Аннотация: В предлагаемой статье приводятся пояснения по понятиям "энергоемкости" и "мощности" часто неправильно интерпретируемых при запросах систем накопления энергии.
Хотелось бы дать пояснения по актуальному вопросу, часто возникающему в наших переговорах и переписке с потенциальными заказчиками работ с нашим предприятием "Кинетик", да и вообще с людьми, интересующимися тематикой наших разработок - накопителями кинетической энергии на основе супермаховиков. Многие, не относящиеся к узким специалистам по разработке и использованию накопителей энергии, путают понятия энергоёмкости и мощности. Например, приходит письмо, в котором запрашивается накопитель энергии, который может выдавать ток мощностью, допустим, в 100 киловатт (кВт). На наш вопрос: "а какой же энергоёмкостью должен обладать этот накопитель", автор письма удивлённо спрашивает - "а что это такое энергоёмкость"? Тогда мы задаём "наводящий" вопрос: "а в течение какого времени вам нужны эти 100 киловатт", получаем опять же вопрос - "а не всё ли равно, когда нам нужно, тогда и включим эти 100 киловатт, но чтобы не ваттом меньше!"
Всё дело в том, что накопитель энергии - это не электростанция, которая может выдавать мощность любое время, по крайней мере, пока не закончится топливо, ядерное или обычное (для АЭС или ТЭС), или не иссякнет поток воды для ГЭС.
Накопитель энергии заряжается определённым количеством энергии, которое он способен воспринять, хранит эту энергию в течение определённого времени, зависящего как от типа накопителя, так и от потребности этой энергии, и отдаёт эту энергию с мощностью, нужной потребителю. А уж время отдачи этой мощности будет зависеть от энергоёмкости накопителя - чем больше энергоёмкость, тем дольше может быть это время. Стало быть, энергоёмкость - это мощность, умноженная на время её принятия или отдачи. Если мощность измерять в киловаттах, а время - в часах, то энергоёмкость будет измеряется в киловатт-часах (кВт*ч). В современной же системе "мер и весов" энергоёмкость измеряют в джоулях (Дж), но это уже для специалистов.
Различные типы накопителей имеют разные показатели энергоёмкости и мощности. Наиболее распространённые в технике электрохимические накопители могут накопить много энергии на каждый килограмм их массы (этот показатель называется "удельная массовая энергоёмкость"), но отдавать эту энергию при сравнительно небольшой "удельной массовой мощности", т.е. мощности, отдаваемой каждым килограммом массы накопителя. "Модные" в настоящее время суперконденсаторные накопители имеют хорошую удельную массовую мощность, но ничтожную (по крайней мере, по сравнению с электрохимическими накопителями) удельную массовую энергоёмкость. А вот супермаховичные накопители способны развивать практически любую мощность, зависящую, пожалуй, только от типа "привода" от супермаховика к потребителю - электрическому, механическому, гидравлическому и пр.
Поясняем, что такое "супермаховик". Это маховик, но изготовленный из высокопрочных, а часто и из "лёгких" лент, проволок, волокон. Кроме того, что такой супермаховик может накапливать энергии гораздо больше, чем просто маховик, отлитый из чугуна (как, например, на камнедробилках), или кованый из стали, он (особенно навитый из стальной высокопрочной ленты) обладает и безопасным выходом из строя - разрывом. Этот же разрыв монолитного маховика сравним только со взрывом бомбы (слава Богу, что не атомной!) с образованием опаснейших осколков.
Вот такими накопителями на основе супермаховиков (изобретенных, между прочим, у нас в стране!), занимается российская компания "Кинетик", где работают авторы этой заметки.
И ещё заметим, что большинство ученых - энергетиков сейчас склоняется к мнению, что в мире мощность займет лидирующее положение в энергетике благодаря большому распространению накопителей энергии. А "чемпионом" по мощности среди современных накопителей как раз и является супермаховичный накопитель!
Приведем примеры.
1. Для стабилизации по частоте электросети, требуется очень высокая мощность - около 1000 кВт, а время стабилизации всего 15 секунд. Какая же энергоемкость накопителя нужна для этого?
Решение: Мощность 1000 кВт = 106 Вт. Умножаем 106 Вт на время действия стабилизации 15 секунд, ответ получаем в ватт-секундах ил джоулях (Дж) - 106*15 = 1,5*107 Вт*с или Дж или 15 МДж (мегаджоулей) - такой рабочей энергоемкостью (нетто) должен обладать накопитель энергии. Однако более "ходовой" единицей измерения энергоемкости является кВт*ч (киловатт-час). Чтобы получить ватт-часы из джоуля, нужно последний разделить на 3600, а если нужны киловатт-часы, то нужно разделить еще на 1000. В нашем случае 15 млн. джоулей равны всего 4,2 кВт*ч - неожиданно маленькая величина для такой мощности (1000 кВт)!
2. На железнодорожной станции тормозит поезд массой 380 тонн или 380000 кг со скорости 80 км/ч до остановки. Потерями на сопротивление воздуха, качению колес, потерями в трансмиссии и др. пренебрегаем, ввиду их малости. Время до полной остановки около 20 секунд. Какая мощность должна быть у накопителя энергии в режиме его зарядки (принятия энергии)?
Решение: энергия поезда до его торможения равна половине произведения квадрата скорости (м/с) на его массу (кг). 80 км/ч =22,2 м/с. Эта энергия равна 0,5* (22.2)2*380000 = 9363900 Дж или 93,6 МДж или 26 кВт*ч. Средняя мощность же при этом, отдаваемая тормозимым поездом будет равна 93,6 МДж/ 20 секунд = 4,68 МВт. То есть мощность при торможении поезда оказывается неожиданно большой!
Такие соотношения мощности и энергоемкости характерны для кратковременной работы накопителя энергии. И только супермаховичные накопители могут при относительно небольшой энергоемкости могут развивать такую огромную мощность!