Энергия одним махом
Если вечный двигатель все еще остается мечтой, то увеличение зарядов батарей — вопрос почти решенный. Российские ученые уже разработали не имеющий аналогов сверхпроводниковый кинетический накопитель энергии, который может выступать автономным источником бесперебойного питания на промышленных предприятиях, АЭС, в медицинских учреждениях и дата-центрах. Подробнее об этом — в материале «Энергии Северо-Запада».
Сверхпроводниковый кинетический накопитель энергии (КНЭ) — это устройство, которое преобразует механическую энергию вращающегося маховика в электрическую энергию мотор-генератора.
Прототип КНЭ, который создали ученые из трех вузов — Московского авиационного института, Московского энергетического института и МГТУ имени Баумана, — уникальный. Он способен минимизировать электрические и механические потери, избавляться от трения вращающихся частей о воздух и таким образом достигать почти 100 % КПД.
Для того чтобы понять ценность КНЭ, можно представить себе автономный источник бесперебойного питания, который способен выравнивать график нагрузки в электросети, сглаживать колебания мощности и обеспечивать оптимальные режимы работы любого оборудования.
Никто не спорит с популярностью литий-ионных батарей, но все признают их низкую энергоемкость, ограниченный срок эксплуатации и взрывоопасность, к тому же у них нет экологически безопасной технологии утилизации. В мобильных телефонах, спутниках, в транспортных средствах, а тем более в энергетике все больше и больше требуются источники питания, которые будут работать дольше по времени и при увеличенных нагрузках. И здесь КНЭ — отличная альтернатива литий-ионным батареям. Немного превосходящий их по габаритам, он во много раз легче, и у него практически нет ограничений на количество циклов разряда-заряда. К тому же КНЭ абсолютно экологичен, безопасен, ему не требуется система управления.
Кинетический накопитель энергии также подойдет в качестве аварийного или резервного источника питания. Российские ученые считают, что он более эффективен, чем литий-ионная батарея, и в перспективе позволит продлить срок эксплуатации наземных энергостанций и космических аппаратов, имеющих солнечные панели.
Так или иначе, КНЭ в ближайшем будущем потребуется предприятиям, где важно не допускать сбоев с подачей электричества, поэтому его применение возможно в самых разных сферах. Если говорить о нем как об источнике аварийного питания, то, по мнению ученых, будет целесообразно использовать его в дата-центрах, на атомных электростанциях, в медицинских учреждениях, на химическом и металлургическом производствах. КНЭ также может внести свой вклад в усиление мощности бортовых радиолокационных станций, средств радиоэлектронной борьбы и лазерных установок.
Сейчас в качестве резервного источника используются в основном дизель-генераторы. Если вдруг — все случается — КНЭ отключится от питания, он будет способен обеспечивать электричеством до тех пор, пока не включится резервный источник. Конечно, особенно он удобен и как компенсатор пиковых потреблений мощностей, поскольку дает дополнительную энергию при резком повышении потребления электричества.
Еще одно важное направление КНЭ — рекуперация, то есть возврат энергии в транспортных схемах. Такой накопитель вполне может быть интегрирован в механизмы гибридных автомобилей и электробусов вместо аккумуляторов, которые рано или поздно придется как-то утилизировать.
Сегодня уже существует макет устройства, и в ближайшее время, как только ученые доведут прототип до изделия, он будет отправлен на опытную эксплуатацию в качестве аварийного источника питания на одну из АЭС. Правда, для начала серийного производства КНЭ существуют определенные трудности, похожие на те, что есть в производстве массивных сверхпроводников, но они вполне решаемы.
В последние месяцы экономика России столкнулась с массовым уходом иностранных производителей из отечественной экономики, и развитие этого проекта происходит на фоне ускоряющегося импортозамещения. Разработчики говорят, что чувствуют интерес к КНЭ со стороны промышленных предприятий, которые нуждаются в регулировании пиковых потреблений электроэнергии. Они готовы оперативно решать все вопросы для начала организации КНЭ, ведь за ним будущее.
К 2030 году глобальный спрос на накопители может приблизиться, по оценкам Rystad Energy, к 9 ТВтч в год. Для сравнения, в 2021 году этот показатель был на уровне 580 ГВтч, то есть спрос вырастет в 15 раз.
Как устроен КНЭ
Кинетический накопитель состоит из маховика, электродвигателя, который приводит в движение маховик, подшипников и магнитов.
В процессе работы КНЭ маховик раскручивается, запасает кинетическую энергию и потом преобразует ее в электрическую.
Чтобы маховик работал эффективно, необходимо было минимизировать трение. Сопротивление воздуха убрали, поместив КНЭ в вакуумированный корпус. С механическим трением подшипников ученые справились, разработав технологию организации бесконтактного магнитного подвеса с использованием высокотемпературных сверхпроводниковых подшипников.
Кроме того, ученые убрали гистерезисные потери в мотор-генераторе, сделав так называемый безжелезный агрегат — его металлические детали не реагируют на магнитные поля.
