Що таке гравітаційна батарея?

Якщо в теплових електростанціях (що працюють на газі, нафті, твердому паливі) ще можна зменшити потужність, так само як і збільшити, то з вітряками, сонячними фотоперетворювачами "світ-напруга" і навіть такими екзотичними (принаймні для України) проектами, як термальні електростанції на основі теплової енергії гейзерів, все набагато складніше.
Проблема в тому, що, електрика це такий товар, який споживається в момент його виробництва. Прямують електрони по дротах зі швидкістю світла до споживачів, а якщо зайвої енергії в даний момент не потрібно, то вся складна система електрогенерації і розподілу працює дарма.
Питання номер 1. Як і де зберігати зайву енергію? Це виникає, коли попит зменшується або навпаки виробництво збільшується, а може і одночасно.

Що таке гравітаційна батарея?

Перетворення енергії

Сонце не можна "прикрутити" або попросити вітер дути слабше.

Звісно ж енергію треба десь зберігати!

Для домашніх/офісних автономних систем енергопостачання на основі інверторів це взагалі не питання. І думати ні про що - встановив накопичувальну батарею на 100-200 Ач і це технічне рішення дає можливість живити під час блекаутів усю апаратуру на період 4-5 годин!

Ми пропонуємо такі рішення. І гібридні інвертори і сонячні панелі до них і акумулятори глибокого циклу – все є в наявності й готове розпочати службу на вашому об'єкті. Телефонуйте! +38 (044) 334-49-44 +38 (097) 559-01-01 +38 (095) 559-01-01
Це зараз настільні годинники переважно електричні або навіть електронні з дисплеями, часто навіть з вбудованими термогігрометрами та іншими функціями. А раніше енергія подавалась не від батарейки, а від пружинки у вигляді сталевої пластини. Як і в іграшках часів СРСР. Зробив декілька обертів, зберіг енергію у вигляді стисненої пружини. Потім вона повільно розправляється.

На цьому прикладі цікаво спостерігати за процесом перетворення енергії. Потенціальна енергія переходить у кінетичну, тобто пружина приводить у рух складну систему шестеренок, і в кінцевому підсумку відбувається переміщення хвилинної та секундної стрілок. Як і у колотушці-дзвонику, щоб будити вранці, коли так хочеться поспати.
Саме про це розповідав у пізнавально-жартівливій казковій формі радянським дітям мультфільм "Шкатулка з секретом".
Однак ми відвлеклися від теми. Хоча це так здається лише на перший погляд. Якщо звернутися до сучасних годинників-будильників, то і в них також енергія перетворюється. Тільки хімічна у електричну.
А гравітаційні батареї, про які ми будемо розповідати сьогодні, це такий мікс з того, що ми розповідали.

Перед тим, як розповісти про гравітаційні батареї, ще раз повторимось з метою закріплення написаного вище та кращого розуміння теми.
Якби в будь-який момент часу споживалось стільки ж електроенергії, скільки вироблялось, жодні системи накопичення енергії не були б потрібні. Але це не відбувається НІКОЛИ!
Тому якщо є надлишок, його потрібно:

• Накопичувати, і про один із інноваційних методів, ми розповімо. Про інший – батареї, ми вже згадували.
• Продавати. Так робить країна, коли надлишок експортують за кордон.

А якщо не вистачає? Тоді вибору немає - потрібно обмежувати споживання. Якщо немає можливості збільшити виробництво. В самому гіршому випадку - відключати планово або аварійно споживачів. З чим Україна, на жаль, масово стикнулася минулої зими.

Як працює

Ідея не нова. Ще на початку XX-го століття в Швейцарії була розроблена і успішно впроваджена гідроакумулююча система. Додатково вироблена електроенергія від "брудної" енергетики (де спалювалось вугілля з виділенням не лише CO2, з чим намагається боротися весь цивілізований світ, але й небезпечна для здоров'я хімічно багатокомпонентна сажа), за допомогою насоса, накачувала воду в верхню ємність.

Коли споживання перевищувало виробництво (години пік, наприклад ввечері), вода прямувала вниз, обертаючи лопаті турбіни. І таким чином, накопичена раніше енергія компенсувала нестачу в поточний момент. Тобто система ставала збалансованою.
Це різновид гравітаційної системи, оскільки за рахунок сили земного тяжіння будь-який об'єкт, якщо немає перешкод, прагне рухатися вниз. У нашому випадку, вода стікає по каналу з верхнього в нижній резервуар. Тобто вода і гравітація спільно є носіями енергії. Тут послідовність наступна і ланцюжок досить довгий. Але закон збереження енергії ніхто не скасовував!

Потенціальна енергія (вода вгорі) - кінетична (потік води) - механічна (обертання турбіни) - електрична (видає генератор).

Тобто тут робочим тілом виступає вода. Але з водою не зовсім зручно працювати. Чи можна обійтися без неї і накопичувати енергію ?
Звичайно! І вірогідно все ж без годинника в якості прикладу для пояснень нам сьогодні не обійтися.
Годинник з зозулею. Теж такий привіт з минулого. Хоча для поціновувачів давнини це справжні сувеніри. Притому реально діючі.

Отож в годинниках, механічна енергія запасалась в гирях на ланцюгах, які під дією гравітації поступово опускалися вниз, тим самим надаючи механічне "живлення" годиннику шляхом обертання барабана з шестернями та іншими передавальними механізмами. Ось це система! Не треба витрачатись на батарейки. Жарт. Повністю втілений в реальність.
Кажуть, що історія повторюється по спіралі. І це твердження якраз добре підтверджується нашою зозулею, яка вже століттями є прототипом гравітаційної батареї. Тобто беремо старе і даємо йому нове життя.
Тільки гирі ці треба збільшити в тисячі разів!

Як працює

1. Зайва енергія (яка все одно не використовувався - це важлива умова!) піднімає вантаж на висоту. Таким чином запасається потенційна енергія.
2. Коли в енергосистемі з'являється дефіцит енергії, вантаж опускається вниз, обертаючи генератор, який видає електрику в мережу.

Нагадує вам ваги-годинник з маятником, про який ми говорили вище? Якби на барабан, який обертає ланцюги з вагами, закріпити ротор електрогенератора, то ми отримали б практично повний аналог гравітаційної батареї.
Лише два зауваження.
По-перше, в цьому варіанті енергія надходить не від сонця, а від м'язових зусиль людини, яка спочатку піднімає ваги, тим самим заводячи годинник.
По-друге, для того, щоб запустити генератор, на основі годинника, хоча б на мінімальних обертах, потрібен ряд передавальних механізмів, щоб в сотні - тисячі разів прискорити частоту обертання.
Важливо ще згадати про те, що в гравітаційних батареях, енергія повинна надходити поступово, тобто вантаж опускався повільно протягом кількох годин. Прямо як батарея поступово розряджається, подаючи постійну напругу в інвертор, для видачі на вихідних клемах 220 В.
Це важливо, оскільки наприклад у арбалеті - смертельній зброї, накопичена енергія вивільняється миттєво, щоб дати максимальний стартовий імпульс стрілі.
Від чого залежить кількість запасеної енергії в гравітаційній батареї?

З першими двома пунктами зрозуміло, а що це за клітини? Ми скористалися термінологією з області електрохімічних батарей. Там кожна батарея складається з клітин. Як банки акумулятора в автомобільній батареї, так і клітини в енергоефективних літій-феррум-полімерних батареях.
Під клітинами в гравітаційній батареї ми будемо розуміти просто фізичні місця розміщення вантажів.

Чим більший запас енергії нам знадобиться, тим вище потрібно піднімати вантаж. Але це має свої межі. Другий варіант - не піднімати занадто високо, а розмістити поруч кілька "ячеек" з вантажами. Ось ми і отримали банки/ячейки, просто гравітаційні. Є ще третій спосіб - підземний. Про нього - нижче.
З якими вагами та висотами нам доведеться мати справу в гравітаційних батареях?

Маса вантажів може сягати 10-25 тонн! А висота підйому - десятки метрів. Тому що немає іншого виходу. Інакше, економічно недоцільно.
Якщо є місце, то гравітаційна батарея дуже просто масштабується. Таким чином, можна збільшити потужність до десятків мегават/год.
Знову підкреслимо, що це не система виробництва енергії, а лише її зберігання. Яка має бути підключена до відновлюваних джерел енергії. А до електричної мережі можна підключитися? Звичайно! Різниці немає. Просто популярність цієї системи раптово зросла у зв'язку з переходом на "зелену енергетику".
Ми говорили про те, що "вантаж піднімається". Але розумніше цей вантаж... опускати вниз. І в чому різниця та яка вигода?
А в тому, що по всьому світу існують десятки тисяч залишених шахт зі штольнями глибиною сотні і навіть тисяч метрів. Навіщо займати місце на поверхні землі, якщо можна скористатися вже готовими каналами?! Фактично готова інфраструктура, яка у декілька разів скоротить капітальні вкладення. Такі підземні сховища енергії вигідні ще й тим, що на поверхні саме і є сенс встановити вітряки та сонячні панелі. А при наземних рішеннях, територія була б зайнята самими гравітаційними батареями.

Цікава і символічна гра долі. Та нова сторінка історії, про яку ми говорили. Вугільні шахти, фактично видаючи на гору паливо, яке десятиліттями забруднювало атмосферу, тепер отримують енергетичну реінкарнацію, і повинні служити в якості гравітаційного сховища для чистої енергії, отриманої від сонця або вітру.

Переваги порівняно з літієвими, кислотними та іншими акумуляторами

1. Безпечна експлуатація. Батарейки потрібно утилізувати. Деякі з них виділяють небезпечні для здоров'я (і навіть вибухонебезпечні) гази. Під час транспортування, а також взагалі під час експлуатації існує ризик самозаймання.
2. Відновлюваність. Без розгляду того, як довго прослужить акумулятор, його клітинки повільно, але неухильно виходять з ладу. Електрохімічну батарею неможливо відремонтувати. А що з гравітаційною? Вантаж практично "вічний". Замінив трос, змастивши, виправивши механізми. Яскравий приклад - шахтні ліфти для підйому/спуску шахтарів. Обслуговуй регулярно і вони працюватимуть десятиліттями.
3. Нульові втрати при зберіганні енергії. Тут немає струму саморозряду.

Шотландська компанія з красномовною назвою Gravitricity, один з піонерів - стартапів у цій сфері, вже побудувала кілька наземних прототипів, і зараз розглядає одну з шахт з видобутку міді та цинку в Фінляндії, яка завершила свою роботу зовсім недавно, в 2022 році. Це має суттєве значення, оскільки в хорошому робочому стані ліфтові системи, підключення до електромережі. Це не бурити шахту з нуля.
Прогнозується, що потужність досягне 2 МГвт, надаючи живлення фінській електромережі в пікові години.