Jump to content

Гравитационная батарея

Энергия такого источника, как солнечный свет, используется для подъема массы, такой как вода, вверх против силы тяжести, придавая ей потенциальную энергию. Сохраненная потенциальная энергия позже преобразуется в электричество, которое добавляется в электросеть, даже если исходный источник энергии недоступен.

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 ]
Маятниковые часы, приводимые в движение тремя гирями, как «гравитационная батарея».

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]

Прототип Energy Vault высотой 60 метров в Арбедо-Кастионе , Швейцария, 2021 год.

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 ]
  1. ^ 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 .
  2. ^ 3,6 В и 2000 мАч, размер 18 на 65 мм, вес до 50 г.
  3. ^ Ширина 2,5 м, высота 4 м, длина 10 м, т. е. 100 м³.
  4. ^ «Цены на металлолом» . 20 октября 2020 г.
  5. ^ «Цены на литий-ионные аккумуляторы достигли рекордно низкого уровня — 139 долларов за киловатт-час» . 26 ноября 2023 г.
  6. ^ «Главная страница» .
  7. ^ «Энергодиаграммы» .
  8. ^ "Главная страница-рус" .
  9. ^ «Международное управление энергетической информации США» . Управление энергетической информации . Проверено 30 октября 2020 г.
  10. ^ «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.
  11. ^ «Насосная гидроэнергетика» . Ассоциация по хранению энергии . Архивировано из оригинала 24 января 2022 года . Проверено 16 ноября 2020 г.
  12. ^ «Насосно-аккумулирующая гидроэнергетика» . Energy.gov.ru . Проверено 16 ноября 2020 г.
  13. ^ «Отчет о насосных хранилищах за 2018 год» (PDF) . Национальная гидроэнергетическая ассоциация . 1 января 2018 года . Проверено 3 ноября 2020 г.
  14. ^ Jump up to: а б «Когда гравитация равна свету» . 3 июля 2018 г. Проверено 28 октября 2020 г.
  15. ^ Спектор, Джулиан (3 апреля 2020 г.). «5 наиболее многообещающих технологий длительного хранения, которые остались в силе» . Гринтек Медиа . Проверено 28 октября 2020 г.
  16. ^ Jump up to: а б «ЭнергияВолт» . EnergyVault: создание возобновляемого мира . Энергетическое хранилище. 2020.
  17. ^ 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.
  18. ^ «Революционная идея хранить зеленую энергию для сети» . Swissinfo.ch . 3 января 2020 г.
  19. ^ «Что такое «гравитационная система хранения энергии», которая привлекает внимание как недорогое средство хранения энергии?» . gigazine.net . 7 января 2021 г.
  20. ^ 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.
  21. ^ «Gravitricity празднует успех демонстратора накопителя энергии мощностью 250 кВт» . Портал солнечной энергии . 23 апреля 2021 г.
  22. ^ «Гравитационная батарея вырабатывает первую электроэнергию на площадке в Эдинбурге» . Би-би-си . 21 апреля 2021 г.
  23. ^ Эмброуз, Джиллиан (8 февраля 2021 г.). «Энергия: холмы Великобритании можно использовать в качестве энергетических «батарей» » . Хранитель .
  24. ^ «Главная страница RheEnergise» . www.rheenergise.com . Проверено 8 февраля 2021 г.
  25. ^ Мэсси, Натаниэль. «Хранение энергии выходит на рельсы Запада» . Научный американец . Архивировано из оригинала 4 декабря 2017 года . Проверено 31 декабря 2017 г.
  26. ^ Хеброк, Робин (16 октября 2020 г.). «Проект по хранению энергии начинает работу в Парампе» . Парамп Вэлли Таймс . Проверено 18 марта 2021 г.
  27. ^ Jump up to: а б говорит Лен Гардинер (20 февраля 2020 г.). «Что такое гравитационные батареи?» . Зеленый век . Проверено 29 октября 2020 г.
  28. ^ «Быстрое и долговечное хранилище энергии» . Гравитация . Проверено 28 октября 2020 г.
  29. ^ 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.
  30. ^ «GravityLight – свет от подъема гири» . дециватт.глобальный . Проверено 29 октября 2020 г.
  31. ^ «Гравитилайт» . Дециватт . Проверено 1 ноября 2020 г.
  32. ^ «Отчет о технологии хранения энергии и характеристике затрат» (PDF) . Министерство энергетики США . 1 июля 2019 года . Проверено 1 ноября 2020 г.
  33. ^ «Насосное гидроаккумулирование энергии – смета стоимости реальной системы» . Дивный новый климат . 5 апреля 2010 года . Проверено 16 ноября 2020 г.
  34. ^ «Накачайте хранилище | Посчитайте» . 15 ноября 2011 года . Проверено 16 ноября 2020 г.
  35. ^ 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 .
  36. ^ Онг, Сэнди (6 декабря 2019 г.). «Смешайте горы и гравитацию для долгосрочного хранения энергии» . IEEE-спектр . Проверено 16 ноября 2020 г.
  37. ^ 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.
  38. ^ «Поиск Google Ngram по популярности термина Gravity Battery» . Архивировано из оригинала 8 апреля 2020 года.
  39. ^ «Гравитационные батареи Роберта Мюррея-Смита» . Ютуб . 7 апреля 2020 г.
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 257e378246d2b13b0216cf5b23eb473a__1722749040
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/25/3a/257e378246d2b13b0216cf5b23eb473a.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Gravity battery - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)