8.6. Химическое аккумулирование

Некоторые неорганические соединения при их нагревании, или разложении, выделяют водород. Водород, соединяясь с кислородом, выделяет значительное количество энергии. Основной промышленный метод получения водорода – это электролиз воды.

В виде газа он может накапливаться и передаваться на большие расстоянии или сжигаться для получения тепловой энергии.

Единственным продуктом сгорания водорода является вода. Следует заметить, что эффективность электролиза составляет примерно 60 % .

Однако в последние годы за счет использования катализаторов удалось достигнуть эффективности до 80 % .

В лабораториях исследуются и другие способы получения водорода без применения ископаемого топлива (вплоть до использования живых водорослей). Но ни один из них еще не нашел широкого распространения.

Хранить водород в больших количествах довольно сложно. Наиболее многообещающим считается применение подземных хранилищ. Водород можно сжижать, но температура кипения его при атмосферном давлении 20 К, поэтому такой способ представляется трудным для осуществления. Одним из самых привлекательных способов хранения водорода является химическое аккумулирование в виде металлогидридов, из которых он может быть извлечен при нагревании; этот способ удобен в эксплуатации и позволяет хранить большие запасы водорода. Например, реакция

FeTiH_1,7 FeTiH_0,1 + 0,8 H₂ . (8.7)

Эта реакция обратима.

Водород, помимо его использования с целью получения тепла, можно эффективно применять для непосредственного получения электроэнергии с помощью топливных элементов. Однако топливные элементы пока не нашли широкого применения в большой энергетике, а используются в основном в автономных энергетических системах, и могут успешно применяться совместно с источниками возобновляемой энергии.

8.7. Аккумулирование электроэнергии

Устройство, допускающее как поглощение, так и выдачу электроэнергии, называют электрической аккумуляторной батареей, или электрическим аккумулятором.

Электрические аккумуляторы являются обязательной частью всех фотоэлектрических и небольших ветроэнергетических установок. Это неотъемлемая часть любого автомобиля и других транспортных средств.

Наиболее известен и широко используется свинцово-кислотный аккумулятор; у него напряжение на одном элементе 2,0…2,2 В.

Эти элементы соединяют обычно в батареи на 6 , 12 , 24 В и т.д., в зависимости от назначения. Кроме того, обычно эти батареи характеризуют емкостью в А·ч (6 А·ч, 30 А·ч, 45 А·ч, 55 А·ч, 60 и т.д.)

Существуют так называемые щелочные аккумуляторные батареи, но они обычно при разряде отдают меньший ток и капризны при коротких замыканиях, поэтому их используют реже для аккумулирования электроэнергии. Срок службы кислотных аккумуляторов 4…5 лет (максимум 7 лет) при соблюдении всех необходимых правил эксплуатации. Детальное описание принципа работы и режима эксплуатации аккумуляторов приведено в [8].

8.8. Механическое аккумулирование. Гидроаккумулирующие электростанции

Под механическим аккумулированием понимают обычно системы или устройства, позволяющие аккумулировать энергию от возобновляемых или истощаемых источников – путем преобразования кинетической или потенциальной энергии тел или потоков в электрическую энергию. Так, гидроэнергетические системы приводятся в действие приподнятыми потоками, мощность которых P = p g Q₀ H, где Q₀ – расход воды в заданном сечении, а Н – высота падения потока, p– плотность воды, g – ускорение свободного падения.

Так как Q₀ потока зависит от количества выпадения осадков, что не всегда соответствует по ритму потребности в энергии, все крупные гидроэнергетические системы имеют водохранилища, обеспечивающие аккумулирование энергии. Вода накапливается в водохранилище до высоты Н и проходит через турбины при управляемом расходе. Например, потенциальная энергия, запасаемая с помощью плотины высотой 100 м, обладает плотностью энергии ω = 1,0 МДж/м³. Хотя эта величина сравнительно не велика, полная энергия, накапливаемая в водохранилищах, может быть огромной.

Работающие в двух режимах гидроаккумулирующие станции (ГАЭС) используют два резервуара – верхний и нижний. Когда в энергосистеме имеется избыток мощности, вода закачивается в верхний бассейн. При увеличении потребности в энергии воду пропускают через турбины в нижний бассейн, обеспечивая генерирование электроэнергии.

На практике в ГАЭС используют агрегаты, работающие как в генераторном, так и в насосном режимах, используя один и тот же двигатель (генератор) – обычно синхронного типа.

Существует большое число крупных ГАЭС, которые используются для выравнивания колебаний потребностей энергосистемы. Это обеспечивает работу ТЭС и АЭС и других электростанций с постоянной нагрузкой в наиболее эффективном режиме.

Однако использование ГАЭС сопряжено с рядом трудностей или препятствий. Так сооружение ГАЭС ограничено вследствие топографических, геологических, гидрологических и экономических условий.

В табл. 8 приводятся сравнительные параметры рассмотренных типов аккумуляторов энергии.

Таблица 8.1

Сравнительные параметры различных аккумуляторов энергии

Тип аккумулятора энергии	Экономическая и оптимальная мощность, МВт	Удельные капитальные затраты, относит.ед.	КПД, %	Ожидаемый срок службы, лет
Тепловые	50–200	1,65	75–85	30
Воздушные	200–1000	1,05–1,33	до 75	20
СПИН	до 3000	1,1–1,5	80–90	30
Емкостные	200–2000	0,87	90–95	30
Водородные	20–50	3,45–4,45	25–30	30
ГАЭС	200–2000	1,0	70–75	50

Анализируя приведенные числовые параметры (табл. 8.1), замечаем, что, по всей видимости, в крупных энергосистемах находят широкое применение ГАЭС и ЕН, хотя для устойчивой работы энергосистем используются и другие накопители, удобные в том или другом отношении в заданном регионе. Мы детально не анализировали работу электрических аккумуляторов, так как они для мощных энергосистем, по сравнению с другими мощными накопителями, неконкурентоспособны, но они являются обязательным элементом любой солнечной фотоэлектрической станции и небольшой ВЭУ.