Pneumatischer Energiespeicher. Welcher Energiespeicher ist der energieintensivste? Energiekapazität von Gravitationsenergiespeichern

Autonome Ingenieure fragen sich oft, wie sie „zusätzliche“ Energie sammeln, speichern und nutzen können. Es gibt mehrere Gründe für das Auftreten einer unzureichend gesammelten kW – eine übermäßige Menge an SB, Ladestufen, die das System unnötigerweise nicht zu 100 % nutzen sonnige Tage, Abwesenheit von Hausbesitzern usw.
Der einfachste Weg sind Batterien. Abhängig von der religiösen Überzeugung können sie unterschiedlich sein: Blei-Säure, Alkali, Nickel-Cadmium, „Lifer“ usw. Aber in jedem Fall ist es der Batterieteil der Batterie, der 50 % (wahrscheinlicher 60 %) ausmacht. der Kosten der letzten kWh Deshalb sind alle Tänze um sie herum, meine Lieben.
Irgendwo in dem Abschnitt wurde darauf hingewiesen, dass sich der Entwicklungspfad der Batterietechnologie nicht entsprechend dem Szenario entwickelte, das Alternativen benötigten – Effizienz bei relativ kleinen Abmessungen. In einem Privathaus ohne Stromnetz gibt es jedoch oft viel Land. Diese Idee beruht auf einer einfachen Tatsache: Viele Menschen möchten der Hektik der Stadt entfliehen und kaufen Grundstücke, die oft nicht nur weit von Städten und jenseits der hohen Menschendichte entfernt sind, sondern auch weit entfernt von der Zivilisation als solcher, wo es keine gibt Kommunikation und sogar Elektrizität. Aus diesem Grund verfügen Alternativisten sehr oft über eine Ressource wie den Weltraum. Was herkömmliche Batterietechnologien nicht berücksichtigen. Sie können also nach nicht-traditionellen suchen. AndreyNS, hat ein paar Threads zu diesem Thema gestartet und mich dadurch auf die Idee gebracht, nach Möglichkeiten zu suchen.
Es gibt viele super alternative Möglichkeiten zum Sparen alternative Energie nicht in traditionellen Konten.
Und einer davon, den ich einzuführen beschloss, ist... ein pneumatischer Akkumulator!
Das Prinzip ist einfach: Überschüssiger Strom während des Tages wird mithilfe eines Kompressors in Druckluft umgewandelt. Anschließend geben wir es je nach Bedarf über einen pneumatischen Motor ab, der einen Generator dreht, der die Batterien nachts (bei SB) oder bei Windstille (bei VG) auflädt.
Es sieht ungefähr so ​​aus:

Ich denke, dass das Prinzip den meisten meiner Kollegen klar ist.
Das Prinzip ist das Prinzip, aber mich interessiert vor allem die wirtschaftliche Berechtigung für diesen Batterietyp. Ich frage mich, wie viel die so gespeicherte Energie kostet und ob sie mit herkömmlichen Methoden mithalten kann.
Dazu habe ich ein wenig recherchiert, was es an Pneumoakkus kostet. Aus Bequemlichkeits- und Übersichtlichkeitsgründen werden alle Preise in US-Dollar angegeben, und wir werden auch einige Kleinigkeiten wie Drähte, Rohre usw. weglassen. Allerdings habe ich den Kompressor, den Luftmotor und das Gen in die Berechnungen einbezogen.
Also.
1. Das Wichtigste ist die Kapazität. Dies ist der teuerste Teil des pneumatischen Motors, aber auch der langlebigste und zuverlässigste mit praktisch unbegrenzten Motorstunden, Zyklen oder Jahren. Im Internet habe ich einen gebrauchten Benzintank mit 16 Kubikmetern gefunden. für etwa 2.000 $.
2. Kompressor. Es gibt viele Möglichkeiten. Von Automobilen mit Schmierung und Kühlung bis zu halbindustriellen, sozusagen „für den Bau“. Ich habe gewählt neuer Kopf(wir haben einen Container) mit den Eigenschaften, die ich brauche – etwa 80 $. Für MAZ-KAMAZ gibt es eine Option mit Kompressoren, diese ist billiger und zuverlässiger, liefert aber nicht den erforderlichen Druck (bis zu 16 Atmosphären).
3. Pneumatikmotor. Im Internet habe ich ein fertiges Gerät für 250 W mit einer Durchflussrate von 6,67 l/Sek. gefunden. Es gibt keinen Preis dafür, daher operieren wir mit den Preisen für Druckluftwerkzeuge. Eine neue Bohrmaschine oder Schleifmaschine kostet etwa 25 US-Dollar.
4. Generator. Das realste ist ein Auto, sagen wir mal, eine Vase. Neu 80 $, gebraucht 35. Geschätzte Anzahl der Motorstunden: 15.000.
Kurze Beschreibung des spezifischen Systems. Der Kompressor hat eine Kapazität von 300-400 l/min, wodurch er den Behälter in 10 Stunden aufpumpen kann. Der pneumatische Motor verbraucht 6,67 l/Sek. oder 24 Kubikmeter. um ein Uhr. Eine Kapazität von 16 Kubikmetern, gepumpt auf 16 atm, reicht für 10,7 Stunden. Das heißt, wir haben 10,7 Stunden x 250 W = 2,675 kW. Dies ist in etwa vergleichbar mit einer Autobatterie mit 225 Ah. Genauer gesagt, mit einem 100 %-Zyklus. In meinem System gibt es pro Jahr ungefähr 250 Tage überschüssigen Strom, was bedeutet, dass wir 250 Zyklen pro Jahr haben.
Die Kosten für ein normales Autokonto ohne Metall betragen etwa 200 US-Dollar. Es kann jedoch maximal 250 Zyklen bei 100 % Entladung betrieben werden.
Mit anderen Worten: Dieses pneumatische Speichersystem ersetzt 1 Autobatterie pro Jahr. Oder 200 $ pro Jahr.
Nun zu unserem Pneumoacc.
1. Kapazität. Lebensdauer ab 50 Jahren. Tatsächlich dauert es bei normaler Bemalung 500 oder 5000 Jahre, aber nehmen wir 50 und zählen die Farbe nicht mit. Das bedeutet, dass wir 2.000 US-Dollar (die Kosten) durch 50 teilen und etwa 40 US-Dollar pro Jahr erhalten.
2. Kompressor. Gehen wir von einer Lebensdauer von 10.000 Motorstunden aus. Dementsprechend teilen wir 10.000 durch 250 Zyklen und durch 10 Stunden (Arbeit in jedem Zyklus) erhalten wir 4 Jahre. Teilen Sie 80 $ durch 4, um 20 $ pro Jahr zu erhalten.
3. Pneumatikmotor. Die Lebensdauer billiger Druckluftwerkzeuge aus dem Laden lässt sich nicht vernünftig einschätzen. Rechnen wir jedoch mit 10.000 Motorstunden, unter Berücksichtigung der Kaufmöglichkeit gutes Werkzeug günstig genutzt. Weitere 10000 / 250 Tage / 10 Stunden ergeben die gleichen 4 Jahre. 25 US-Dollar können nicht durch vier geteilt werden, aber wenn wir teilen, erhalten wir 6 US-Dollar pro Jahr.
4. Gen. Die Motorlebensdauer beträgt etwa 20.000 Motorstunden (und streiten Sie nicht mit mir!). 20000 / 250 /10 = 8 Jahre oder 10 $ pro Jahr.

Insgesamt haben wir:
1. 40$
2. 20$
3. 6$
4. 10$
-
76 $ pro Jahr.
Das heißt, ein solches pneumatisches Speicher-/Erzeugungssystem ist fast dreimal günstiger als der Kauf einer Autobatterie pro Jahr!
Und ich habe der elektrischen Batterie noch keine separate Ladung hinzugefügt, die sie zweifellos benötigt.
So ist das.
Diese Berechnungen haben mich gelinde gesagt überrascht. Natürlich gibt es keine Effizienz - wir pumpen 1,5 - 2 kW ein, wir bekommen 200-250, aber mir persönlich passt das.
Sie können versuchen, etwas anders zu rechnen: Die pneumatische Batterie erzeugt nachts direkt an der Batterie und Sie können ungefähr abschätzen, um wie viel sich die Entladetiefe verringert und dementsprechend, wie viel seltener Sie die elektrische Batterie wechseln müssen, und dementsprechend, Was Wirtschaftlichkeit diese Idee.
Wenn das System um das 2- bis 10-fache erhöht wird, wird sich die Effizienz theoretisch noch weiter verbessern.
Es sieht so aus, als wäre es an der Zeit, umfassende Experimente zu starten. Ich habe fast alles aus dem Set, außer dem pneumatischen Motor, aber ich kaufe es entweder für 50 Griwna (6 $) oder, was teurer ist, ich bitte jemanden, es vorübergehend zu verwenden.

Die Kette des technologischen Zyklus der Stromerzeugung umfasst zwangsläufig ein Glied wie einen Speicher (Batterie). IN traditionelle Wege Bei der Stromerzeugung werden Energiereserven in einer vorläufigen, „nichtelektrischen“ Form angesammelt, und dieses Bindeglied, der Energiespeicher, befindet sich direkt vor dem elektrischen Generator.

Der Stausee des Wasserkraftwerks ist auf Stauung ausgelegt potenzielle Energie Flusswasser im Schwerefeld der Erde und hebt es mit Hilfe eines Damms auf eine bestimmte Höhe. Wärmekraftwerk sammelt in seinen Speichern die für einen unterbrechungsfreien Betrieb notwendigen Reserven an festen oder flüssigen Brennstoffen oder liefert über eine Pipeline Erdgas, dessen Heizwert die erforderliche Energieversorgung gewährleistet. Die Reaktorstäbe von Kernkraftwerken stellen einen Kernbrennstoffvorrat dar, der über eine bestimmte Ressource an Kernenergie zur Nutzung verfügt.

Der Konstantleistungsmodus ist für alle aufgeführten Stromerzeugertypen verfügbar. Die erzeugte Energiemenge wird reguliert durch in weiten Grenzen abhängig von der Höhe des unmittelbaren Energieverbrauchs. Alternative Quellen (Wind-, Gezeiten-, Geothermie- und Solarenergie) können keine Garantie bieten konstante Leistung Generator auf den erforderlichen Wert dieser Moment Ebene. Der Speicher ist daher weniger ein Speicher für Ressourcen als vielmehr ein Dämpfungsgerät, wodurch der Energieverbrauch weniger von Schwankungen der Quellenleistung abhängig wird. Die Energie der Quelle wird im Speicher gespeichert und später bei Bedarf in Form verbraucht elektrische Energie. Darüber hinaus hängt der Preis stark von den Kosten des Antriebs ab.

Ein charakteristisches Merkmal des Speichers alternativer Energiequellen ist, dass die darin gespeicherte Energie für andere Zwecke genutzt werden kann. Mit ihrer Hilfe können beispielsweise starke und superstarke Magnetfelder erzeugt werden.

Die in Physik und Energie akzeptierten Maßeinheiten für Energie und die Beziehungen zwischen ihnen: 1 kWh oder 1000 W 3600 s – das Gleiche wie 3,6 MJ. Dementsprechend entspricht 1 MJ 1/3,6 kWh, also 0,278 kWh

Einige gängige Energiespeichergeräte:

Machen wir gleich eine Reservierung: Diese Bewertung ist es nicht vollständige Klassifizierung Neben den im Energiesektor verwendeten Speichergeräten gibt es neben den hier besprochenen auch Wärme-, Feder-, Induktions- und verschiedene andere Arten von Energiespeichern.

1. Kondensatorspeicher

Die von einem 1-F-Kondensator bei einer Spannung von 220 V gespeicherte Energie beträgt: E = CU2 /2 = 1 2202 /2 kJ = 24 200 J = 0,0242 MJ ~ 6,73 Wh. Das Gewicht eines solchen Elektrolytkondensators kann 120 kg erreichen. Die spezifische Energie pro Masseneinheit beträgt knapp über 0,2 kJ/kg. Ein stündlicher Betrieb des Antriebs ist bei einer Belastung von bis zu 7 W möglich. Elektrolytkondensatoren können bis zu 20 Jahre halten. Ionistoren (Superkondensatoren) haben eine hohe Energie- und Leistungsdichte (ca. 13 Wh/l = 46,8 kJ/l bzw. bis zu 6 kW/l) mit einer Lebensdauer von ca. 1 Million Ladezyklen. Der unbestreitbare Vorteil eines Kondensatorspeichers ist die Möglichkeit, die angesammelte Energie in kurzer Zeit zu nutzen.

2. Schwerkraftspeichergeräte

Energiespeicher vom Typ Rammgerät speichern Energie beim Anheben eines Rammgeräts mit einem Gewicht von 2 Tonnen oder mehr auf eine Höhe von etwa 4 m. Durch die Bewegung des beweglichen Teils des Rammgeräts wird die potentielle Energie des Körpers freigesetzt und an den Rammgerät abgegeben Stromgenerator. Die erzeugte Energiemenge E = mgh beträgt im Idealfall (ohne Berücksichtigung von Reibungsverlusten) ~ 2000 · 10 4 kJ = 80 kJ ~ 22,24 Wh. Die spezifische Energie pro Masseneinheit einer Kopra-Frau beträgt gleich 0,04 kJ/kg. Innerhalb einer Stunde ist das Laufwerk in der Lage, eine Last von bis zu 22 W bereitzustellen. Erwartete Lebensdauer mechanische Konstruktion 20 Jahre überschreitet. Die von einem Körper in einem Gravitationsfeld gespeicherte Energie kann auch in kurzer Zeit verbraucht werden, was ein Vorteil dieser Option ist.

Der Hydrospeicher nutzt die Energie von Wasser (ca. 8-10 Tonnen schwer), das aus einem Brunnen in den Tank eines Wasserturms gepumpt wird. In umgekehrter Bewegung dreht das Wasser unter dem Einfluss der Schwerkraft die Turbine des elektrischen Generators. Eine herkömmliche Vakuumpumpe kann Wasser problemlos bis zu einer Höhe von 10 m pumpen. Die gespeicherte Energie beträgt E = mgh ~ 10000 8 10 J = 0,8 MJ = 0,223 kW/Stunde. Die spezifische Energie pro Masseneinheit beträgt 0,08 kJ/kg. Die vom Antrieb bereitgestellte Last für eine Stunde liegt bei 225 W. Der Antrieb kann 20 Jahre oder länger halten. Der Windmotor kann die Pumpe direkt antreiben (ohne Energie in Strom umzuwandeln, was mit gewissen Verlusten verbunden ist); das Wasser im Turmspeicher kann bei Bedarf für andere Zwecke genutzt werden.

3. Schwungradbasierter Speicher

Die kinetische Energie eines rotierenden Schwungrads wird wie folgt bestimmt: E = J w2/2, J bedeutet das Eigenträgheitsmoment des Metallzylinders (da er sich um die Symmetrieachse dreht), w ist die Winkelgeschwindigkeit der Drehung.

Mit Radius R und Höhe H hat der Zylinder ein Trägheitsmoment:

J = M R^2 /2 = pi * p R^4 H/2

Dabei ist p die Dichte des Metalls – das Material des Zylinders, das Produkt pi* R^2 H ist sein Volumen.

Maximal möglich lineare Geschwindigkeit Punkte auf der Zylinderoberfläche Vmax (ca. 200 m/s für ein Stahlschwungrad).

Vmax = wmax*R, woraus wmax = Vmax/R

Maximal mögliche Rotationsenergie Emax = J wmax^2/2 = 0,25 pi*p R2^2 H V2max = 0,25 M Vmax^2

Die Energie pro Masseneinheit beträgt: Emax/M = 0,25 Vmax^2

Spezifische Energie Wenn das zylindrische Schwungrad aus Stahl besteht, beträgt sie etwa 10 kJ/kg. Ein 200 kg schweres Schwungrad (mit linearen Abmessungen H = 0,2 m, R = 0,2 m) speichert Energie Emax = 0,25 pi 8000 0,22 0,2 ​​2002 ~ 2 MJ ~ 0,556 kWh. Die maximale Belastung, die der Schwungradspeicher für eine Stunde bereitstellt, ist nicht der Fall 560 W überschreiten. Das Schwungrad kann durchaus 20 Jahre oder länger halten. Vorteile: schnelle Freisetzung der angesammelten Energie, Möglichkeit einer deutlichen Verbesserung der Eigenschaften durch Materialauswahl und -wechsel geometrische Eigenschaften Schwungrad.

4. Speicherung in Form einer chemischen Batterie (Blei-Säure)

Ein klassischer Akku mit einer Kapazität von 190 Ah ist bei einer Ausgangsspannung von 12 V und 50 % Entladung in der Lage, 9 Stunden lang einen Strom von etwa 10 A zu liefern. Die freigesetzte Energie beträgt 10 A 12 V 9 h = 1,08 kWh oder etwa 3,9 MJ pro Zyklus. Bei einer Batteriemasse von 65 kg ergibt sich eine spezifische Energie von 60 kJ/kg. Die maximale Belastung, die der Akku eine Stunde lang bereitstellen kann, überschreitet 1080 W nicht. Garantiezeit Die Lebensdauer einer hochwertigen Batterie liegt je nach Nutzungsintensität bei 3 – 5 Jahren. Es ist möglich, Strom direkt aus der Batterie mit einem Ausgangsstrom von mehreren Tausend Ampere und einer Ausgangsspannung von 12 V zu beziehen, was dem Automobilstandard entspricht. Viele Geräte, die für eine konstante Spannung von 12 V ausgelegt sind, sind mit der Batterie kompatibel; es sind 12/220-V-Wandler mit unterschiedlicher Ausgangsleistung erhältlich.

5. Pneumatische Lagerung

Luft, die in einen Stahltank mit einem Volumen von 1 Kubikmeter und einem Druck von 40 Atmosphären gepumpt wird, verrichtet Arbeit unter Bedingungen isothermer Expansion. Die Arbeit A, die ein ideales Gas unter den Bedingungen T=const verrichtet, wird nach der Formel bestimmt:

A = (M / mu) R T ln (V2 / V1)

Dabei ist M die Masse des Gases, mu die Masse von 1 Mol desselben Gases, R = 8,31 J/(mol K), T die auf der absoluten Kelvin-Skala berechnete Temperatur, V1 und V2 die Anfangs- und Endtemperatur vom Gas eingenommenes Volumen (bei dieser Ausdehnung beträgt V2 / V1 = 40). Luftdruck im Tank). Für die isotherme Expansion gilt das Boyle-Marriott-Gesetz: P1V1 = P2 V2. Nehmen wir T = 298 0K (250C) Für Luft M/mu ~ 40: 0,0224 = 1785,6 Mol Substanz, Gas leistet A = 1785,6 8,31 298 ln 50 ~ 16 MJ ~ 4,45 kWh pro Zyklus. Die Wände des Tanks, die für einen Druck von 40-50 Atmosphären ausgelegt sind, müssen eine Dicke von mindestens 5 mm haben, und daher beträgt die Masse des Speichers etwa 250 kg. Die von diesem pneumatischen Speicher gespeicherte spezifische Energie beträgt 64 kJ/kg. Die maximale Leistung des pneumatischen Speichers während einer Betriebsstunde beträgt 4,5 kW. Garantierte Lebensdauer, wie die meisten leistungsbasierten Laufwerke mechanische Arbeit ihre Bauteile sind 20 Jahre alt. Vorteile dieser Art der Lagerung: die Möglichkeit, den Tank unter der Erde zu platzieren; Der Tank kann ein Standardtank sein Gaszylinder Durch den Einsatz geeigneter Geräte ist die Windkraftanlage in der Lage, Bewegungen direkt auf die Kompressorpumpe zu übertragen. Darüber hinaus nutzen viele Geräte direkt die gespeicherte Energie der Druckluft in einem Tank.

Wir stellen die Parameter der betrachteten Arten von Energiespeichern in einer Übersichtstabelle dar:

Ökologie des Wissens. Wissenschaft und Technik: Im Rahmen der aktiven Entwicklung neuer Technologien im Energiesektor sind Stromspeicher ein bekannter Trend. Dies ist eine hochwertige Lösung für das Problem von Stromausfällen oder völligem Energiemangel.

Es gibt eine Frage: „Welche Energiespeichermethode ist in einer bestimmten Situation vorzuziehen?“. Welche Methode der Energiespeicherung sollte ich beispielsweise für ein Privathaus oder Ferienhaus wählen, das mit einer Solar- oder Windanlage ausgestattet ist? Natürlich wird in diesem Fall niemand ein großes Pumpspeicherwerk bauen, aber es ist möglich, einen großen Tank zu installieren und ihn auf eine Höhe von 10 Metern anzuheben. Aber reicht eine solche Installation aus, um auch bei fehlender Sonne eine konstante Stromversorgung aufrechtzuerhalten?

Um die aufkommenden Fragen zu beantworten, ist es notwendig, einige Kriterien zur Bewertung von Batterien zu entwickeln, die uns eine objektive Beurteilung ermöglichen. Dazu müssen Sie verschiedene Antriebsparameter berücksichtigen, die es Ihnen ermöglichen, numerische Schätzungen zu erhalten.

Kapazität oder angesammelte Ladung?

Wenn über Autobatterien gesprochen oder geschrieben wird, wird oft ein Wert erwähnt, der Batteriekapazität genannt wird und in Amperestunden (bei kleinen Batterien in Milliamperestunden) ausgedrückt wird. Aber streng genommen ist die Amperestunde keine Kapazitätseinheit. In der elektrischen Theorie wird die Kapazität in Farad gemessen. Und Amperestunde ist eine Maßeinheit für Ladung! Das heißt, die akkumulierte Ladung sollte als Merkmal der Batterie betrachtet (und so genannt) werden.

In der Physik wird die Ladung in Coulomb gemessen. Ein Coulomb ist die Ladungsmenge, die bei einem Strom von 1 Ampere in einer Sekunde durch einen Leiter fließt. Da 1 C/s gleich 1 A ist, finden wir durch die Umrechnung von Stunden in Sekunden, dass eine Amperestunde 3600 C entspricht.

Es ist zu beachten, dass bereits aus der Definition eines Coulomb klar hervorgeht, dass die Ladung einen bestimmten Prozess charakterisiert, nämlich den Prozess des Stromflusses durch einen Leiter. Das Gleiche ergibt sich sogar aus dem Namen einer anderen Größe: Eine Amperestunde ist, wenn eine Stunde lang ein Strom von einem Ampere durch einen Leiter fließt.

Auf den ersten Blick scheint es, dass hier eine Art Inkonsistenz vorliegt. Wenn es um Energieeinsparung geht, sollte die in jeder Batterie gespeicherte Energie schließlich in Joule gemessen werden, da Joule in der Physik die Energiemesseinheit ist. Aber denken wir daran, dass Strom in einem Leiter nur entsteht, wenn an den Enden des Leiters eine Potentialdifferenz besteht, also Spannung an den Leiter angelegt wird. Wenn die Spannung an den Batterieklemmen 1 Volt beträgt und eine Ladung von einer Amperestunde durch den Leiter fließt, stellen wir fest, dass die Batterie 1 V · 1 Ah = 1 Wh Energie geliefert hat.

In Bezug auf Batterien ist es daher korrekter, von akkumulierter Energie (gespeicherter Energie) oder akkumulierter (gespeicherter) Ladung zu sprechen. Da der Begriff „Batteriekapazität“ dennoch weit verbreitet und irgendwie bekannter ist, werden wir ihn verwenden, allerdings mit einer gewissen Klarstellung, nämlich von Energiekapazität.

Energiekapazität – die Energie, die eine vollständig geladene Batterie abgibt, wenn sie auf den niedrigsten zulässigen Wert entladen wird.

Mit diesem Konzept werden wir versuchen, die Energiekapazität näherungsweise zu berechnen und zu vergleichen verschiedene Arten Energiespeichergeräte.

Energiekapazität chemischer Batterien

Voll aufgeladen elektrische Batterie Mit einer angegebenen Kapazität (Ladung) von 1 Ah ist es theoretisch in der Lage, eine Stunde lang einen Strom von 1 Ampere bereitzustellen (oder beispielsweise 10 A für 0,1 Stunde oder 0,1 A für 10 Stunden). Ein zu hoher Batterieentladestrom führt jedoch zu einer weniger effizienten Leistungsabgabe, was die Betriebszeit mit diesem Strom nichtlinear verkürzt und zu Überhitzung führen kann. In der Praxis wird die Batteriekapazität auf der Grundlage eines 20-stündigen Entladezyklus bis zur Endspannung berechnet. Bei Autobatterien beträgt sie 10,8 V. Die Aufschrift „55 Ah“ auf dem Batterieetikett bedeutet beispielsweise, dass sie 20 Stunden lang einen Strom von 2,75 Ampere liefern kann und die Spannung an den Klemmen nicht unter 10,8 IN sinkt .

Batteriehersteller weisen häufig darauf hin technische Spezifikationen ihrer Produkte die gespeicherte Energie in Wh (Wh) und nicht die gespeicherte Ladung in mAh (mAh), was im Allgemeinen nicht korrekt ist. Die Berechnung der gespeicherten Energie aus der gespeicherten Ladung ist im allgemeinen Fall nicht einfach: Integration ist erforderlich Momentanleistung, ausgegeben von der Batterie für die gesamte Zeit ihrer Entladung. Wenn keine größere Genauigkeit erforderlich ist, können Sie anstelle der Integration die Durchschnittswerte von Spannung und Stromverbrauch verwenden und die Formel verwenden:

1 Wh = 1 V 1 Ah.

Das heißt, die gespeicherte Energie (in Wh) entspricht ungefähr dem Produkt aus der gespeicherten Ladung (in Ah) und der durchschnittlichen Spannung (in Volt): E = Q · U. Wenn beispielsweise die Kapazität (im üblichen Sinne) einer 12-Volt-Batterie mit 60 Ah angegeben wird, beträgt die gespeicherte Energie, also ihre Energiekapazität, 720 W-Stunden.

Energiekapazität von Gravitationsenergiespeichern

In jedem Physiklehrbuch kann man lesen, dass die Arbeit A, die eine Kraft F verrichtet, wenn sie einen Körper der Masse m auf eine Höhe h hebt, durch die Formel A = m · g · h berechnet wird, wobei g die Erdbeschleunigung ist. Diese Formel gilt für den Fall, dass sich der Körper langsam bewegt und Reibungskräfte vernachlässigt werden können. Beim Arbeiten gegen die Schwerkraft kommt es nicht darauf an, wie wir den Körper anheben: vertikal (wie ein Gewicht auf einer Uhr), entlang einer schiefen Ebene (wie beim Ziehen eines Schlittens auf einen Berg) oder auf andere Weise.

In allen Fällen gilt A = m · g · h. Beim Absenken des Körpers auf sein ursprüngliches Niveau erzeugt die Schwerkraft die gleiche Arbeit, die die Kraft F zum Anheben des Körpers aufgewendet hat. Das bedeutet, dass wir beim Anheben eines Körpers Arbeit in Höhe von m · g · h gespeichert haben, d. h. der angehobene Körper hat eine Energie, die dem Produkt aus der auf diesen Körper wirkenden Schwerkraft und der Höhe, auf die er angehoben wird, entspricht. Diese Energie hängt nicht von dem Weg ab, auf dem der Aufstieg stattgefunden hat, sondern wird nur durch die Position des Körpers bestimmt (die Höhe, auf die er angehoben wird oder der Höhenunterschied zwischen der Anfangs- und Endposition des Körpers) und ist potentielle Energie genannt.

Mit dieser Formel schätzen wir die Energiekapazität einer Wassermasse ab, die in einen Tank mit einem Fassungsvermögen von 1000 Litern gepumpt wird, der sich 10 Meter über dem Boden (oder dem Niveau einer Wassergeneratorturbine) befindet. Nehmen wir an, dass der Tank die Form eines Würfels mit einer Kantenlänge von 1 m hat. Dann ist nach der Formel in Landsbergs Lehrbuch A = 1000 kg · (9,8 m/s2) · 10,5 m = 102900 kg · m2/ s2. Aber 1 kg m2/s2 entspricht 1 Joule, und in Wattstunden umgerechnet erhalten wir nur 28,583 Wattstunden. Das heißt, um eine Energiekapazität zu erhalten, die der Kapazität einer herkömmlichen Elektrobatterie von 720 Wattstunden entspricht, muss das Wasservolumen im Tank um das 25,2-fache erhöht werden.

Der Tank muss eine Rippenlänge von ca. 3 Metern haben. Gleichzeitig beträgt seine Energiekapazität 845 Wattstunden. Das ist mehr als die Kapazität einer Batterie, allerdings ist das Einbauvolumen deutlich größer als die Größe einer herkömmlichen Blei-Zink-Autobatterie. Dieser Vergleich legt nahe, dass es sinnvoll ist, nicht die in einem bestimmten System gespeicherte Energie zu betrachten – Energie an sich, sondern im Verhältnis zur Masse oder zum Volumen des betreffenden Systems.

Spezifische Energiekapazität

Daher sind wir zu dem Schluss gekommen, dass es ratsam ist, die Energiekapazität mit der Masse oder dem Volumen des Speichergeräts oder des Trägers selbst, beispielsweise in einen Tank eingefülltes Wasser, zu korrelieren. Es kommen zwei Indikatoren dieser Art in Betracht.

Wir bezeichnen die massenspezifische Energiekapazität als die Energiekapazität eines Speichergeräts geteilt durch die Masse dieses Speichergeräts.

Die volumetrische spezifische Energiekapazität ist die Energiekapazität eines Speichergeräts geteilt durch das Volumen dieses Speichergeräts.

Beispiel. Der für 12 Volt ausgelegte Blei-Säure-Akku Panasonic LC-X1265P hat eine Ladung von 65 Amperestunden und wiegt 20 kg. und Abmessungen (LxBxH) 350 · 166 · 175 mm. Seine Lebensdauer bei t = 20 C beträgt 10 Jahre. Somit beträgt seine massenspezifische Energieintensität 65 · 12 / 20 = 39 Wattstunden pro Kilogramm und seine volumetrische spezifische Energieintensität beträgt 65 · 12 / (3,5 · 1,66 · 1,75) = 76,7 Wattstunden pro Kubikdezimeter oder 0,0767 kWh pro Kubikmeter.

Für besprochen in Vorherige Sektion fahren Gravitationsenergie Basierend auf einem Wassertank mit einem Volumen von 1000 Litern beträgt die spezifische Massenenergieintensität nur 28,583 Wattstunden/1000 kg = 0,0286 Wh/kg, was 1363-mal weniger ist als die Massenenergieintensität einer Blei-Zink-Batterie. Und obwohl die Lebensdauer Gravitationsspeicherung mag zwar deutlich größer ausfallen, aus praktischer Sicht erscheint ein Tank jedoch weniger attraktiv als eine Batterie.

Schauen wir uns noch ein paar Beispiele für Energiespeicher an und bewerten deren spezifische Energieintensität.

Energiekapazität des Wärmespeichers

Die Wärmekapazität ist die Wärmemenge, die ein Körper aufnimmt, wenn er um 1 °C erhitzt wird. Je nachdem, zu welcher Mengeneinheit die Wärmekapazität gehört, unterscheidet man Masse, volumetrische und molare Wärmekapazität.

Die massenspezifische Wärmekapazität, auch einfach spezifische Wärmekapazität genannt, ist die Wärmemenge, die pro Masseneinheit eines Stoffes zugeführt werden muss, um ihn pro Temperatureinheit zu erhitzen. In SI wird es in Joule dividiert durch Kilogramm pro Kelvin (J kg−1 K−1) gemessen.

Die volumetrische Wärmekapazität ist die Wärmemenge, die einer Volumeneinheit eines Stoffes zugeführt werden muss, um ihn pro Temperatureinheit zu erhitzen. In SI wird es in Joule pro Kubikmeter pro Kelvin (J m−3 K−1) gemessen.

Die molare Wärmekapazität ist die Wärmemenge, die einem Mol eines Stoffes zugeführt werden muss, um ihn pro Temperatureinheit zu erhitzen. In SI wird es in Joule pro Mol pro Kelvin (J/(mol K)) gemessen.

Ein Mol ist eine Maßeinheit für die Menge einer Substanz im Internationalen Einheitensystem. Ein Mol ist die Stoffmenge in einem System, das die gleiche Menge enthält Strukturelemente, wie viele Atome enthält Kohlenstoff-12 mit einem Gewicht von 0,012 kg?

Die spezifische Wärmekapazität wird von der Temperatur des Stoffes und anderen thermodynamischen Parametern beeinflusst. Beispielsweise liefert die Messung der spezifischen Wärmekapazität von Wasser unterschiedliche Ergebnisse bei 20 °C und 60 °C. Darüber hinaus hängt die spezifische Wärmekapazität davon ab, wie sich die thermodynamischen Parameter des Stoffes (Druck, Volumen usw.) ändern dürfen; Beispielsweise sind die spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck (CP) und bei konstantem Volumen (CV) im Allgemeinen unterschiedlich.

Übertragung von Materie von einem Aggregatzustand zu einem anderen geht mit einer abrupten Änderung der Wärmekapazität an einem bestimmten Temperaturübergangspunkt für jeden Stoff einher - dem Schmelzpunkt (Übergang). solide in Flüssigkeit), Siedepunkt (Übergang von Flüssigkeit in Gas) und dementsprechend die Temperaturen der Rückumwandlungen: Gefrieren und Kondensation.

Die spezifischen Wärmekapazitäten vieler Stoffe werden in Fachbüchern angegeben, meist für einen Prozess bei konstantem Druck. Zum Beispiel die spezifische Wärmekapazität flüssiges Wasser bei normale Bedingungen- 4200 J/(kg K); Eis - 2100 J/(kg K).

Anhand der dargestellten Daten können Sie versuchen, die Wärmekapazität eines Wasserwärmespeichers abzuschätzen (Zusammenfassung). Nehmen wir an, dass die darin enthaltene Wassermasse 1000 kg (Liter) beträgt. Wir erhitzen es auf 80 °C und lassen es so lange Wärme abgeben, bis es auf 30 °C abgekühlt ist. Wenn es Sie nicht stört, dass die Wärmekapazität unterschiedlich ist unterschiedliche Temperaturen Wir können davon ausgehen, dass der Wärmespeicher 4200 * 1000 * 50 J Wärme abgibt. Das heißt, die Energiekapazität eines solchen Wärmespeichers beträgt 210 Megajoule oder 58,333 Kilowattstunden Energie.

Wenn wir diesen Wert mit der Energieladung einer herkömmlichen Autobatterie (720 Wattstunden) vergleichen, sehen wir, dass die Energiekapazität des betreffenden Wärmespeichers der Energiekapazität von etwa 810 Elektrobatterien entspricht.

Die spezifische Massenenergieintensität eines solchen Wärmespeichers (auch ohne Berücksichtigung der Masse des Behälters, in dem das erwärmte Wasser tatsächlich gespeichert wird, und der Masse der Wärmedämmung) beträgt 58,3 kWh/1000 kg = 58,3 Wh/kg. Dies ist bereits mehr als die Massenenergieintensität einer Blei-Zink-Batterie, die, wie oben berechnet, 39 Wh/kg beträgt.

Nach groben Schätzungen ist der Wärmespeicher mit einem herkömmlichen vergleichbar Autobatterie und durch die volumetrische spezifische Energiekapazität, da ein Kilogramm Wasser ein Dezimeter Volumen hat, beträgt seine volumetrische spezifische Energiekapazität ebenfalls 76,7 Wh/kg, was genau mit der volumetrischen spezifischen Wärmekapazität einer Blei-Säure-Batterie übereinstimmt. Bei der Berechnung des Wärmespeichers haben wir zwar nur das Wasservolumen berücksichtigt, obwohl auch das Volumen des Tanks und der Wärmedämmung berücksichtigt werden müssten. Aber auf jeden Fall wird der Verlust nicht so groß sein wie bei einem Schwerkraftspeicher.

Andere Arten von Energiespeichergeräten

Der Artikel „Überprüfung von Energiespeichern (Akkumulatoren)“ liefert Berechnungen der spezifischen Energieintensität einiger weiterer Energiespeicher. Lassen Sie uns einige Beispiele von dort ausleihen

Kondensatorspeicher

Bei einer Kondensatorkapazität von 1 F und einer Spannung von 250 V beträgt die gespeicherte Energie: E = CU2 /2 = 1 ∙ 2502 /2 = 31,25 kJ ~ 8,69 Wh. Wenn Sie Elektrolytkondensatoren verwenden, kann deren Gewicht 120 kg betragen. Die spezifische Energie des Speichers beträgt 0,26 kJ/kg oder 0,072 W/kg. Im Betrieb kann das Laufwerk eine Stunde lang maximal 9 W belasten. Lebensdauer Elektrolytkondensator kann 20 Jahre erreichen. In Bezug auf die gespeicherte Energiedichte ähneln Ionistoren chemischen Batterien. Vorteile: Die angesammelte Energie kann innerhalb kurzer Zeit genutzt werden.

Akkumulatoren mit Schwerkraftantrieb

Zuerst heben wir einen Körper mit einem Gewicht von 2000 kg auf eine Höhe von 5 m. Anschließend wird der Körper unter dem Einfluss der Schwerkraft abgesenkt, wodurch der elektrische Generator rotiert. E = mgh ~ 2000 ∙ 10 ∙ 5 = 100 kJ ~ 27,8 Wh. Spezifische Energiekapazität 0,0138 W·h/kg. Im Betrieb kann das Laufwerk eine Stunde lang maximal 28 W belasten. Die Lebensdauer des Antriebs kann 20 Jahre und mehr betragen.

Vorteile: Die angesammelte Energie kann innerhalb kurzer Zeit genutzt werden.

Schwungrad

Die im Schwungrad gespeicherte Energie kann mit der Formel E = 0,5 J w2 ermittelt werden, wobei J das Trägheitsmoment des rotierenden Körpers ist. Für einen Zylinder mit Radius R und Höhe H:

J = 0,5 p r R4 H

Dabei ist r die Dichte des Materials, aus dem der Zylinder besteht.

Begrenzen Sie die lineare Geschwindigkeit am Umfang des Schwungrads Vmax (ca. 200 m/s für Stahl).

Vmax = wmax R oder wmax = Vmax /R

Dann ist Emax = 0,5 J w2max = 0,25 p r R2 H V2max = 0,25 M V2max

Die spezifische Energie beträgt: Emax /M = 0,25 V2max

Bei einem zylindrischen Schwungrad aus Stahl beträgt der maximale spezifische Energiegehalt etwa 10 kJ/kg. Für ein Schwungrad mit einem Gewicht von 100 kg (R = 0,2 m, H = 0,1 m) kann die maximal akkumulierte Energie 0,25 ∙ 3,14 ∙ 8000 ∙ 0,22 ∙ 0,1 ∙ 2002 ~ 1 MJ ~ 0,278 kWh betragen. Im Betrieb kann der Antrieb eine Stunde lang maximal 280 W belasten. Die Lebensdauer des Schwungrads kann 20 Jahre und mehr betragen. Vorteile: Die angesammelte Energie kann für kurze Zeit genutzt werden, die Leistung kann deutlich verbessert werden.

Super Schwungrad

Das Superschwungrad ist im Gegensatz zu herkömmlichen Schwungrädern dazu in der Lage Design-Merkmale theoretisch bis zu 500 Wh pro Kilogramm Gewicht speichern. Aus irgendeinem Grund wurde die Entwicklung von Superschwungrädern jedoch eingestellt.

Pneumatischer Speicher

Luft unter einem Druck von 50 Atmosphären wird in einen Stahltank mit einem Fassungsvermögen von 1 m3 gepumpt. Um diesem Druck standzuhalten, müssen die Wände des Tanks etwa 5 mm dick sein. Druckluft Früher gearbeitet. In einem isothermen Prozess wird die Arbeit A, die ein ideales Gas bei der Expansion in die Atmosphäre verrichtet, durch die Formel bestimmt:

A = (M / m) ∙ R ∙ T ∙ ln (V2 / V1)

wobei M die Gasmasse ist, m - Molmasse Gas, R – universelle Gaskonstante, T – absolute Temperatur, V1 – anfängliches Gasvolumen, V2 – endgültiges Gasvolumen. Unter Berücksichtigung der Zustandsgleichung für ein ideales Gas (P1 ∙ V1 = P2 ∙ V2) für diese Implementierung des Speichergeräts V2 / V1 = 50, R = 8,31 J/(mol Grad), T = 293 0K, M / m ~ 50: 0,0224 ~ 2232, Gasarbeit während der Expansion 2232 ∙ 8,31 ∙ 293 ∙ ln 50 ~ 20 MJ ~ 5,56 kW · Stunde pro Zyklus. Die Masse des Antriebs beträgt ca. 250 kg. Die spezifische Energie beträgt 80 kJ/kg. Im Betrieb kann der pneumatische Speicher eine Stunde lang eine Last von maximal 5,5 kW bereitstellen. Lebensdauer pneumatischer Speicher kann 20 Jahre oder länger betragen.

Vorteile: Der Speicher kann unter der Erde platziert werden, als Speicher können handelsübliche Gasflaschen in der benötigten Menge mit entsprechender Ausrüstung verwendet werden, bei Verwendung eines Windmotors kann dieser direkt die Kompressorpumpe antreiben, es gibt genug große Menge Geräte, die die Energie der Druckluft direkt nutzen.

Vergleichstabelle einiger Energiespeicher

Fassen wir alle oben genannten Werte der Energiespeicherparameter in einer Übersichtstabelle zusammen. Beachten wir jedoch zunächst, dass die spezifische Energieintensität es uns ermöglicht, Speichergeräte mit konventionellem Kraftstoff zu vergleichen.

Das Hauptmerkmal von Kraftstoff ist seine Verbrennungswärme, d. h. die Menge an Wärme, die bei der vollständigen Verbrennung freigesetzt wird. Man unterscheidet zwischen spezifischer Verbrennungswärme (MJ/kg) und volumetrischer Wärme (MJ/m3). Wenn wir MJ in kWh umrechnen, erhalten wir:

Wie wir sehen, übersteigt die spezifische Energieintensität von Kraftstoff die Energieintensität von Energiespeichern deutlich. Weil als Backup-Quelle Energien werden oft genutzt Dieselgeneratoren, werden wir in die Abschlusstabelle die Energieintensität von Dieselkraftstoff einbeziehen, die 42624 kJ/kg oder 11,84 kW-Stunden/kg entspricht. Nehmen wir zum Vergleich noch Erdgas und Wasserstoff hinzu, denn letzterer kann auch als Grundlage für die Schaffung von Energiespeichern dienen.

Der spezifische Massenenergiegehalt von Flaschengas (Propan-Butan) beträgt 36 mJ/kg. oder 10 kWh/kg und für Wasserstoff - 33,58 kWh/kg.

Als Ergebnis erhalten wir die folgende Tabelle mit den Parametern der betrachteten Energiespeicher (die letzten beiden Zeilen dieser Tabelle wurden zum Vergleich mit herkömmlichen Energieträgern hinzugefügt):

Die in dieser Tabelle angegebenen Zahlen sind sehr ungefähre Angaben; bei den Berechnungen werden viele Faktoren, beispielsweise der Koeffizient, nicht berücksichtigt nützliche Aktion Dieser Generator, der gespeicherte Energie, Volumina und Gewichte nutzt notwendige Ausrüstung usw. Allerdings ermöglichen diese Zahlen meiner Meinung nach eine erste Einschätzung der potenziellen Energieintensität verschiedene Arten Energiespeichergeräte.

Und wie aus der obigen Tabelle hervorgeht, die meisten effektives Aussehen Der Speicher wird durch eine Flasche mit Wasserstoff dargestellt. Wenn „kostenlose“ (überschüssige) Energie aus erneuerbaren Quellen zur Herstellung von Wasserstoff genutzt wird, könnte sich der Wasserstoffspeicher als der vielversprechendste erweisen.

Wasserstoff kann als Kraftstoff in einem herkömmlichen Verbrennungsmotor verwendet werden, der einen elektrischen Generator antreibt, oder in Wasserstoff Brennstoffzellen die direkt Strom produzieren. Die Frage, welche Methode rentabler ist, bedarf einer gesonderten Betrachtung. Nun, Sicherheitsfragen bei der Produktion und Verwendung von Wasserstoff können zu Anpassungen führen, wenn die Machbarkeit der Verwendung des einen oder anderen Typs von Energiespeichergeräten geprüft wird. veröffentlicht

Machen Sie mit

Die einfachste Batterie dieser Art ist eine gewöhnliche Gasflasche, in die im Moment der Spitzenstromerzeugung Luft unter dem Kompressor gepumpt wird. hoher Druck. Wenn die Energieproduktion sinkt oder umgekehrt der Verbrauch stark ansteigt, öffnet sich das Ventil und die austretende Druckluft dreht die Generatorturbine. Der Wirkungsgrad einer solchen Anlage erweist sich als relativ gering, aber angesichts der Tatsache, dass bei Produktionsspitzen oft Energie einfach verschwendet wird und den umgebenden Raum erwärmt, sollte auch dieser Zusatz nicht vernachlässigt werden.

Wie können Sie die Effizienz steigern und die relativen Kosten eines solchen Systems senken? In einem Setup namens Druckluft Energiespeicher(CAES), erstmals 1991 von den Vereinigten Staaten in McIntosh, Alabama, gebaut. Als Reservoir dient eine natürliche unterirdische Salzgrotte. Die Salzschicht lässt keine Luft durch, auch nicht darunter hoher Druck- Salzstaub mit kleinen Körnern dichtet die kleinsten Risse ab, die in der Dicke der Formation auftreten können. Luft in die Höhle mit einem Volumen von 538.000 Kubikmetern. von einem Kompressor auf einen Druck von 77 Atmosphären gepumpt. Wenn der Stromverbrauch im Netz unerwartet ansteigt, entweicht Luft und gibt Strom an das System ab. Die Zeit zum Entleeren des Tanks auf einen niedrigeren Betriebsdruck von 46 atm beträgt 26 Stunden, in denen die Station 110 MW Leistung produziert.

Wie kann die Effizienz des Systems gesteigert werden? Druckluft dreht das Laufrad nicht von selbst, sondern vermischt sich mit Erdgas und gelangt in die Gasturbine. Großer Teil Die Leistung einer Gasturbine (bis zu zwei Drittel) wird normalerweise für den Antrieb des Kompressors aufgewendet, der Luft hineinpumpt – hier erzielen wir erhebliche Einsparungen. Darüber hinaus wird die Luft vor dem Eintritt in die Turbine im Wärmetauscher (Rekuperator) mit Verbrennungsprodukten erhitzt, was ebenfalls zur Effizienz beiträgt.

Insgesamt bietet dieses Schema, vergleichbar mit einer herkömmlichen Gasturbine, eine Reduzierung des Gasverbrauchs um 60 bis 70 %, einen schnellen Start aus dem kalten Zustand (mehrere Minuten) und Gute Arbeit bei geringer Belastung. Der Bau der Mcntosh-Station dauerte 30 Monate und kostete 65 Millionen US-Dollar (trotz der Anwesenheit einer natürlichen Salzhöhle).

Zusätzlich zum Projekt in Alabama haben die Deutschen 1978 in Huntorf einen 290-MW-Speicher (2 Stunden Betrieb) in zwei Salzhöhlen in einer Tiefe von 600...800 m mit einem Druckbereich von 50... in Betrieb genommen. 70 Atmosphären. Der Speicher diente ursprünglich als heiße Reserve für die Industrie im Nordwesten Deutschlands und dient heute der Glättung von Leistungsspitzen bei Windparks.

Zu Sowjetzeiten war der Bau im Donbass geplant pneumatischer Speicher bei 1050 MW, aber leider blieb, wie bei vielen Projekten dieser Jahre, alles auf dem Papier.

Nun, ein Video von den Projektentwicklern.