Гравитационная батарея
Гравитационная батарея — это тип устройства хранения энергии , которое сохраняет гравитационную энергию — потенциальную энергию E , передаваемую объекту массой m , когда он поднимается против силы тяжести Земли ( g , 9,8 м/с²) на перепад высот. ч .
В обычном применении, когда возобновляемые источники энергии, такие как ветер и солнечная энергия , обеспечивают больше энергии, чем необходимо немедленно, избыточная энергия используется для перемещения массы вверх против силы тяжести для генерации гравитационной потенциальной энергии. Когда потребителям в конечном итоге требуется больше энергии, чем могут обеспечить источники, масса снижается, чтобы преобразовать потенциальную энергию в электричество с помощью электрического генератора . Хотя можно использовать твердые массы, такие как бетонные блоки, чаще всего производство гидроэлектроэнергии с помощью гидроаккумулирующих установок включает в себя перекачку воды на большую высоту и последующее направление ее через водяные турбины для выработки электроэнергии. [1]
Технический опыт
[ редактировать ]Старым и простым применением являются маятниковые часы , приводимые в движение грузом, который при движении 1 кг и 1 м может хранить около 10 Ньютон-метров [Нм], Джоулей [Дж] или Ватт-секунд [Вт], то есть 1/360 от ватт-час [Втч], в то время как типичная литий-ионная батарея 18650 ячеек [2] может удерживать около 7 Втч, то есть в 2500 раз больше при 1/20 веса. Человеку весом 100 кг пришлось бы подняться по лестнице высотой в десять этажей (25 м), чтобы соответствовать маленькому аккумуляторному элементу. 10-тонный Кинг-Конг , поднимающийся на 250-метровое здание и падающий, равен 7 кВтч гравитационной батареи , размеру небольшой батареи электрического мотоцикла или первой серии Tesla Powerwall домашней аккумуляторной батареи .
Использование груза размером с автобус [3] Изготовленный из железного лома весом 700 тонн, опущенный в шахту глубиной 1000 м , будет производить 1900 кВтч, но по цене более 100 долларов США. [4] за тонну железного лома будет стоить 70 000 долларов США, что уже в 2023 году позволит купить более 500 кВтч литий-ионных аккумуляторных батарей по 139 долларов США за кВтч. [5] [ сомнительно – обсудить ]
Чтобы бросить вызов химическим батареям на планете Земля, с g около 9,8 м/с² и перепадами высот, ограниченными горами или морским дном океана, можно масштабировать только массу, используя воду как минимум в двух озерах для гидроаккумулирующей гидроэлектроэнергии . Например, до 4 гигаватт-часов (ГВтч) энергии можно хранить на заводе в Маркерсбахе в Германии, который работает с 1979 года, используя два резервуара для воды емкостью более 6 миллионов м3 (6 миллионов тонн массы) с перепадом высот ( гидравлический напор) . ) 288 м (945 футов). Турбины могут перекачивать или генерировать мощность до 1045 МВт в течение нескольких часов, и обычно два полных цикла накачки-генерации в течение 24 часов. В Германии по состоянию на июнь 2024 года общая мощность гидроаккумулирующих электростанций может составлять 39 ГВтч. [6] при емкости аккумуляторной батареи более 14 ГВтч при установленной мощности [7] чуть менее 10 ГВт для каждого. Емкость 1,4 миллиона аккумуляторных электромобилей в Германии оценивается примерно в 102 ГВтч. [8] по состоянию на июнь 2024 г.; лишь немногие из них могут возвращать энергию в дом или в сеть.
Разработка
[ редактировать ]Самой ранней формой устройства, которое использовало гравитацию для приведения в действие механического движения, были часы с маятником , изобретенные в 1656 году Христианом Гюйгенсом . Часы приводились в движение силой гравитации с помощью спускового механизма, который заставлял маятник двигаться вперед и назад. С тех пор гравитационные батареи превратились в системы, которые могут использовать силу гравитации и превращать ее в электричество для крупномасштабного хранения энергии.
Первая гравитационная гидроаккумулирующая гидроэлектростанция (PSH) была разработана в 1907 году в Швейцарии. В 1930 году гидроаккумулирующие станции пришли в Соединенные Штаты благодаря компании Connecticut Electric and Power Company. По состоянию на 2019 год общая мировая мощность PSH составляет 168 ГВт (гигаватт). [9] В Соединенных Штатах мощность PSH составляет 23 ГВт, что составляет почти 2% системы энергоснабжения и 95% систем хранения энергии в коммунальных масштабах США. Аккумулирование электроэнергии на основе гравитации в настоящее время является крупнейшей формой сетевого хранения энергии в мире. [10] [11] [12] [13]
В 2012 году Мартин Риддифорд и Джим Ривз разработали первый действующий прототип GravityLight , небольшой гравитационной батареи, которая сейчас коммерчески доступна в некоторых странах. [14]
Energy Vault , швейцарская компания, основанная в 2017 году, хранит электроэнергию с помощью крана, который поднимает и опускает бетонные блоки. [15] [16] [17] В конце 2020 года прототип, построенный в Арбедо-Кастионе, использовал шесть кранов на башне высотой 110 метров для перемещения 35-тонных бетонных блоков мощностью 80 мегаватт-часов. [18] [19]
Компания Gravitricity, основанная в 2011 году Питером Френкелем , построила 15-метровый прототип гравитационной батареи мощностью 250 киловатт недалеко от Эдинбурга , Шотландия, которая начала опытную эксплуатацию и подключение к сети в апреле 2021 года. [20] [21] [22]
Механизмы и детали
[ редактировать ]Гравитационные батареи могут иметь разные конструкции и конструкции, но все гравитационные батареи используют одни и те же физические свойства для выработки энергии. Гравитационная потенциальная энергия — это работа, необходимая для перемещения объекта в направлении, противоположном земной гравитации, выражаемая уравнением
где гравитационная потенциальная энергия, это масса объекта, - ускорение свободного падения (9,8 м/с 2 на земле) и это высота объекта. Используя принцип работы-энергии , общее количество вырабатываемой энергии можно выразить уравнением
где общее количество вырабатываемой энергии и и представляют начальную и конечную высоту объекта. Изменение энергии напрямую коррелирует с вертикальным смещением массы; чем выше поднимается масса, тем больше гравитационной потенциальной энергии сохраняется. Изменение энергии также напрямую коррелирует с массой объекта; чем тяжелее масса, тем больше изменение энергии.
В гравитационной батарее масса перемещается или поднимается для генерации потенциальной гравитационной энергии, которая преобразуется в электричество. Гравитационные батареи накапливают гравитационную потенциальную энергию, поднимая массу на определенную высоту с помощью насоса, крана или двигателя. После того, как масса поднята, она теперь сохраняет определенную потенциальную гравитационную энергию, зависящую от массы объекта и от того, насколько высоко он был поднят. Сохраненная гравитационная потенциальная энергия затем преобразуется в электричество. Масса опускается и возвращается на исходную высоту, что заставляет генератор вращаться и вырабатывать электричество.
Виды гравитационных батарей
[ редактировать ]Большой масштаб
[ редактировать ]Гидроаккумулирующая гидроэлектроэнергия (PSH) является наиболее широко используемой и самой мощной формой сетевого хранения энергии. В PSH вода перекачивается из нижнего резервуара в верхний резервуар, который затем может быть выпущен через турбины для производства энергии. В альтернативном предложении PSH используется запатентованная жидкость высокой плотности. В 2 + 1 ⁄ 2 раза плотнее воды, что требует меньшего напора (высоты над уровнем моря) и, таким образом, уменьшает размер и стоимость необходимой инфраструктуры. [23] [24]
Железнодорожное хранение энергии — это концепция, в которой избыток возобновляемой энергии используется для движения тяжелых вагонов поездов в гору в периоды низкого спроса на энергию. Потенциальная энергия высвобождается позже за счет рекуперативного торможения , когда они катятся вниз по склону, действуя как гравитационная батарея. [25] Объект коммунального масштаба (50 МВт) под названием GravityLine начал строительство в октябре 2020 года компанией Advanced Rail Energy Storage, расположенной на гравийной шахте Gamebird Pit в долине Парамп , штат Невада , и планируется обеспечить до 15 минут работы при полной мощности. . [26]
Lift Renewable Energy использует гравитационную батарею. Для накопления энергии плавучие газовые баллоны опускают в воду с помощью лебедки, вода фактически поднимается на сотни метров. Затем цикл меняется на обратный, и по мере подъема газовых контейнеров вырабатывается электричество. Требуется относительно небольшая инфраструктура, батареи могут быть расположены вблизи крупных населенных пунктов, эффективность туда и обратно составляет 85+%, а система может быть построена в масштабе ГВтч. [ нужна ссылка ]
Технология хранения поднятого веса (LWS) использует избыточную энергию для механического подъема твердых грузов по вертикали, обычно на системе шкивов. Когда необходима дополнительная энергия, масса опускается, и шкив вращает генератор. [27]
EnergyVault разрабатывает систему LWS с использованием башни, построенной из 32-тонных бетонных блоков и уложенной 120-метровыми кранами. Ожидается, что одна коммерческая установка будет хранить 20 МВт-ч энергии, что достаточно для питания 2000 швейцарских домов в день. [16]
Система LWS компании Gravitricity, установленная в подземной шахте, использует электрическую лебедку для подъема груза массой от 500 до 5000 тонн, который при опускании вращает двигатель лебедки в качестве генератора. Система вырабатывает 10 МВтч, чего достаточно для электроснабжения 13 000 домов в течение двух часов. Вес также можно быстро сбросить для небольшого прилива мощности. [28] [29]
Малый масштаб
[ редактировать ]GravityLight — это небольшой светильник с гравитационным приводом, который работает, вручную поднимая мешок с камнями или песком вверх, а затем позволяя ему упасть сам по себе для выработки энергии. Он разработан как альтернатива для тех, кто не имеет доступа к электричеству и обычно использует керосиновые лампы , которые дороги, опасны и загрязняют окружающую среду. [14] [30] [31]
Экономика и эффективность
[ редактировать ]Стоимость гравитационных батарей зависит от конструкции.
Эксплуатация гидроаккумулирующей гидроэлектроэнергии обходится в 165 долларов США/кВтч, при этом приведенная стоимость хранения (LCOS) составляет 0,17 долларов США/кВтч. [32] [33] Насосы и турбины систем PSH работают с КПД до 90%. [34]
Ожидается, что демонстратор Gravitricity мощностью 250 кВт будет стоить 1,25 миллиона долларов, обещая срок службы 50 лет и эффективность 80–90%. [ нужна ссылка ] Сравнительный обзор предложения в 2018 году оказался положительным, учитывая увеличенный срок службы и соотношение затрат на электроэнергию. [35]
Гравитационные батареи могут сделать солнечную и ветровую энергию более жизнеспособными, поскольку они могут хранить избыточную энергию, которую они производят в часы пик, и распределять ее позже, когда это необходимо. [27] [36]
Воздействие на окружающую среду
[ редактировать ]Гравитационные батареи предназначены для использования в сочетании с решениями, использующими возобновляемые источники энергии , источники которых (солнечный свет, ветер и т. д.) часто меняются и не обязательно совпадают со спросом. Есть надежда, что они будут иметь более низкую долгосрочную стоимость, чем химические батареи, и при этом будут иметь меньше экологических проблем, чем другие традиционные решения для хранения энергии, такие как хранилища с перекачиваемой водой. Ожидается, что гравитационные аккумуляторные системы смогут быстро обеспечивать электроэнергию во время пикового потребления, что может позволить им дополнять или заменять пиковые электростанции, работающие на ископаемом топливе . Ожидается, что системы с одним весом смогут обеспечить полную выработку энергии менее чем за секунду. [20]
Среди низкоуглеродных методов длительного хранения энергии гидроаккумулирующие гидроэлектростанции имеют самую низкую текущую стоимость энергии, хотя ожидается, что в будущем литий-ионные батареи обгонят ее. [37] : 38 Считается, что гидроаккумулирующие гидроэлектростанции и другие методы длительного хранения несут меньшие риски для окружающей среды и безопасности по сравнению с аккумуляторной технологией, причем единственным ограничивающим фактором является геология. [37] : 45–47
Гравитационная (химическая) батарея
[ редактировать ]С 1870 по 1930 гг. [38] Термин «гравитационная батарея» использовался для описания набора популярных типов батарей, в которых гравитация использовалась для разделения химических компонентов в зависимости от их плотности. [39]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Чатурведи, ДК; Ядав, Шубхам; Шривастава, Таманна; Кумари, Танви (27 июля 2020 г.). «Система хранения электроэнергии: Гравитационная батарея» . Четвертая Всемирная конференция 2020 года по интеллектуальным тенденциям в системах, безопасности и устойчивом развитии (WorldS4) . Лондон, Великобритания: IEEE. стр. 412–416. дои : 10.1109/WorldS450073.2020.9210321 . ISBN 978-1-7281-6823-4 . S2CID 222137266 .
- ^ 3,6 В и 2000 мАч, размер 18 на 65 мм, вес до 50 г.
- ^ Ширина 2,5 м, высота 4 м, длина 10 м, т. е. 100 м³.
- ^ «Цены на металлолом» . 20 октября 2020 г.
- ^ «Цены на литий-ионные аккумуляторы достигли рекордно низкого уровня — 139 долларов за киловатт-час» . 26 ноября 2023 г.
- ^ «Главная страница» .
- ^ «Энергодиаграммы» .
- ^ "Главная страница-рус" .
- ^ «Международное управление энергетической информации США» . Управление энергетической информации . Проверено 30 октября 2020 г.
- ^ «Большинство гидроаккумулирующих электростанций в США были построены в 1970-х годах – Сегодня в энергетике – Управление энергетической информации США (EIA)» . www.eia.gov . Проверено 16 ноября 2020 г.
- ^ «Насосная гидроэнергетика» . Ассоциация по хранению энергии . Архивировано из оригинала 24 января 2022 года . Проверено 16 ноября 2020 г.
- ^ «Насосно-аккумулирующая гидроэнергетика» . Energy.gov.ru . Проверено 16 ноября 2020 г.
- ^ «Отчет о насосных хранилищах за 2018 год» (PDF) . Национальная гидроэнергетическая ассоциация . 1 января 2018 года . Проверено 3 ноября 2020 г.
- ^ Jump up to: а б «Когда гравитация равна свету» . 3 июля 2018 г. Проверено 28 октября 2020 г.
- ^ Спектор, Джулиан (3 апреля 2020 г.). «5 наиболее многообещающих технологий длительного хранения, которые остались в силе» . Гринтек Медиа . Проверено 28 октября 2020 г.
- ^ Jump up to: а б «ЭнергияВолт» . EnergyVault: создание возобновляемого мира . Энергетическое хранилище. 2020.
- ^ Келли-Детвайлер, Питер (14 октября 2019 г.). «Energy Vault получила от SoftBank 110 миллионов долларов за гравитационное хранилище энергии» . Форбс . Проверено 30 октября 2020 г.
- ^ «Революционная идея хранить зеленую энергию для сети» . Swissinfo.ch . 3 января 2020 г.
- ^ «Что такое «гравитационная система хранения энергии», которая привлекает внимание как недорогое средство хранения энергии?» . gigazine.net . 7 января 2021 г.
- ^ Jump up to: а б Мур, Сэмюэл К. (5 января 2021 г.). «Гравитационное хранилище энергии покажет свой потенциал в 2021 году» . IEEE-спектр . Проверено 9 февраля 2021 г.
- ^ «Gravitricity празднует успех демонстратора накопителя энергии мощностью 250 кВт» . Портал солнечной энергии . 23 апреля 2021 г.
- ^ «Гравитационная батарея вырабатывает первую электроэнергию на площадке в Эдинбурге» . Би-би-си . 21 апреля 2021 г.
- ^ Эмброуз, Джиллиан (8 февраля 2021 г.). «Энергия: холмы Великобритании можно использовать в качестве энергетических «батарей» » . Хранитель .
- ^ «Главная страница RheEnergise» . www.rheenergise.com . Проверено 8 февраля 2021 г.
- ^ Мэсси, Натаниэль. «Хранение энергии выходит на рельсы Запада» . Научный американец . Архивировано из оригинала 4 декабря 2017 года . Проверено 31 декабря 2017 г.
- ^ Хеброк, Робин (16 октября 2020 г.). «Проект по хранению энергии начинает работу в Парампе» . Парамп Вэлли Таймс . Проверено 18 марта 2021 г.
- ^ Jump up to: а б говорит Лен Гардинер (20 февраля 2020 г.). «Что такое гравитационные батареи?» . Зеленый век . Проверено 29 октября 2020 г.
- ^ «Быстрое и долговечное хранилище энергии» . Гравитация . Проверено 28 октября 2020 г.
- ^ Кропотин, П. (20 ноября 2023 г.), «Гравитационные системы хранения энергии с подъемом тяжестей» , Thermopedia , Begel House Inc., ISBN 978-1-56700-456-4 , получено 24 июня 2024 г.
- ^ «GravityLight – свет от подъема гири» . дециватт.глобальный . Проверено 29 октября 2020 г.
- ^ «Гравитилайт» . Дециватт . Проверено 1 ноября 2020 г.
- ^ «Отчет о технологии хранения энергии и характеристике затрат» (PDF) . Министерство энергетики США . 1 июля 2019 года . Проверено 1 ноября 2020 г.
- ^ «Насосное гидроаккумулирование энергии – смета стоимости реальной системы» . Дивный новый климат . 5 апреля 2010 года . Проверено 16 ноября 2020 г.
- ^ «Накачайте хранилище | Посчитайте» . 15 ноября 2011 года . Проверено 16 ноября 2020 г.
- ^ О'Нил, Нисан (23 апреля 2018 г.). «Являются ли гравитация и старые шахтные шахты следующим прорывом в области хранения энергии?» . Новости Имперского колледжа . Имперский колледж Лондона .
- ^ Онг, Сэнди (6 декабря 2019 г.). «Смешайте горы и гравитацию для долгосрочного хранения энергии» . IEEE-спектр . Проверено 16 ноября 2020 г.
- ^ Jump up to: а б Манн, Маргарет; Путче, Вики; Шрагер, Бенджамин (24 февраля 2022 г.). Сетевое хранение энергии: глубокая оценка цепочки поставок (PDF) (отчет). Министерство энергетики США . Проверено 6 августа 2022 г.
- ^ «Поиск Google Ngram по популярности термина Gravity Battery» . Архивировано из оригинала 8 апреля 2020 года.
- ^ «Гравитационные батареи Роберта Мюррея-Смита» . Ютуб . 7 апреля 2020 г.