Что такое гравитационная батарея ?

Если в тепловых электростанциях (работающих на газу, нефти, твердом топливе) еще можно уменьшить мощность, равно как и увеличить, то с ветряками, солнечными фотопреобразователями "свет-напряжение" и даже такими экзотическими (во всяком случае для Украины) проектами, как термальные электростанции на основе тепловой энергии гейзеров, все гораздо сложнее.
Проблема в том, что, электричество это такой товар, который потребляется в момент его производства. Бегут электроны по проводам со скоростью света к потребителям, а если "лишняя" энергия в данный момент не нужна, то вся сложная система электрогенерации и распределения работает впустую.
Вопрос номер 1. Как и где хранить избыточную энергию ? Это произойдет, когда потребление уменьшается или наоборот выработка увеличивается, а может и одно и другое.

Что такое гравитационная батарея ?

Преобразование энергии

Солнце нельзя "прикрутить" или попросить ветер дуть слабее.

Конечно же энергию надо где-то хранить !

Для домашних/офисных автономных систем энергопитания на основе инверторов это вообще не вопрос. И думать нечего – установил накопительную батарею на 100-200 Ач и это техническое решение дает возможность питать во время блекаутов всю аппаратуру на период 4-5 часов !

Мы предлагаем такие решения. И гибридные инверторы и солнечные панели к ним и батареи глубокого циклического разряда – все имеется в наличии и готово заступить на службу у Вас дома, в квартире или офисе. Звоните ! +38 (044) 334-49-44+38 (097) 559-01-01+38 (095) 559-01-01
Это сейчас настольные будильники сполошь и рядом электрические или даже электронные с дисплеями, часто даже со встроенными термогигрометрами и другими функциями. А раньше энергия подавалась не от батарейки, а от пружинки, в виде стальной пластины. Впрочем как и в старых игрушках времен СССР. Сделал несколько оборотов, и запас энергию в виде плотно сжатой пружины. И потом она медленно распрямляется.

На этом примере интересно наблюдать за процессом превращения энергии. Потенциальная энергия переходит в кинетическую, т.е. пружина приводит в движение сложную систему шестеренок и в конечном итоге минутную и секундную стрелку. Как и колотушку-звоночек, чтобы будить по утрам, когда так хочется поспать.
Именно об этом рассказывал в познавательной шутливо-сказочной форме советским детям мультфильм “Шкатулка с секретом”.
Однако мы отвлеклись от темы. Хотя это так кажется только на первый взгляд. Если обратиться к современным часам-будильникам, то в них тоже энергия превращается. Только химическая в электрическую.
А гравитационные батареи, о которых мы будем говорить сегодня, это такой микс из рассказанного нами.

Но прежде чем рассказать о гравитационных батареях, еще раз повторимся с целью закрепления написанного выше и лучшего понимания темы.
Если бы в любой момент времени электричества потреблялось бы столько, сколько вырабатывалось, никакие бы системы накопления энергии не были бы нужны. Но этого не бывает НИКОГДА !
Поэтому если есть избыток, его нужно :

• Накапливать и об одном из инновационных методов, мы расскажем. Про другой – батареи мы уже упомянули.
• Продавать. Так делает страна, когда излишек экспортируют за границу.

А если не хватвает ? Тогда выбора нет - надо ограничивать потребление. Если нет возможности нарастить выработку. В самом худшем случае - отключать планово или аварийно потребителей. С чем Украина, к сожалению, массово столкнулась прошлой зимой.

Как устроена

Идея не нова. Еще в начале XX-го века в Швейцарии была разработана и успешно внедрена гидроаккумулирующая система. Дополнительно произведенная электроэнергия от "грязной" энергетики (где сжигался уголь с выделением не только CO2, с чем пытается бороться весь цивилизованный мир, но и опасная для здоровья химически многокомпонентная гарь), посредством насоса, накачивала воду в верхнюю емкость.

Как только потребление превышало выработку (часы пик, например вечером), вода стекала вниз, вращая лопатки турбины. И таким образом, накопленная ранее энергия компенсировала недостаток в текущий момент. То есть система становилась сбалансированной.
Это разновидность гравитационной системы, поскольку за счет силы земного тяготения любой объект, если нет препятствий, стремится двигаться вниз. В нашем случае, вода стекает по каналу из верхнего в нижний резервуар. То есть вода и гравитация совместно являются носителями энергии. Здесь последовательность следующая и цепочка довольно длинная. Но Закон сохранения энергии никто не отменял!

Потенциальная энергия (вода вверху) – кинетическая (поток воды) – механическая (вращение турбины) – электрическая (выдает генератор).

То есть здесь рабочим телом выступает вода. Но с водой возни много. Можно ли обойтись без нее и накапливать энергию ?
Конечно ! И видимо без часов в качестве примера для объяснений нам сегодня не обойтись.
Часы с кукушкой. Тоже такой привет из прошлого. Хотя для ценителей древности это настоящие сувениры. Причем реально действующие.

Так вот в часах, механическая энергия запасалась в гирях на цепях, которые под действием гравитации постепенно опускались вниз, тем самым давая механическое "питание" часам путем вращения барабана с шестеренками и другими передаточными механизмами. Вот это система ! На батарейки не надо тратиться. Шутка. Полностью воплощенная в реальность.
Говорят, что история повторяется по спирали. И это утверждение как раз хорошо подтверждается нашей кукушкой, которая уже столетиями является прообразом гравитационный батарей. То есть берем старое и даем ему новую жизнь.
Только гири эти надо увеличить в тысячи раз !

Как работает

1. Избыток энергии (который бы все равно не использовался – это важное условие !) поднимает груз на высоту. Тем самым запасается потенциальная энергия.
2. Когда в энергосистеме появляется дефицит энергии, груз опускается вниз, вращая генератор, который выдает электричество в сеть.

Ничем не напоминает гири часов с маятниковым боем ? Да один в один. Если бы на барабан, который вращает цепи с гирями, закрепить ротор электрогенератора, то мы получили бы практически полный аналог гравитационной батареи.
Только два замечания.
Во-первых, в этом варианте энергия поступает не от солнца, а от мускульных усилий человека, который первоначально поднимает гири, тем самым заводит часы.
Во-вторых, для того, чтобы запустить генератор, на основе часов, хотя бы на минимальных оборотах, нужен ряд передаточных механихзмов, чтобы в сотни – тысячи раз ускорить частоту вращения.
Важно еще упомянуть о том, что в гравитационных батареях, энергия должна подаваться постепенно, то есть груз опускаться медленно в течение нескольких часов. Прямо как батарея постепенно разряжается, подавая постоянное напряжение в инвертор, для выдачи на выходных клеммах 220 В.
Это важно, потому что например в арбалете – смертоносном оружии, накопленная энергия "выстреливается" сразу, чтобы дать максимальный стартовый импульс стреле.
От чего зависит количество запасенной энергии в гравитационной батарее ?

С первыми двумя пунктами понятно, а что это за ячейки ? Мы воспользовались терминологией из области электрохимических батарей. Там каждая батарея состоит из ячеек. Как банки аккумулятора в автомобильной батарее, так и ячейки в энергоэфективных литий-феррум-полимерных батареях.
Под ячейками в гравитационной батарее мы будем понимать просто физические места размещения грузов.

Чем больший запас энергии нам понадобится, тем выше нужно поднимать груз. Но этому есть предел. Второй вариант, что не растить слишком вверх, поместить рядом несколько ячеек с грузами. Вот мы и получили банки/ячейки, только гравитационные. Есть и третий способ - подземный. О нем - ниже.
С какими весами и высотами придется иметь дело в гравитационных батареях ?

Масса грузов может достигать 10-25 тонн ! А высота подъема - десятки метров. По-другому никак. Иначе как говорится, овчинка выделки не стоит.
Если есть место, то гравитационная батарея очень просто масштабируется. Таким образом, можно нарастить мощность до десятков Мегаватт/час.
Подчеркнем еще раз, что это не система выработки энергии, а только ее хранения. Которая должна быть подключена к возобнавляемым источникам энергии. А к электрической сети можно подключить ? Конечно ! Разницы нет. Просто популярность этой системы резко возросла в связи с переходом на "зеленую энергетику".
Мы говорили о том, что “груз поднимается”. Но разумнее этот груз… опускать вниз. А в чем разница и какая выгода ?
А в том, что по всему миру существуют десятки тысячи заброшенных шахт со стволами глубиной сотни и даже тысячи метров. Зачем занимать место на поверхности земли, если можно воспользоваться уже готовыми каналами ?! Фактически готовая инфраструктура, которая в разы сократит капитальные вложения. Такие подземные хранилища энергии выгодны еще и тем, что на поверхности как раз и есть смысл поставить ветряки и солнечные панели. А при наземних решениях, территория была бы занята самими гравитационными батареями.

Интересная и символичная игра судьбы. Тот новый виток истории, о котором мы говорили. Угольные шахты, фактически выдавая на гора топливо, которое десятки лет загрязняло атмосферу, теперь получают энергетическую реинакарнации, и должны послужить в качестве гравитационного хранилища для чистой знергии, полученной от солнца или ветра.

Выгоды по сравнению с литиевыми, кислотными, и другими аккумуляторами

1. Безопасная эксплуатация. Батарейки надо утилизировать. Некоторые из них выделяют опасные для здоровья (и даже взрывоопасные) газы. При транспортировке, да и вообще при зксплуатации существует риск самовозгорания.
2. Возобновляемость. Сколько бы не прослужил аккумулятор, все равно его ячейки медленно, но неизбежно выходят из строя. Электрохимическую батарею нельзя отремонтировать. А что с гравитационной ? Груз практически "вечный". Заменил трос, смазал, починил механизмы. Яркий пример – шахтные лифты для подъема/спуска шахтеров. Обслуживай регулярно и будут работать десятилетями.
3. Нулевые потери при хранении энергии. Никаких токов саморазряда здесь нет.

Шотландская компания с краноречивым названием Gravitricity, один из пионеров – стартапов в этой сфере, уже построида несколько наземных протитипов, и сейчас рассматривает одну из шахт по добыче меди и цинка в Финляндии, которая завершила свою работу совсем недавно, в 2022 году. Это имеет существенное значение, поскольку в отличном действующем состоянии лифтовые системы, подключение к электросети. Это не бурить шурф с нуля.
Прогнозируется, что отдаваемая мощность достигнет 2 МГвт, давая подпитку финской электросети в пиковые часы.