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 ^[1]. 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» ^[2]. 

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: 

1. Появление новых материалов (современные электролиты);

2. Кардинально иной форм-фактор современной суперконденсаторной ячейки;

3. 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% ^[3] 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 ^[4]. 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 ^[5], 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 ^[6], 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 ^[7] 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.