Революция, которую не заметили. Рекуперация становится новой генерацией
Техно-порталы и Хабр в частности не раз писали о рекуперации и возможных вариантах промышленного внедрения этого принципа, позволяющего экономить затраты на электроэнергию. Много вопросов было относительно жизненного цикла регенерационных систем, по реальному КПД и по стоимости серийного решения. Любопытные теоретические расчеты, к примеру, ранее приводились тут. Сегодняшние расчеты показывают, что современные рекуперационные системы способны если не превзойти, то как минимум сравняться по потенциалу генерации энергии со всей индустрией возобновляемой энергетики и существенно поменять правила игры на этом рынке.
Рекуперация — изобретение велосипеда? Нет
Технологию стали применять в XX веке. Из школьного курса физики мы знаем, что любой электродвигатель не только потребляет энергию, но и может сам ее произвести. Это происходит во время торможения. Когда с обмотки статора электродвигателя снимается напряжение, он начинает вырабатывать электроэнергию самостоятельно. К примеру, на ж/д транспорте вырабатываемую двигателем энергию передают в общую энергосеть через тяговые подстанции либо через контактную сеть — напрямую другим составам. Именно так поступали в московском метро во времена СССР, когда столичной «подземке» удавалось собирать и повторно использовать до 50% электроэнергии. Да, наше метро умело в ESG-повестку, когда это еще не было трендом.
Момент торможения поезда на станции четко совпадал с отправлением другого — того, что шел в обратную сторону. В итоге энергия от торможения одного поезда становилась топливом для другого. Но в связи с ростом метрополитена Москвы и приоритезацией пассажиропотока над вариантами экономии, рекуперационный баланс был утрачен. Поэтому пока удается собирать только около 10% энергии. Остальное уходит в тормозные резисторы, вырабатывающие тепло, которое необходимо удалять из туннелей метро. Кстати, на удаление этих избытков теряется порядка 53% электроэнергии, расходуемой системой тоннельной вентиляции. Она уступает только потреблению подвижного состава и составляет 0,8–1,2 млн кВт⋅ч в год (расчет-пример по метрополитену Новосибирска). Подобная растрачиваемая в воздух энергия даже получила в отрасли наименование — «энергетические отходы».
Нагрев тормозных резисторов в лондонском метро. Проблема с нагревом воздуха в туннелях метро характерна не только для нашей страны.
Тепловой след тормозящего поезда. Эту энергию можно использовать повторно или бесцельно рассеять в атмосфере
Почему промышленность возвращается к этой теме и заново начинает обсуждать варианты повсеместного использования принципа рекуперации?
На это есть ряд объективных причин, которые мы попробуем рассмотреть.
Можно отметить три главных фактора, которые сдвинули вопрос внедрения рекуперационных систем с (почти) мертвой точки:
Появление новых материалов (современные электролиты);
Кардинально иной форм-фактор современной суперконденсаторной ячейки;
Мировая экологическая повестка со все новыми требованиями для промышленности.
Нет большого смысла рассуждать о том, какой из этих факторов первичен и что чем было порождено, тут все может свестись к «дилемме курицы и яйца». Попробуем разобраться, что происходит сейчас фактически и как это может повлиять на всю электроэнергетическую отрасль.
На первый взгляд, «энергетические отходы», о которых мы упомянули выше, не так вредны, как выбросы заводов или электростанций и до недавнего времени они не являлись темой экологических дискуссий. А такой важный аспект как растрачивание колоссального объема электроэнергии впустую сегодня стоит как слон в комнате и игнорировать его становится с каждым днем все сложнее.
Смотрите сами: ≈ 50% или 13 468 ТВт∙ч от всей вырабатываемой в мире энергии потребляют электродвигатели, способные до половины этого объема вернуть благодаря посредством рекуперации.
Спорить о необходимости использования этих, уже имеющихся, экологически чистых энергетических ресурсов излишне. В мире ежегодно возводятся все новые объекты возобновляемой энергетики (ВИЭ). В конце прошедшего года на Хабре уже писали, что Международное энергетическое агентство сообщает о том, что в 2021 году будет установлен мировой рекорд по производству возобновляемых источников. Это превышает достижения 2020 года. До конца 2021 года будет введено 290 ГВт дополнительных мощностей по производству «зеленой» энергии. Солнечные электростанции продолжают в буквальном смысле «запечатывать» сельскохозяйственные площади по всему миру, ветряки врезаются в экосистему, неизбежно оказывая на нее свое влияние, гидроэнергетика доступна далеко не везде. И это при том, что внятных и экономически обоснованных способов утилизации отслуживших ВИЭ-мощностей еще никто не предложил. Даже такая страна как США, которая очень внимательна к вопросам экологии как минимум на своей территории, пока вынуждена попросту захоранивать отслужившие лопасти ветряков, ввиду невозможности их переработать.
Поэтому сегодня все больше отраслей задумываются над тем как взять уже выработанные тераватты в час электроэнергии, которые попросту выбрасываются в воздух.
Новые возможности
Безопасность является приоритетным понятием, когда мы говорим о транспорте и вариантах оптимизации его использования.
Появление нового, пожаробезопасного электролита на основе пропиленкарбоната для суперконденсаторов, позволило создать рекуперационные системы для транспорта, и в частности метрополитена, с его закрытыми пространствами. Жесткие требования к этим характеристикам не позволяли использовать системы с электролитами предыдущего поколения, которые при горении выделяли пары синильной кислоты. Новый электролит в этом плане безопасен и экологичен. По составу он, пожалуй, более всего схож с губной помадой.
Вторым важным фактором стал форм-фактор новых суперконденсаторных ячеек призматической формы, которая стала залогом отсутствия нагревов контактной части.
Токосъем на этих «плитках» распределен по всей поверхности, что позволяет отказаться от системы принудительного охлаждения. В то же время классический вид суперконденсаторных модулей более всего похож на банку Колы, где токосъем представлен двумя проводками на ребре ячейки. Выполняя свою главную функцию (прием и выдача большого объема энергии за раз), эти места нагреваются и являются своего рода ахиллесовой пятой суперконденсаторов предыдущего поколения. В отличие от призматических ячеек, решения на основе «банок» также занимают гораздо больше объема. А к объему добавляем еще и систему охлаждения.
Появление нового электролита и форм-фактора открыло возможности оборудования рекуперационными системами самого широкого спектра транспорта, а также другой техники, использующей электромоторы.
Испытания, проведенные российскими разработчиками и производителями рекуперационных систем из компании ТЭЭМП показали, что, к примеру, трамвай может регенерировать порядка 40% энергии, потребляемой при разгоне. Это 142 кВтч в день только с одной единицы транспорта — цифры сопоставимы с ежедневной выработкой солнечного парка в 1000 м².
Всего в России около 7700 трамваев. Если поставить на них систему накопления энергии, они выработают около 400 000 МВт*ч электроэнергии за год. Это позволит сэкономить на «топливе» более $29 млн и снизит выбросы CO2 в атмосферу на 180 тыс. тонн.
Если переложить показатели на масштабы такой компании, как РЖД, становится понятно, что потенциал экономии бюджетных средств может быть огромен. Крупнейший ж/д перевозчик потребляет порядка 6% всей электроэнергии, вырабатываемой в России. Почему бы не собрать эту энергию и не использовать ее повторно? Это поможет сэкономить до 50% бюджета на электроэнергию и уменьшить объем выбросов углекислого газа.
«Транспорт» может быть разным
С появлением гибридных болидов рекуперация пришла и в Формулу 1. Специально для нее в 2009 году создали KERS — кинетическую систему восстановления энергии. И польза от нее не только в экономии энергии. Система дает болидам буст, своеобразный »нитро» — прямо как в компьютерный играх. В 2014 году в автомобили стали устанавливать сразу две системы рекуперации: суммарно они увеличили их мощность на 160 л.с.
Как работает система: на трансмиссии собирается энергия, которая вырабатывается при торможении. Сопротивление генератора обеспечивает дополнительное тормозное усилие, и в то же время способствует заряду батарей болида. Когда нужна дополнительная мощность, пилот просто нажимает кнопку на руле и получает дополнительное ускорение. Электроника посылает заряд батареи на генератор, и он дает 80 дополнительных л.с. в течении почти 7 секунд.
Появление системы даже повлияло на стратегию управления болидом. Пилоты стали использовать технологию при выходе из поворотов на медленной и средней скорости. Также KERS используют на конкурентных участках — для обгона соперника или защиты позиции в гонке.
Говоря о новом форм-факторе, можно отметить, что это как раз один из тех кейсов, когда занимаемый объем и вес суперконденсаторного модуля критически важен.
Себастьян Феттель объясняет, как правильно использовать KERS
Также как и на гоночных болидах, на обычных серийных автомобилях устанавливают системы рекуперации — они запасают энергию при торможении и отдают ее двигателю обратно, когда это необходимо.
Система работает на автомобилях в рамках функции «старт-стоп». В момент сильной нагрузки на двигатель внутреннего сгорания генератор отключается, чтобы сэкономить энергию. И снова начинает работу в момент торможения — благодаря этому заряжается батарея аккумулятора. Однако тут содержится изрядная степень лукавства маркетологов — КПД подобных рекуперационных систем нигде не указывается и зачастую не превышает 3%, так как в качестве накопителя традиционно используется литий-ионный аккумулятор, не способный принимать весь объем потенциально возможной рекуперированной энергии.
Где еще?
Рекуперация находит свое применение не только на транспорте. Лифты и подъемные краны являются одним из наилучших и наиболее эффективных платформ, которые могут превращаться в импровизированную электростанцию попросту исходя из физики своей работы. По данным шведских исследователей из университета Gävle, при использовании систем рекуперации на основе суперконденсаторов на подъемно-транспортном оборудовании выработка
составляет ~ 75% от затраченного.
По сути все лифтовое хозяйство может также служить в качестве генерации. Это подтверждает опыт, полученный компанией Otis (передача энергии в домовую сеть) и испанским решением Epic Power (передача в накопитель с последующим использованием). Обе компании подтвердили эффективность на уровне 75%.
А что новенького у нас?
Energy ReCycler. Так называется рекуперационная система на основе современных суперконденсаторов, которая производится компанией ТЭЭМП. Технологию можно использовать для трамваев, поездов и электричек. Она работает на основе суперконденсаторов, что позволяет рекуперировать гораздо больше энергии, получаемой от торможения, чем это дают сделать литий-ионные накопители — 40% против 3–5%. В системе используется безопасный электролит нового поколения, а заявленный ресурс превышает 1 миллион циклов заряд-разряд. К тому же, данная система не требует регулярного обслуживания.
Исполнительный директор АО «НПП «ЭПРО», к.т.н. Владимир Анатольевич Шаряков:
«С электротранспортом мы работаем с 1991 года и у нас была хорошая возможность изучить очень многие нюансы его использования, понять каким образом расходуется энергия и где есть потенциал ее экономии. Испытания, которые мы провели совместно с московской компанией ТЭЭМП на трамвайном транспорте в Санкт-Петербурге показали, что современные системы рекуперации на основе суперконденсаторов позволяют повысить энергоэффективность подвижного состава на 40%. И эта энергия, собранная методом рекуперации в суперконденсаторы, может быть использована на месте для разгона трамвая либо повышения его автономности на участках, где питания сети отсутствует. При этом можно избежать потерь, связанных с передачей энергии по сети. Игнорировать подобные новые инструменты сохранения энергии в современных реалиях было бы попросту неразумно».
Energy ReCycler доказал свою эффективность на первых испытаниях, сейчас его используют на других тестовых проектах. По словам инженеров, окупаемость разработки в российских условиях — около 5 лет.
