Компьютерра прокляття акумуляції, або чому не чути про супермаховик

Якщо дозволите краплю емоцій, я не перестаю дивуватися, які пристрасті розпалюються кожен раз, коли розмова в цій колонці заходить про «чистої енергії». Напруження Минулотижневі дискусії про ефективність сонячних батарей (див. «Домашня енергонезалежність») виявився таким, що, подивившись з боку, можна подумати, ніби обговорюють велику політику або як мінімум порівнюють операційні системи! І особисто для мене це найкращий доказ того, що тема тільки здається відпрацьованої та усталеною, а насправді навіть по елементарних начебто питань (на зразок практичної придатності сонячних батарей в хмарну погоду) існують діаметрально протилежні точки зору. Так що якщо у вас є чим крити, є цифри, а тим більше особистий досвід, дуже прошу взяти участь у новій дискусії. Тому що сьогодні я ризикну продовжити розпочатий в дві минулих тижні розмова. Адже енергію Сонця або вітру мало отримати, її мало розподілити по споживачах, її ще життєво важливо навчитися накопичувати!

Справді, який сенс від тієї ж трёхкіловаттной ікеевскій сонячної електростанції, що займає дах приватного будинку, якщо вона, здатна з надлишком задовольнити потреби цілого домогосподарства, працює тільки в світлий час доби? Ідеально було б накопичувати залишається під час генерації надлишок ( «з'їсти» три кіловати - не жарт, мало який побутовий прилад поглинає навіть кіловат, і працюють такі прилади, як правило, недовго: проточний нагрівач води, духовка ... У мене, правда, гріє будинок полуторакіловаттний біткойновий ріг, але це рідкість, погодьтеся) і віддавати його в міру потреби вночі. Що ж, припустимо, на ніч і сутінки, що займають, скажімо, 18 годин, вдома потрібні ті ж самі три кіловати. Значить, побутової накопичувач електроенергії повинен запасти, грубо, 54 кіловат-години. Багато це чи мало?

Сонячна електростанція Solana.

Нормально. І рішення цієї проблеми «в лоб», установкою електричного акумулятора прийнятних габаритів і експлуатаційних властивостей, тобто літій-іонного, вже можливо. Більше того, випускаються серійні зразки акумуляторних батарей саме такий ємності: це батареї електромобілів - наприклад, знайомого вам Model S від Tesla Motors, базова комплектація якого включає батарею з ємністю 60 кВт • ч. Одна проблема: чи варто таке рішення 10 тисяч американських доларів, тобто дорожче всієї сонячної електростанції від тієї ж IKEA. І цінами Елона Маска можна вірити: вони хоч і збирають свої батареї з чужих елементів (основу виробляє Panasonic), але використовують їх не тільки в автомобілях, а й на побутових сонячних електростанціях, що встановлюються компанією Solar City (один з проектів Маска. Входить в число найбільших установників сонячних батарей в США). Оскільки попиту на такі батареї, природно, немає, Solar City поки обмежується установкою порівняно невеликих акумуляторів, здатних підтримати базові електропотребності середнього будинку лише на час короткочасних перебоїв енергопостачання.

Але це ще не всі погані новини. Цифра, яку ми отримали вище, можна сказати, обивательське. А професіонали кажуть так: запас енергії в будинку повинен бути мінімум на три (хмарних) дня, а краще - на п'ять (тоді акумулятори прослужать довше)! Так що в існуючому вигляді електричні акумулятори неприйнятні навіть для домашніх потреб, не кажучи вже про потужні електростанціях. Але як же бути? І як викручуються проектувальники великих енергогенеруючих об'єктів?

Щоб відповісти на це питання, досить подивитися на що вводяться в дію суперсучасні «чисті» електростанції. Скажімо, на що стартувала днями в Штатах станцію Solana - займає площу в кілька квадратних кілометрів і найпотужнішу на планеті (280 МВт, 70 тисяч середньостатистичних домогосподарств). Так ось: ніякого нанотеха, ніяких чудес електрохімії. Все просто: частина зібраного сонячного тепла пускають на нагрів здоровенного резервуара з розплавом солі (деякі солі, скажімо, глауберової, тверді в охолодженому стані, переходять в рідку форму при нагріванні), і вночі повертається сіллю тепло нагріває воду до пари і крутить турбіну. І ось це рішення (точніше, його масштаби) називають «поворотним моментом для сонячної енергетики»! Ось він, пік чистих технологій XXI століття: сольова грілка за два мільярди доларів!

Solana зсередини: сольова грілка плюс водяна пара.

Це і смішно, і сумно водночас. Смішно - тому що в завданню акумуляції енергії ми ніяк не підемо від технологій столітньої давності. Сумно - тому що рішення цього завдання, наскільки мені відомо, існує давно, а честь відкриття і розробки належить нашому співвітчизнику. Називається воно дивним словом «супермаховик».

Повинен попередити відразу: описуючи це творіння інженерної думки, я не можу бути абсолютно об'єктивним. Тому що книга про супермаховик потрапила в мої руки, коли мені було щось близько десяти років, і стала однією з цеглинок, на яких і сформувалася моя любов до техніки. Тому ще раз повторю, що буду радий будь-яким доводам і аргументам. Але - до суті. У далекому 1986 році видавництво «Дитяча література» (!) Випустило книгу радянського винахідника Нурбея Гулиа «У пошуках" енергетичної капсули "» (її копія, як раритетного видання, є в Мережі). З гумором і дуже просто Гулиа описує в ній своє становлення інженера (так вирішили його знайомі: мовляв, якщо інших талантів немає, дорога одна!) І вихід на завдання, яка стала головною в його житті. Це завдання акумуляції енергії - вже тоді, тридцять років тому, яка стояла в повний зріст. Перебравши механічні, термічні, електричні, хімічні рішення, заглянувши в те, що незабаром стане нанотехнологіями, Гулиа відкинув їх все з тих чи інших причин - і зупинився на ідеї, відомої з давніх-давен: масивному обертовому тілі, маховику.

Ми знаходимо маховик всюди, від гончарного круга і примітивних водяних насосів до транспортних засобів XX століття і космічних гіроскопів. Як акумулятор енергії він чудовий тим, що його можна швидко розігнати ( «зарядити») і швидко ж зупинити (отримавши значну потужність «на виході»). Одна проблема: енергоємність його недостатня, щоб претендувати на роль універсальної «енергетичної капсули». Щільність енергії, що запасається необхідно збільшити хоча б в сотню разів. Але як це зробити? Збільшимо швидкість - маховик розірве і збережена енергія заподіє страшні руйнування. Нарощувати габарити теж не завжди можливо. Пропускаючи багаторічний, дуже цікавий пласт досліджень і роздумів (дуже рекомендую книгу, Новомосковскется і сьогодні абсолютно сучасно!), Власне внесок Гулиа можна звести до наступного: він запропонував робити маховик не монолітна, а навивати - наприклад, із сталевого троса або стрічки. Зростає міцність, зводять до незначних наслідки розриву, а енергоємність навіть саморобних зразків перевищує параметри промислових розробок. Цю конструкцію він і назвав супермаховиком (і запатентував один з перших варіантів ще в 1964-му).

Опрацьовуючи ідею, він прийшов до думки навивати маховик з графітового волокна (не забувайте, що фулерени тоді тільки отримали, а про графені і мови не йшло), а то і більше екзотичних матеріалів на зразок азоту. Але навіть 20-кілограмовий супермаховик з вуглецевих волокон, технічно можливий вже тоді, тридцять років тому, був здатний запасти енергію, достатню для пересування легкового автомобіля на 500 кілометрів, із середньою вартістю стокілометрового кидка в 60 американських центів.

У випадку з супермаховик немає сенсу возитися з порівняльними оцінками - будь то запасається на одиницю маси енергія або експлуатаційні характеристики: теоретично вони перевершують усі наявні альтернативні рішення. І області застосування напрошувалися самі собою. Поміщений в вакуум, на магнітній підвісці, з ККД вище 90%, що витримує неймовірне число циклів заряду-розряду, здатний працювати в найширших діапазонах температур, супермаховик здатний обертатися роками і обіцяв фантастичні речі: автомобіль від однієї зарядки міг би бігати тисячі кілометрів, а то і весь термін служби, електростанція з захованим в фундамент многосотметровим супермаховиком запасатися б енергію, достатню для освітлення всієї Землі, і так далі, і так далі. Але от питання: минуло тридцять років, чому ми ж не бачимо супермаховиков навколо себе?

Сказати по правді, я не знаю відповіді. Технічні складності? Так, і конструкція супермаховика, і плавний відбір енергії - завдання з великої літери, але вони начебто вирішені. Час від часу чути про дрібних, вузьконішевому застосуваннях. Але саме там, де на нього покладалися головні надії - в енергетиці та автомобілебудуванні - супермаховик масового застосування не знайшов. Пару років тому американська компанія Beacon Power ввела в дію невелику супермаховичного енергоакумулюючих станцію під Нью-Йорком, але сьогодні про проект нічого не чутно, а сама компанія перебивається з хліба на воду.

Нурбій Гулиа як і раніше працює над вдосконаленням свого дітища і рік тому відзначився повідомленням про можливість побудови графенового супермаховика (з розрахункової питомої енергоємністю 1,2 кВт * год / кг, тобто на порядок вище літій-іонних акумуляторів). Але, якщо я правильно розумію, комерційного успіху він досяг з іншою своєю розробкою (суперваріатором, оригінальною механічною передачею), а ось супермаховик чомусь залишається під знаком питання.

P. S. Я попросив Нурбея Смелаовіча взяти участь в дискусії (хоч надія, самі розумієте, слабка: на особистому сайті його натурально долають шанувальники).