Тормозить не всегда плохо

Мы живем в удивительное время. Стремимся к зеленой энергетике – увеличивая потребление угля и углеводородов, учим население раздельному сбору отходов – увеличивая количество неперерабатываемых пластиковых изделий, боремся с глобальным потеплением – разогревая атмосферу. Существующий тренд на так называемую зеленую энергетику будоражит умы и не дает спокойно спать бизнесу и властям уже не первое десятилетие. Однако мало кто задумывается о том, к чему могут привести текущие зеленые устремления. Только массовое внедрение электромобилей ежедневно увеличивает количество электродвигателей в эксплуатации, а к 2030 г. их количество достигнет 230 млн. Хорошо ли это?

Уникальное свойство электрической машины – обратимость преобразования энергии. При подаче напряжения на статор электрическая энергия превращается в механическую, приводя в движение механизмы. При снятии нагрузки электромашина превращается в генератор, вырабатывая электроэнергию, которую можно (и нужно) собирать и использовать повторно.

Идея эта сама по себе не нова. Со времен Бориса Якоби (выдающийся русский ученый и изобретатель электродвигателя) инженеры искали способ рекуперировать энергию второго перехода.

Индустриальные лидеры – Siemens, ABB, Hitachi и другие компании уже проводили ряд испытаний с различными инструментами рекуперации (передача обратно в сеть, маховики, литий-ионные, никель-металлогидридные аккумуляторы (Li-ion/Ni-Mh) и др.). Но по итогам экспериментов ни одна из систем в тираж не пошла. Передача в сеть эффективна только при наличии постоянного потребителя, который может забирать всю собранную энергию (в противном случае это приведет к раскачиванию энергосистемы и появлению гармоник), маховичный накопитель энергии – это сложная механическая система, достаточно тяжелая, доступная лишь для стационарного использования, а аккумуляторы (в том числе Li-ion/Ni-Mh) не в состоянии принимать большие токи, кроме того, они недолговечны (ресурс – примерно 3000–4000 циклов при нормальных режимах работы) и требуют специальных условий по температуре и вентиляции.

В результате сегодня энергия, вырабатываемая электродвигателем при втором переходе, просто выбрасывается в атмосферу в виде тепла. Так образуются «энергетические отходы», напрямую влияющие на изменение климата.

Несмотря на это, все без исключения производители электромобилей говорят о планах по рекуперации энергии в аккумуляторную батарею авто. К сожалению, на деле это не более чем маркетинговый ход сродни заявлениям на этикетках напитков: если мы в цистерну с водой и подсластителем добавим стакан сока, то, в общем, тоже не соврем, сказав, что напиток содержит натуральный сок. Экспериментально проверено, что в современную батарею Li-ion можно рекуперировать 3–5% энергии, изрядно подрывая срок ее годности. Попытки рекуперировать энергию в аккумуляторы не привели к успеху, ввиду того что частота и сила токов в рекуперации является разрушительной для самой природы электрохимии аккумулятора. Возможность теплового разгона является одной из неприятных особенностей, влияющих на безопасность их применения на транспортных средствах и в местах без достаточного охлаждения.

Любопытно, что одна из наиболее эффективных систем рекуперации была выстроена в советское время в московском метро: за счет согласованного движения встречных поездов (момент торможения прибывающего на станцию поезда совпадал с отправлением другого с той же или смежной станции) удавалось собирать и повторно использовать до 50% выбрасываемой энергии. В дальнейшем в связи с быстрым расширением метро, где во главу угла встало регулирование пассажиропотока, принцип рекуперации практически сошел на нет, и сегодня в метро удается собрать лишь до 10%.

Пики выделяемой энергии, попадая в сеть, приводят к выходу из строя сетевой инфраструктуры. Простейшим способом избавления от выделяемой энергии является ее рассеивание в форме тепла на мощных проволочных силовых резисторах. Резисторы применялись везде, где имела место высокая инерция нагрузки: на электротранспорте, в центрифугах, на нагрузочных стендах и т. д. Сами резисторы габаритны и сильно разогреваются. И все это лишь для того, чтобы впустую рассеивать энергию в атмосферу.

Российские ученые предложили решение для бортовых и стационарных систем рекуперации на основе суперконденсатора. Технология появилась в 80-е гг. XX в. в оборонной промышленности, но серийным гражданским продуктом суперконденсаторы стали лишь в XXI в., получив массовое применение в системах старт-стоп автомобилей (Eco-drive).

В отличие от батарей наличие конденсаторного накопителя позволяет рекуперировать до 40% энергии. При этом у хорошей «батарейки» примерно 3000 циклов перезарядки до потери мощности, у суперконденсатора – более 1 млн, при этом его срок службы может быть длиннее, чем у трамвая или поезда. Иными словами, суперконденсатор не надо трогать, он навсегда. Работать он может при критических температурах – до минус 60 градусов, а это уже условия Крайнего Севера. Кроме того, легко утилизируется, т. е. безопасен не только для людей, но и для природы.

Мы провели испытания разработанной нами системы в Санкт-Петербурге – для проведения эксперимента был выбран самый маленький объект рельсового электротранспорта. На трамвай была установлена система сбора энергии, т. е. вместо того, чтобы рассеивать энергию, мы начали ее собирать, сделав трамвай своего рода электростанцией. Эксперимент получился очень наглядный. Оказалось, что за день трамвай произвел около 145 кВт ч энергии, что есть около 40% от того количества энергии, что он потребляет. Для сравнения: российская семья в среднем тратит чуть больше электричества в месяц – 220 кВт ч.

Размер солнечного парка, обладающего за год сопоставимой с одним трамваем выработкой, – более 1000 кв. м (солнечная станция – около 50 МВт ч, один трамвай – около 50 МВт ч).

В России 7700 трамваев, оснащение их системами накопления позволит в год вырабатывать примерно 400 000 МВт ч (cгенерированная энергия в денежном эквиваленте составит порядка $29 133 643), сэкономить 49 000 т условного топлива и сократить выброс СО2 на 180 000 т.

Сегодня суперконденсаторы используют для автоматического запуска или остановки – такими системами уже оснащено около 1500 тепловозов РЖД. Кроме того, они используются и в нефтехимическом комплексе. Российские суперконденсаторы нашли применение за рубежом в источниках бесперебойного питания для семафоров и стрелок на железнодорожных путях. Одним из крупнейших производителей суперконденсаторов является сегодня Южная Корея, но мы продаем свои изделия и на этот рынок, потому что есть набор применений, в которых российские системы значительно сильнее.

Здравый смысл говорит о том, что производить новую энергию нужно тогда, когда уже собрана энергия выработанная.

Наверное, одним из основных критериев соответствия электротранспорта экологическим нормам должен стать коэффициент рекуперации. Только трамваи и только в нашей стране вырабатывают 1 млн кВт ч электроэнергии в день. Считаем дальше: электропоезда, метро, электромобили... На сегодня у нашей страны есть все шансы, чтобы написать новую главу в ESG-повестке.