...мечты всегда сбываются иначе, чем мы ожидаем.
В. Пелевин
Альтернативная энергетика очевидно имеет серьезные проблемы с накоплением излишков производимой энергии. И чем больше прерывистых источников энергии входит в эксплуатацию тем больше растет потребность в промежуточных накопителях.
Для этой задачи чаще всего предлагают различные виды накопителей.
Начиная от традиционных ГАЭС(которая по сути перекачивает воду из нижнего водоема в верхний и обратно), так и входящие в строй электрохимические источники энергии и экзотические гравитационные.
Из наиболее технологичных и необычных решений можно признать системы основанные на хранении сжатого воздуха.
Но что если я скажу что в теории это может быть далеко не самым лучшим и простым решением? Что если есть еще более простое решение выполненное по принципу «наоборот»?
И этот метод хранения энергии основан на обратном процессе — накоплении «пустоты-вакуума» в емкостях способных выдержать этот процесс.
Теория накопителя наоборот
Для описания идеи приведу перевод текста с форума https://diysolarforum.com/threads/vacuum-energy-storage.7127/
Нет, речь идет не об устройстве свободной энергии. Это обратная сторона хранения энергии сжатого воздуха. Мне было любопытно, как сработает математика после исследования более раннего поста.
У технологии сжатого воздуха есть несколько недостатков.
(Процесс сжатия воздуха сопровождается выделением тепла точно так же, как велосипедный насос нагревается при накачивании камеры. Проблема в том, как это тепло использовать. Сейчас в мире существуют всего два хранилища типа CAES: Ханторф в Германии и Макинтош в США. Их предельная мощность составляет 290 МВт и 226 МВт соответственно. На обоих хранилищах тепло выбрасывается как побочный продукт, так как нет инфраструктуры его отбора и хранения. И наоборот, воздух, закачанный в хранилища, приходится с помощью природного газа подогревать при отборе, что снижает эффективность системы. )
Во-первых, при сжатии воздуха работа, вложенная в него, также должна оплачивать тепло, сжатое в меньший объем.
Во-вторых, увеличение давления не пропорционально приросту энергии, оно ограничено.
Со всеми этими вещами, работающими против пользы дела, я подумал… а не сработают ли они на нас, если мы создадим вакуум, а не сожмете газ?
Во-первых, давайте предложим, как это может работать.
Представьте себе бак, наполненный водой, значит батарея разряжена. Выкачать всю воду, оставим вакуум позади, что батарея полностью была заряжена. Мы добавим в воду немного этиленгликоля, чтобы уменьшить количество паров. давление, скажем, 0,1 фунта на кв. дюйм (то есть это не совсем вакуум, точно допустимое количество пустоты чтоб бак не порвался). В атмосферном баке нет ничего особенного, а вот в вакуумном баке нужно иметь прочность выше, чтобы не раздавило стенки.
Градиент давления между ними составляет ~ 14,6 фунтов на квадратный дюйм. Поскольку с другой стороны почти вакуум, тепла не так много, поэтому при почти изотермическом процессе мы можем ожидать КПД 92%, и КПД насоса 80% при комбинированном КПД 73%. Это намного лучше, чем CAES(система хранения сжатого воздуха).
Из Википедии для CAES формула такая
Итак, сколько кВтч в кубометре? 0,1013529 x 1 x ln (14,7/0,1) + (0,1013529 - 0,000689476) x 1 = 0,5057948149 + 0,100663424 = 0,6 МДж = 0,16 кВтч/куб.м = 4 Вт/куб.фут.
Но это не то, что реально происходит, поскольку давление всегда атмосферное с одной стороны и 0,1 с другой. В CAES по мере движения давление изменяется. Вакуумная система имеет постоянный напор, пока вы находитесь под системой C-Rate (в этом случае это будет скорость возврата пара на стороне вакуума в жидкую форму, например, конденсация). Итак, уравнение будет таким: Ph(кВт) = q ρ g ч / (3 600 000); или с давлением = q p / (3,6·106)
где: Ph(кВт) = гидравлическая мощность (кВт) q = расход (м3/ч) ρ = плотность жидкости (кг/м3) = 1000 кг/м3 для воды p = перепад давления (Н/м2, Па) Решение для q на 1 кВт, q = 3 600 000 / 100 000 = 3,6 м3/кВт
Средний дом в США имеет площадь 2687 кв. футов и потребляет 30 кВтч в день.
Итак, сколько м3 вам потребуется для 60 кВтч? 60x3,6 = 216 кубических метров, 57 000 галлонов или около 3 футов в глубину для каждого вакуумного резервуара, выкопанного под вашим домом площадью 2687 кв. футов. Если вы предполагаете эффективность 70%, это будет примерно 4 фута в глубину на бак. Это намного лучше, чем CAES низкого давления, если математика/допущения верны. Стоимость получения вакуумного резервуара такого размера, который мог бы выдерживать давление, вероятно, была бы непомерно высокой, и я не уверен что его закапывание дает какое-либо существенное преимущество. Так что в целом это выглядит не так уж и практично, учитывая размер / стоимость необходимого резервуара. Несмотря на это увеличение давления на CAES является выигрышным предложением, так как оно позволяет вам получить более высокую плотность энергии.
Что? Вы зашли так далеко и задаетесь вопросом, какое отношение к этому имеет «вы живете под водой»? Просто... Если вы прожили всего 33 фута под водой, то "атмосферное" давление составляет два бара, что вдвое уменьшает требуемый объем. Чем глубже вы идете, тем меньший объем вам нужен.
Нашел документ ВМС США, где они построили 5,5-футовые бетонные сферы с 4-дюймовым толщиной бетона: NCEL начал программу в сентябре 1971 года, когда было развернуто 18 бетонные сферы на глубине от 1800 до 5000 футов. Все 18 сферы были рассчитаны на номинальную рабочую глубину около 3000 футов при Давление 1300 фунтов на квадратный дюйм. Таким образом, как и ожидалось, большее давление раздавило образцы размещеные на глубине выше 3700 и 5000 футов. Каждый образец, 66 дюймов в диаметре со стенками толщиной 4 дюйма, был прикреплен ко дну океана с помощью 2600 фунтов веса якорной цепи длиной 21 ⁄2 дюйма и длиной 53 фута. Некоторые сферы были покрыты водонепроницаемым фенольным материалом; другие остались без покрытия. У двух сфер была покрыта половина поверхности, и мы — единственные образцы, которым удалось это сделать. содержат стальную арматуру. Инженеры хотели изучить реакцию стали к среде морской воды. Одна из этих сфер подняли через 10 лет с глубины 1800 футов и не было видимой коррозии стали, хотя в в некоторых областях модели сталь имела менее 1 дюйма бетонного покрытия. Также не было видимого ухудшения самого бетонного материала ни в одном случае. из пяти сфер и блоков, извлеченных на сегодняшний день.
Давайте посчитаем и посмотрим, сможем ли мы получить $/кВтч.
Объем сферы V = 4/3 πr^3 таким образом, общий объем 5,5-футовой сферы составляет 4/3 π 2,75 ^ 3 = 87 кубических футов, а внутренний объем полости составляет 4/3 π 2,41 ^ 3 = 59,1 кубических фута. Таким образом, объем бетона составляет 87-59,1 = 27,9 куб. В HomeDepot есть 80 фунтов бетона за 4,60 доллара и 150 фунтов бетона на кубический фут... так что бетон стоит всего 241 доллар (плюс затраты на тайленол). Из OP, у нас есть 60 кВтч, потребуется 216 кубических метров, а если преобразовать это в кубические футы и разделить на 0,7 для потери эффективности, это 10 900 кубических футов. Предполагая, что нам нужен сферический резервуар, решение для r дает 13 футов 9 дюймов. Предположим, что толщина составляет 3 дюйма, чтобы получить внешний радиус 14 футов. Это объем 11 488; таким образом, дельта составляет 588 кубических футов бетона, чтобы сделать вакуумную камеру. Это около 5000 долларов в бетоне. Если бы мы остановились на этом, это было бы $84/кВтч. Все остальное, вероятно, довольно дешево, скажем, еще 5000 долларов за турбину, земляные работы (зависит от местности, может быть всего 400 долларов для мягкого грунта), водопровод и т. д. Итак, 10 000 долларов за хранилище на 60 кВтч, что дает нам 170 долларов за кВтч. хранилище. LiFePo4 стоит от 500 до 1000 долларов за кВтч, а свинцово-кислотный — около 400 долларов за полезный кВтч (при условии 50% DoD).
Следующим фактором является жизненный цикл, и LiFePO4 обычно выигрывает, поскольку у него больше циклов, чем у SLA.
А как же вакуумный цикл?
Испытательные сферы ВМФ отлично себя зарекомендовали, но подвергались почти постоянному давлению. В вакуумной камере напряжения на стенках изменяются в зависимости от SoC; не приведет ли это к их преждевременному старению, уменьшив количество циклов? Возможно, именно здесь их закапывание может сыграть важную роль (вес почвы наверху будет поддерживать более постоянное напряжение).
Весело получается. Таким образом, в основном используя солнечную энергию или ветер, чтобы привести в действие насос для создания вакуума в очень большом куполе или резервуаре мы получим хорошее хранилище энергии. Если понадобиться, то можно в нужный момент сбросить вакуум с помощью небольшого турбогенератора, чтобы восстановить энергию. Эквивалентно нагнетанию давления в сосуде под давлением того же размера до 14,7 фунтов на квадратный дюйм с последующим выпуском его через турбину.
Но что с безопасностью? Тут все просто - катастрофический отказ такого накопителя гораздо безопаснее при имплозии(сжатии внутрь), чем при взрыве. Хотя, похоже, стоимость строительства на единицу мощности будет довольно высокой. Что касается воды, показанной на рисунке ОП с двумя резервуарами, вода не будет «сосуществовать» с вакуумом, она будет превращаться в пар. Так что я думаю, вам придется придерживаться только использования воздуха для выработки энергии.
В данном переводе может быть не все понятно, но основная мысль если кратко такая - «да можно хранить в вакууме энергию, и это будет лучше по кпд чем хранить там же сжатый газ».
Из недостатков — места хранения и емкости нужно делать прочнее обычных, и они смогут вместить в себя меньше энергии чем сжатый газ в этом объеме.
Остается вопрос емкостей для вакуума и тут есть широкий выбор.
Варианты емкостей для хранения
Для хранения в теории возможно не понадобится строить объекты хранения с нуля. Достаточно будет использовать существующие полости.
Например… различные пещеры и шахты природного происхождения.
Вопреки расхожему мнению, что подобные природные образования в земной коре пригодны только для хранения сжатых газов стоит рассмотреть их и как потенциальные хранилища вакуума(при соответствующей обработке стен). На всей планете таких пещер и карстовых колодцев тысячи, так как сам карст покрывает до 25% земной поверхности, и там, где есть карст, обязательно должны быть пещеры. Ученые считают, что в мире могут быть десятки тысяч не открытых пещер. И некоторые из них, вероятно, заходят даже глубже, чем вертикальная пещера Веревкина. Единственным ограничением является то, насколько глубоко подземные воды могут просочиться в известняк.
Определенным гарантированным объемом для использования вакуума могут стать и выработанные месторождения полезных ископаемых в старых шахтах и скважинах.
Из не промышленных искусственных полостей можно присмотреться к результатам работы военной индустрии.
Такими как...
Бывшие ракетные шахты для баллистических ракет. Эти объекты в силу специфического назначения, как правило, рассчитаны на удар в непосредственной близости ядерного заряда. Вакуум внутри в таких условиях будет уже минимально возможной нагрузкой на емкость.
Кроме ракет на таких объектах обычно в непосредственной близости находились и другие подземные сооружения: бункеры для персонала, подземные авиабазы и иногда целые системы тоннелей. Все они также подходят для хранения пустоты.
Из предложенных объектов хранения вакуума стоит отдельно выделить потенциал металлических хранилищ.
Таких, как… списанные корабли-танкеры.
Утилизация кораблей вопреки своим размерам выглядит куда более частым явлением чем даже утилизация автомобилей. Средний срок жизни танкеров не более 15-20 лет, после чего они варварским способом утилизируется ради металлолома. Часто этот процесс идет с нарушением эко-норм, и без соблюдения всех правил охраны труда.
Лишь небольшое количество кораблей в мире может обрести вторую жизнь в виде плавучих отелей и других стационарных объектов в прибрежной территории.
В то же время само утилизируемое судно по остаточному запасу прочности и внутреннему объему вполне подходит для небольшой модернизации в целую внутреннюю сеть вакуумируемых объемов для выработки энергии. Без какой-либо подготовки идеально подходят танкеры-газовозы, которые в последнее время набирают популярность.
Интересный факт - в процессе использования вакуума корабль может периодически менять свой вес. В теории плотность воздуха при стандартной температуре и давлении составляет 1,28 г/л, поэтому 1 литр вытесненного воздуха обладает достаточной выталкивающей силой, чтобы поднять 1,28 г. Этот процесс при должной доле креатива также можно было бы использовать.
Таким образом при переходе в «стационарные накопители», эти корабли могли бы стать прибрежными БЕЗОПАСНЫМИ накопителями прерывистой энергии зеленой энергетики.
Если подвести черту над всеми описанными выше возможными накопителями, то можно сказать что они не выглядят каким либо прорывом в будущее, но есть и футуристический реальный вариант 100% зеленого будущего вакуумной технологии.
Но он пока еще НИ РАЗУ не упоминался в этом ключе обсуждений.
Идеальный вариант будущего — hyperloop!
Концепция Hyperloop получила второе дыхание в 2013 году когда Илон Маск предложил создать транспортную систему перемещения грузов и людей внутри вакуумной трубы.
Это предложение он назвал пятым видом транспорта после поезда, самолета, автомобиля и корабля. Hyperloop первоначально был задуман как расположенный на опорах надземный трубопровод, внутри которого со скоростью от 480 до 1102 км/ч (в зависимости от ландшафта) с интервалом в 30 секунд в одном направлении перемещаются одиночные транспортные капсулы длиной 25—30 м.
Были предусмотрены два варианта системы:
пассажирский — предполагает внутренний диаметр трубопровода 2,23 м, сечение капсулы 1,35 м в ширину х 1,1 м в высоту, площадь лобовой проекции 1,4 м², капсула вмещает 2 ряда сидячих мест по 14 кресел в каждом;
пассажиро-грузовой (нечто вроде парома, даёт возможность пассажирам перемещаться вместе с их автомобилями) — внутренний диаметр трубы 3,3 м, лобовая проекция капсулы 4,0 м².
Ключевым фактором обнародованной 12 августа 2013 года концепции было стремление к дешевизне системы. Поэтому Маск взял за основу модель вакуумного поезда, преимуществом которого является отсутствие необходимости преодолевать трение опоры и встречное сопротивление воздуха.
Однако Илон усовершенствовал идею: по его мнению, нет смысла стремиться к достижению в трубе полного вакуума. Достаточно поддержания форвакуума, а именно давления в 100 Па (это 1/1000 от атмосферного давления) — дальнейшее снижение давления при наземном размещении невыгодно, потому что ведёт к экспоненциальному росту затрат. В то же время поддерживать форвакуум можно с помощью насосов умеренной мощности и стенок трубы из обычной стали толщиной 20—25 мм(и тут вспоминаем про танкеры, где толщина в 25мм редкость, и еще раз убеждаемся в правильности идеи доработки этих объектов)
В Дальнейшем проект Hyperloop был доработан Маском под подземное исполнение при помощи компании Boring Company.
Дальнейшие проекты конкуренты по вакуумному поезду не сильно отличаются по концепции от предложенного Маском, поэтому рассматривать их не имеет смысла.
Ключевым моментом можно считать только расстояния озвученные в проектах которые по идее должны покрыть потенциальные аналоги Hyperloop.
Например, Hyperloop Transportation Technologies планирует построить трассу, объединяющую Братиславу, Вену и Будапешт. А Hyperloop Italia планирует построить маршрут между Миланом и аэропортом Мальпенса.
А инженерная академия Китая и железнодорожные власти страны для реализации китайской версии Hyperloop выбрали линию между двумя крупными промышленными городами на юго-востоке страны: Гуанчжоу и Шанхаем.
В России же есть проекты схожего направления которые предлагает Hyperloop One. Так же они ведут переговоры о строительстве транспортных тоннелей в ОАЭ, Финляндии, Швеции, Нидерландах, Швейцарии, Великобритании и более чем в десяти регионах США.
В ОАЭ строительство скоростной линии между Абу-Даби и Аль Айном при расстоянии между городами в 145 километров - ориентировочная стоимость километра составляла 40 миллионов. Таким образом, весь проект может обойтись его инициаторам в 6 миллиардов долларов — это к вопросу об инфраструктуре и стоимости ее создания.
Имея в наличии примерное расстояние и диаметр трубы нетрудно подсчитать предполагаемый объем накопленного вакуума для цели энергонакопления. Особенно это эпично выглядит для проектов поистине фантастического размера вроде даже однонаправленного маршрута вакуумной трубы от Москвы до Владивостока(при 3.3 диаметре трубы и расстоянии в 9037 км объем будет равен 77254150.05000 м3 ).
Для чисто транспортных целей проекты пока правда подвергаются сильной критике несмотря на наличие огромных преимуществ. Но если расписывать плюсы и минусы системы дотошно выйдет слишком длинный текст так что стоит перечислить основные...
Преимущества
Скорость доставки и стабильность работы не зависит от внешних условий.
Сниженные затраты на транспортировку груза в условиях перемещения капсул в вакууме(форвакууме).
Вакуум при прокладке труб под городом может использоваться как дополнительный источник энергии для централизованного вакуумного удаления пыли(система центрального пылесоса) и мусора(Система вакуумной транспортировки). В этом случае трубы от отходов надо будет чистить капсулой для мойки стен в моменты ее девакуумизации периодически. Но ремонтные и сервисные капсулы и так понадобятся в любом случае так это лишь дополнительный элемент системы будет, а не основная цель Hyperloop.
Пожарная безопасность при транспортировке в вакууме опасных грузов выше.
Питание вакуумных насосов от альтернативных источников энергии.
Недостатки
Цена и потенциальная безопасность системы для живого груза.
Теоретическая угроза экономике конкурирующего транспорта, где занято много людей на обслуживании и воспроизводстве параллельного грузового потока. Возможны протесты и другие виды противодействия-ограничений максимальной производительности системы.
Возможна уязвимость от последствий землетрясений.
Низкая скорость прокладки тоннелей, и препятствия на пути, которые трудно обойти из-за специфики строительства Hyperloop(необходим максимально прямой участок пути для соблюдения всех параметров скоростного движения).
Периодическая необходимость сброса вакуума для обслуживания и ремонта системы(которую как мы уже выяснили можно превратить в преимущество).
Фактически система Huperloop будет выполнять на будущее еще три не озвученные пока функции, которые сложно определить в недостатки или преимущества в зависимости от ситуации.
Эти функции теоретически выглядят так.
1. Быть буферным накопителем энергии.
2. Быть линией передачи энергии на большие расстояния без потерь. Тут стоит пояснить. Потери через доставку электроэнергии через ЛЭП примерно равны 10%, и чем больше расстояние тем больше этот процент может быть. Создание вакуума и его потребление это конечно потери на насосах, но независимо от расстояния передачи в трубе пустоты ее потери равны нулю. Т.е. в теории чем дальше Huperloop сможет передать вакуум, тем выгоднее его использование, из-за отсутствия потерь на передачу.
3. Быть атмосферной электростанцией по аналогии с приливной ГЭС, используя циклы максимумов и минимумов перепадов давления на всем протяжении линии для манипуляции процессом создания вакуума(при низком атм. Давлении) и генерацией энергии(при высоком атм. Давлении). Разница в уровнях давлений позволит как минимум нивелировать низкий кпд вакуумных насосов, а как максимум выработать энергии больше чем было затрачено на создание пустоты в трубе.
Очень может быть что в далеком будущем целые страны и регионы будут обмениваться для использования друг с другом крупными объемами «пустоты», как сейчас, это делают через газовые сети торгуя природным газом.
P.S. - Резюмируя все выше сказанное стоит заметить что гиперлуп это не только ценный мех, но и много-много потенциала накопления энергии из ничего т. е. В вакууме( прям как сферический конь в вакууме, но полезнее и понятнее с точки зрения процесса). Но в целом это явно будет не удивительно, и примерно так же, как мы уже привыкли к телефону без кнопок(который 90% времени используется не для того чтоб звонить), электронным деньгам, которые невозможно физически взять, и курению пара из трубки вейпа, заменяющего тление табака сигарет прошлого.
