Гравитационная батарея
Тип электрического накопителя

Энергия из источника, например, солнечного света, используется для подъема массы, например, воды, вверх против силы тяжести, давая 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 , сообщаемую объекту массой m , когда он поднимается против силы тяжести Земли ( g , 9,8 м/с²) на высоту, превышающую h .

В общем случае, когда возобновляемые источники энергии, такие как ветер и солнце, обеспечивают больше энергии, чем требуется немедленно, избыточная энергия используется для перемещения массы вверх против силы тяжести для генерации гравитационной потенциальной энергии. Когда в конечном итоге клиентам требуется больше энергии, чем могут предоставить источники, масса опускается для преобразования потенциальной энергии в электричество с помощью электрогенератора . Хотя могут использоваться твердые массы, такие как бетонные блоки, чаще всего гидроаккумулирующая генерация электроэнергии включает в себя перекачку воды на более высокие высоты и последующее направление ее через водяные турбины для генерации электроэнергии. [1]

Техническая подготовка

Маятниковые часы, приводимые в движение тремя грузами в качестве «гравитационной батареи»

Старое и простое применение — маятниковые часы , приводимые в движение грузом, который при массе 1 кг и перемещении на 1 м может хранить около 10 ньютон-метров [Нм], джоулей [Дж] или ватт-секунд [Вт·с], то есть 1/3600 ватт-часа [Вт·ч], в то время как типичная литий-ионная батарея 18650 [2] может хранить около 7 Вт·ч, то есть в 2500 раз больше при 1/20 веса. Человеку весом 100 кг пришлось бы подняться по лестнице на десять этажей (25 м), чтобы соответствовать маленькой ячейке батареи. 10-тонный Кинг-Конг, поднимающийся на здание высотой 250 м и падающий вниз, равен 7 кВт·ч гравитационной батареи , размером с небольшую батарею электромотоцикла или первую серию домашней аккумуляторной батареи Tesla Powerwall .

Использование груза размером с автобус [3] , сделанного из железного лома , весом 700 тонн, опущенного в шахту глубиной 1000 м , обеспечит 1900 кВт·ч, но при цене более 100 долларов США [4] за тонну железного лома, это будет стоить 70000 долларов США, что в 2023 году уже могло бы позволить купить более 500 кВт·ч литий-ионных аккумуляторных батарей по цене 139 долларов США за кВт·ч. [5] [ сомнительно – обсудить ]

Чтобы бросить вызов химическим батареям на планете Земля с g около 9,8 м/с² и перепадами высот, ограниченными перепадами высот гор или морского дна, можно масштабировать только массу, используя воду как минимум в двух озерах для гидроаккумулирующей электростанции . Например, на заводе в Маркерсбахе в Германии, который работает с 1979 года, можно хранить до 4 гигаватт-часов (ГВт·ч) энергии, используя два водохранилища емкостью более 6 миллионов м3 (6 миллионов тонн массы) с перепадом высот ( гидравлическим напором ) 288 м (945 футов). Турбины могут качать или генерировать до 1045 МВт в течение нескольких часов и, как правило, два полных цикла генерации насоса в течение 24 часов. В Германии по состоянию на июнь 2024 года гидроаккумулирующая электростанция может хранить общую энергию 39 ГВт·ч [6], в то время как аккумуляторная батарея составляет более 14 ГВт·ч, с установленной мощностью [7] чуть менее 10 ГВт для каждой. По состоянию на июнь 2024 года мощность 1,4 млн электромобилей в Германии оценивается примерно в 102 ГВт-ч [8] . Лишь немногие из них могут возвращать энергию в дом или в сеть.

Разработка

Самая ранняя форма устройства, которое использовало гравитацию для питания механического движения, были маятниковые часы , изобретенные в 1656 году Христианом Гюйгенсом . Часы работали от силы гравитации с помощью спускового механизма, который заставлял маятник двигаться вперед и назад. С тех пор гравитационные батареи развились в системы, которые могут использовать силу гравитации и превращать ее в электричество для крупномасштабного хранения энергии.

Первая гравитационная гидроаккумулирующая система (ГЭС) была разработана в 1907 году в Швейцарии. В 1930 году ГЭС пришла в США благодаря Connecticut Electric and Power Company. По состоянию на 2019 год общая мировая мощность ГЭС составляет 168 ГВт (гигаватт). [9] В США мощность ГЭС составляет 23 ГВт, что составляет почти 2% от системы энергоснабжения и 95% от общего объема накопления энергии в США. В настоящее время ГЭС с использованием ГЭС является крупнейшей формой накопления сетевой энергии в мире. [10] [11] [12] [13]

В 2012 году Мартин Риддифорд и Джим Ривз разработали первый функционирующий прототип GravityLight , небольшой гравитационной батареи, которая теперь доступна в продаже в некоторых странах. [14]

Energy Vault , швейцарская компания, основанная в 2017 году, хранит электроэнергию с помощью крана, который поднимает и опускает блоки бетона. [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, который начал пробную эксплуатацию и подключение к сети в апреле 2021 года. [20] [21] [22]

Механизмы и детали

Гравитационные батареи могут иметь различные конструкции и структуры, но все гравитационные батареи используют одни и те же свойства физики для генерации энергии. Гравитационная потенциальная энергия — это работа, необходимая для перемещения объекта в направлении, противоположном направлению силы тяжести Земли, выражаемая уравнением

У = м г час {\displaystyle U=mgh}

где - гравитационная потенциальная энергия, - масса объекта, - ускорение свободного падения (9,8 м/с 2 на Земле), - высота объекта. Используя принцип работы-энергии , общее количество вырабатываемой энергии можно выразить уравнением У {\displaystyle U} м {\displaystyle м} г {\displaystyle г} час {\displaystyle ч}

Δ Э = м г ( час 1 − час 2 ) {\displaystyle \Delta E=mg(h_{1}-h_{2})}

где — общее количество сгенерированной энергии, а и представляют начальную и конечную высоты объекта. Изменение энергии напрямую коррелирует с вертикальным смещением массы; чем выше поднимается масса, тем больше сохраняется гравитационной потенциальной энергии. Изменение энергии также напрямую коррелирует с массой объекта; чем тяжелее масса, тем больше изменение энергии. Э {\displaystyle E} час 1 {\displaystyle h_{1}} час 2 {\displaystyle h_{2}}

В гравитационной батарее масса перемещается или поднимается для генерации гравитационной потенциальной энергии, которая преобразуется в электричество. Гравитационные батареи хранят гравитационную потенциальную энергию, поднимая массу на определенную высоту с помощью насоса, крана или двигателя. После того, как масса поднята, она теперь хранит определенную гравитационную потенциальную энергию, основанную на массе объекта и высоте, на которой она была поднята. Затем накопленная гравитационная потенциальная энергия преобразуется в электричество. Масса опускается, чтобы упасть обратно на свою первоначальную высоту, что заставляет генератор вращаться и вырабатывать электричество.

Типы гравитационных батарей

Крупный масштаб

Гидроаккумулирующая электростанция (ГЭС) является наиболее широко используемой и самой мощной формой хранения сетевой энергии. В ГЭС вода перекачивается из нижнего резервуара в верхний, а затем может быть выпущена через турбины для производства энергии. Альтернативное предложение ГЭС использует запатентованную жидкость высокой плотности, 2+В 1 ⁄ 2 раза плотнее воды, что требует меньшего напора (высоты) и, таким образом, уменьшает размер и стоимость необходимой инфраструктуры. [23] [24]

Energy-store-by-rail — это концепция, в которой избыточная возобновляемая энергия используется для движения тяжелых вагонов в гору в периоды низкого спроса на энергию. Потенциальная энергия высвобождается позже с помощью рекуперативного торможения , когда они катятся под гору, действуя как гравитационная батарея. [25] Строительство объекта коммунального масштаба (50 МВт) под названием GravityLine началось в октябре 2020 года компанией Advanced Rail Energy Storage, расположенного на гравийном руднике Gamebird Pit в долине Пахрамп , штат Невада , и, как планируется, будет обеспечивать до 15 минут обслуживания при полной мощности. [26]

Lift Renewable Energy использует форму гравитационной батареи. Для хранения энергии плавучие газовые контейнеры опускаются в воду с помощью лебедки, вода фактически поднимается на сотни метров. Затем цикл меняется на обратный, и электричество вырабатывается по мере подъема газовых контейнеров. Относительно небольшая инфраструктура требуется, батареи могут быть размещены вблизи крупных населенных пунктов, эффективность кругового движения составляет 85+%, и система может быть построена в масштабе ГВт-ч. [ необходима цитата ]

Технология Lifted Weight Storage (LWS) использует избыточную энергию для механического подъема твердых грузов вертикально, обычно на системе шкивов. Когда требуется дополнительная энергия, масса опускается, а шкив вращает генератор. [27]

Прототип энергетического хранилища высотой 60 метров в Арбедо-Кастионе , Швейцария, в 2021 году

EnergyVault проектирует систему LWS, используя башню, построенную из 32-тонных бетонных блоков, сложенных 120-метровыми кранами. Ожидается, что один коммерческий блок будет хранить 20 МВт-ч энергии, что достаточно для питания 2000 швейцарских домов в день. [16]

Система LWS компании Gravitricity в подземной шахте использует электрическую лебедку для подъема груза весом от 500 до 5000 тонн, который при опускании вращает двигатель лебедки как генератор. Система вырабатывает 10 МВт·ч, что достаточно для питания 13 000 домов в течение двух часов. Груз также можно быстро сбросить для небольшого всплеска мощности. [28] [29]

Малый масштаб

GravityLight — это небольшой гравитационный светильник, который работает, вручную поднимая мешок с камнями или песком, а затем позволяя ему упасть самому, чтобы генерировать энергию. Он разработан как альтернатива для тех, у кого нет доступа к электричеству и кто обычно использует керосиновые лампы , которые дороги, опасны и загрязняют окружающую среду. [14] [30] [31]

Экономичность и эффективность

Стоимость гравитационных батарей варьируется в зависимости от конструкции.

Эксплуатация гидроаккумулирующей электростанции обходится в 165 долл. США/МВт·ч, а приведенная стоимость хранения (LCOS) составляет 0,17 долл. США/кВт·ч. [32] [33] Насосы и турбины систем PSH работают с эффективностью до 90%. [34]

Ожидается, что демонстрационный образец Gravitricity мощностью 250 кВт обойдется в 1,25 миллиона долларов, обещает срок службы 50 лет и эффективность 80–90%. [ необходима цитата ] Сравнительный обзор предложения 2018 года был благоприятным, учитывая увеличенный срок службы и соотношение стоимости электроэнергии к ее стоимости. [35]

Гравитационные батареи могут сделать солнечную и ветровую энергию более жизнеспособной, поскольку они могут хранить излишки энергии, которые они производят в часы пик, и распределять их позже, когда это необходимо. [27] [36]

Воздействие на окружающую среду

Гравитационные батареи предназначены для работы в паре с возобновляемыми источниками энергии , источники которых (солнечный свет, ветер и т. д.) часто изменчивы и не обязательно совпадают со спросом. Есть надежда, что они будут иметь лучшую долгосрочную стоимость, чем химические батареи, и при этом иметь меньше экологических проблем, чем другие традиционные решения для хранения, такие как хранение с помощью насосной воды. Ожидается, что системы гравитационных батарей смогут быстро обеспечивать электроэнергией во время пикового потребления, что может позволить им дополнять или заменять пиковые электростанции на ископаемом топливе . Ожидается, что системы с одним весом смогут достигать полной выработки электроэнергии менее чем за секунду. [20]

Среди низкоуглеродных методов долгосрочного хранения энергии гидроаккумулирующая электростанция имеет самую низкую текущую стоимость энергии, хотя ожидается, что литий-ионные батареи обгонят ее в будущем. [37] : 38  Считается, что гидроаккумулирующая электростанция и другие методы долгосрочного хранения имеют низкие риски для окружающей среды и безопасности по сравнению с технологией аккумуляторных батарей, при этом единственным ограничивающим фактором является геология. [37] : 45–47 

Гравитационная (химическая) батарея

С 1870 по 1930 год [38] термин «гравитационная батарея» использовался для описания ряда популярных типов батарей, в которых гравитация использовалась для разделения химических компонентов на основе их соответствующих плотностей. [39]

Смотрите также

На Викискладе есть медиафайлы по теме Гравитационная батарея .

Ссылки

  1. ^ Чатурведи, ДК; Ядав, Шубхам; Шривастава, Таманна; Кумари, Танви (27 июля 2020 г.). «Система хранения электроэнергии: гравитационная батарея». Четвертая всемирная конференция 2020 г. по интеллектуальным тенденциям в системах, безопасности и устойчивом развитии (WorldS4) . Лондон, Соединенное Королевство: IEEE. стр. 412–416. doi :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 менее 50 г
  3. ^ Ширина 2,5 м, высота 4 м, длина 10 м, то есть 100 м³
  4. ^ "Цены на металлолом". 20 октября 2020 г.
  5. ^ «Цены на литий-ионные аккумуляторы достигли рекордно низкого уровня в 139 долларов за кВт·ч». 26 ноября 2023 г.
  6. ^ "Главная страница".
  7. ^ "Энергетические диаграммы".
  8. ^ "Главная страница-eng".
  9. ^ "International - US Energy Information Administration". Energy Information Administration . Получено 30 октября 2020 г.
  10. ^ "Большинство гидроаккумулирующих электрогенераторов в США были построены в 1970-х годах - Today in Energy - Управление энергетической информации США (EIA)". www.eia.gov . Получено 16 ноября 2020 г. .
  11. ^ "Pumped Hydropower". Energy Storage Association . Архивировано из оригинала 24 января 2022 г. Получено 16 ноября 2020 г.
  12. ^ "Гидроаккумулирующая гидроэнергетика". Energy.gov . Получено 16 ноября 2020 г. .
  13. ^ "2018 Pumped Storage Report" (PDF) . Национальная ассоциация гидроэнергетики . 1 января 2018 г. . Получено 3 ноября 2020 г. .
  14. ^ ab "When Gravity Equals Light". 3 июля 2018 г. Получено 28 октября 2020 г.
  15. ^ Спектор, Джулиан (3 апреля 2020 г.). «5 самых перспективных технологий длительного хранения данных, оставшихся в живых». Greentech Media . Получено 28 октября 2020 г.
  16. ^ ab "EnergyVault". EnergyVault: Создание возобновляемого мира . EnergyVault. 2020.
  17. ^ Келли-Детвилер, Питер (14 октября 2019 г.). «Energy Vault получает $110 млн от SoftBank за гравитационное хранение энергии». Forbes . Получено 30 октября 2020 г. .
  18. ^ «Революционная идея хранения зеленой энергии для сети». swissinfo.ch . 3 января 2020 г.
  19. ^ «Что представляет собой «гравитационная система хранения энергии», которая привлекает внимание как недорогое средство хранения энергии?». gigazine.net . 7 января 2021 г.
  20. ^ ab Moore, Samuel K. (5 января 2021 г.). «Gravity Energy Storage Will Show Its Potential in 2021». IEEE Spectrum . Получено 9 февраля 2021 г.
  21. ^ "Gravitricity празднует успех демонстратора накопителя энергии мощностью 250 кВт". Solar Power Portal . 23 апреля 2021 г.
  22. ^ «Gravitricity battery вырабатывает первую электроэнергию на площадке в Эдинбурге». BBC . 21 апреля 2021 г.
  23. ^ Эмброуз, Джиллиан (8 февраля 2021 г.). «Подзарядка: холмы Великобритании могут использоваться в качестве энергетических «батарей». The Guardian .
  24. ^ "RheEnergise Home Page". www.rheenergise.com . Получено 8 февраля 2021 г. .
  25. ^ Мэсси, Натанаэль. «Энергосбережение выходит на рельсы на Западе». Scientific American . Архивировано из оригинала 4 декабря 2017 г. Получено 31 декабря 2017 г.
  26. ^ Хеброк, Робин (16 октября 2020 г.). «Проект по хранению энергии начинает работу в Парампе». Pahrump Valley Times . Получено 18 марта 2021 г.
  27. ^ ab говорит, Лен Гардинер (20 февраля 2020 г.). «Что такое гравитационные батареи?». TheGreenAge . Получено 29 октября 2020 г. .
  28. ^ "Быстрое, долгосрочное хранение энергии". Gravitricity . Получено 28 октября 2020 г. .
  29. ^ Кропотин, П. (20 ноября 2023 г.), «Системы хранения гравитационной энергии с подъемом тяжестей», Thermopedia , Begel House Inc., ISBN 978-1-56700-456-4, получено 24 июня 2024 г.
  30. ^ "GravityLight - свет от подъема груза". deciwatt.global . Получено 29 октября 2020 г. .
  31. ^ "GravityLight". Deciwatt . Получено 1 ноября 2020 г. .
  32. ^ "Energy Storage Technology and Cost Characterization Report" (PDF) . Министерство энергетики США . 1 июля 2019 г. . Получено 1 ноября 2020 г. .
  33. ^ "Накопление гидроэнергии — оценка стоимости возможной системы". Brave New Climate . 5 апреля 2010 г. Получено 16 ноября 2020 г.
  34. ^ "Pump Up the Storage | Do the Math". 15 ноября 2011 г. Получено 16 ноября 2020 г.
  35. ^ О'Нил, Нисан (23 апреля 2018 г.). «Являются ли гравитация и старые шахты следующим прорывом в хранении энергии?». Новости Имперского колледжа . Имперский колледж Лондона .
  36. ^ Онг, Сэнди (6 декабря 2019 г.). «Смешивание гор и гравитации для долгосрочного хранения энергии». IEEE Spectrum . Получено 16 ноября 2020 г.
  37. ^ ab Mann, Margaret; Putsche, Vicky; Shrager, Benjamin (24 февраля 2022 г.). Сетевое хранение энергии: глубокая оценка цепочки поставок (PDF) (отчет). Министерство энергетики США . Получено 6 августа 2022 г.
  38. ^ "Поиск Google Ngram по популярности термина Gravity Battery". Архивировано из оригинала 8 апреля 2020 г.
  39. ^ «Гравитационные батареи Роберта Мюррея-Смита». YouTube . 7 апреля 2020 г.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Gravity_battery&oldid=1241460276"