Энергоэффективность — это проблема современных технологий, с которой борются лучшие инженеры. Были придуманы самые разнообразные способы сохранения энергии. К примеру, кинетический накопитель энергии.
Необычный вариант хранения кинетической энергии это использование маховика. Он получает энергию вращения от какого-то источника энергии (двигатель внутреннего сгорания или электродвигатель), и когда нужно, к нему подключается генератор для быстрого преобразования энергии вращения в электроэнергию. Проще говоря, кинетический накопитель энергии, использующий маховик — это цилиндр с маховиком внутри, который можно «зарядить» — придав ему вращение, или «разрядить» — подключив его к генератору. Плюс такой технологии в том, что маховик мгновенно отдает энергию, она очень быстро преобразуется из кинетической (вращение) в электричество. Также в цилиндре откачивается воздух и маховик вращается в вакууме. В центре находится вал, к которому крепится маховик, и зачастую, делают магнитный подвес, чтобы исключить лишнее трение.
Такой электромеханический преобразователь имеет и другие преимущества. Удельная энергоемкость кинетических накопителей выше чем у конденсаторов, а по удельной отдаваемой в нагрузку мощности (токовой) они опережают как кислотные аккумуляторы, так и топливные элементы.
Они компактны, экологически безопасны, обладают КПД порядка 90%, имеют длительный срок эксплуатации более 10 лет, просты в обслуживании, а рабочий ресурс практически неограничен, к тому же система охлаждения получается дешевле, чем у сверхпроводящих индукционных накопителей (СПИН).
Да, у такого накопителя много преимуществ, таких как быстрая «зарядка», у него огромный ресурс для циклов заряд/разряд. Но у него есть огромный недостаток — он саморазряжается. Даже использование самых современных материалов не может продлить срок хранения энергии. Время хранения разнится, но обычно не превышает суток.
Монолитный маховик может накопить 2,5 Вт*ч/кг. Выше не получится в целях безопасности. Реальные показатели супермаховиков в наше время: 450 Вт*ч/кг. А в графеновых супермаховиках — до 1200 Вт*ч/кг у перспективных моделей.
Проблема в конструкции таких накопителей. Маховик теряет энергию примерно на 20% в час. Оказывается, дело в сохранении гироскопического момента, он оказался настолько большим, что даже вращение Земли оказывало сильную нагрузку на сам маховик и его подшипники, тем самым не только увеличивают силу трения, но и износ подшипников становится слишком сильным. Если же использовать магнитный подвес вместо подшипников, то возникает проблема охлаждения такого накопителя, а это снижает энергоэффективность до неприемлемого уровня.
Также есть проблема в центробежной силе. Она способна разорвать любой металл, поэтому часто используют композитные материалы.
Эксперименты с такими накопителями продолжаются. Он может найти применение в автомобильной промышленности. Если установить такой маховик в автомобиль, то при торможении можно накапливать энергию в маховике, а когда нужно ускоряться, забрать энергию из накопителя. Это очень сильно увеличивает энергоэффективность транспорта. Такая идея уже довольно старая, например, в 1948 году подобные маховики ставили на автобусы. Такой маховик можно использовать там, где часты разгон и торможения, например в вагонах метро или даже лифт.
В Голландии уже около 50 лет производят кинетические накопители для стратегически важных объектов, таких как дата-центры, военные объекты или медицинских учреждениях. В Канаде с 2015 года работают две накопительные электростанция по 5 МВт каждая. В каждой установлены пять трехтонных маховиков. Их скорость вращения – 18 тыс. об/мин. В Пенсильвании установлен накопитель электроэнергии от солнечной электростанции и ветрогенераторов. 200 супермаховиков весом по 2 т запасают суммарно 40 МВт энергии.
