Эффективность работы энергосистемы может быть повышена за счет аккумулирования избытков энергии в периоды снижения потребления (ночное время) и ее использования в часы максимального потребления (дневное время). Эта проблема особенно актуальна для возобновляемой энергетики. Энергия, вырабатываемая возобновляемыми источниками энергии, в значительной степени зависит от погодных условий, поэтому существует проблема приведения в соответствие выработки энергии и потребности в ней в рамках временного спроса, т. е. в выравнивании скорости потребления энергии.

В настоящее время применяются следующие способы аккумулирования энергии:

• тепловые;
• химические;
• электрические;
• в форме потенциальной или кинетической энергии.

Тепловое аккумулирование – это физический или химический процесс, посредством которого происходит накопление тепла в аккумуляторе энергии. Тепловыми аккумуляторами (ТА) называют устройства, обеспечивающие протекание обратимых процессов накопления, хранения и отдачи тепловой энергии в соответствии с нуждами потребителя.

Классификация тепловых аккумуляторов по физическим принципам аккумулирования:

• теплоемкостные (TEA) (камень, вода, гравий и т. п.);
• аккумуляторы с фазовым переходом (АФП) (переход с жидкого в твердое состояние и наоборот, аккумулирование теплоты плавления, например, эвтектических солей и др.);
• термохимические аккумуляторы (ТХА) (принцип работы ТХА основан на аккумулировании энергии, которая поглощается и освобождается при разрыве и создании молекулярных связей в полностью обратимых химических реакциях (например, глауберовая соль).

Аккумулирование электрической энергии. Осуществляется чаще всего с помощью электрических аккумуляторов (рис. 1, а) и топливных ячеек (рис. 1, б), а также, например, в гидроэнергетике в виде запасов воды в водохранилище (рис. 1, в).

Рис. 1. Способы аккумулирования электрической энергии

Классификация аккумуляторов осуществляется по типу используемого электролита:

• кислотные (например, свинцово-кислотный аккумулятор),
• щелочные (никель-цинковый аккумулятор, никель-кадмиевый аккумулятор);
• солевые (цинк-хлорный аккумулятор).

Принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов основан на электрохимических реакциях свинца и диоксида свинца в сернокислотной среде (рис. 2).

Рис. 2. Принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов

Топливные элементы. Топливный элемент преобразует химическую энергию топлива непосредственно в электрическую, минуя промежуточную стадию сжигания (рис. 3).

Так как преобразование тепло–работа здесь отсутствует, эффективность топливных элементов не подпадает под ограничение второго закона термодинамики, как это происходит в обычных системах топливо–тепло–работа–электроэнергия. Теоретически КПД преобразования химической энергии в электрическую может достигать 100 % (реально 40 %).

а

б

Рис. 3. Схема (а) и общий вид (б) топливного элемента (hydrogen fuel cell – водородный топливный элемент (ячейка)

Аналогично аккумулятору топливный элемент имеет два электрода, разделенных электролитом, переносящим ионы, а не электроны (см. рис. 3, а). Водород (или другой преобразуемый компонент) подводится к положительному электроду, а кислород (или воздух) – к отрицательному. В результате катализа на пористом аноде молекулы водорода разлагаются на водородные ионы и электроны. Ионы Н⁺ мигрируют через электролит (обычно кислота) к катоду, где соединяются с электронами, поступающими через внешнюю цепь, и с кислородом, образуя воду.

Топливные элементы являются незаменимым аккумулятором и источником электрической энергии для удаленных и мобильных объектов (полярные и космические станции). Вода, получаемая в результате электрохимических реакций в топливном элементе, может использоваться для употребления (космические станции).

В настоящее время разработаны и применяются системы аккумулирования энергии от возобновляемых источников с помощью топливных элементов. Как видно из рис. 4 электрическая энергия, генерируемая солнечными батареями (или ветроэнергетическими установками), используется для получения водорода (методом электролиза), который накапливается в специальных емкостях, и подается в топливные ячейки для получения электрической энергии в периоды максимального потребления энергии (или в ночное время, когда отсутствует солнечное излучение).

Рис. 4. Принцип аккумулирования и использования солнечной энергии: photovoltaic array – фотоэлектрическая батарея; hydrogen storage – аккумулятор водорода; oxygen – кислород; fuel sell – топливная ячейка

В настоящее время для аккумулирования электрической энергии используются также конденсаторы большой мощности (десятки, сотни Фарад) – суперконденсаторы (рис. 5). Такую большую емкость электрических конденсаторов позволяют обеспечить последние достижения в области нанотехнологий. Работы в этой области проводятся и в нашей стране (Институт тепло- и массообмена НАН Беларуси).

Рис. 5. Общий вид суперконденсаторов ведущих мировых производителей