Американский стартап запускает пилотный проект по хранению энергии с помощью маховика мощностью 200 кВт⋅ч

Ожидается, что отдельные установки Pulsar будут иметь мощность 500 кВт⋅ч и скорость разряда 125 кВт.

Компания Qnetic из Сакраменто приступила к низкоскоростным испытаниям своей системы хранения энергии на основе маховика в технологическом центре в Шанхае, Китай. Прототип, получивший название Pulsar, представляет собой продолжение механической архитектуры хранения энергии компании. Ожидается, что его начальная емкость составит 200 кВт⋅ч, а при использовании той же платформы она может быть увеличена до 500 кВт⋅ч, что позволит хранить энергию в течение четырех часов при номинальной скорости разряда 125 кВт.

Маховики накапливают энергию в быстро вращающихся роторах в виде кинетической энергии. Избыточное электричество подается в систему, разгоняя ротор до высоких скоростей. Когда требуется энергия, генератор преобразует кинетическую энергию обратно в электрическую, замедляя ротор. Сторонники этой технологии утверждают, что маховики могут составить конкуренцию аккумуляторным системам хранения энергии (BESS), которые в настоящее время являются основным способом хранения энергии для возобновляемых источников в энергосистеме.

В сентябре компания Qnetic сообщила, что Pulsar успешно прошел первые 100 циклов непрерывной зарядки и разрядки без каких-либо сбоев или снижения емкости. При отдельном тестировании двигатель системы выдавал мощность 130 кВт при КПД 97,3 % и скорости вращения более 11 000 об/мин.

Компания Qnetic открыла завод и штаб-квартиру в Сакраменто, где планирует наладить мелкосерийное производство коммерческих установок Pulsar. Pulsar будет протестирован в рамках пилотной программы Муниципального коммунального округа Сакраменто (SMUD) под эгидой инициативы по снижению рисков, реализуемой Научно-исследовательским институтом электроэнергетики. Qnetic планирует запустить пилотный проект в первой половине 2027 года.

Майкл Пратт, соучредитель и генеральный директор компании Qnetic, рассказал, что внедрение технологии маховиков в его компании призвано устранить многие недостатки литий-ионных аккумуляторов, особенно в том, что касается частоты циклов зарядки и разрядки и деградации с течением времени.

«Когда мы разрабатывали нашу концепцию около пяти лет назад, литий-ионные аккумуляторы, подключенные к сети, в виде больших контейнерных систем только начинали набирать популярность», — сказал Пратт. «В то время было совершенно ясно, что аккумуляторы слишком дороги, но главной проблемой была деградация».

По словам Пратта, острая необходимость интегрировать возобновляемые источники энергии в энергосистему привела к тому, что BESS, несмотря на все свои недостатки, стала лучшим из доступных на тот момент решений. С тех пор, отмечает он, были потрачены миллиарды долларов на попытки усовершенствовать технологию производства аккумуляторов, но фундаментальные проблемы остались: срок службы в циклах и календарный срок службы.

«Литий-ионные аккумуляторы обычно работают один цикл в день, и срок их службы ограничен, — сказал Пратт. — Кроме того, с каждым циклом они становятся все слабее и слабее. Мы знали, что маховики способны многократно работать в сети и не терять емкость со временем. Мы также видели, что никто не собирает воедино все элементы, необходимые для хранения энергии в сети».

Исторически сложилось так, что маховики использовались в качестве накопителей энергии, быстро выдавая высокую мощность для кратковременного применения — в течение нескольких минут или даже секунд. Например, в качестве резервного источника питания в телекоммуникационных сетях и центрах обработки данных или в качестве промежуточного источника питания до выхода на линию дизельных генераторов. Благодаря точному управлению и высокой выходной мощности маховики также подходят для создания токамаков в экспериментах по термоядерному синтезу.

Цель компании Qnetic — производить маховики, пригодные для длительного хранения энергии в сети. Если четырехчасовая работа — это почти «долго», то она все равно соответствует многим требованиям к полезности. Более того, маховики можно объединять в группы, которые можно использовать в течение более длительного времени. Кроме того, можно регулировать скорость разрядки в зависимости от потребностей.

Развернутые установки для энергосетей закапываются в землю, а доступ к механизмам управления осуществляется через открытый купол, что напоминает упаковку яиц. По мнению Пратта, маховики безопаснее литий-ионных аккумуляторов с точки зрения пожароопасности, но высокие скорости вращения роторов все же требуют учета на случай «быстрой внеплановой разборки». Он добавляет, что этого можно избежать, если следить за тем, чтобы двигатель не разгонял ротор до максимальной номинальной скорости.

Компания Amber Kinetics, занимающаяся производством маховиков, также разработала версию своих 32-киловаттных устройств для наземного размещения в стальных морских контейнерах.

Хотя Пратт приводит аргументы в пользу того, что маховики позволяют избежать некоторых специфических недостатков систем накопления энергии, а именно проблем с цикличностью и деградацией, он признает, что технология механического накопления энергии сама по себе сталкивается с трудностями в развитии, необходимыми для достижения более высокой мощности и экономии за счет масштаба.

Некоторые из этих проблем решаются с помощью архитектуры Pulsar. Устройство оснащено ротором из углеродного волокна, который вращается в вакууме на бесконтактных магнитных подшипниках, практически исключающих трение. Ротор не соприкасается с центральным валом благодаря технологии, аналогичной той, что позволяет поездам на магнитной подушке двигаться без контакта с рельсами. Устройство размещено в цилиндрическом стальном контейнере.

Ключевая задача при разработке Pulsar — повысить прочность композитного ротора, изготовленного из углеродных волокон. Чем прочнее ротор, тем быстрее он может вращаться и тем больше кинетической энергии он может накопить. При текущей конфигурации Pulsar дальнейшая доработка углеродного волокна позволит увеличить его емкость до 500 кВт⋅ч.

«По мере наращивания производства вы получаете значительную экономию за счет масштаба», — сказал Пратт. «Если увеличить физический размер в два раза, то потенциальная энергия, заключенная в этом корпусе, увеличится в восемь раз. Второе, что нужно сделать, — это увеличить скорость. Нужно сделать действительно прочный ротор, чтобы он мог быстро вращаться. Таким образом, действительно хороший ротор и достаточно большой размер — это ключ к созданию недорогой системы».

В то же время, по словам Пратта, есть и практические соображения, связанные с достижением большей мощности и, следовательно, экономической эффективности за счет увеличения размера. Одно из них заключается в том, что компания, по сути, открывает новые горизонты в области композитных роторов. Усовершенствованный ротор изготовлен методом намотки из углеродного волокна. По словам Пратта, такие роторы обычно не превышают в диаметре двух с половиной метров.

«Мы будем тестировать его до изнеможения, смотреть, не сломается ли что-нибудь, и если сломается, то мы это исправим», — сказал он. «Как только мы завершим процесс тестирования, мы приступим к первым пилотным запускам».

В целом, по словам Пратта, все фундаментальные технологии, лежащие в основе Pulsar, уже отработаны и используются. Помимо, возможно, изготовления ротора из углеродного волокна большего размера, Qnetic занимается системной интеграцией и оптимизацией управления, а не разработкой и исследованиями. Цель состоит в том, чтобы создать маховичные установки мощностью в мегаватты на основе технологий следующего поколения.

Если маховики кажутся вам экзотическим решением для хранения энергии, то это во многом связано с тем, что они, как правило, используются в нишевых областях. Представитель компании Qnetic рассказал, что в период с 2011 по 2014 год компания Beacon Power, пионер в области маховиков, подключенных к сети, установила 400 своих устройств мощностью 100 кВт (25 кВт·ч) на двух объектах в Нью-Йорке и Пенсильвании для обеспечения быстрого регулирования частоты. В каждом из них было по 200 установок номинальной мощностью 20 МВт (5 МВт·ч), и обе установки до сих пор обеспечивают регулирование частоты и приносят доход.

По словам Пратта, технология маховиков становится все более совершенной и надежной. По его словам, срок службы оборудования превышает 30 лет, а возможность многократного использования в течение дня с быстрым откликом и без ухудшения характеристик делает маховики перспективным решением для хранения энергии в любых масштабах, в том числе для долгосрочного использования в энергосистеме. 

Купить аккумулятор trojan https://invertory.ru/category/akkumuljatory-trojan/