Гидравлический энергоаккумулятор

В долгосрочной перспективе человечество вынуждено будет использовать возобновляемые источники энергии. Энергия, хранимая в виде угля, газа и нефти, сокращается с каждым годом. Ее использование нежелательно по причине выброса углекислого газа. Использование ядерной энергии спорно с политической точки зрения.

Возобновляемые источники энергии, такие как солнце, ветер, являются переменными. Поэтому все время возникает вопрос об энергоаккумуляторе, который  можно было бы использовать для возобновляемых источников энергии. Подобный аккумулятор должен выравнивать колебания в поступлении энергии на протяжении нескольких дней, и чтобы расходы на него были оправданы.Физик Эдуард Хайндл представляет необычное решение этого вопроса. Он создал проект гидравлического стационарного аккумулятора, который является экономной альтернативой гидроаккумулирующей электростанции.

Существующие гидроаккумулирующие электростанции способны накапливать гигаватт/часы. Расход на аккумулирование одного киловатт/часа составляет 50 евро. Цена в сравнении с другими видами аккумуляторов, такими как батареи, где расход составляет 1000 евро, очень выгодна. Но, в принципе, слишком мало мест, где строительство подобных электростанции было бы выгодно и разумно.

Альтернативой может стать гидравлический стационарный энергоаккумулятор. В основе лежит идея приподнять каменную глыбу и использовать пространство под ней. При необходимости, каменная глыба будет опускаться обратно, и потенциальная энергия будет перерабатываться в электрический ток. Все приспособления, которые позволили бы приподнять глыбу большой массы механическим способом, несостоятельны, так как при этом цена за киловатт/час аккумулированной энергии будет очень высока. Но существует возможность, поднять такую глыбу гидравлически. Для этого в горной породе (предпочтительней в граните) вырезается цилиндр. Для этого используются канатные пилы, которые применяются в каменоломнях. Следующим шагом является отделение днища цилиндра от породы. Под этот цилиндр закачивается вода, которая его и приподнимает. Таким образом, получается гидравлический цилиндр, который накапливает потенциальную энергию. Если ее необходимо извлечь, запускается турбина как в насосной электростанции.

Решающим плюсом этого метода является то, что чрезвычайно большое количество энергии может быть аккумулировано при помощи небольшого устройства (в сравнении с гидроаккумулирующей электростанцией). Это показывают элементарные расчеты. Если Е это аккумулируемая энергия, которая увеличивается в зависимости от радиуса цилиндра в четвертой степени, который в свою очередь в два раза меньше высоты цилиндра. При этом g является постоянной, а ρ₂   (сокращенной) плотностью горной породы.

E = g * ρ₂ * 2 * Pi * r⁴

Решающим является зависимость аккумулируемой энергии от радиуса цилиндра. Расчеты этой зависимости показывают, что в сравнении с другими видами накопителей этот вариант является наиболее дешевым в соотношении цены за аккумулированный киловатт/час.

ПРИМЕРНОЕ ВЫЧИСЛЕНИЕ

Для наглядности, чтобы определить взаимосвязь и произвести расчеты, работу двух гидроаккумулирующих электростанции рассчитывают на основе поршней. Радиус первой электростанции составляет  150 метров, второй – 500 метров.

Для накапливания энергии используется горная порода плотностью 2500 килограмм на метр кубический и ограниченной плотностью 1500 килограмм на метр кубический (учитывается вода, которая должна заместить горную породу) радиусом 1560 метров.

E_{150m =} ёмкость накопителя составляет 13 гигаватт час. Это соответствует мощности гидроэлектростанции, которую планируется построить в Атдорфе. Если увеличить радиус до 500 метров, емкость увеличится до 1614 гигаватт час (E_500m)_, что соответствует брутто, произведенной в Германии за день электроэнергии.

Анализ показывает, что при оптимальной комбинации использования энергии ветра и солнца, можно создать запас энергии на два дня. То есть для удовлетворения потребностей все Германии в электроэнергии достаточно двух гидроаккумулирующих цилиндров по типу поршня с радиусом 500 метров. Эти электростанции займут площадь двух квадратных километров. Следует также учитывать, что эти территорий не будут затапливаться, а останутся в первозданном виде.

Подобная концепция использования гигантской поршневой системы является совершенно новой идеей, поэтому можно сделать лишь примерные расчеты ее стоимости. Но для строительства этой системы необходимо найти территорию необходимой площади и чтобы гранит в этом месте выходил на поверхность. В Германии таким требованиям соответствует только Шварцвальд. На выбранном месте сначала бурится шахта необходимой глубины, для поршня диаметром 500 метров глубина составит один километр. Далее для выпиливания поршня используются канатные пилы. Этот метод применяется при добыче гранита, но речь идет о других масштабах. Расходы составят 32 миллиона евро.

Строительство туннеля обойдется в 50000 евро за метр, то есть 360 миллионов евро. Расходы на другие компоненты, такие как насосы и генераторы, а также на соединение зависят от точного дизайна установки и не могут быть включены в предварительные подсчеты, так как они не являются составной частью технологии. Стоимость установки без преобразователя энергии составит 400 миллионов евро. Цифры кажутся колоссальными, если не сравнивать цену за киловатт. Она в разы меньше, чем у гидроаккумулирующих электростанций.

ВОЗМОЖНЫЕ ПРОБЛЕМЫ

Когда речь идет о новых, неиспробованных технологиях трудно говорить о возможных проблемах. Но некоторые идеи возникают уже сейчас.

Технические проблемы могут возникнуть из-за небезопасности проекта туннеля. Нельзя предусмотреть тектонические помехи, которые могут привести к прорыву воды. Однако, можно подыскать такое место для осуществления данного проекта, чтобы минимизировать возможность возникновения помех.  Когда речь идет об очень больших поршнях, становится очень тяжело выпилить стены цилиндра. Они должны быть абсолютно вертикальными, в противном случае движение поршня будет существенно затруднено. Герметичность между рабочим объемом цилиндра и самим поршнем должна быть максимальной, чтобы сократить возможные потери. Герметичность требует, чтобы на наружной поверхности не было никаких трещин, а внутренние трещины необходимо уплотнить, этого можно добиться путем использования бетона. Особый вопрос представляет управление поршнями, которые должны подниматься и опускаться на определенную высоту.

Другой аспект составляют те объемы воды, которые должны заполнить рабочий объем цилиндра. Такой объем можно получить только если рядом есть достаточный водоем. Если для этих целей использовать Боденское озеро, то максимальный  уровень колебаний составит 1 метр для установки радиусом 500 метров. Альтернативой может быть размещение подобной установки на морском берегу, где помимо прочего можно качественно использовать энергию ветра.

Экологические проблемы могут возникнуть из-за колебания поршня, что может привести к колебанию температур на 2 градуса из-за перепада высоты.

РАСЧЕТ МОЩНОСТИ

Объем накопленной энергии растет в зависимости от радиуса. Так как возможная высота подъема Н пропорциональна радиусу. Максимальное количество накапливаемой энергии зависит от плотности горной породы ρ₁ и эффективной плотности ρ₂, которая возникает по причине гидростатической ситуации, так как плотность воды ρ₃ замещает плотность горной породы.

Таким образом, эффективная плотность составляет:

ρ₂ = ρ₁ – ρ₃ (2)

Существует уравнение для потенциальной энергии Е с использованием высоты поршня Н при постоянной величине g и массе m

E =  g * m * H (3)

Эффективная масса цилиндра рассчитывается по формуле

m = Pi * r² * h * ρ₂ (4)

уравнение (4) может быть включено в уравнение(3) при условии, что Н= r

E = g * Pi * r² * 2 * r * ρ₂ * r (5)

Итоговое уравнение выглядит следующим образом

E = g * ρ₂ * 2 * Pi * r⁴(6)

Это уравнение доказывает, что объем накапливаемой энергии пропорционален радиусу в четвертой степени и растет в зависимости от него.