію, а лише дозволяють накопичувати, зберігати та видавати енергію у потрібні моменти.

Зазвичай ГАЕС закачують воду вночі, коли споживання мінімальне та є надлишок електроенергії, а скидають в години пікового попиту — в ранкові та вечірні години.

В середньому ефективність ГАЕС становить 75%, оскільки в насосному режимі гідроагрегати споживають більше електроенергії, ніж продукують в генераторному режимі. В одному циклі чверть електроенергії втрачається, при цьому первинна енергія генерується на шкідливих для довкілля АЕС та вугільних ТЕС.

Основу гідроенергетики України становить каскад з шести великих ГЕС на Дніпрі: Київська ГАЕС, недобудований Дністровський гідроенерговузол у складі ГЕС-1, ГЕС-2 та Дністровської ГАЕС, а також Ташлицька ГАЕС на річці Південний Буг.

Все це залишилося у спадок від радянської індустріалізації. Будівництво великих ГЕС та ГАЕС тривало понад 50 років і було важливим елементом радянської енергетичної програми, орієнтованої на централізовану інфраструктуру.

Какая же есть альтернатива? А альтернатива есть! Элегантная, компактная и современная, особенно в условиях энергетической децентрализации и увеличения доли возобновляемой энергетики, для которой вопрос сохранения энергии даже более важный, нежели для сферы генерации.

Название этой альтернативе – СУПЕРМАХОВИК – компактный, экологически чистый накопитель электроэнергии кинетическим способом.

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.

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. 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.
Супермаховик способен запасать больше энергии на единицу массы (5-15 MДж/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.

Считается, что изобретателем данной технологии является Нурбей Гулия, российский учёный и изобретатель в области маховичных накопителей энергии, бесступенчатого механического привода, гибридных транспортных силовых агрегатов; популяризатор науки и техники. Доктор технических наук, профессор.

Родился Н.В. Гулиа 06.10.1939 года в г. Тбилиси. Там же закончил школу и Политехнический институт. Уже студентом имел научные труды и изобретения. В 1963 году Н.В. Гулиа поступил в аспирантуру в Москве и в 1965 году защитил кандидатскую диссертацию по использованию маховичного накопителя для землеройной машины – скрепера. Испытания, проведенные Н.В. Гулиа в 1964…65 годах показали, что с помощью маховика, изготовленного из колеса железнодорожного вагона можно добиться автономности работы скрепера без необходимого обычно трактора-толкателя. В мае 1964 года Н.В. Гулиа подает заявку на изобретение первого супермаховика – энергоемкого и разрывобезопасного маховика, в том виде, как он сейчас разрабатывается и используется во многих странах мира.

Солнце и ветер генерируют больше энергии, чем мы в состоянии потребить

Супермаховики – это не теория и не фантастика – это реальность уже сегодняшнего дня. Лет 8 назад, когда я впервые заинтересовался возобновляемой энергетикой, то столкнулся с главной ее проблемой: солнце и ветер генерируют больше энергии, чем мы в состоянии потребить. Проблема лишь в том, что нам негде хранить эту энергию, чтобы расходовать в удобном для нас режиме. Это аналогично проблемам большой энергетики, только с обратной стороны: там главная проблема – балансировка, а тут – аккумуляция. Тогда я начал изучать альтернативы и наткнулся на эти разработки, точнее – мне подсказали. С тех пор вот уже 6 лет мы работаем над прототипом компактного супермаховика.

Супермаховики уже активно разрабатываются и используются специализированными энергетическими компаниями. Наиболее известная из них – Beacon Power (США). Она занимается тем, что ВМЕСТО ПЛОТИН ГАЭС ставит подстанции на основе супермаховиков, которые накапливают энергию АЭС в период спада потребления и сбрасывают в периоды пика (утром и вечером).

Там уже поняли, что балансировка – это отдельная прибыльная ниша на энергетическом рынке, которая возникает на стыке генерации и потребления – они инвестируют и развивают данную сферу. И объем рынка растет!

VDC Research Group оценивает объем продаж ИБП мощностью 20.1 kVA и выше в $2.8 миллиарда в 2007. В 2012 году объем этого рынка уже $4.9 миллиарда. К 2012 году объем рынка, по данным аналитиков компании Frost&Sullivan, составил $8,55 млрд.

Американская компания Beacon Power, основанная в 1997 году, создала целую линейку тяжёлых стационарных супермаховиков, предназначенных для включения в промышленные энергосети. 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.

Есть и другие производители. Компания Active Power выпускает накопители CleanSource, в которых маховики объединены с мотором/генератором в один агрегат. Компания Active Power подписала OEM соглашение с GE в декабре 2005 года на внедрению маховиков в источники бесперебойного питания, выпускаемые GE.

POWERTHRU разрабатывает, производит и продает advanced комплексные системы накопителей энергии на базе супермаховиков для поддержания и стабилизации напряжения.

Другие производители, экспериментирующие с технологией супермаховиков: Urenco Power Technologies, Siemens, AFS Trinity.

Неужели эта такая супер-технология, которую наша страна не способна освоить, предпочитая тратить миллиарды гривен на строительство плотин, уродуя ландшафты и уничтожая окружающую среду?

Наша небольшая группка инженеров-энтузиастов собрала супермаховик в гараже и скоро мы приступим к испытаниям! Инновация заключается в том, что сам ротор размещается на магнитном подвесе и работает в вакууме, таким образом исключаются потери энергии, связанные с трением. Прототип уже почти готов и на этапе сборки для первичных испытаний.

Почему так долго? Приходится отвлекаться на то, чтобы зарабатывать деньги. Поэтому эту работу приходится делать во время в свободное от того, что приносит деньги, которые в том числе инвестируются и в данный проект. При надлежащем финансировании со стороны государства или какого-нибудь фонда, мы давно уже имели бы опытный образец, готовый к производству. Но увы, пока наше государство самоустранилось от наукоемких отраслей и идет по проторенному пути в ТУПИК.

Посмотрите на сравнительные характеристики, приведенные в таблице. Это приблизительные оценки. Цена может быть уменьшена (в украинских реалиях), а показатели улучшены.

Все существующие на рынке устройства-накопители на базе супермаховиков сегодня ориентированы на крупных промышленных потребителей, а также участников рынка электроэнергетики (Стоимость аккумуляторов оценивается на уровне 400-500 $/кВт установленной мощности. (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.)

Наша идея – в организации производства недорогих ИБП малой и средней мощности, ориентированных на широкий рынок, частный сектор и телекоммуникационный рынок.

Супермаховик, разрабатываемый в рамках данного проекта,относится к малому классу (при весе маховика 40-80 кг накапливаемая энергия порядка 20-32 квт/час). Масса накопителя около 250 кг, примерные габариты 0,8 (диаметр) х 1,5 (высота) м. Время реакции – доли секунды, при реализуемой мощности от 3-х киловатт.

Потенциальными потребителями могут быть также производители систем альтернативной энергетики (ветряки, солнечные батареи), предприятия нуждающиеся в бесперебойном питании (шахты, лифты, больницы и т.д.). Можно еще использовать разницу ночного и пикового тарифа на электроэнергию: потребители, которые используют много энергии (те же тепловые насосы для обогрева) могли бы использовать разницу ночного и пикового тарифа на электроэнергию, запасая энергию ночью и расходуя днем.

Мы так безнадежно технологически отстали, что элементы нашей конструкции планируется размещать на производствах в Китае, а окончательную сборку производить на Украине. Хотя ничто не мешает сделать производство полного цикла в нашей стране.

Да, и вот таким я тоже занимаюсь. Пишу не для того, чтобы там что-то продать. Мы продолжим, по мере возможности, наши работы. Пишу, чтобы еще раз акцентировать, что не все потеряно. Можно по другому. Можно правильно и эффективно. В нашей стране есть люди, который знают КАК. Но до них, увы, никому нету дела…

Статья на УП – https://www.epravda.com.ua/publications/2017/05/5/624513/

Напоследок еще одна цитата, чтобы понять всю гнилость, тупиковость и порочной нашей энергетической стратегии:

“За сорок років енергетична парадигма у світі докорінно змінилася: від екстенсивного нарощування енергоспоживання завдяки невідновлюваним джерелам (вугіллю, нафті, газу, урану) до енергоефективності, відновлюваних джерел та енергетичної децентралізації.

Однак попри політичні зміни, війну з Росією та задекларований курс на сталий розвиток енергетики в рамках договору про Енергетичне співтовариство з ЄС, уламки радянської енергетичної програми отримали друге життя.

У липні 2016 року уряд схвалив програма розвитку гідроенергетики України до 2026 року, яка передбачає будівництво каскаду ГЕС на верхньому Дністрі, добудову Дністровської і Ташлицької ГАЕС і навіть будівництво Канівської ГАЕС.

Масштаб інвестицій для реалізації цієї програми більший, ніж загальні інвестиції в енергосектор за всі роки незалежності.

Лише будівництво Канівської ГАЕС може коштувати 1,28 млрд євро, які пропонується залучати через кредити міжнародних банків під державні гарантії. За це заплатить український споживач електроенергії.

Ці витрати ляжуть в тарифи на електроенергію, і споживачі у своїх квитанціях протягом багатьох років будуть виплачувати не тільки вартість сумнівного проекту, а й відсотки за кредитами.”