Модуль упругости бетонных конструкций – важный параметр

Модуль упругости бетона, характеризующий способность массива сохранять целостность под воздействием деформации, используют проектировщики при выполнении прочностных расчетов строительных конструкций. Главная отличительная черта бетонных изделий и конструкций – твердость. Вместе с тем, воздействие нагрузки, величина которой превышает допустимые значения, вызывает сжатие и растяжение композита. Затвердевший монолит в процессе деформации изменяется. Причина – ползучесть материала.

В зависимости от значения коэффициента ползучести и величины приложенной нагрузки, структура монолита изменяется постепенно:

• на первом этапе приложения нагрузки происходит кратковременное изменение структуры бетона. Он сохраняет целостность и восстанавливает первоначальное состояние. Растягивающие и сжимающие усилия, а также изгибающие моменты вызывают упругую деформацию без необратимых разрушений;
• на следующей стадии при резком возрастании нагрузки возникают разрушения необратимого характера. В результате пластичной деформации возникают глубокие трещины, являющиеся, в дальнейшем, причиной постепенного разрушения зданий и различных бетонных конструкций.

Коэффициент упругости – главная характеристика, определяющая прочностные свойства бетона. Показатель представляет интерес для профессиональных проектантов, занимающихся расчетом нагрузочной способности бетонных конструкций. Индивидуальным застройщикам следует ориентироваться на класс материала, с возрастанием которого увеличивается значение модуля упругости бетона.

Какие факторы определяют модуль упругости бетона В25 и бетонов других классов

На величину модуля упругости влияют следующие факторы:

• характеристики наполнителя. Величина показателя прямо пропорциональна удельному весу бетона. При небольшой плотности значение модуля упругости меньше, чем у тяжелых мелкозернистых стройматериалов, содержащих плотный гравийный или щебеночной наполнитель;
• классификация бетона. Каждый класс бетона по прочности имеет свое значение модуля упругости. С возрастанием класса бетона одновременно увеличивается значение модуля упругости. Начальное значение модуля упругости бетона класса В10 составляет 19, а для бетона В30 равно 32,5;
• возраст монолита. Величина параметра, характеризующего упругость материала и продолжительность эксплуатации, связаны прямым соотношением. Оно не имеет предела пропорциональности – с увеличением возраста бетона возрастает крепость бетонной структуры. Используя существующие таблицы, специалисты определяют искомую величину с учетом поправочных коэффициентов;
• технологические особенности изготовления бетона. Технологией производства бетона предусмотрена обработка при атмосферном давлении и возможность застывания стройматериала в естественных условиях, а также в автоклавах под воздействием повышенного давления и высокой температуры. Условия, при которых твердел бетон, влияют на показатель;
• продолжительность нахождения бетона под нагрузкой. Расчет модуля упругого сопротивления производится путем умножения табличного значения на корректирующий коэффициент. Для ячеистых бетонов с пористой структурой величина составляет 0,7; для плотного бетона – 0,85;

• концентрация влаги в воздушной среде. В зависимости от влажности воздуха изменяется концентрация влаги в бетоне, что влияет на его способность воспринимать предельные нагрузки. Температура окружающей среды также влияет на значение модуля упругости;
• наличие пространственной решетки, изготовленной из арматурных прутков. Армирование повышает способность бетонного массива сопротивляться разрушающим деформациям и воспринимать действующие нагрузки. Расчетное сопротивление для арматуры указано в нормативных документах.

Модуль зависит от комплекса факторов. Их следует учитывать при выполнении прочностных расчетов. Независимо от  упругости массива, помните, что наличие арматурной решетки значительно повышает сопротивляемость бетона действующим нагрузкам.

Для усиления используйте арматуру повышенного класса. Не забывайте, что значение нормативного сопротивления для арматуры класса A6 выше, чем величина сопротивления для арматуры класса А1.

Модуль упругости бетона – таблица

Коэффициент, характеризующий упругость материала, остается неизменным до определенного температурного порога.  Проследить зависимость изменения модуля упругости от марки материала и температурных условий поможет таблица. Например, для материалов, у которых температура плавления 300 °С, после дальнейшего нагрева снижается способность противодействовать упругой деформации. И хотя бетон не плавится, под воздействием повышенной температуры, вызванной пожаром, нарушается структура бетонного массива и он теряет свои свойства.

Разработанная согласно Своду правил 52 101 2003 таблица поможет определить величину начального модуля упругости для различных классов бетона:

• величина показателя упругости для материала класса В3,5 составляет 9,5;
• стройматериал класса В7,5 отличается увеличенным значением модуля, равным 16;
• строительный материал класса В20 при естественном твердении имеет значение модуля 27;
• бетон, классифицируемый как В35, имеет увеличенную до 34,5 величину модуля упругости;
• максимальное значение параметра 40 соответствует прочному бетону класса В60.

Зная класс материала, а также имея информацию о плотности стройматериала и технологии изготовления, несложно определить величину параметра по специальной таблице.

Как определяется модуль упругости бетона В20

Значение модуля для всех классов материала определяется согласно сп 52 101 2003. Таблица нормативного документа содержит значения всех необходимых коэффициентов для выполнения расчетов. Алгоритм определения показателя предусматривает выполнение экспериментальных исследований на стандартных образцах.

В специальной литературе параметр обозначается заглавной буквой Е и известен среди профессиональных проектировщиков как модуль Юнга.

Он имеет различную величину в зависимости от действующей нагрузки и структуры бетона:

• значение начального модуля упругости соответствует исходному состоянию бетона, воспринимающего пластическую деформацию без растрескивания массива;
• приведенная величина модуля упругости характеризует стадию нагружения, после которой бетон теряет целостность в результате необратимых разрушений.

Осуществляя специальные расчеты и зная значение модуля упругости, специалисты определяют запас прочности сооружений арочного типа, автомобильных и железнодорожных мостов, а также перекрытий зданий.

Уже после возведения конструкции или сооружения фактически провести достоверные комплексные испытания бетона на прочность, морозостойкость, влажность и влагопроницаемость можно только в лаборатории. В рамках неразрушающих испытаний есть возможность грубо определить класс бетона ультразвуковыми методами диагностики.

И если после такой экспертной проверки образца возникают сомнения в однозначной классификации, то для оценки прочностных характеристик бетона берется проба – керн непосредственно на объекте строительства.
Для практического определения коэффициента упругости материала и фактического документального подтверждения проводится независимая экспертиза бетона. 

Очень часто недобросовестные подрядчики экономят финансовые средства на материалах и не закупают / не применяют на объекте бетон, установленного проектом класса. Как следствие, меньший модуль упроугости приводит к преждевременному разрушению сооружения.

Рекомендации

Профессиональные строители рекомендуют для повышения величины модуля упругости применять различные технологии изготовления. Рассмотрим, как изменяет свойства бетон б15, изготовленный различными методами:

• в результате автоклавной обработки бетон приобретает упругие свойства, характеризуемые модулем, равным 17;
• применение тепловой обработки, выполненной при атмосферном давлении, позволяет увеличить величину модуля упругости до значения 20,5;
• максимальную величину модуля имеет бетон 200 М (B15) при естественных условиях твердения.

Аналогичная тенденция прослеживается для других классов бетона, включая популярный b25 бетон.

С рассматриваемой точки зрения прослеживаются следующие тенденции:

• для повышения величины модуля упругости бетона целесообразно использовать технологию естественного твердения;
• применение гидротермической обработки снижает способность материала сопротивляться сжимающим и растягивающим нагрузкам;
• при возрастании класса используемого бетона увеличивается его сопротивление упругим деформациям.

Используя табличные значения, несложно определить модуль сопротивления, и выбрать класс бетона для выполнения конкретных задач.

Заключение

Понимание физической сущности параметра упругости бетонного материала позволит правильно выбрать класс бетона для обеспечения необходимой прочности и долговечности строительных конструкций. Желая подробно ознакомиться с методикой расчета бетонных конструкций, изучите внимательно Свод правил 52 101 2003, положения которого распространяются на строительные конструкции из бетона и железобетона.

Модуль (коэффициент) упругости бетона: формула для расчета

Определение упругости и единицы измерения

Изделия и конструкции из бетона подвергаются большим нагрузкам, причем этот процесс происходит постоянно. Технологи нашли возможность придать бетону упругость, т. е. способность упруго деформироваться при воздействии давления и силы, направленной на сжатие и расширение. Величина, которая характеризует этот показатель, называется модулем упругости бетона и по определению вычисляется с помощью формулы соотношения напряжения и упругой деформации образца: данные занесены в специальную таблицу.

Нормативные сведения также включают данные о:

• классе материала,
• его видах (тяжелый, мелкозернистый, легкий, пористый бетон и т. д:.),
• технологии производства, в частности способах твердения (естественное, автоклавная или тепловая обработка).

В связи с этим модуль упругости бетона В30 может быть различным и определяться исходя из других характеристик. Если взять в качестве примера тяжелые и ячеистые бетоны одного и того же класса прочности, их модули будут иметь абсолютно разные значения.

Таблица утверждена СНиП и составлена на основе результатов опытных исследований.

Таблица начальных модулей упругости E (МПа*10^-3) при сжатии и растяжении бетонов с различными эксплуатационными характеристиками

От чего зависит упругость бетона

1. Состав

Бетон с более высоким модулем упругости подвергается меньшей относительной деформации.

Значительную роль в этом играет качество цементного камня и наполнителя – двух компонентов, из которых и состоит бетон. И раствор, и заполнитель берут на себя всю нагрузку. При анализе зависимости модуля упругости бетона от модуля упругости его составляющих, исследователи выяснили, что прочность заполнителя не всегда задействуется для улучшения характеристик готового материала, а вот показатель упругости оказывает значительное влияние.

2. Класс

Начальный модуль упругости бетона при сжатии и расширении зависит от класса изделия по прочности на сжатие.

Эта зависимость устанавливается путем применения эмпирических формул, поэтому для практических целей проще всего получать информацию из готовой таблицы. Даже без сложных математических расчетов можно заметить, что модуль упругости увеличивается пропорционально прочности материала. Другими словами, чем выше класс, тем больше модуль упругости бетона, т. е. материал класса В25 является более устойчивым к относительным деформациям по сравнению с В20.

Расчет модуля упругости в лабораторных условиях

Когда речь идет о модуле упругости, принимают во внимание оба его варианта – динамический и статический. У первого значение выше и определяется в ходе вибрации образца.

Статический модуль, помимо основной информации, предоставляет данные о такой характеристике, как ползучесть бетона – динамика образования деформаций при постоянной нагрузке.

При расчетах учитывают тождество модулей упругости материала как на растяжение, так и на сжатие. Замечено, что если напряжение составляет 0,2 и более максимальной прочности бетона, происходят остаточные деформации. Это приводит к тому, что при сцеплении раствора и наполнителей возникают микротрещины, а это становится причиной крошения и в конечном итоге разрушения.

Во время эксперимента образец подвергают непрерывной нагрузке, имеющей тенденцию к возрастанию, до полного разрушения. Для этого используют особое оборудование – нагружающие установки. В диаграмму вносят данные, показывающие влияние нагрузок на степень деформаций. На завершающем этапе производится расчет среднего модуля упругости всех образцов.

Модуль упругости бетона

СП 63.13330.2012

6.1.15 Значения начального модуля упругости бетона при сжатии и растяжении принимают в зависимости от класса бетона по прочности на сжатие В согласно таблице 6.11. Значения модуля сдвига бетона принимают равным 0,4Е_b.

При продолжительном действии нагрузки значения модуля деформаций бетона определяют по формуле:

где φ_b,cr— коэффициент ползучести бетона, принимаемый согласно 6.1.16.

Таблица 6.11

6.1.16 Значения коэффициента ползучести бетона φ_b,cr принимают в зависимости от условий окружающей среды (относительной влажности воздуха) и класса бетона. Значения коэффициентов ползучести тяжелого, мелкозернистого и напрягающего бетонов приведены в таблице 6.12.

Значения коэффициента ползучести легких, ячеистых и поризованных бетонов следует принимать по специальным указаниям.

Допускается принимать значения коэффициента ползучести легких бетонов по таблице 6.12 с понижающим коэффициентом (ρ/2200)².

Таблица 6.12

elima.ru › Таблица начальных модулей упругости бетона

влияющие факторы и методы определения

Для характеристики эксплуатационных и физико-механических свойств материалов используются различные показатели. Широкое распространение получил модуль упругости бетона, характеризующий способность упруго деформироваться в результате воздействия внешней силы и давления. Чтобы разобраться в свойствах готового бетонного раствора, стоит узнать, что это такое, от чего зависит и каким образом определяется.

Читайте в статье

Понятие модуля упругости бетона и единицы измерения

В процессе эксплуатации твёрдые тела подвергаются нагружению и начинают деформироваться. Сначала протекающие деформационные изменения являются обратимыми, а их величина от прикладываемого усилия является линейной. Как только нагрузка снимается, изделие полностью восстанавливает первоначальную форму. Для описания протекающих процессов используется закон Гука, согласно которому в качестве коэффициента пропорциональности между абсолютным сжатием либо удлинением и прикладываемым усилием используется модуль упругости.

Определение данного показателя звучит следующим образом: модуль упругости – коэффициент пропорциональности между нормальным напряжением и соответствующей ему относительной продольной деформацией. Измеряется в кгс/см² (Н/м², Па). Называют модулем Юнга.

Как только нагрузка превысит определённый уровень, начинается фаза необратимых изменений. Деформативность становится неупругой. Сдвиг увеличивается без дальнейшего приложения нагрузки. В зоне ползучести внутренние связи начинают разрушаться, и бетонная конструкция теряет прочность.

Факторы, влияющие на модуль упругости бетона

Значение модуля упругости может существенно отличаться. На него влияет множество факторов. Чтобы получить желаемый результат, стоит с ними познакомиться заранее.

Качество и объёмное содержание заполнителей

Бетон представляет собой смесь, состоящую из некоторого количества цемента и заполнителей. Качество и концентрация последних оказывают непосредственное влияние на значение модуля упругости. Если структура является неоднородной, вероятность возникновения сложного напряжённого состояния существенно возрастает. Основная нагрузка приходится на жёсткие частицы. Зоны с пустотами и порами испытывают поперечное растяжение.

Внимание! Введение в состав крупного заполнителя способствует увеличению упругих свойств железобетона.

Класс бетона

Класс бетона оказывает непосредственное влияние на модель упругости. Чем выше класс, тем большей прочностью на сжатие и плотностью будет обладать состав и будет лучше сопротивляться воздействующей нагрузке. Самое высокое значение – у бетона В60 –  численно равно 39,5 МПа×10^-3. Наименьшее значение у В10 и соответствует 19 МПа×10^-3.

Температура воздуха и влажность среды

При повышении температуры деформация в бетоне увеличивается, а упругие свойства снижаются. Это способствует повышению внутренней энергии смеси, а также линейному расширению материала, траекторий движения молекул и увеличению пластичности.

Внимание! Температурные колебания учитывают только, если их диапазон превышает 20 °С.

Влажность влияет на упругость материала. В расчётах используется коэффициент ползучести. Чем выше процентное содержание водяного пара, тем ниже будут пластические деформации.

Время воздействия нагрузки и условия твердения смеси

Продолжительность действия нагрузки на бетонную конструкцию также влияет на модуль упругости. Если нагружение осуществляется, мгновенно деформация конструкции увеличивается пропорционально приложенным внешним силам. Длительное напряжение приводит к уменьшению величины модуля. Зависимость носит нелинейный характер. Пластическая и упругая деформация складываются.

Условия, в которых бетон набирает свою прочность, могут отличаться. В естественных условиях значение всегда выше. Если материал обрабатывается в автоклавной установке либо осуществляется пропаривание в условия атмосферных давлений, значение несколько снизится. Причиной этого является образование большого числа пустот и пор благодаря неравномерному температурному расширению объёма, понижению качества гидратации зёрен цемента.

Возраст бетона и армирование конструкции

Для набора прочности свежезалитому бетону достаточно четырёх недель. По истечении указанного периода смесь будет обладать упругими свойствами и достаточной пластичностью. Максимальная твёрдость будет достигнута только через 200-250 дней. Именно в это время модуль упругости достигнет максимального значения, соответствующего марочной прочности.

Для того чтобы монтируемая конструкция прослужила подольше, её обязательно армируют. В качестве армирующих элементов берётся сетка либо каркас, для изготовления которого использовалась арматура, относящаяся к классам АI, AIII, А500С, Ат800, древесина и композиты. Все эти элементы в процессе эксплуатации воспринимают растягивающие и сжимающие нагрузки, воздействующие на бутон.

Благодаря армированию удается повысить упругость и прочностные характеристики конструкции. Уменьшается вероятность образования трещин деформационного и усадочного типа.

Модуль упругости бетона (Еб): способы определения значения

Порядок определения  Еб может несколько отличаться. Каждый способ имеет свои отличительные особенности. Стоит ознакомиться с нюансами каждого метода, чтобы не допустить ошибок в момент определения значения.

Механическое испытание

При проведении механических испытаний образец подвергается разрушению. Исследование производится с учётом требований ГОСТ 24452, устанавливающих требования к используемым образцам и порядку проведения исследований.

Материалы и инструменты

Для проведения исследований используются образцы, имеющие форму круга либо квадрата. Соотношение высоты и поперечного сечения принимают равным четырём. Образцы высверливаются, выбуриваются либо выпиливаются из готового изделия. До начала испытаний их держат под влажной тканью.

Для получения искомого значения образцы помещают на пресс, оснащённый специальными базами, позволяющими измерить деформацию. Приборы располагаются под разными углами к грани образца. Для фиксации индикаторов используются стальные рамки. В некоторых случаях индикаторы приклеиваются к опорным вставкам.

Внимание! Если конструкция работает в условиях повышенной влажности, требуется специальная подготовка по ГОСТ 24452-80.

Схема испытания образцов

Испытания выполняются в следующей последовательности:

1. Образцы подготавливаются и с индикаторами помещаются под пресс, добиваясь совмещения осей образца и центра плиты. Назначают разрушающую нагрузку в т/м². Величина зависит от марочной прочности бетона.
2. Производят ступенчатое увеличение нагрузки с шагом 10 % от разрушающей и интервалом 4-5 минут.
3. Доводят значение до 40-45 % от максимального. При отсутствии дополнительных требований приборы снимают, а дальнейшее нагружение выполняют с постоянной скоростью.
4. Результаты для каждого образца обрабатывают, когда нагрузка составляет 30 % от разрушающей. Данные отображаются в журнале испытаний.

По проведенным исследованиям определяют начальный модуль упругости Еб. Нормативные значения для каждого класса содержатся в таблицах со строительными нормами и маркировке изделия. Для В15, В20, В25, В30, полученного в условиях естественного твердения, коэффициент равен 23, 27, 30, 32,5 МПа×10^-3 соответственно, в условиях термической обработки – 25, 24,5, 27, 29.

Неразрушающий ультразвуковой способ

Механический способ предполагает выемку образца из уже готовой конструкции. Это не всегда удобно и сопряжено с рядом трудностей. Ультразвуковой способ позволяет обойтись без локального разрушения. В условиях повышенной влажности погрешность составляет 15 -75 % из-за более высокой скорости распространения ультразвуковых волн в водной среде. Существует метод, позволяющий найти значение при различной влажности материала. Испытания проводятся на образцах, имеющих различную водонасыщенность.

Для нахождения нормативных и расчётных значений используют корректирующие коэффициенты, учитывая соответствующие значения. Методика приведена в СП 63.13330.2012.

Делитесь в комментариях, какому методу определения модуля упругости бетона вы доверяете больше всего и каким приходилось пользоваться.

ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? Поддержите нас и поделитесь с друзьями

Модуль упругости бетона на растяжение и сжатие

Данное понятие известно в основном специалистам. Для «самодеятельного» строителя, частного застройщика это словосочетание мало о чем говорит. Но долговечность той или иной постройки напрямую зависит от него.

Сам бетон является твердым материалом. И, тем не менее, под влиянием различных внешних сил он частично деформируется. Именно поэтому различают 2 показателя его прочности – на растяжение и на сжатие, хотя ориентируются в большей степени на последний. Следовательно, и модули упругости также должны быть соответственно рассчитаны на эти разносторонние воздействия.

Но на практике они принимаются равными и свидетельствуют о способности бетона временно деформироваться под воздействием повышенных нагрузок, при этом не подвергаясь необратимым изменениям – разрушению структуры, появлению трещин, сколов и тому подобное. Это особенно важно знать, когда конструкция подвергается различным прогибам (например, ж/б сооружения арочного типа, перекрытия). В отличие от многих других строительных материалов бетон под влиянием нагрузки (в известных пределах) действует как пружина.

Рассматриваемый показатель определяется экспериментальным путем на основе испытаний образцов материалов. Обозначается символом «E» и имеет второе название – «модуль Юнга». Различают начальный и приведенный модуль упругости (Eb и Eb1 соответственно). Для рядового пользователя все эти вычисления и используемые при этом формулы практического значения не имеют, так как во всех нюансах сможет разобраться только профильный специалист.

Нужно лишь знать, что оказывает влияние на данную характеристику материала, а также о существовании таблиц, которыми при необходимости можно воспользоваться.

От чего зависит модуль упругости

1. Непосредственное влияние оказывают характеристики наполнителя, причем эта зависимость – практически прямолинейная (если отобразить ее графически). Для легких бетонов значение модуля ниже, чем тот же показатель у «тяжелых» аналогов с крупными гранулами (щебня, гравия).

2. Класс бетона. Для определения существует специальная таблица. Частный застройщик на практике использует ограниченный ассортимент подобной продукции, поэтому нет смысла приводить ее в полном виде. Вот некоторые данные по прочности и модулю, из которых видно, что они имеют прямо пропорциональную зависимость, которая не изменяется при температурах до 230 0С. Следовательно, практически никогда.

• В10 соответствует 19;
• В 15 – 24;
• В20 – 27,5;
• В25 – 30;
• В30 – 32,5.

Это позволяет «управлять» таким свойством материала, как упругость, причем для одной и той же марки продукции. Такая характеристика принимается во внимание в зависимости от того, какой элемент конструкции будет монтироваться. Например, слабо или сильно нагруженный, с какой периодичностью и длительностью будет действовать дополнительный вес.

3. Возраст бетона. Наблюдается тенденция увеличение численного показателя модуля упругости с течением времени. Поэтому при определении значения в конкретный период пользуются специальными таблицами, где отражены начальные показатели, которые умножаются на поправочные коэффициенты.

4. Технология обработки материалов. Есть разница, как отвердевал бетон – естественным путем, при термической обработке без использования закрытых камер или «прошел» через автоклав.
 

5. Продолжительность воздействия нагрузки. Для определения данной величины начальный модуль упругости (взятый из таблицы), умножается на соответствующий коэффициент. Он равен 0,85 для бетонов мелкозернистых, легких (если заполнитель мелкий) и тяжелых. Для легких (с пористым заполнителем) и поризованных бетонов коэффициент равняется 0,7.

Перед тем, как рассмотреть иные факторы, влияющие на рассматриваемую характеристику, стоит остановиться на таком показателе, как ползучесть бетона. От нее зависит степень деформации материала. Дело в том, что при кратковременном воздействии (причем в определенных пределах) после снятия нагрузки материал принимает первоначальную форму.

Если воздействие не прекращается, то речь идет уже о пластичной деформации, которая, как правило, имеет необратимый характер. Не стоит вдаваться во все нюансы, так как порой разделить оба вида деформации крайне сложно. Достаточно указать, что пластичная (то есть дальнейшее изменение формы) вызывается «ползучестью» бетона. Она учитывается при длительном воздействии. Коэффициент ползучести обозначается символом «φb,cr»

6. Влажность воздуха. Существует зависимость между ней и φb,cr. Это также определяется по таблицам. Кроме того, учитываются и такие факторы, как температура и радиация (интенсивность излучения).

7. Наличие армирующего каркаса. Понятно, что металл деформируется под нагрузкой не в такой степени, как бетон.

Для тех читателей, которые захотят более глубоко вникнуть в этот вопрос, укажем Государственный Стандарт № 24452 от 1980 года, в котором описаны, в частности, и методы определения данной характеристики бетонов.
 

Модуль упругости бетона: таблица зависимости

Модуль упругости – определение знакомо по большей части профессионалам. Малоопытному специалисту либо обычному потребителю это понятие незнакомо. Однако прочность и долговечность возведенного строения во многом зависит именно от этого показателя. Бетон само по себе довольно крепкое изделие. Но все-таки под воздействием некоторых внешних раздражителей он подвержен разрушению. Как раз по этой причине существует пара коэффициентов его крепости – на сжатие и на растяжение. Однако чаще всего обращают внимание именно на первое значение. Соответственно, и другие искомые параметры обязаны быть готовы к таким различным влияниям.

Что такое модуль упругости?

При воздействии повышение разрушения объясняется тем, что бетон известен такой характеристикой, как ползучесть. Сперва во время определенного воздействия внутри него начинается упругое разрушение. Данный эффект означает временное изменение состояния тела, при котором после окончания воздействия все возвращается к исходному состоянию. Если воздействие продолжается, то в конструкции начинаются необратимые разрушения.

Именно поэтому первый вариант воздействия называют упругим разрушением, а второй вариант – пластичным. Данное явление происходит по причине ползучести бетона. Если же воздействие не будет прекращено, то это приведет к значительной деформации строения. Модуль упругости бетона иногда еще могут называть, как коэффициент разрушения. Его выясняют при помощи различных технологий.

Что влияет на модуль упругости?

• Прямое воздействие оказывают свойства компонентов в бетоне. Мало того, данная подвластность полностью прямолинейная. У бетонов с небольшим весом этот показатель меньше, а вот у более тяжелых крупнозернистых видов он больше.
• Классификация бетона. Для выяснения зависимости искомого коэффициента составлена специальная таблица. Обычный потребитель в работе применяет небольшой перечень данных изделий, в связи с этой причиной нет необходимости приводить ее целиком. По известным показателям прочности и модуля понятно, что они пропорционально зависят друг от друга. Причем, данная зависимость не меняется при температурном воздействии ниже 230С. То есть в основном показатели не меняются вообще. Данный нюанс дает возможность контролировать такую характеристику продукта, как упругость, к тому же это выполнимо в одних и тех же классах материала. Это свойство учитывают для того, чтобы знать какой из продуктов может быть установлен. При возведении загородных частных домов применяют довольно маленький перечень бетонных растворов, согласно их классности. Чаще всего этот выбор происходит в диапазоне от В7 до В30, а также М100, М150, М200, М250, М300, М350, М400. Однако данного ассортимента полностью хватает для возведения малоэтажных зданий. Это возможно, даже если в строительстве применяются плитные цоколи, а также формируются арки для декорирования.
• Возраст бетона. Известна зависимость между повышением искомого коэффициента и периода эксплуатации. По этой причине во время определения показателя в нужный отрезок времени, применяют специальные таблицы. В ней указаны первичные данные, которые необходимо умножить на поправочные модули.
• Метод переработки компонентов. Большую роль играет то, в каких условиях происходило застывание бетона. Ведь он мог отвердеть естественным образом, во время термического воздействия либо с применением автоклава.
• Длительность влияния давления. Чтобы выяснить этот показатель, начальный показатель множат на требуемый модуль. Для каждого из типов бетона данный модуль имеет свое значение. Для легких, тяжелых и мелкозернистых – 0,85, для поризованных – 0,7.

Прежде чем изучить другие нюансы, оказывающие воздействие на анализируемую характеристику, необходимо подробнее рассмотреть такое определение, как ползучесть бетона. Данный показатель оказывает большое влияние на стадию разрушения изделия. Ведь при недолгой малой нагрузке материал деформируется, но после прекращения воздействия он возвращается в изначальное состояние.

Данный момент можно детально не разбирать, так как весьма сложно определить вид деформации. Внешне пластичная и упругая деформация никак не отличается. Однако стоит указать, что пластичное разрушение объясняется свойством ползучести бетона. В частности, именно этот параметр берется в расчет при долгом воздействии на материал. Модуль ползучести также имеет свое буквенное обозначение:

• Влагосодержание в окружающем воздухе. Данное обстоятельство связано с модулем ползучести. Если необходимо точное значение, то она также узнается из соответствующих таблиц. В таком случае во внимание также берутся температура и уровень радиационного фона.
• Наличие металлического каркаса для армирования. Благодаря своему составу, металл не так сильно подвержен разрушениям вследствие воздействия, в отличие от простого бетона.

Необходимо отметить, что каким бы ни был показатель упругости, металл всегда превосходит бетон по прочности. Благодаря такому свойству, использование каркаса для армирования в любом случае повысит собственный показатель упругости у бетонного изделия.

Таблица зависимости модуля упругости от различных факторов

Довольно полезно будет изучить специальную таблицу, ведь именно благодаря ей появилась возможность выяснить модуль упругости бетона и не только. В данной таблице имеются следующие компоненты:

• карбид кремния – модуль упругости 35,5; температура плавления 2800С;
• периклаз – модуль упругости 24,6; температура плавления 2800С;
• корунд – модуль упругости 37,2; температура плавления 2050С;
• железо – модуль упругости 21,1; температура плавления 1539С;
• медь – модуль упругости 11,2; температура плавления 1083С;
• алюминий – модуль упругости 7,0; температура плавления 660С;
• свинец – модуль упругости 1,5; температура плавления 327С;
• полистирол – модуль упругости 0,3; температура плавления 300С;
• каучук – модуль упругости 0,007; температура плавления 300С.

В данном перечне приведены температуры плавления разных компонентов, подобный норматив обладает прямой зависимостью от искомого модуля. В связи с чем становится ясно, что владение информацией о влиянии различных факторов на показатели бетона – это важно.

Способы определения модуля упругости

Норматив упругости конструкции выясняется в ходе экспериментальных исследований на пробах по бетону Данное значение принято обозначать буквой «Е». Однако у него имеется и другое обозначение – «модуль Юнга». Профессионалы разделяют показатель упругости на подвиды: начальный и приведенный.

Необходимо заметить, что обычному малоопытному потребителю непростые формулы и примеры вычетов, которые делаются по данному показателю, никоим образом не пригодятся в жизни. В подобных тонкостях и нюансах может разобраться лишь человек опытный либо владеющий специальным образованием.

Показатель упругости возможно выяснить во время проведения отдельных проб на способность противостоять сжатию либо растяжению. Стоит заметить, что материал, не содержащий внутри армировочный каркас к такому явлению как растяжение, не подвластен. По результатам проведенных экспериментов, происходит построение графика, в котором указана зависимость между прикладываемым воздействием и разрушением изделия.

Начальный показатель, характеризующийся упругостью бетона, выясняется не так легко, как хотелось бы. Но его примерное значение можно выяснить косвенным методом. Довольно часто секущая полоса к кривой, обозначающая зависимость воздействия от разрушения, расположена параллельно относительно касательной линии. Также правильным будет определение того, что показатель упругости материала повышается прямо пропорционально значению его крепости. Но все-таки это является точным лишь для главной части графика. Также значение сильно подвластно условиям и месту эксперимента.

Заключение

Данная тема является весьма сложной и непростой. Однако при должном изучении никаких трудностей возникнуть не должно. Стоит заметить, что условия резки железобетонных изделий при помощи алмазных кругов во многом подвластны показателям упругости материала. То же самое можно сказать и об алмазном бурении изделий.

При разных показателях упругости увеличивается либо уменьшается сопротивляемость изделия. Хотя бы для облегчения такой работы стоит знать показатели упругости бетона.

Модуль упругости бетона — определение и важность при проектировании

🕑 Время чтения: 1 минута

Модуль упругости бетона (Ec) определяется как отношение приложенного напряжения к соответствующей деформации. Он не только демонстрирует способность бетона противостоять деформации из-за приложенного напряжения, но и его жесткость. Другими словами, он отражает способность бетона упруго отклоняться. Модуль упругости бетона зависит от пропорций заполнителя и смеси в бетоне.

При проектировании бетонных конструкций очень важен модуль упругости, который требует определения. Линейный расчет элементов, основанный на теории упругости, используется в некоторых случаях для удовлетворения требований предельного состояния по прочности и пригодности к эксплуатации, например, при проектировании предварительно напряженных бетонных конструкций.

Общие применимые нормы по всему миру, такие как Кодекс ACI, Европейский Кодекс, Британские стандарты, Канадская ассоциация стандартов и Индийский стандарт, предоставили формулу для расчета модуля упругости бетона.

Расчет модуля упругости бетона

Расчет модуля упругости бетона с использованием уравнений различных кодов представлен ниже:

1. Модуль упругости на основе ACI 318-14

Согласно ACI 318-14 раздел 19.2.2, модуль упругости бетона оценивается следующим образом:

Для бетона удельный вес (wc) колеблется от 1440 до 2560 кг на кубический метр.

Для бетона с нормальным весом:

2.Модуль упругости на основе CSA

Модуль упругости для бетона с нормальным весом согласно Канадской ассоциации стандартов (CSA A23.3):

Для высокопрочного бетона:

3. Модуль упругости согласно EC

Модуль упругости бетона по Еврокоду можно оценить с помощью следующего выражения:

Где,

Ecm: средний модуль упругости

фут · см: средняя прочность бетона на сжатие через 28 дней в соответствии с таблицей 3.1 BS EN 1992-1-1: 2004

4. Модуль упругости согласно британскому стандарту

Значение модуля упругости при 28-дневном возрасте бетона приведено в BS 8110: Часть II 1985:

Где:

ko: составляет 20 кН на квадратный миллиметр для нормального бетона

fcu, 28: прочность бетона на сжатие через 28 дней.

5. Модуль упругости в соответствии с IS 456

Модуль упругости бетона по индийскому стандарту можно рассчитать с помощью следующего выражения:

Очень важно определить модуль упругости бетона при проектировании бетонной конструкции.Линейный анализ элементов, основанный на теории упругости, используется для удовлетворения требований как по предельному состоянию, так и по предельному состоянию, например, в случае предварительно напряженного бетона, который демонстрирует сечение без трещин вплоть до разрушения.

В дополнение к вычислению прогибов, которые должны быть ограничены в соответствии с требованиями эксплуатационной пригодности для всех конструкций. Наконец, знание модуля упругости высокопрочного бетона очень важно для предотвращения чрезмерной деформации, обеспечения удовлетворительной работоспособности и избегания наиболее экономичных конструкций.

Модуль упругости бетона? [3 разных стандарта]

Бетон — это композитная смесь материалов (крупный, мелкий заполнитель, цемент с водой). Обладает высокой прочностью на сжатие и низкой прочностью на разрыв. Модуль упругости бетона разный для разных смесей. Бетон разрушается под действием растягивающих напряжений. При низких напряжениях эластичность бетона постоянна, а при высоких напряжениях начинает развиваться растрескивание.

Бетон имеет очень низкий коэффициент теплового расширения.Под действием растягивающих и усадочных напряжений все бетонные конструкции в той или иной степени растрескиваются. Как мы знаем, бетон проявляет разные свойства при различных соотношениях воды и цемента и имеет различную бетонную смесь ( M15, M20 и т. Д. ).

Он определяется как отношение нормального напряжения к нормальной деформации ниже пропорционального предела материала, называемого модулем упругости Ec .

Модуль упругости = удельное напряжение / единичная деформация

При испытании на прочность на сжатие образца бетона (цилиндр диаметром 15 см и длиной 30 см, имеющий объем 15 см куб ) вычисляется модуль упругости бетона. с помощью графика напряжений и деформаций.

Согласно кодам ACI, модуль упругости бетона можно измерить по формуле
А с нормальной плотностью или весом бетона эти два соотношения можно упростить следующим образом:

# Где

Ec = Модуль эластичности бетона.

f’c = Прочность бетона на сжатие.

Согласно

• ACI 318–08, (бетон нормального веса) модуль упругости бетона составляет, Ec = 4700 √f’c МПа и
• IS: 456 модуль упругости бетона равен 5000√f’c, МПа.

Основными факторами, которые могут повлиять на определение значений модуля упругости, являются:

• Прочность бетона
• Состояние влажности бетона:

Эта таблица показала, что мы получаем разную эластичность в разных смесях,

#Where

Gpa = Gigapascal

Mpa = Megapascal

Значение модуля упругости бетона может варьироваться и зависит от следующих факторов:

• Состав смеси.
• Свойства крупного заполнителя.
• Скорость загрузки.
• Условия отверждения.
• Минеральные добавки.
• Химические добавки.

Плотность бетона составляет около 150 фунтов / куб. Фут или ( 2400 кг на кубический метр ).

Эластичность

Определяется как способность материала возвращаться в исходное положение (размер и форму) после снятия сил.

• Эластичность разная для разных материалов.
• При приложении силы решетка материала изменяет свою форму и размер и возвращается в исходное положение после ослабления силы.
• Подразделяется на линейной или конечной упругости.

Единицы

Единицы модуля упругости следующие:

• В единицах СИ МПа или Н / мм ² или кН / м ² .
• В единицах FPS psi или ksi, psf или ksf.

Связанная тема:

1. единиц преобразования гражданского строительства

Модуль упругости бетона

Что такое модуль упругости?

Модуль упругости (также известный как модуль упругости , коэффициент упругости ) материала — это число, которое определяется отношением приложенного напряжения к соответствующей деформации в пределах упругости.Физически это указывает на сопротивление материала деформации при приложении к нему напряжения. Модуль упругости также указывает на жесткость материала. Значение модуля упругости выше для более жестких материалов.

\ [\ text {Модуль упругости,} \; E = \ frac {f} {s} \]

Здесь f = приложенное напряжение к телу
s = деформация, соответствующая приложенному напряжению

Единицы модуля упругости

Единицы модуля упругости следующие:

• В единицах СИ МПа или Н / мм ² или кН / м ² .
• В единицах FPS psi или ksi, psf или ksf.

Модуль упругости бетона

Модуль упругости бетона можно определить как наклон линии, проведенной от нулевого напряжения до сжимающего напряжения 0,45 f ’ _c . Ведь бетон — это неоднородный материал. Прочность бетона зависит от относительной пропорции и модуля упругости заполнителя.

Чтобы узнать точное значение модуля упругости бетонной смеси, можно провести лабораторные испытания.Кроме того, существует несколько эмпирических формул, предоставленных другим кодом для получения модуля упругости бетона. Эти формулы основаны на соотношении между модулем упругости и прочностью бетона на сжатие. Можно легко получить приблизительное значение модуля упругости бетона, используя 28-дневную прочность бетона ( f ’ _c ) по этим формулам.

Модуль упругости бетона по коду ACI

Различные нормы предписывают некоторые эмпирические соотношения для определения модуля упругости бетона.{1.50} \ times0.043 \ sqrt {f ‘_ {c}} \ quad MPa \]

Эта формула действительна для значений w _c от 1440 до 2560 кг / м ³ .

Для обычного бетона

\ [E_ {c} = 4700 \ sqrt {f ‘_ {c}} \ quad МПа \\
(в \ quad FPS \ quad unit \ quad E_ {c} = 57000 \ sqrt {f ‘_ {c}} \ quad psi)
\]

Модуль упругости бетона из BNBC

Согласно разделу 5. {1.2
\]

Испытание для определения модуля упругости бетона

Следующее видео (источник: youtube.com) поможет вам получить хорошее представление об экспериментальной процедуре определения модуля упругости бетона. В этом видео проиллюстрирована процедура испытания для определения модуля упругости бетона в соответствии с нормами EN 12390-13.

Высокоэффективный модуль упругости бетона

Разработка бетона с высокими эксплуатационными характеристиками года.Много десятилетий назад бетон с прочностью на сжатие 5000 psi считался высокой прочностью. В настоящее время прочность на сжатие составляет приближается к 20 000 фунтов на квадратный дюйм. Высокопрочный бетон преимущественно используется в колонны многоэтажных домов. Он также используется в мостовых балках, морские буровые конструкции и плотины.

Модуль упругости — очень важное механическое свойство конкретный. Чем выше значение модуля, тем жестче материал. является.Таким образом, сравнивая бетон с высокими эксплуатационными характеристиками с бетоном нормальной прочности, видно, что модуль упругости для бетона с высокими эксплуатационными характеристиками будет быть выше, тем самым делая бетон более жестким. Жесткость — это желаемое свойство для бетона, потому что прогиб конструкции может стаж уменьшится. Однако деформации, такие как ползучесть, повышение прочности бетона (Невилл 608).

Модуль упругости бетона обычно рассчитывается из испытание бетонного образца на прочность при сжатии.Из этих испытаний на прочность, напряжения и деформации измеряются и наносятся на график. Соотношение стрессов в зависимости от деформации на этих диаграммах называется модулем упругости, E. Поскольку бетон обычно не действует линейно упруго, на диаграмме зависимости напряжения от деформации нет участка, где крюки закон может применяться для определения модуля упругости.

s = Ee Hookes Закон

(где s = напряжение, e = напряжение)

Следовательно, несколько методов используются для определения значения модуля упругости по напряжению по сравнению с диаграмма деформации.Также есть несколько уравнений которые были разработаны для вычисления значения модуля упругости после определения прочности на сжатие испытательного цилиндра.

Следующие параметры могут влиять на значение, полученное для модуля упругости. эластичности:

Информация собрана Деборой Сипикс.

Список литературы

Модуль упругости — American Concrete

Статический модуль упругости

Немногие темы могут вызвать больше споров среди специалистов по высокопрочному бетону, чем модуль упругости. Хотя принято рассматривать модуль упругости бетона как отдельное свойство бетона, на самом деле бетон имеет два модуля упругости — модуль упругости пасты и модуль упругости заполнителя.На границе между двумя материалами находится межфазная переходная зона паста-заполнитель, возможно, самый важный фактор, влияющий на механические свойства высокопрочного бетона.

Рисунок 4.1 Типичное соотношение напряжения и деформации для бетона высокой, средней и обычной прочности.

Хотя бетон не считается абсолютно линейно-упругим материалом, закон упругости Гука применим к конструкционным бетонам для диапазона деформаций, обычно используемых в расчетах конструкции.Модуль упругости (модуль Юнга) — одно из важнейших механических свойств бетона. Модуль упругости определяется как отношение нормального напряжения к соответствующей деформации для растягивающих или сжимающих напряжений ниже пропорционального предела материала. Это ключевой фактор, влияющий на конструктивные характеристики железобетонных конструкций, и особенно важный параметр проектирования при прогнозировании деформации высотных зданий.

Модуль упругости бетона в значительной степени определяется свойствами крупного заполнителя.Увеличение размера крупных заполнителей или использование более жестких крупных заполнителей с более высоким модулем упругости увеличивает модуль упругости бетона. Поскольку бетон является композитным материалом, состоящим из пасты и заполнителя, модуль упругости бетона при сжатии тесно связан с механическими свойствами пасты по сравнению с

Рисунок 4.2 По мере увеличения прочности на сжатие разрушение принимает все более взрывоопасный характер . Любезно предоставлено CTLGroup.

частиц заполнителя. Следует отметить, что, хотя более жесткие или более плотные заполнители улучшают модуль упругости бетона, они также способны создавать концентрации напряжений в переходной зоне и последующие микротрещины на стыках стыков, что снижает предельную прочность бетона на сжатие.

По мере приближения модулей упругости частиц пасты и заполнителя друг к другу получаемый бетон имеет тенденцию демонстрировать более линейную зависимость напряжения от деформации и повышенную хрупкость (Neville, 1997).Обсуждаются две модели, представляющие две границы поведения композитных материалов (Hansen, 1958). Первая модель, идеальный композитный твердый материал, имеет частицы наполнителя с низким модулем упругости, связанные вместе упругой фазовой матрицей, имеющей высокий модуль упругости. Вторая модель, идеальный композитный мягкий материал, имеет частицы наполнителя с высоким модулем упругости, связанные вместе упругой фазовой матрицей, имеющей низкий модуль упругости. Из двух идеализированных моделей высокопрочные бетоны больше подошли бы к первой модели, тогда как бетоны с обычной прочностью больше подошли бы ко второй.

Существенная разница в поведении высокопрочных бетонов по отношению к начальной прочности заключается в соотношении прочности на сжатие и других механических свойств. Обычно прочность на сжатие увеличивается быстрее, чем прочность связи в межфазной переходной зоне. Это приведет к пропорциональным различиям в модуле упругости и прочности на разрыв в раннем и более позднем возрасте. Следовательно, нельзя ожидать, что пропорциональность механических свойств прочности на сжатие в более позднем возрасте (28 дней или позже) высокопрочного бетона будет применяться, как это происходит с бетоном с обычной прочностью.

Майерс (1999) исследовал различные методологии увеличения модуля упругости. Более высокие значения модуля упругости обычно достигаются при использовании крупнозернистых заполнителей, размер которых превышает размер, обеспечивающий оптимальную прочность на сжатие. Заполнитель большего размера позволяет использовать более высокие объемы грубого заполнителя, ключевой параметр модуля упругости, без ущерба для удобоукладываемости, которая может пострадать при использовании аналогичных объемов заполнителя небольшого размера. В таких случаях становится необходимым компромисс для достижения приемлемых механических характеристик.Заполнитель большего размера, хотя и обеспечивает более низкую прочность на сжатие, может обеспечить более высокий модуль упругости. Бетоны с чрезвычайно высоким модулем упругости были произведены с использованием больших объемов жесткого грубого заполнителя, связанного с плотной пастой с низким отношением W / B.

Модуль упругости бетона обычной прочности обычно увеличивается пропорционально корню квадратному из прочности на сжатие. Хотя было предложено множество эмпирических уравнений для прогнозирования модуля упругости, немногие уравнения позволяют прогнозировать модуль упругости высокопрочного бетона так же точно, как и для бетона обычной прочности.Комитет 363 ACI сообщает, что следующее уравнение в целом оказалось надежным выражением нижней границы для высокопрочного бетона нормальной плотности на основе большинства собранных данных о высокопрочном бетоне:

Ec = 40000 (fc ‘) 0-5 + 1000000 (для 3000 psi

Однако, основываясь на недавних исследованиях (Gross and Burns, 1999; Myers and Carrasquillo, 1999), Комитет предупреждает, что при использовании этого выражения могут иметь место значительные недооценки.Измеренный модуль упругости очень чувствителен к влажности испытуемого образца. Считается, что это связано с эффектом высыхания в межфазной переходной зоне. Для данного бетона модуль упругости образцов, испытанных во влажном состоянии, примерно на 15 процентов выше, чем у образцов, испытанных в сухом состоянии.

Исследователи из Исследовательского комитета по высокопрочному бетону Архитектурного института Японии (AIJ) выполнили множественный регрессионный анализ более 3000 данных, где прочность на сжатие и удельный вес

(плотность) были взяты в качестве независимых переменных, а модуль упругости — в качестве целевой переменной (Tomosawa and Noguchi, 1995).Прочность на сжатие исследованных бетонов нормальной плотности составляла от 20 до 160 МПа (от 3000 до 23000 фунтов на квадратный дюйм). По результатам было предложено следующее уравнение:

E = k1 * k2 * 3,35 * 104 * (7 / 2,4) 2 * (aB / 60) 1/3

где, k1 = поправочный коэффициент для крупного заполнителя, k2 = поправочный коэффициент для минеральной примеси 7 = удельный вес (плотность), кг / м3 ctb = измеренная прочность на сжатие, МПа.

На рисунках 4.3a и 4.3b представлены измеренные модули упругости для шести коммерчески доступных высокопрочных бетонов, исследованных Бургом и Остом (1992).В целом, измеренный модуль упругости находится между значениями, предсказанными уравнениями ACI 318 и ACI 363. На рис. 4.4 показаны 91-дневные результаты для цилиндрических образцов, отвержденных в различных условиях.

Рис. 4.3a (единицы СИ) Измеренный модуль упругости через 28, 91 и 426 дней из Burg and Ost (1992) для цилиндров влажного отверждения 150 х 300 мм.

Рис. 4.3b (единицы дюйм-фунт) Измеренный модуль упругости на 28, 91 и 426 днях от Burg and Ost (1992) для влажного отверждения 6 X 12 в цилиндрах.’i’i lily mcncutie

Рис. 4.4. Измеренный модуль упругости через 91 день от Burg and Ost (1992) для цилиндрических образцов разного размера, отвержденных в различных условиях.

Номинальный максимальный размер заполнителя, используемый в смесях. 1-5 составляли 12 мм (% дюйма) и 25 мм (1 дюйм) в смеси № 6. Смеси 1-5 содержали 1068 кг / м3 (1800 фунтов / ярд3) измельченного доломитового известняка. Смесь 6 содержала 1121 кг / м3 (1890 фунтов / ярд3).

В настоящее время нет единого мнения относительно применимости одной универсальной методологии, которая могла бы точно предсказать модуль упругости высокопрочного бетона.Для конструкций, требующих точного знания модуля упругости, прямое измерение с использованием местных материалов и смесей по-прежнему является лучшим подходом. Модуль упругости следует определять как можно раньше на этапе проектирования; либо через программу оценки полевых испытаний, либо на основе ранее задокументированных данных о производительности.

Динамический модуль упругости

Информации о динамическом модуле высокопрочного бетона мало.Как отмечает Zia et al. (1997), измерение динамического модуля соответствует очень небольшой мгновенной деформации. Разница между статическим и динамическим модулями частично объясняется тем, что неоднородность бетона влияет на каждый по-разному. Для бетонов с низкой, средней и высокой прочностью динамический модуль обычно на 40 процентов, 30 процентов и 20 процентов соответственно выше, чем статический модуль упругости (Mehta, 1986). Nilsen и Ai’tcin (1992) использовали тест скорости импульса для прогнозирования статического модуля упругости высокопрочного бетона.

Читать здесь: Коэффициент Пуассона

Была ли эта статья полезной?

Модуль упругости — обзор

9.5.4 Модуль упругости

На модуль упругости влияют характеристики цементного теста и заполнителя в бетоне, присутствующие относительные количества и их реакция на приложение нагрузки. Что касается прочности на разрыв, подробные сведения о свойствах для проектирования включены в стандарты. ³¹⁵

Бетон, содержащий природный пуццолан, более крупный, чем у ПК, с содержанием цемента 20% в 0.Бетон с соотношением 57 в / ц ³²⁴ , как было обнаружено, имел такой же модуль упругости, что и эталонный бетон ПК через 60 дней. Включение пемзы или диатомита на низких уровнях в цемент (1%, 2% и 4%) ³²⁵ снизило как прочность на сжатие, так и модуль упругости при испытаниях до 28 дней (с меньшим эффектом на более высоких уровнях). В другой работе, упомянутой выше, модуль упругости снижается на 2,5 ГПа для каждых 15% натурального пуццолана, используемого для замены цемента в бетонах с равным соотношением в / ц, ³¹⁶ при примерно равной прочности (с 19% и 29% естественной pozzolana) были получены вариации значений модуля в узком диапазоне. ³¹⁷

Исследование, учитывающее относительно высокие уровни (40% –50%) летучей золы с низким содержанием извести в цементе (в бетоне с почти равным соотношением в / ц). постепенно снижается с увеличением уровня летучей золы, и это происходило при испытательном возрасте до 365 дней. В другой работе ³²⁷ с учетом мелкой и крупной летучей золы были получены аналогичные значения модуля упругости для бетонов, рассчитанных на одинаковую прочность на сжатие (28 дней).Результаты испытаний бетона, содержащего различные комбинации цемента ³²⁰ и дозированного различными способами, показаны на рис. 9.51 и согласуются с прочностью на сжатие.

Рис. 9.51. Влияние метода дозирования смеси (, серия A, ) и типа цемента (, серия B, ) на модуль упругости бетона.

(Воспроизведено с разрешения: Dhir RK, McCarthy MJ, Paine KA. Инженерные свойства и взаимосвязь структурного проектирования для новых и разрабатываемых бетонов. Mater Struct 2005; 38 (1): 1–9.)

Исследование, посвященное изучению микрокремнезема в бетоне с соотношением вода / цемент 0,6 ³¹⁶ , показывает, что при 5% включении микрокремнезема в цемент модуль упругости увеличился с 30 до 33 ГПа (прочность на сжатие увеличена с 41,0 до 46,5 МПа). Дальнейшее увеличение содержания микрокремнезема до 20% привело к увеличению прочности на сжатие на 7,5 МПа, при этом модуль упругости изменился только на 1,0 ГПа. В том же исследовании было обнаружено, что метакаолин демонстрирует аналогичное поведение при уровнях содержания в цементе до 25%.Другая работа ³²² , охватывающая ряд заполнителей, обнаружила, что модуль упругости увеличился в среднем на 16% и 32% при включении 10% и 15% микрокремнезема в бетон с соотношением масс 0,35. В бетонах с относительно высокой прочностью и равным соотношением массы и воды ³²⁸ было обнаружено небольшое увеличение свойств при содержании метакаолина до 15%, при этом было получено заметное увеличение прочности на сжатие.

Таблица проектных свойств бетона (fcd, fctm, Ecm, fctd)

Расчетные значения свойств бетонного материала согласно EN 1992-1-1

Масса устройства

γ

Удельный вес бетона γ указан в EN1991-1-1, приложение A.Для простого неармированного бетона γ = 24 кН / м ³ . Для бетона с нормальным процентом армирования или предварительно напряженной стали γ = 25 кН / м ³ .

Нормативная прочность на сжатие

f _ck

Характеристическая прочность на сжатие f _ck является первым значением в обозначении класса бетона, например 30 МПа для бетона C30 / 37. Значение соответствует характеристической прочности цилиндра (5% фрактильной прочности) согласно EN 206-1.Классы прочности согласно EN 1992-1-1 основаны на характеристических классах прочности, определенных для 28 дней. Изменение характеристической прочности на сжатие f _ck ( t ) со временем t указано в EN1992-1-1 §3.1.2 (5).

Характеристическая прочность на сжатие куба

f _{ck, куб}

Характеристическая кубическая прочность на сжатие f _{ck, cube} является вторым значением в обозначении класса бетона, e.грамм. 37 МПа для бетона C30 / 37. Значение соответствует характеристической прочности куба (5% хрупкости) согласно EN 206-1.

Средняя прочность на сжатие

f _см

Средняя прочность на сжатие f _см связана с характеристической прочностью на сжатие f _ck следующим образом:

f _см = f _ck + 8 МПа

Изменение средней прочности на сжатие f _см ( t ) со временем t указано в EN1992-1-1 §3.1.2 (6).

Расчетная прочность на сжатие

f _cd

Расчетная прочность на сжатие f _cd определяется в соответствии с EN1992-1-1 §3.1.6 (1) P:

f _cd = α _cc ⋅ f _ck / γ _C

где γ _C — частичный коэффициент безопасности для бетона для исследуемого расчетного состояния, как указано в EN1992-1-1 §2.4.2.4 и Национальное приложение.

Коэффициент α _cc учитывает долгосрочное влияние на прочность на сжатие и неблагоприятные эффекты, возникающие в результате приложения нагрузки. Это указано в EN1992-1-1 §3.1.6 (1) P и в национальном приложении (для мостов см. Также EN1992-2 §3.1.6 (101) P и национальное приложение).

Нормативная прочность на разрыв

Прочность на растяжение при концентрической осевой нагрузке указана в таблице 3 стандарта EN 1992-1-1.1. Вариабельность прочности бетона на растяжение определяется следующими формулами:

Формула средней прочности на разрыв

f _ctm

f _ctm [МПа] = 0,30⋅ f _ck ^2/3 для класса бетона ≤ C50 / 60

f _ctm [МПа] = 2,12⋅ln [1+ ( f _см /10 МПа)] для класса бетона> C50 / 60

Формула для 5% прочности на разрыв

f _{ctk, 0.05}

f _{ctk, 0,05} = 0,7 f _ctm

Формула для 95% прочности на разрыв

f _{ctk, 0,95}

f _{ctk, 0,95} = 1,3 f _ctm

Расчетная прочность на разрыв

f _ctd

Расчетная прочность на разрыв f _ctd определяется в соответствии с EN1992-1-1 §3.1.6 (2) P:

f _ctd = α _ct ⋅ f _{ctk, 0.05} / γ _С

где γ _C — частичный коэффициент безопасности для бетона для исследуемого расчетного состояния, как указано в EN1992-1-1 §2.4.2.4 и Национальном приложении.

Коэффициент α _ct учитывает долгосрочное влияние на предел прочности при растяжении и неблагоприятные эффекты, возникающие в результате приложения нагрузки. Это указано в EN1992-1-1 §3.1.6 (2) P и в Национальном приложении (для мостов см. Также EN1992-2 §3.1.6 (102) P и Национальное приложение).

Модуль упругости

E _см

Упруго-деформационные свойства железобетона зависят от его состава и особенно от заполнителей. Приблизительные значения модуля упругости E _см (значение секущей между σ _c = 0 и 0,4 f _см ) для бетонов с кварцитовыми заполнителями, приведены в EN1992-1-1, таблица 3 .1 по следующей формуле:

E _см [МПа] = 22000 ⋅ ( f _см /10 МПа) ^0,3

Согласно EN1992-1-1 §3.1.3 (2) для известняка и песчаника значение E _см должно быть уменьшено на 10% и 30% соответственно. Для базальтовых заполнителей значение E _см следует увеличить на 20%. Значения E _см , приведенные в EN1992-1-1, следует рассматривать как ориентировочные для общих применений, и их следует специально оценивать, если конструкция может быть чувствительной к отклонениям от этих общих значений.

Изменение модуля упругости E _см ( t ) со временем t указано в EN1992-1-1 §3.1.3 (3).

Коэффициент Пуассона

ν

Согласно EN1992-1-1 §3.1.3 (4) значение коэффициента Пуассона ν можно принять равным ν = 0,2 для бетона без трещин и ν = 0 для бетона с трещинами.

Коэффициент теплового расширения

α

Согласно EN1992-1-1 §3.1.3 (5) значение линейного коэффициента теплового расширения α можно принять равным α = 10⋅10 ^-6 ° K ^-1 , если нет более точной информации.

Минимальная продольная арматура

ρ _мин. для балок и плит

Минимальное продольное растяжение арматуры для балок и основное направление плит указано в EN1992-1-1 §9.2.1.1 (1).

A _{с, мин} = 0.26 ⋅ ( f _ctm / f _yk ) ⋅ b _t ⋅ d

где b _t — средняя ширина зоны растяжения, а d — эффективная глубина поперечного сечения, f _ctm — средняя прочность бетона на растяжение, а f _yk — характерный предел текучести стали.

Минимальное усиление требуется, чтобы избежать хрупкого разрушения.Обычно требуется большее количество минимальной продольной арматуры для контроля трещин в соответствии с EN1992-1-1 §7.3.2. Секции с меньшим армированием следует рассматривать как неармированные.

В соответствии с EN1992-1-1 §9.2.1.1 (1) Примечание 2 для балок, для которых возможен риск хрупкого разрушения, A _{с, мин.} можно принять как 1,2-кратную площадь, требуемую в ULS. проверка.

Арматура минимального сдвига

ρ _{w, min} для балок и плит

Минимальная поперечная арматура для балок и плит указана в EN1992-1-1 §9.2.2 (5).

ρ _{w, min} = 0,08 ⋅ ( f _ck ^0,5 ) / f _yk

где f _ck — характеристическая прочность бетона на сжатие, а f _yk — характеристический предел текучести стали.

Коэффициент усиления сдвига определен в EN1992-1-1 §3.1.3 (5) как:

ρ _w = A _sw / [ s ⋅ b _w ⋅sin ( α )]

где b _w — ширина стенки, а s — расстояние между поперечной арматурой по длине элемента.Угол α соответствует углу между поперечной арматурой и продольной осью. Для типичной поперечной арматуры с перпендикулярными ветвями α = 90 ° и sin ( α ) = 1.

.

Еще один перспективный источник — ветроэнергетика. Для добычи энергии таким способом необходимо установить специальные турбины, которые будет вращать ветер, за счет чего будет вырабатываться электричество. Ветряные турбины легко и дешево обслуживать, они не занимают много места, вращаются на высоте от 100 м, то есть, под ними можно, например, вести сельскохозяйственную деятельность.  

Иногда ветроэлектростанции (ВЭС) строят прямо в море. Такой проект в 2017 году разработали Дания, Нидерланды и Германия. Они собираются к 2050 году соорудить в море остров площадью 6 кв. км и разместить на нем турбины. Планируется, что такая станция сможет вырабатывать до 30 ГВт·ч в год энергии, а в перспективе — до 100 ГВт·ч в год. 

Однако у этого источника дешевой и чистой энергии есть несколько существенных недостатков — нестабильность и зависимость от места размещения. Ветер дует не везде и не всегда. А в местах, где ветер дует часто и с большой силой, как правило, не располагаются населенные пункты. Это повышает расходы на строительство линий электропередач и транспортировку энергии. Поэтому ветроэнергетика хороша именно как дополнительный источник энергии.

Альтернатива ВЭС — солнечные электростанции (СЭС), которые могут работать по нескольким принципам. В одном случае с помощью сфокусированных солнечных лучей нагревают резервуар с водой (температура пара в нем может доходить до 7000С), в другом — используются фотобатареи. Второй тип гораздо проще соорудить, устанавливать фотоэлементы можно практически везде, а стоимость их продолжает снижаться с развитием технологии производства. 

Что такое валютные войны и зачем их ведут

Главными недостатками СЭС является большая зависимость от места расположения, времени суток и сезона. Например, станция не будет вырабатывать энергию ночью, значительно меньше — в зимнее время года. Полностью обеспечить себя электричеством с помощью СЭС могут даже не все африканские страны. Поэтому солнечная энергетика на данном этапе тоже может служить только в качестве вспомогательного источника. 

КАК ИСПОЛЬЗУЮТ ДРУГИЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

В волновой энергетике используются специальные модули, которые качаются на волнах и таким образом приводят в действие специальные поршни. Потенциал этого вида ВИЭ оценивают более чем в 2 ТВт·ч в год. Волновые электростанции защищают берега и набережные от разрушения, уменьшают воздействие на опоры и мосты. При правильной установке они не вредят окружающей среде, к тому же практически незаметны в море.

Среди недостатков — нестабильность (то есть станция вырабатывает меньше энергии во время штиля), шум, незаметность для водного транспорта, из-за чего необходимо дополнительно устанавливать сигнальные элементы. 

В некоторых местах устанавливают геотермальные станции (ГеоТЭС). Общий потенциал геотермальной энергии оценивается в 47 ТВт·ч в год, что соответствует выработке примерно 50 тысяч АЭС, но сейчас технологии позволяют получить доступ только к 2% от него — 840 ГВт·ч в год. Чтобы это сделать, роют две скважины, по одной из них подается вода, которая, нагреваясь от тепла земли, превращается в пар. Затем пар по трубе направляется в турбины. На разных этапах происходит его очистка от примесей. 

Главное преимущество геотермальной энергетики — стабильность, которую не могут обеспечить многие ВИЭ, и компактность, что удобно для районов со сложным рельефом. С другой стороны, вода, которая проходит через скважины, несет большое количество тяжелых металлов и других вредных веществ. При неправильной эксплуатации станции или при возникновении чрезвычайной ситуации, попадание в атмосферу и в почву этих веществ, может привести к экологической катастрофе локального масштаба. 

Кроме того, стоимость энергии ГеоТЭС выше, чем у ВЭС и СЭС, а мощность довольно невысокая.

Основная проблема практически всех перечисленных выше источников заключается в их нестабильности. Современные аккумуляторы не позволяют накапливать такое количество энергии, чтобы без потерь мощности использовать ее в ночное время или во время штиля. Один из вариантов — во время пиковых нагрузок поднимать воду в верхнюю часть водохранилища и потом во время затишья использовать ее для выработки энергии на ГЭС. 

Зарабатываем и делимся: популярно о дивидендах

АЛЬТЕРНАТИВНАЯ ЭНЕРГИЯ В РОССИИ И В МИРЕ

На данный момент использование ВИЭ активно развивается в Европе, где страны вынуждены закупать топливо для работы традиционных электростанций. Но, по мнению некоторых экспертов, в развитии альтернативной энергетики заинтересованы и государства, чья экономика зависит от экспорта нефти и газа. Ведь если в некоторых регионах использовать ВИЭ вместо газа, это топливное сырье можно будет отправить на экспорт. 

Тем не менее, в России этот сектор энергетики развивается очень медленно. По данным аналитической компании Enerdata, в Норвегии около 97% электроэнергии добывается из альтернативных источников с учетом гидроэнергетики, около 80% — в Новой Зеландии и Бразилии. В Европе 30-40% энергии ВИЭ вырабатывается в Германии, Италии, Испании и Великобритании. В России этот показатель составляет всего 17,2%, из них доля СЭС и ВЭС — менее 1%.

какой должна быть завтрашняя российская энергетика :: Мнение :: РБК

Земное тепло

С точки зрения конкуренции с традиционной энергетикой наиболее интересными видами ВИЭ считаются солнечная, ветровая и геотермальная энергия. Однако особенно перспективной можно считать петротермальную энергию, добываемую из тепла сухих пород на глубинах от 3 до 10 км, где температура может достигать 350 градусов. Есть основания считать, что ее достаточно для вечного обеспечения человечества топливом. Метод ее добычи очень прост: бурятся две скважины, по одной подается холодная вода, по другой извлекается горячая или пар; главное, чтобы между скважинами были проницаемые породы. Сегодня в мире существует более 20 опытных установок по добыче петротермальной энергии с глубины 5 км — в США, Австралии, Франции, Великобритании и Японии. В США даже запущена первая коммерческая станция пока совсем небольшой мощностью — 1,7 МВт. По подсчетам MIT, при нынешнем энергопотреблении США хватит доступного петротермального тепла на 50 тыс. лет. В планах Министерства энергетики США к 2050 году вывести установленную мощность станций на петротермальном тепле на 10% от всей установленной мощности. В пересчете на Россию это составило бы порядка 40% от всей получаемой в нашей стране мощности.

Читайте на РБК Pro

В России уже есть все необходимое для запуска первых опытных установок для добычи петротермальной энергии. Что имеется в виду? Во-первых, у нас никак не используются несколько тысяч скважин глубиной до 5 км, где ранее добывали нефть или газ. Для того чтобы запустить их в работу по добыче петротермальной энергии, достаточно провести ряд исследований, в частности выяснить температуры в каждом конкретном месте и проверить проницаемость пород. Не так давно подобное исследование было проведено на Северном Кавказе, в Дагестане. По полученным данным, с имеющихся там скважин можно получать до 300 МВт электрической энергии.

Во-вторых, в России давно разработана геотермическая карта и определены несколько наиболее перспективных регионов для размещения опытных установок — это вся Западная Сибирь, Северный Кавказ, Камчатка и район Байкала: места, где присутствуют тектонические разломы.

Еще один источник, из утилизации которого можно получать возобновляемую энергию, — это сбросное тепло от промышленных предприятий и жилого сектора. Здесь потенциал энергосбережения России огромен, он составляет порядка 40%.

Мусор как ресурс

К ВИЭ относят также и твердые коммунальные отходы (ТКО). Концепция Waste-to-Energy означает извлечение полезной энергии из горючей части мусора. Самый эффективный подход в ее реализации — создание комплексной системы обращения с отходами, которая включает в себя полный цикл: от сокращения отходов на стадии производства и до захоронения обезвреженных остатков. Современные технологии позволяют утилизировать ТКО с получением тепловой и электрической энергии на уровне, который удовлетворяет всем экологическим требованиям.

В России есть программа по переработке мусора. Институт теплофизики РАН в рамках федеральной целевой программы разработал базовый проект термической переработки ТКО: сжигание отходов производится в барабанной вращающейся печи с последующим вихревым дожиганием. Проект называется КРТС — комплексная районная тепловая станция. В год подобная станция может переработать до 40 тыс. т мусора, что равносильно обслуживанию района с населением около 100 тыс. человек. При этом уровень вредных выбросов будет эквивалентен выбросам от двух работающих «КамАЗов»!

Главные проблемы ВИЭ

Разумеется, ВИЭ — это не только плюсы, но и затраты: сегодня возобновляемая энергетика существует в основном благодаря господдержке. Поскольку добываемые потоки энергии довольно малы, им необходимы большие территории для размещения преобразующих устройств, таких как солнечные панели и ветрогенераторы, диаметр лопастей которых достигает 100 м.

Кроме того, одна из ключевых особенностей почти всех возобновляемых источников энергии — периодичность действия. Поскольку солнце не светит ночью и не всегда есть ветер, развитие возобновляемой энергетики немыслимо без создания систем накопителей энергии в самых разных ее видах. Наиболее известные из них: ГАЭС (гидроаккумулирующая электростанция), ТАЭС (твердотельная аккумулирующая станция), электрохимические аккумуляторы, топливные элементы, маховики, суперконденсаторы.

Наиболее перспективными технологиями накопления энергии, которые активно развиваются в мире и в России, являются литий-ионные аккумуляторы и водородные топливные элементы, которые, правда, не очень безопасны и дороги в производстве. Стоит отметить, что в Институте теплофизики разработали альтернативные топливные элементы на совершенно безопасных веществах, таких как боргидриды и алюминий. Не так давно в Ирландии при участии Института теплофизики впервые в мире было запущено серийное производство топливных портативных элементов на основе боргидридов мощностью 1 Вт. Сейчас их месячное производство составляет порядка 1,5 млн штук. Что касается топливного элемента на алюминии, то уже разработаны опытные образцы мощностью до 100 Вт, которые мы надеемся вскоре также увидеть в серийном производстве.

Будущее

В Европе уже существуют довольно амбициозные программы развития возобновляемой энергетики. Так, Германия планирует, что к 2050 году 80% генерации энергии будет осуществляться за счет возобновляемых источников. Более того, поддержка солнечной генерации у немцев привела к тому, что появился даже избыток солнечных панелей, а в отдельные дни доля солнечной энергии в генерации электричества достигала 87%.

В целом вклад ВИЭ в производство электроэнергии в мире вырос от 2% в 2003 году до почти 10% сегодня, то есть в пять раз за 15 лет. Прогноз на 2020 год — 11,2%. Это означает, что во многих странах уже происходит массовый переход на альтернативные источники энергии.

Планируемый в России показатель — 1% к 2020 году — несопоставим со среднемировым. Необходим рост доли ВИЭ до 5% по установленной мощности к 2035 году, иначе мы отстанем от мировых тенденций навсегда, а возобновляемая энергетика не будет существовать как отрасль экономики.

Именно поэтому нашей стране, как никакой другой, требуется разработка мер по стимулированию и государственной поддержке отрасли.

Альтернативные источники энергии

Краснодарский край по своим природно-климатическим характеристикам является одним из самых привлекательных в России для развития генерации на основе использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ)

В Краснодарском крае сложился многолетний опыт практического использования солнечной энергии и геотермального тепла, ветро и гидроэнергии, а также других энергоисточников

В частности, наибольшим потенциалом с точки зрения освоения инвестиций имеют следующие направления.

Во-первых, солнечная электроэнергетика, использование которой имеет большие перспективы развития в регионе, так как Краснодарский край является одним из немногих субъектов Российской Федерации, обладающих значительными ресурсами солнечной энергии. Непосредственно для выработки электроэнергии используются фотоэлектрические преобразователи.

Во-вторых, солнечная теплоэнергетика, которая может использоваться с целью оснащения современными гелиосистемами объектов социального назначения и предприятий санаторно курортного комплекса по всему побережью Черного и Азовского морей, где количество солнечных дней составляет 260-280 суток в году.

Также ключевым направлением, обладающим инвестиционным потенциалом в этой области и позволяющим обеспечить заметный вклад в развитие солнечной теплоэнергетики, является строительная отрасль. Требуется разработка и внедрение систем солнечного теплоснабжения зданий с помощью встроенных в стены солнечных коллекторов с вакуумными стеклопакетами. Облицовка фасадов зданий солнечными коллекторами с вакуумными стеклопакетами в Краснодарском крае позволит круглогодично обеспечить солнечное теплоснабжение зданий.

В-третьих, ветроэнергетика, масштабное развитие которой целесообразно в условиях обширных прибрежных зон Азовского и Черного морей (Приморско-Ахтарский, Калининский, Славянский, Крымский, Темрюкский и Туапсинский районы, города-курорты Сочи, Анапа и Геленджик), а также протяженной области Армавирского ветрового коридора (зона интенсивных постоянных по силе и направлению ветров).

В-четвертых, геотермальная энергетика. Суммарная тепловая мощность эксплуатируемых геотермальных месторождений в Краснодарском крае составляет 238 МВт. Практическое значение имеют месторождения на 60 % территории региона.

В Краснодарском крае используются в системах теплоснабжения лишь 6-7 % потенциала геотермальных месторождений.

Более подробную информацию можно получить, обратившись в министерство топливно-энергетического комплекса и жилищно- коммунального хозяйства Краснодарского края тел: +7 (861) 259-09-31

Альтернативные источники энергии | Новости компании EF-LIGHT

Альтернативные источники энергии – это возобновляемые ресурсы, которые позволяют получать энергию без использования традиционных способов (нефть, газ, уголь). Основная задача альтернативной энергетики – поиск новых источников, которые бы могли обеспечить необходимый объем энергии, не нанося серьезного вреда экологии. Поиск новых ресурсов ведется постоянно, многие «нетрадиционные» методы получения энергии успешно используются в качестве частичной альтернативы традиционным методам. Альтернативная энергетика внедряется во все сферы жизни и на сегодняшний день можно встретить обычные бытовые приборы, работающие на энергии ветра или солнца.

Виды альтернативных источников энергии

Альтернативная энергетика так же, как и традиционная, использует природные ресурсы, однако делает это безопасно для планеты. Основная идея заключается в применении возобновляемых ресурсов, отсюда и название – возобновляемые источники энергии (ВИЭ). Органическое топливо в виде газа и нефти конечно, в то время как энергия ветра или солнца не закончится никогда. Интересно отметить, что возобновляемые источники энергии активно использовались нашими предками еще до того, как в оборот вошло органическое топливо. К сожалению, последнее дает больше энергии при меньших затратах, поэтому сегодня ВИЭ занимают далеко не первое место.

Солнечная энергия. Самый популярный источник альтернативной энергии в мире. Специальные гелиоустановки или солнечные батареи (фотоэлементы) преобразуют солнечную энергию в другие виды энергии. Солнце можно использовать как для теплоснабжения, так и для выработки электроэнергии. Среди преимуществ – возобновляемость ресурса, бесшумность, абсолютная экологичность (при переработке нет вредных выбросов). Главным недостатком является зависимость от суточного и сезонного ритма излучения, а также необходимость использовать большое количество солнечных батарей (большая площадь солнечной фермы) для выработки достаточного количества энергии. На сегодняшний день солнечная энергия активно используется во многих странах; доля энергии, получаемой от солнца, может составлять до 25% от общей суммы всей используемой в стране энергии.

Энергия ветра. Еще один популярный и активно внедряемый ресурс. Специальные ветровые электростанции (современные ветряные мельницы) преобразуют энергию ветра в электричество. Недостатки и преимущества у таких электростанция такие же, как и в случае с энергией солнца. С одной стороны энергия ветра – экологичный и возобновляемый ресурс, с другой – сильная зависимость от природных условий. Еще один недостаток современных ветряных мельниц — высокий уровень шума, это не позволяет устанавливать их вблизи жилых зон. Впрочем, ветроэнергетика на данный момент является самым перспективным направлением альтернативной энергетики

Тепловая энергия земли. Для переработки данного вида энергии используются геотермальные станции, которые преобразуют энергию грунтовых вод, вулканов, термальных источников. Геотермальные станции могут вырабатывать как тепловую энергию, так и электричество для разных нужд. Основное преимущество – возобновляемость и полная независимость от времени суток или времени года (в отличие от энергии солнца и ветра). Основной недостаток – низкая рентабельность и в некоторых случаях невозможность использовать грунтовые воды из-за токсичности.

Энергия приливов и отливов. Данный вид альтернативной энергии начали разрабатывать относительно недавно, он использует энергию приливов и отливов (кинетическую энергию вращения земли) для выработки электроэнергии. Для получения энергии залив или устье реки перекрывают плотиной, в которой установлены гидроагрегаты, работающие в режиме насоса или генератора. К сожалению, в отличие от классической гидроэлектростанции, подобные установки не пользуются большим спросом так как показывают низкую рентабельность. На данный момент специальные насосы чаще всего устанавливают не отдельно, а лишь в качестве одного из элементов классической гидроэлектростанции.

Биотопливо. Биотопливо – это топливо из растительного или животного сырья. Чаще всего под биотопливом нового поколения понимают твердое (торф, отходы деревообработки и сельского хозяйства), жидкое (биодизель и биомазут, а также метанол, этанол, бутанол) и газообразное (водород, метан, биогаз).

Перечисленные виды альтернативного топлива не единственные. Ученые постоянно ведут поиск новых источников энергии; используются грозовая энергия (атмосферное электричество) и даже энергия вирусов. К сожалению, все новые разработки пока не показывают высокой эффективности и не могут стать полноценной заменой традиционной энергетике.

Альтернативная энергетика — спасение для человечества

По мнению многих ученых, в данный момент человечество находится на грани гибели из-за множества экологических проблем, вызванных действиями людей. Главная опасность заключается в постоянной «откачке» ресурсов по всей планете, которые рано или поздно закончатся. Также экологи постоянно обращают внимание на проблему изменения климата, которую провоцируют новые технологии и общество потребления. Для защиты природы, человечества и всей планеты светлые умы обратились к альтернативной энергетике. «Телеграф» выяснил, какие существуют виды альтернативной энергетики и какие из них являются наиболее дешевыми, эффективными и реализуемыми.

Что такое альтернативная энергетика

Альтернативная энергетика — способы получения, передачи и использования энергии, которые представляют интерес из-за выгодности их использования при низком риске причинения вреда окружающей среде. Альтернативная энергетика способна заменить традиционные источники энергии, функционирующие на нефти, добываемом природном газе и угле, которые при сгорании выделяют в атмосферу углекислый газ, способствующий росту парникового эффекта и глобальному потеплению.

Перспективы использования возобновляемых источников энергии связаны с их экологической чистотой, низкой стоимостью эксплуатации и ожидаемым топливным дефицитом в традиционной энергетике. По оценкам Европейской комиссии, в 2020 году в странах Евросоюза в индустрии возобновляемой энергетики будет создано 2,8 млн рабочих мест. Индустрия возобновляемой энергетики будет создавать 1,1% ВВП.

Существуют самые разные виды альтернативной энергетики, которые используют различные процессы для получения энергии.

Википедия

Солнечная энергетика

Солнечная энергетика — перспективное направление в изучении особенностей Солнца и способов использования его активности в различных сферах деятельности. Как источник энергии, Солнце неисчерпаемо. Посылаемые им на Землю мощности позволяют удовлетворить энергетические запросы человечества. При этом такой ресурс является наиболее безопасным, не оказывающим на экологию планеты негативного влияния.

energyboom

Ежегодно применение данного вида энергообеспечения становится все более популярным. Несколько лет назад оно использовалось для обогрева домов. В данный момент появление новых разработок позволяет применять солнечную энергию в самых разных целях.

1. В сельском хозяйстве — для обеспечения светом и теплом животноводческих ферм, парников.

2. Для снабжения электричеством структур медицинского, общеобразовательного, спортивного назначения.

3. В космонавтике и авиастроении.

4. Для обеспечения электричеством, теплом городов и населенных пунктов.

В мире наблюдается рост популярности такого источника. Только в Германии уже сегодня 47% жилых домов обустроено солнечными батареями. Китай занимает лидирующие позиции в Азии. Здесь новейшие разработки широко применяются не только при жилищном строительстве, но и промышленными гигантами.

У солнечной энергетики есть ряд значимых плюсов, за счет которых она является наиболее перспективной из всех видов альтернативной энергетики.

1. Экономичность и высокий показатель рентабельности.

2. Экологичность. Задействованные в панелях элементы не содержат вредных веществ, не являются источником загрязнений.

3. Универсальность. Этот показатель является главным преимуществом данного вида энергетики. Системы генерации удобны в применении и используются там, где использование традиционных источников нерационально или невозможно.

Солнечная энергия имеет и ряд недостатков. Прежде всего, к ним относится высокая стоимость. Приобретение альтернативной электростанции станет затратным мероприятием, которое окупится только в долгосрочной перспективе. При этом количество полученного ресурса зависит от интенсивности излучения. То есть ночью или днем при облачном небе энергия не будет вырабатываться.

Ветроэнергетика

Учитывая современные тенденции, которые говорят о сохранении природы и улучшении экологии, то плюс энергии ветра — это экологичность. Нет выбросов при производстве электроэнергии, а сам источник является возобновляемым. Абсолютная безопасность для экологии и человека. К плюсам ветроэнергетики также следует отнести независимость от ископаемых и их цен, так как обычные источники энергии стоят дороже.

energyboom

К минусам ветроэнергетики можно отнести зависимость выработки от природных условий. Контролировать постоянную силу ветра невозможно, а это сказывается на продуктивности любого ветряка. Еще одним недостатком является шум при работе.

Согласно Ассоциации ветроэнергетики Европы (WindEurope), по результатам 2019 года, в Европе лидерами в ветроэнергетике являются Дания (48%), Ирландия (33%), Португалия (27%), Германия (26%) и Великобритания (22%).

Биотопливо

Биотопливо — топливо из растительного или животного сырья, из продуктов жизнедеятельности организмов или органических промышленных отходов. Различается три вида биотоплива.

1. Жидкое биотопливо — для двигателей внутреннего сгорания, например, этанол, метанол, биодизель.

2. Твердое биотопливо — дрова, брикеты, топливные гранулы, щепа, солома, лузга.

3. Газообразное биотопливо — синтез-газ, биогаз, водород.

Две трети рынка «зеленой» энергетики занимает биоэнергетика. На нее в 2017 году пришлось 12,4% всей потребленной в мире энергии.

Использование биомассы для получения тепла и энергии можно разделить на два способа.

1. Традиционный: сжигание древесины, древесного угля, навоза и прочих остатков сельскохозяйственной деятельности (на это приходится 7,4% потребляемой в мире энергии). Сжигание древесины приводит к выбросам углекислоты, но энергетики отмечают, что высаженные специально для этого деревья впоследствии поглощают вредные газы. Поэтому, несмотря на недовольство некоторых экологов, власти Евросоюза официально приравняли биомассу к возобновляемым источникам энергии.

2. Современный: использование специально подготовленной биомассы в твердом, жидком и газообразном виде (5% мирового потребления энергии). Источниками сырья для биотоплива второго поколения являются лигно-целлюлозные соединения, остающиеся после того, как пригодные для использования в пищевой промышленности части биологического сырья удаляются. Использование биомассы для производства биотоплива второго поколения направлено на сокращение количества использованной земли, пригодной для ведения сельского хозяйства.

В отличие от тех же солнечных батарей, биоэнергетика подразумевает более сложную производственную цепочку. В современной энергетике биомассу не просто собирают и сжигают, нужно придумать эффективный способ ее переработать и превратить в биотопливо с помощью химической промышленности.

energyboom

Сейчас основным способом использования биомассы в энергетике является отопление. Четверть тепловой энергии жилые и коммерческие здания во всем мире получают от биотоплива.

В меньшей степени биотопливо применяется на транспорте (3% потребляемой энергии) и для выработки электричества (2,1%). Основной объем энергии из биологических источников на транспорте получают автомобили, хотя замещение биотопливом керосина для самолетов входит в планы многих авиакомпаний.

Ранее «Телеграф» рассказывал о проблеме изменения климата и о том, как этот катаклизм грозит всему населению Земли.

Как возобновляемые источники энергии могут стать конкурентоспособными по цене и стоимости вырабатываемой энергии

Будучи генеральным директором Международного агентства по возобновляемым источникам энергии (МАВИЭ), я с удовольствием согласился написать об удивительном преображении сектора энергетики, которое стало возможно благодаря внедрению технологий, основанных на использовании возобновляемых источников энергии. Эта тема была предложена в любезном приглашении издания «Хроники ООН», и мы еще вернемся к этому факту, поскольку он многое говорит о том, какое место сейчас занимает использование возобновляемых источников энергии и как их воспринимают.

Но сначала необходимо поговорить о том, почему это направление энергетики имеет такое значение. Мир стоит на пороге беспрецедентного поворотного момента. Изменение климата — это реальная и неизбежная угроза благополучию, которого сегодня уже достигли многие и к которому стремятся и ради которого трудятся миллионы людей. Но, разумеется, дело не только в этом. Дело в том, что мы должны обеспечить выживание наиболее уязвимых жителей планеты и защиту экосистем и биологического разнообразия. Климат меняется во многом вследствие выбросов в атмосферу продуктов сгорания ископаемых видов топлива, хотя есть и другие важные причины. Чтобы остановить изменение климата, мы должны сократить потребление этих видов топлива, насыщенных углеродом. Возобновляемые источники энергии могут и должны стать центральным элементом этого плана.

Увеличение объемов использования энергии из возобновляемых источников даст и другие положительные результаты. Применение подобных технологий позволяет создать рабочие места, уменьшить загрязнение атмосферы на местном уровне и сократить потребление воды. Технологии производства энергии из возобновляемых источников почти исключительно основаны на использовании местных ресурсов и, следовательно, помогают оградить экономику наших стран от внешних потрясений, связанных с энергетической безопасностью. Важно отметить, что для многих из 173 государств, которые являются членами и подписантами нашей организации, использование возобновляемых источников — это также один из наиболее быстрых способов расширить доступ к электроэнергии. Ярко выраженный модульный характер многих из этих технологий, особенно фотовольтаики, которая основана на использовании энергии солнца, и наземной ветроэнергетики, также означает, что впервые за всю историю электроэнергетики отдельные лица и сообщества играют активную роль в собственном электроснабжении. В этом качестве технологии производства энергии из возобновляемых источников знаменуют собой переход к более демократичной и равномерной энергосистеме.

Преимущества возобновляемых источников энергии многочисленны и очевидны, однако столь же многочисленны и очевидны препятствия к их внедрению. Сложившиеся рыночные структуры, непонимание принципов действия новых технологий, основанных на возобновляемых источниках энергии, затрудненный доступ к финансированию и его высокая стоимость, неадекватные механизмы регулирования, отсутствие системы вознаграждений за компенсацию загрязнения ископаемыми видами топлива (например, выбросов в атмосферу углерода и местных загрязняющих вещества), небольшая емкость рынков и политическая неопределенность — все эти факторы сыграли свою роль в сдерживании использования возобновляемых источников энергии. К счастью, благодаря усердной работе предприятий данной отрасли, правительств, финансовых учреждений и регулирующих органов многие из этих препятствий преодолеваются.

Каждый год, начиная с 2011 года, более половины всех новых вводимых в эксплуатацию генерирующих мощностей составляли генераторы, основанные на технологиях производства энергии из возобновляемых источников. Сегодня задачи, связанные с использованием возобновляемых источников энергии, ставят перед собой 164 страны, тогда как в 2005 году таких стран было всего 43. В 2014 году мировой энергетический баланс пополнился рекордным количеством энергии из возобновляемых источников — 130 ГВт (гигаватт), а объем инвестиций в этот сектор вырос с 55 миллиардов долларов США в 2004 году более чем до 260 миллиардов долларов США в 2014 году. 2014 год также стал рекордным с точки зрения объема введенных в эксплуатацию генерирующих мощностей, основанных на технологиях фотовольтаики (40 ГВт) и ветроэнергетики (52 ГВт).

Путь к конкурентоспособности

Экономическая составляющая использования возобновляемых источников энергии имеет ключевое значение для понимания их потенциальной роли в энергетике, а также темпов и стоимости перевода энергетики на действительно устойчивые рельсы. К сожалению, большинство правительств не проводили систематического сбора данных, необходимого для отслеживания тенденций в области эволюции — или, как многие справедливо ее называют, революции — затрат на внедрение технологий, основанных на использовании возобновляемых источников энергии. В результате эффективность политики слишком часто снижалась вследствие неправильного понимания структуры расходов или по причине использования устаревших данных.

Для восполнения этого пробела и обеспечения проведения здравой политики на основе точных и своевременных данных из надежного источника МАВИЭ разработало базу данных мирового уровня, в которую включено около 15 тыс. проектов по производству энергии из возобновляемых источников для коммунального энергоснабжения и почти три четверти миллиона малых систем, основанных на принципах фотовольтаики.

Тенденции, выявленные на основе этой базы данных, показывают не только успех политики, направленной на снижение расходов, но и основу для трансформации энергетического сектора в будущем.

Ценовая конкурентоспособность возобновляемых источников энергии достигла исторического максимума. При наличии хорошей ресурсной базы и структуры затрат энергия биомассы, воды, геотермальных источников и ветра теперь может быть преобразована в электроэнергию на конкурентоспособных условиях по сравнению использованием ископаемых видов топлива.

В 2015 году цены на солнечные батареи снизились на 75—80 процентов по сравнению с ценами, действовавшими в конце 2009 года. За период с 2010 года по 2014 год ранжированные по уровням затраты на производство электроэнергии для коммунального снабжения на основе технологии фотовольтаики сократились наполовину. Наиболее конкурентоспособные проекты коммунального энергоснабжения с использованием энергии солнца обеспечивают регулярные поставки электроэнергии по цене всего 0,08 доллара США за кВт∙ч (киловатт-час) без финансовой поддержки по сравнению с 0,045—0,14 доллара США за кВт∙ч при использовании ископаемых видов топлива. При этом на 2017 год и далее заложена еще более низкая стоимость. Хорошей иллюстрацией этого сдвига служит проведенный недавно в Дубае тендер на поставку электроэнергии по цене 0,06 доллара США за кВт∙ч, притом что данный регион изобилует ископаемыми видами топлива.

Одним из наиболее конкурентоспособных источников энергии на сегодняшний день является ветроэнергетика. Совершенствование технологии, сопровождающееся дальнейшим сокращением затрат на установку оборудования, позволяет снизить стоимость производства на основе энергии ветра до уровня производства на основе ископаемых видов топлива или даже ниже. Проекты по использованию энергии ветра во всем мире стабильно обеспечивают выработку электричества по цене 0,05—0,09 доллара США за кВт∙ч без финансовой поддержки, тогда как в рамках наиболее эффективных проектов стоимость производства оказывается еще ниже.

Выработка электричества на основе концентрированной энергии солнца и наземной ветроэнергетики на данный момент все еще, как правило, оказывается дороже, чем при использовании ископаемых видов топлива, за исключением наземной ветроэнергетики в приливно-отливных зонах. Однако эти технологии пока находятся на этапе зарождения с точки зрения их применения. Обе они основаны на важных возобновляемых источниках энергии, которые будут играть все более значимую роль в энергетическом балансе будущего, поскольку стоимость их использования продолжит снижаться.

Затраты на производство энергии на основе более зрелых технологий, предполагающих использование возобновляемых источников — энергии биомассы, геотермальных источников и воды, — с 2010 года остаются, в основном, стабильными. Однако при наличии незадействованных экономических ресурсов эти зрелые технологии могут обеспечить наиболее дешевую электроэнергию из любого источника.

С учетом затрат на установку оборудования и эффективности современных технологий, основанных на использовании возобновляемых источников энергии, а также стоимости применения традиционных технологий можно говорить о том, что производство энергии из возобновляемых источников все чаще без какой-либо финансовой поддержки может конкурировать на равных с ископаемыми видами топлива.

Использование различных возобновляемых источников энергии имеет экономический смысл

Для формирования по-настоящему устойчивой энергетики роль фотовольтаики и ветроэнергетики в электроснабжении должна стремительно расти. Следовательно, основной задачей остается внедрение этих технологий таким образом, чтобы минимизировать любые дополнительные расходы на их интеграцию. Рано или поздно потребуется изменить политику и перейти от изолированного подхода, направленного на поддержку отдельных технологий, к установлению долгосрочных целей для минимизации общесистемных расходов.

Технические препятствия к расширению интеграции в энергосистему различных возобновляемых источников энергии, таких как энергия солнца и ветра, отсутствуют. При низком уровне распространенности стоимость подключения к сетям будет отрицательной или скромной, однако по мере распространения этих технологий она может увеличиться. Но и при этом с учетом экологических последствий использования ископаемых видов топлива на местном и мировом уровне стоимость подключения к сетям представляется значительно меньшим злом, даже если на различные возобновляемые источники будет приходиться 40 процентов общего объема энергоснабжения. Иными словами, при прочих равных и с учетом всех внешних факторов возобновляемые источники энергии остаются принципиально конкурентоспособными.

Каждый вид возобновляемых источников энергии имеет свои нюансы при подключении к системе электроснабжения, однако принцип во всех случаях один и тот же: для удовлетворения ежедневно меняющегося спроса потребуется набор различных технологий производства в различных местах. Энергия воды, биомассы, геотермальных источников и концентрированная солнечная энергия в аккумуляторах тепловой энергии являются базовыми, или контролируемыми, технологиями и не представляют никаких особых проблем для функционирования сетей.

Дополнительные общесистемные расходы, которые могут рассматриваться помимо и сверх расходов на производство энергии из различных возобновляемых источников, относительно невелики. Увеличение расходов в системах передачи и распределения энергии обычно минимально. В то же время общесистемные расходы могут вырасти за счет необходимости дополнительного резерва под перепады напряжения и с учетом циклических изменений погодных условий, чтобы не прекращать энергоснабжение в периоды слабого ветра или снижения интенсивности солнечного излучения.

Однако необходимо также учесть экологические и медицинские последствия использования ископаемых видов топлива в качестве источника энергии. В отсутствие подобного анализа возобновляемые источники энергии не могут конкурировать на равных с традиционными. Если учесть вред, наносимый человеческому здоровью при сжигании ископаемого топлива для производства энергии, в экономическом выражении, а также внешние факторы, связанные с выбросами CO₂ (исходя из значений в диапазоне 20—80 долларов США в расчете на тонну CO₂), стоимость производства энергии за счет ископаемого топлива вырастет на 0,01—0,13 доллара США за кВт∙ч (в зависимости от страны и применяемой технологии), что приведет к повышению стоимости электроэнергии на основе ископаемых видов топлива до 0,07—0,19 доллара США за кВт∙ч

Перспективы дальнейшего снижения расходов на выработку энергии из возобновляемых источников

Вернемся к заголовку данной статьи. «Как возобновляемые источники энергии могут стать конкурентоспособными с точки зрения цены» — не совсем правильное название, потому что технологии производства энергии из возобновляемых источников уже конкурентоспособны. Вопрос должен состоять в том, как еще больше уменьшить затраты и какие проблемы возникают при стремлении к этой цели.

Это ключевой вопрос, с которым мы сталкиваемся сегодня. Итоги анализа, проведенного МАВИЭ, показывают, что конкурентоспособность возобновляемых источников энергии имеет свои нюансы. Стоимость установки оборудования существенно варьируется не только между странами, но и внутри отдельных государств. Некоторые из этих различий связаны со структурными или относящимися к конкретному проекту проблемами, однако во многих случаях этот вопрос можно решить за счет проведения более совершенной политики.

В то же время остаются еще неиспользованные возможности сокращения расходов на оборудование и реализацию проектов. Однако в эпоху низких цен на оборудование дальнейшее сокращение расходов возможно в первую очередь за счет уменьшения сальдо от реализации проекта, а также снижения затрат на осуществление деятельности, техническое обслуживание и финансирование.

Реализация такого потенциала сокращения расходов и уменьшение различий в уровне затрат между рынками имеет определяющее значение для достижения мировых экономических, экологических и социальных целей. Следующим этапом стремительного развития возобновляемых источников энергии станет повышение их конкурентоспособности. Такие страны, как Индия, Иордания, Объединенные Арабские Эмираты и Чили постепенно осознают, что использование возобновляемых источников энергии часто оказывается наиболее экономичным способом удовлетворения спроса на электроэнергию. Однако темпы таких перемен будут слишком низкими для нашей планеты, даже несмотря на рост конкурентоспособности возобновляемых источников энергии.

Настало время воспользоваться открывающейся возможностью и ускорить распространение возобновляемых источников энергии для достижения наших общих целей, предполагающих наличие безопасной, надежной, недорогой и экологически устойчивой энергии. Сейчас это можно сделать дешевле, чем когда-либо, и этот вариант все чаще будет оказываться наиболее экономичным для потребителей сегодня и в долгосрочной перспективе. 

Семь неудобных фактов о «зелёной» энергетике, о которых молчат СМИ

Идея использования возобновляемых источников энергии, безусловно, звучит привлекательно, но само название обманчиво. Большинство возобновляемых источников энергии, за исключением древесины и навоза, на самом деле сильно зависят от ископаемого топлива.

54 466 просмотров

Прежде чем познакомить вас со статьёй Гейл Тверберг, затрагивающей глубокие проблемы альтернативной энергетики, прошу вас обратить внимание на слова Билла Гейтса относительно перспектив «зелёной» энергии, которые, на мой взгляд, довольно точно иллюстрируют положение дел в сфере экологии:

Интервьюер: «Итак, многие люди настроены очень оптимистично, поскольку вы знаете, что затраты на ветровые и солнечные возобновляемые источники энергии снижаются, стоимость батарей снижается. Вы думаете, этого достаточно или нет?».

Билл Гейтс: «Это так разочаровывает, я имею ввиду — это на самом деле разочаровывает. Вацлав вчера сказал, что в Токио живёт 27 млн человек, три дня в году приходятся на циклон.

Знаете, за три дня это 23 гигаватта электроэнергии. Скажите мне, какая батарея, установленная там, сможет обеспечить эту мощность?

Я имею в виду, давайте не будем валять дурака. Вы знаете, что 100 долларов за киловатт-час — это ничто, это не решает проблему надёжности. И помните, что электричество составляет 25% выбросов парниковых газов.

Всякий раз, когда мы произносим термин «чистая энергия», я думаю это запутывает людей, потому что они не знают, что это, они не понимают.

Я был на конференции в Нью-Йорке, не буду её называть, и собравшиеся говорили обо всём этом. Ребята-финансисты вышли на сцену и сказали, что они будут оценивать компании с точки зрения того, сколько эти компании выделяют CO2. И они собираются говорить, что вот эта вот компания выделяет много СО2, и думают, что финансовые рынки, как по волшебству, помогут сократить выбросы CO2 до нуля.

И я подумал, финансисты с Уолл-стрит, как вы сделаете сталь? У вас есть что-то в ваших столах, что поможет отлить сталь?

А что с удобрениями, цементом, пластиком? Откуда это всё возьмётся, вы знаете? Разве самолёт летит по небу из-за каких-то финансовых расчётов, которые вы рассчитали в Excel-таблице?

И они… это сумасшествие, называют это финансовым решением… я этого не понимаю, я просто этого не понимаю.

Нет ничего, что может заменить то, как работает сегодняшняя индустриальная экономика».

1. Затраты на передачу энергии намного выше, чем у других видов электроэнергии

В большинстве исследований не учитывается тот факт, что они никак не компенсируются.

Исследование, проведённое Международным энергетическим агентством в 2014 году, показывает, что затраты на передачу для ветра примерно в три раза превышают затраты на передачу электроэнергии от угля или ядерной энергии.

Количество избыточных затрат имеет тенденцию к увеличению, так как неустойчивые возобновляемые источники энергии получают всё большую долю в общем объёме.

Вот некоторые из причин более высоких затрат на передачу для ветра и солнца:

• Необходимо построить непропорционально больше линий для ветровой и солнечной энергии, поскольку линии электропередач необходимо масштабировать до максимальной, а не средней мощности. Выработка энергии от ветра обычно доступна от 25% до 35% времени; солнце — от 10% до 25% времени.
• Как правило, между тем, где происходит использование возобновляемой энергии, и тем, где она потребляется, расстояние может быть гораздо больше, по сравнению с традиционным производством.
  
• Возобновляемая электроэнергия и установленное вспомогательное оборудование не обладают таким же уровнем контроля над аспектами энергосети (мощность тока, амплитуда и так далее), в отличии от электростанции, работающей на ископаемом топливе. Поэтому в систему передачи должны быть внесены исправления, которые потребуют дополнительной инфраструктуры, а соответственно, и новых затрат.
  

2. При передаче электроэнергии на большие расстояния возрастают расходы на обслуживание линий электропередач

Если не будет должного обслуживания, возможны пожары, особенно в сухих, ветреных районах.

Последние данные свидетельствуют о том, что ненадлежащее обслуживание линий электропередач (ЛЭП) увеличивает вероятность пожаров.

В Калифорнии халатное техническое обслуживание привело к банкротству энергосистемы Северной Калифорнии PG & E. В последние недели PG & E инициировала два профилактических отключения питания, одно из которых затронуло до двух миллионов человек.

Техасский проект по смягчению последствий лесных пожаров сообщает: «ЛЭП вызвали более 4000 пожаров в Техасе за последние три с половиной года».

Венесуэла обладает ЛЭП большой протяжённостью: от своей главной гидроэлектростанции до Каракаса. Похоже, что одно из отключений в этой стране было связано с пожарами вблизи ЛЭП.

Есть решения, чтобы предотвратить пожары, например, зарыть линии под землю. Или использовать изолированный провод вместо обычного провода. Но любое решение имеет свою стоимость. Эти затраты необходимо учитывать при моделировании косвенных затрат в том случае, если мы предполагаем использовать дополнительно большого количества новых возобновляемых источников энергии.

3. Потребуются огромные инвестиции в зарядные станции

Чтобы кто-либо кроме представителей самых обеспеченных слоёв населения смог пользоваться электромобилями.

Понятно, что люди с высоким доходом могут позволить себе электромобили. У них обычно есть гаражи с доступом к электричеству. И они могут легко заряжать автомобиль, когда им удобно.

Загвоздка в том, что основная масса зачастую не имеет аналогичных возможностей для зарядки электромобилей. Она также не может позволить себе тратить часы в ожидании зарядки своих автомобилей.

Понадобятся недорогие станции быстрой зарядки, расположенные повсеместно, если электромобили станут основным выбором. В стоимость быстрой зарядки, вероятно, потребуется включить плату за содержание дороги, поскольку это одна из тех затрат, которые сегодня включены в цены на топливо.

4. Прерывистость способствует росту затрат

Распространено мнение, что с перебоями можно справиться путём небольших изменений, такими как ценообразование по времени, «умные» энергосистемы и отключение электроэнергии для некоторых заранее выбранных промышленных потребителей, если для всех не хватает электроэнергии.

Такой подход теоретически может иметь место, если система основана на энергетике из ископаемого топлива и энергии атома, к которым присоединяют небольшой процент возобновляемых источников энергии. Ситуация меняется по мере добавления в сеть возобновляемых источников энергии.

После того как в электрическую сеть добавляется даже небольшой процент солнечной энергетики, необходимы батареи, чтобы сгладить быстрый переход, который происходит в конце дня, когда работники возвращаются домой, чтобы поужинать, когда солнце уже село. Также нужно иметь в виду перебои с электричеством из-за остановки ветровых турбин во время штормов.

Есть и другие проблемы. Сильные штормы могут нарушить электроснабжение на несколько дней в любое время года. По этой причине, если система будет работать только на возобновляемых источниках энергии, необходимо иметь резервный аккумулятор, который бы имел запас как минимум на три дня.

В коротком видео ниже Билл Гейтс выражает беспокойство по поводу идеи использования трёхдневной резервной батареи на примере города Токио.

Сейчас количество батарей ничтожно для того, чтобы обеспечить трёхдневное резервное питание для электроснабжения всего мира. Если мировая экономика будет работать на возобновляемых источниках энергии, потребление электроэнергии должно вырасти по сравнению с сегодняшним уровнем, что ещё больше усложнит хранение трёхдневного запаса электроэнергии.

Гораздо более сложной проблемой, чем трёхдневное хранение электроэнергии, является необходимость сезонного хранения, если возобновляемые источники энергии будут использоваться более-менее широко. На рисунке 1 показана сезонная структура потребления энергии в Соединённых Штатах.

Рисунок 1. Потребление энергии в США по месяцам года на основе данных Управления энергетической информации США. «Всё остальное» («All other») — это общая энергия, за вычетом электроэнергии и энергии на транспортировку. Включает природный газ, используемый для отопления домов. Сюда также входят нефтепродукты, используемые в сельском хозяйстве, а также ископаемое топливо всех видов, используемых в промышленных целях.

В отличие от модели, представленной в графике, производство солнечной энергии имеет наибольшую выработку в июне и падает до низких значений в декабре-феврале. Гидроэлектростанция имеет наибольшую выработку весной, но количество часто варьируется от года к году. Энергия ветра довольно переменна, как из года в год, так и из месяца в месяц.

Наша экономика не может справиться с многократными пусками и остановками электроснабжения. Например, температура должна оставаться постоянно высокой для плавления металлов. Лифты не должны останавливаться между этажами, когда отключается электричество. Охлаждение должно продолжаться, чтобы продукты оставались свежими в холодильнике.

Есть два подхода, которые можно использовать для решения сезонных проблем:

1. Значительно перестроить энергетическую систему на основе возобновляемых источников энергии, чтобы обеспечить достаточное количество электроэнергии, особенно в периоды большой востребованности энергии, например, зимой.
2. Построить большое количество дополнительных хранилищ, таких как аккумуляторы, для хранения электроэнергии в течение нескольких месяцев или даже лет, чтобы уменьшить прерывистость.
   

Любой из этих подходов чрезвычайно дорог. Такие затраты подобны добавлению ещё одного желудка в человеческий организм. И, насколько я знаю, они не были включены ни в одну модель на сегодня. Стоимость одного из этих подходов должна быть включена в любую модель, анализирующую затраты и выгоды от возобновляемых источников энергии, если есть намерение использовать возобновляемые источники энергии шире, чем незначительная доля от общего потребления энергии.

Рисунок 2 иллюстрирует высокую стоимость энергии, которая может возникнуть при добавлении значительного количества резервных батарей в энергосистему. В этом примере «чистая энергия», которую обеспечивает система, по существу почти полностью нивелируется резервными батареями.

В анализе «Возврат энергии при инвестировании в энергетику» (EROEI) сравнивается выход энергии с потреблением энергии. Это один из многих показателей, используемых для оценки того, обеспечивает ли устройство адекватную выходную мощность, чтобы оправдать затраты энергии.

Рисунок 2. Диаграмма динамической энергии Грэма Палмера с учётом батарей. Из «Энергия в Австралии»

Пример на рисунке 2 основан на схеме использования электроэнергии в Мельбурне, Австралия, где климат относительно мягкий. В примере используется комбинация солнечных панелей, батарей и дизельного резервного копирования.

Солнечные батареи и резервные батареи обеспечивают электроэнергию для 95% годового потребления электроэнергии, которое легче всего покрыть этими устройствами; дизельная генерация используется на оставшиеся 5%.

Пример на рисунке 2 можно перенастроить так, чтобы он был «только возобновляемым», добавив значительно больше батарей, множество солнечных батарей или их комбинацию. Эти дополнительные батареи и солнечные панели будут использоваться незначительно, в результате чего EROEI-системы снизится до ещё более низкого уровня.

Основная причина того, что электроэнергетическая система смогла избежать издержек, связанных с чрезмерной перестройкой или добавлением множества резервных аккумуляторов, — их малая доля в производстве электроэнергии. В 2018 году ветер составлял 5% мировой электроэнергии; солнечная составляла 2%. В процентах от мирового энергопотребления они составили 2% и 1% соответственно.

Вторая причина, по которой система электроснабжения смогла избежать проблем перебоев, заключается в том, что резервные поставщики электроэнергии (уголь, природный газ и атомная энергия) были вынуждены предоставлять резервные услуги без адекватной компенсации их стоимости.

Ветровой и солнечной энергии дают так называемые субсидии «идущим первыми». Такая практика создаёт проблему, поскольку поставщики резервного копирования несут существенные постоянные затраты и часто не получают адекватной компенсации.

Если будет какой-либо план прекратить использование ископаемого топлива, все эти резервные поставщики электроэнергии, в том числе ядерные, исчезнут. (Поставщики ядерной электроэнергии также зависят от ископаемого топлива.) Возобновляемые источники энергии должны будут существовать самостоятельно.

И вот тогда проблема прерывистости станет непреодолимой. Ископаемое топливо может храниться относительно недорого; затраты на хранение электроэнергии огромны. Они включают в себя как стоимость системы хранения, так и потерю энергии в хранилищах.

Фактически проблема недостаточного финансирования исходит от возобновляемых источников энергии и их права «идти первыми» — и становится непреодолимой в некоторых регионах. Огайо недавно решил предоставить субсидии поставщикам угля и атомной энергии в качестве способа решения этой проблемы. Огайо также сокращает финансирование возобновляемых источников энергии.

5. Стоимость утилизации ветряных турбин, солнечных батарей и накопителей должна быть отражена в смете расходов

Похоже, в энергетическом анализе распространено предположение, что каким-то образом в конце срока службы ветряные турбины, солнечные батареи и накопители для хранения энергии исчезнут без каких-либо затрат. Если они будут переработаны, стоимость переработки должна быть меньше, чем стоимость полученных материалов.

Но мы понимаем, что переработка не является бесплатной. Очень часто затраты энергии на переработку материалов выше, чем энергия, используемая при их добыче в первоначальном виде. Эту проблему необходимо учитывать при анализе реальной стоимости возобновляемых источников энергии.

6. Возобновляемые источники не могут напрямую заменить многие устройства и процессы, которыми мы располагаем сегодня

Это может привести к значительному снижению экономической эффективности и более продолжительному переходу на возобновляемые источники.

Существует длинный список вещей, которые не могут быть заменены возобновляемыми источниками энергии. Сегодня мы не можем производить ветряные турбины, солнечные батареи или строить гидроэлектростанции без ископаемого топлива. Это само по себе даёт понять, что систему ископаемого топлива необходимо будет поддерживать в течение по крайней мере следующих двадцати лет.

Есть много других вещей, которые мы не можем сделать с помощью одной только возобновляемой энергии. Сталь, удобрения, цемент и пластик — вот только некоторые примеры, которые Билл Гейтс упоминает в своём видео выше.

Таким образом, невозможно изготовить асфальт. Мы не можем проложить дороги (кроме каменных) или построить многие современные здания с использованием одних только возобновляемых источников энергии.

7. Вероятно, что переход на возобновляемые источники энергии займёт 50 или более лет

В течение этого времени ветер и солнечная энергия будут действовать как дополнения к системе ископаемого топлива, а не заменять её. Это также увеличит расходы.

Чтобы отрасли на базе ископаемого топлива продолжали работать, большую часть затрат на них придётся сохранить. Люди, работающие в сфере ископаемого топлива, должны получать оплату за труд круглый год, а не только тогда, когда электроэнергетика нуждается в резервной электроэнергии.

Ископаемому топливу требуются трубопроводы, нефтеперерабатывающие заводы и квалифицированный персонал. Компании, использующие ископаемое топливо, должны будут оплачивать свои долги, связанные с существующими объектами.

Если природный газ используется в качестве резервного для возобновляемых источников энергии, понадобятся резервуары для хранения его запасов на зиму, помимо трубопроводов. Даже если использование природного газа уменьшится, скажем, на 90%, затраты на него, вероятно, сократятся на гораздо меньший процент, поскольку большая доля затрат — фиксированная.

Одна из причин, по которой переход будет очень долгим, заключается в том, что во многих случаях даже нет понимания пути к переходу от ископаемого топлива.

Если необходимо внести изменения, то для облегчения этих изменений:

• Необходимы предварительные условия и договорённости.
• Затем эти решения необходимо проверить в реальных условиях.
  
• Далее необходимы новые заводы, чтобы выпускать новые устройства.
  
• Вполне вероятно, что потребуется какой-то способ заплатить существующим владельцам за потерю стоимости их существующих устройств, работающих на ископаемом топливе; в противном случае возникнут огромные долговые обязательства.
  

Только после того как все эти шаги будут осуществлены, переход действительно может произойти.

Косвенные затраты вызывают огромный вопрос о том, имеет ли смысл поощрять широкое использование ветра и солнца. Возобновляемые источники энергии могут сократить выбросы CO2, если они действительно заменяют ископаемое топливо при производстве электроэнергии. Если это в основном надстройки для системы, требующие больших затрат, возникает важный вопрос:

Имеет ли смысл переходить на использование ветра и солнца?

Действительно ли ветер и солнечная энергия предлагают более светлое будущее, чем ископаемое топливо?

Запасы ископаемого топлива ограничены. Это происходит из-за того, что цены на энергоносители не поднимаются достаточно высоко, чтобы мы могли извлечь из них больше. Цены на готовую продукцию, изготовленную за счёт ископаемого топлива, должны быть достаточно низкими, чтобы покупатели могли их себе позволить.

В противном случае покупки дискреционных товаров (например, автомобилей и смартфонов) упадут. Поскольку автомобили и смартфоны производятся с использованием сырья, включающего ископаемое топливо, более низкий «спрос» на эту готовую продукцию приведёт к падению цен на товары, включая цены на нефть. И в действительности, похоже, что с 2008 года большую часть времени происходит падение цен на нефть.

​Рисунок 3. Средненедельная цена на нефть сорта Brent с учётом инфляции, основанная на спотовых ценах на нефть EIA и американском индексе потребительских цен

Сложно понять утверждение, в котором говорится, что возобновляемые источники энергии будут работать дольше, чем ископаемое топливо. Если их не субсидировать, стоимость будет выше, чем у ископаемого топлива. И это будет лишь первым ударом по «зелёной» энергетике. Она также очень зависит от ископаемого топлива при изготовлении запасных частей и ремонте линий электропередач.

Интересно, что разработчики моделей изменения климата, похоже, убеждены в том, что в будущем может быть добыто очень большое количество ископаемого топлива. Вопрос о том, сколько ископаемого топлива действительно может быть извлечено, является ещё одной проблемой моделирования, которую необходимо тщательно изучить.

Объём будущей добычи, похоже, сильно зависит от того, насколько долго нынешняя экономическая система продержится в существующем виде. Без глобализации добыча ископаемого топлива, вероятно, быстро сократится.

У нас слишком много веры в модели и прогнозы?

Вопрос о том, оправданна ли ветровая энергия и солнечная, требует тщательного анализа. Обычная отличительная черта энергетического продукта, который имеет существенную выгоду для экономики, — его производство имеет тенденцию быть очень прибыльным.

При условии высокой прибыльности правительства могут облагать налогом производителей. Таким образом, прибыль может использоваться, чтобы помочь остальной экономике. Это одно из физических проявлений «чистой энергии», которую обеспечивает энергетический продукт.

Если бы ветер и солнечная энергия действительно обеспечивали существенную чистую энергию, им не требовались бы субсидии, даже субсидии «идущим первыми». Они бы отбрасывали прибыль, чтобы принести пользу остальной экономике. Возможно, возобновляемые источники энергии не так полезны, как думают многие. Возможно, исследователи слишком поверили в искаженные модели.

Мой Telegram-канал «Эко-Underground» — больше информации о настоящей экологии.

6 многообещающих вариантов хранения энергии для подключения к сети

С ростом производства возобновляемой энергии, такой как ветер и солнечная энергия, надежные решения для хранения энергии становятся необходимостью… и особенно, когда солнце не светит или ветер не светит. т дует. С момента открытия электричества ученые искали способы хранить эту энергию, когда она нужна по запросу. В течение последнего столетия индустрия хранения данных продолжала развиваться, особенно в 21 веке ^и годах, когда новые технологии вывели эту систему хранения на новый уровень эффективности.

Электрическая сеть — это сложная система, которая требует, чтобы энергоснабжение и спрос были одинаковыми в любой момент, поэтому появляются жизнеспособные решения для хранения данных, которые помогают снизить потребление энергии. Для поддержания стабильности требуется постоянная настройка сети, и эффективное хранение будет играть важную роль в этом критически важном акте балансировки, обеспечивая большую гибкость и надежность системы.

За последние несколько лет было разработано несколько различных решений для хранения данных, которые можно интегрировать в сеть независимо от требований к мощности или энергии — от генерации до конечного использования потребителями.С учетом сказанного, вот шесть современных вариантов накопления энергии, которые могут быть реализованы в сети.

1. Tesla Powerwall / Powerpack

(Изображение предоставлено: Tesla)

Tesla — это высокоэффективные платформы с литий-ионными перезаряжаемыми батареями, с Powerpack, предназначенными для домашнего использования, и Powerwall, разработанными для коммерческого использования или использования в сети. Последний может использоваться в нескольких приложениях, включая сглаживание пиков, реакцию на спрос, управление напряжением и резервный резерв мощности.Отличный пример интеграции Powerwall дебютировал в прошлом году в Австралии, где серия аккумуляторных блоков обеспечила накопительную мощность 129 МВт ветряной электростанции Хорнсдейл в Neoen, обеспечивая электроэнергией 30 000 домов.

2. Проточная батарея окислительно-восстановительного потенциала

(Изображение предоставлено JCESR)

Еще одно передовое решение для хранения энергии — это проточные окислительно-восстановительные батареи (топливные элементы), в которых твердые электроды заменены на высококалорийные электролитические соединения (водород-бромат лития, бром-водород, органические соединения и т. Д.).) разделены мембраной, которая заряжается и разряжается по мере того, как жидкости циркулируют в своем собственном пространстве. Ионный обмен происходит через мембранный сепаратор, когда электролиты подвергаются восстановлению и окислению (окислительно-восстановительный потенциал) и, в свою очередь, могут накапливать большое количество энергии, идеально подходящей для подключения к сети.

3. Накопитель энергии маховика

(Изображение предоставлено Стивом Виттригом через ABB SlideShare)

Накопитель энергии маховика работает, ускоряя ротор до высокой скорости и поддерживая мощность в виде энергии вращения.Когда эта энергия забирается из системы, скорость вращения маховика уменьшается и увеличивается при повторном вводе энергии.

Самые передовые системы маховиков представляют собой высокопрочные композитные роторы, подвешенные на магнитных подшипниках, и при включении питания они могут раскручиваться за считанные минуты до 20 000–50 000 об / мин, достигая своей энергоемкости быстрее, чем другие формы накопителя. Швейцарская группа автоматизации ABB недавно внедрила решение с маховиком / интеллектуальной микросетью в Кадьяке, Аляска, для расширения возможностей возобновляемой энергетики и стабильности сети.

4. Накопитель энергии сжатый воздух

(Изображение предоставлено Тихоокеанской северо-западной национальной лабораторией)

Установки для хранения энергии на сжатом воздухе (CAES) аналогичны гидроаккумулирующим электростанциям; только вместо того, чтобы перекачивать воду из нижнего пруда в верхний, окружающий воздух сжимается и хранится под давлением в подземных пещерах для хранения энергии. Когда эта энергия требуется, сжатый воздух нагревается и расширяется в турбине, таким образом приводя в действие генератор для производства энергии.Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория находится в процессе разработки системы CAES для электростанций во внутренних районах Вашингтона и Орегона, когда требуется дополнительная мощность для пиковых нагрузок.

5. Накопитель тепловой энергии

(Изображение предоставлено SolarReserve)

Существует несколько различных типов аккумуляторов тепловой энергии, включая аккумуляторы скрытой энергии и термохимические. Однако разумное хранение является наиболее используемым и часто используется вместе с солнечными электростанциями.Система явного тепла использует жидкую или твердую среду: вода, песок, камни или расплавленная соль либо нагреваются, либо охлаждаются для хранения собранной энергии. Проект Nevada Crescent Dunes компании SolarReserve — отличный пример использования системы TES, которая использует расплавленную соль для хранения 1100 МВт энергии в двух массивных термически экранированных металлических резервуарах и может хранить эту энергию в течение 40 лет без ухудшения характеристик.

6. Накопительный гидроаккумулятор

(Изображение предоставлено: Википедия )

Накачиваемый гидроаккумулятор накапливает энергию, используя воду, содержащуюся в верхнем резервуаре, которая электрически перекачивается из нижнего резервуара.Во время пикового спроса на электроэнергию дополнительная мощность вырабатывается путем выпуска накопленной воды через турбины таким же образом, как и в традиционной плотине гидроэлектростанции. Когда потребность в энергии снижается, вода возвращается обратно в более высокий резервуар, как правило, теми же турбинами, которые могут действовать как насос и генератор.

Согласно отчету компании «Делойт» о технологиях хранения электроэнергии за 2015 год: «Ускорение внедрения новых технологий, изменение ожиданий и поведения потребителей, а также структурная эволюция системы производства и доставки электроэнергии за последнее десятилетие обеспечивают благодатную почву для появления созревающей электроэнергии. технологии хранения как ключевые компоненты нового ландшафта в электроэнергетике.”

С учетом сказанного, хранение энергии стоит дорого, особенно когда политика, смягчающая его использование, не оценивает их выгоды в денежном выражении. Это представление, вероятно, изменится по мере того, как за последние несколько лет было проведено больше проектов и технико-экономических обоснований, особенно в связи с возобновляемыми источниками энергии. При поддержке правительства и инициатив отрасли накопление энергии может и дальше развиваться, расширяться и способствовать развертыванию постоянно растущего сектора возобновляемых источников энергии, а также традиционных электростанций, работающих на ископаемом топливе.

7 типов возобновляемых источников энергии: будущее энергетики

Возобновляемая энергия — это энергия, полученная из природных ресурсов Земли, которые не являются конечными или исчерпаемыми, таких как ветер и солнечный свет. Возобновляемая энергия — это альтернатива традиционной энергии, основанной на ископаемом топливе, и она, как правило, гораздо менее вредна для окружающей среды.

Солнечная энергия получается путем улавливания лучистой энергии солнечного света и преобразования ее в тепло, электричество или горячую воду.Фотоэлектрические (PV) системы могут преобразовывать прямой солнечный свет в электричество с помощью солнечных батарей.

Одно из преимуществ солнечной энергии — бесконечность солнечного света. . Благодаря технологиям для его сбора существует неограниченный запас солнечной энергии, а это означает, что ископаемое топливо может оказаться устаревшим. Использование солнечной энергии, а не ископаемого топлива, также помогает нам улучшить здоровье населения и состояние окружающей среды. В долгосрочной перспективе солнечная энергия также может сократить расходы на электроэнергию, а в краткосрочной перспективе сократить ваши счета за электроэнергию.Многие местные органы власти, правительства штатов и федеральные органы власти также стимулируют инвестиции в солнечную энергию, предоставляя скидки или налоговые льготы.

Хотя солнечная энергия сэкономит вам деньги в долгосрочной перспективе, она, как правило, требует значительных первоначальных затрат и является нереальным расходом для большинства домашних хозяйств. В личных домах домовладельцам также необходимо иметь достаточно солнечного света и места для размещения своих солнечных панелей, что ограничивает тех, кто может реально внедрить эту технологию на индивидуальном уровне.

Ветряные электростанции улавливают энергию ветрового потока с помощью турбин и преобразуют ее в электричество. Есть несколько форм систем, используемых для преобразования энергии ветра, и каждая из них различается. Промышленные ветроэнергетические системы могут питать множество различных организаций, в то время как одинарные ветряные турбины используются в дополнение к уже существующим энергетическим организациям. Другая форма — ветряные электростанции коммунального масштаба, которые закупаются по контракту или оптом. Технически энергия ветра — это форма солнечной энергии.Явление, которое мы называем «ветром», вызвано разницей температуры в атмосфере в сочетании с вращением Земли и географией планеты. [1]

источник

Энергия ветра — это чистый источник энергии, а это означает, что он не загрязняет воздух, как другие виды энергии. Энергия ветра не производит углекислый газ и не выделяет каких-либо вредных продуктов, которые могут вызвать ухудшение состояния окружающей среды или негативно повлиять на здоровье человека, например, смог, кислотный дождь или другие улавливающие тепло газы.[2] Инвестиции в ветроэнергетические технологии могут также открыть новые возможности для создания рабочих мест и профессионального обучения, поскольку турбины на фермах необходимо обслуживать и поддерживать, чтобы они продолжали работать.

Сделайте следующий шаг, выбрав лучший план энергопотребления для своего дома! justenergy.com/

Поскольку ветряные электростанции, как правило, строятся в сельских или отдаленных районах, они обычно находятся далеко от шумных городов, где больше всего требуется электричество.Энергия ветра должна транспортироваться по переходным линиям, что ведет к более высоким затратам. Хотя ветряные турбины производят очень мало загрязнения, некоторые города выступают против них, поскольку они доминируют над горизонтом и создают шум. Ветровые турбины также угрожают местной дикой природе, например птицам, которых иногда убивают, ударяя по лопастям турбины во время полета.

Плотины — это то, что у людей больше всего ассоциируется с гидроэнергетикой. Вода течет через турбины плотины для производства электроэнергии, известной как гидроаккумулирующая энергия.Русловая гидроэлектростанция использует канал для отвода воды, а не через плотину.

Гидроэлектроэнергия очень универсальна и может быть произведена как с помощью крупномасштабных проектов, таких как плотина Гувера, так и небольших проектов, таких как подводные турбины и нижние плотины на небольших реках и ручьях. Гидроэлектроэнергия не приводит к загрязнению и поэтому является гораздо более экологически чистым вариантом энергии для нашей окружающей среды.

Мост-У.Сооружения гидроэлектростанции используют больше энергии, чем они могут произвести для потребления. В системах хранения может потребоваться использование ископаемого топлива для перекачивания воды. [3] Хотя гидроэлектроэнергия не загрязняет воздух, она нарушает водные пути и отрицательно влияет на животных, которые в них живут, изменяя уровень воды, течения и пути миграции для многих рыб и других пресноводных экосистем.

Геотермальное тепло — это тепло, которое удерживается под земной корой в результате образования Земли 4.5 миллиардов лет назад и от радиоактивного распада. Иногда большое количество этого тепла уходит естественным путем, но все сразу, что приводит к знакомым явлениям, таким как извержения вулканов и гейзеры. Это тепло можно улавливать и использовать для производства геотермальной энергии с помощью пара, который поступает из нагретой воды, перекачиваемой под поверхность, которая затем поднимается вверх и может использоваться для работы турбины.

Геотермальная энергия не так распространена, как другие типы возобновляемых источников энергии, но она имеет значительный потенциал для энергоснабжения.Поскольку его можно построить под землей, он оставляет очень мало следов на суше. Геотермальная энергия восполняется естественным образом и поэтому не подвержена риску истощения (в человеческом масштабе времени).

Стоимость играет важную роль, когда речь идет о недостатках геотермальной энергии. Мало того, что строительство инфраструктуры обходится дорого, еще одной серьезной проблемой является ее уязвимость к землетрясениям в определенных регионах мира.

Океан может производить два типа энергии: тепловую и механическую.Тепловая энергия океана зависит от температуры поверхности теплой воды для выработки энергии с помощью множества различных систем. Механическая энергия океана использует приливы и отливы для выработки энергии, которая создается вращением Земли и гравитацией Луны.

В отличие от других видов возобновляемой энергии , энергия волн предсказуема, и легко оценить количество энергии, которое будет произведено. Вместо того, чтобы полагаться на различные факторы, такие как солнце и ветер, энергия волн гораздо более последовательна.Этот тип возобновляемой энергии также широко распространен, наиболее густонаселенные города, как правило, расположены вблизи океанов и гаваней, что облегчает использование этой энергии для местного населения. Потенциал энергии волн представляет собой поразительный, пока еще неиспользованный энергетический ресурс с оценочной способностью производить 2640 ТВтч / год. Всего 1 ТВтч / год энергии может обеспечить электричеством около 93850 домов в США в год, что примерно вдвое превышает количество домов, существующих в США в настоящее время [4].

Те, кто живет рядом с океаном, определенно извлекают выгоду из энергии волн, но те, кто живет в государствах, не имеющих выхода к морю, не будут иметь доступа к этой энергии.Еще один недостаток энергии океана состоит в том, что она может нарушить работу многих хрупких экосистем океана. Хотя это очень чистый источник энергии, поблизости необходимо построить крупное оборудование, чтобы помочь улавливать энергию этой формы, которая может вызвать разрушение дна океана и морской жизни, которая его обитает. Еще один фактор, который следует учитывать, — это погода: когда наступает ненастная погода, она меняет плотность волн, тем самым производя меньшую отдачу энергии по сравнению с обычными волнами без штормовой погоды.

Водород необходимо объединить с другими элементами, такими как кислород, чтобы получить воду, поскольку он не встречается в природе как газ сам по себе.Когда водород отделяется от другого элемента, его можно использовать как для топлива, так и для электричества.

Водород можно использовать в качестве экологически чистого топлива, что приводит к меньшему загрязнению и более чистой окружающей среде. Он также может использоваться для топливных элементов, которые похожи на батареи, и могут использоваться для питания электродвигателя.

Поскольку для производства водорода необходима энергия, он неэффективен для предотвращения загрязнения.

Биоэнергетика — это возобновляемая энергия, получаемая из биомассы . Биомасса — это органическое вещество, которое поступает из недавно появившихся растений и организмов. Использование дров в вашем камине — это пример биомассы, с которым знакомо большинство людей.

Существуют различные методы, используемые для выработки энергии за счет использования биомассы. Это можно сделать путем сжигания биомассы или использования газа метана, который образуется в результате естественного разложения органических материалов в прудах или даже на свалках.

Использование биомассы в производстве энергии создает углекислый газ, который попадает в воздух, но регенерация растений потребляет такое же количество углекислого газа, которое, как утверждается, создает сбалансированную атмосферу. Биомассу можно использовать по-разному в нашей повседневной жизни не только для личного пользования, но и для бизнеса. В 2017 году энергия биомассы составляла около 5% от общего объема энергии, используемой в США. Эта энергия поступала из древесины, биотоплива, такого как этанол, и энергии, полученной из метана, улавливаемого со свалок или сжигания городских отходов.(5)

Хотя новым растениям для роста нужен углекислый газ, растениям нужно время, чтобы вырасти. У нас также пока нет широко распространенной технологии, позволяющей использовать биомассу вместо ископаемого топлива.

источник

Как потребитель, у вас есть несколько возможностей улучшить окружающую среду, выбрав более экологичное энергетическое решение. Если вы домовладелец, у вас есть возможность установить в доме солнечные батареи.Солнечные батареи не только снижают ваши затраты на электроэнергию, но и помогают повысить уровень жизни с помощью более безопасного и экологически чистого варианта энергии , который не зависит от ресурсов, наносящих вред окружающей среде. Есть также альтернативы более экологичному образу жизни, предлагаемые вашими электрическими компаниями. Just Energy позволяет потребителям выбирать варианты экологически чистой энергии, которые помогут вам уменьшить воздействие на окружающую среду за счет компенсации энергии. Добавьте JustGreen в свой план электроснабжения или природного газа, чтобы снизить воздействие уже сегодня!

Привезено к вам компанией justenergy.com

Источники:

1. Energy.gov, Преимущества и проблемы ветроэнергетики, Источник: https://www.energy.gov/eere/wind/advantages-and-challenges-wind-energy
2. Energy.gov, Преимущества и проблемы ветроэнергетики, Источник: https://www.energy.gov/eere/wind/advantages-and-challenges-wind-energy
3. Управление энергетической информации США, Что такое производство электроэнергии в США по источникам энергии ?, Источник: https: // www.eia.gov/tools/faqs/faq.php?id=427&t=3
4. Bureau of Ocean Energy Management, Ocean Wave Energy, Источник: https://www.boem.gov/Ocean-Wave-Energy/
5. Управление энергетической информации США, объяснение биомассы, получено с: https://www.eia.gov/energyexplained/?page=biomass_home

«Лучшее еще впереди» для технологий хранения энергии

Достижения в области аккумуляторных батарей, наряду с улучшением нормативной базы и увеличением инвестиций, могут сделать это десятилетие 20-летним годом для хранения энергии.

В последние годы в сфере электроэнергетики уделялось особое внимание многим направлениям. Энергосистема по-прежнему сталкивается с рядом проблем, поскольку технологические достижения меняют способы производства и доставки электроэнергии.

Отраслевые аналитики заявили POWER , что хранение энергии, будь то батареи, тепловые системы, механическое накопление, производство водорода или гидроэнергетика, имеет решающее значение для развития сектора энергетики. Потребность в хранении считается первостепенной для электрификации транспорта и других предприятий, а также для непрерывного роста возобновляемых источников энергии.

«Лучшее в области хранения энергии еще впереди», — сказал Райан Браун, соучредитель и генеральный директор Salient Energy, канадского производителя цинково-ионных аккумуляторов. Браун сказал POWER : «Мы знаем, что отрасль все еще находится в зачаточном состоянии почти во всех отношениях. Хотя внедрение уже значимо и быстро ускоряется, мир чистой энергии потребует установки дополнительных мощностей на триллионы долларов.

«Все более благоприятная нормативно-правовая среда для хранения энергии в сочетании с эволюцией бизнес-моделей, которые привлекают больше капитала в космос, означает, что 2020-е годы станут переломным десятилетием для сектора хранения энергии», — сказал Браун.

У.Управление энергетической информации США (EIA) в отчете за лето 2020 года заявило, что батареи являются ключевой частью энергетического перехода (см. Врезку), особенно когда речь идет о хранении энергии в сети и электрификации транспорта. Аккумуляторные системы хранения энергии (BESS) значительно выросли в США за последнее десятилетие (Рисунок 1). По данным EIA, в 2010 году мощность семи аккумуляторных систем хранения в США составляла 59 МВт. К концу 2018 года в эксплуатации находилось 125 систем с установленной мощностью 869 МВт.Эти цифры EIA не включают недавнее добавление мощностей, в том числе 1,2 ГВт хранилища, установленного в США в 2020 году, которое должно быть введено в эксплуатацию в следующем году, большая часть из которых находится в Калифорнии.

Келли Спикс-Бэкман, бывший генеральный директор Ассоциации накопителей энергии, которая недавно была назначена на руководящую должность в США.Департамент энергетики США сообщил аудитории на конференции по распределенной энергии POWER в прошлом году, что добавление аккумуляторных батарей удвоилось в 2020 году и, вероятно, утроилось бы, если бы не замедление темпов строительства, вызванное пандемией COVID-19.

Более низкая стоимость батареи способствовала росту. EIA сообщило, что стоимость аккумуляторных батарей в США упала почти на 70% в период с 2015 по 2018 год. Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии США (NREL) планирует, что увеличение производства аккумуляторов и рыночная конкуренция будут продолжать снижать расходы.NREL недавно заявила, что ожидает снижения средней стоимости литий-ионных батарей еще на 45% к 2030 году.

«Литий-ионные батареи остаются определяющей технологией для новых проектов по хранению энергии», — сказал Браун, отметив, что грядут перемены. «Новые технологии, обеспечивающие повышение производительности и стоимости материалов, в то же время использующие преимущества низкозатратного производства литий-ионных аккумуляторов, демонстрируют серьезные перспективы для космоса».

Диапазон решений

Многие типы технологий накопления энергии включают батареи с рядом решений для электрохимического накопления, включая современные химические батареи, проточные батареи и конденсаторы.Существует также аккумулирование тепла, улавливание тепла и холода для производства энергии по запросу или компенсации энергетических потребностей. Механическое хранение включает в себя технологии использования кинетической или гравитационной энергии для хранения электричества.

«Мы следили за хранением в течение многих лет, и оно всегда было« почти », — сказал Мортен Лунд, партнер группы развития энергетики Stoel Rives и председатель компании Energy Storage Initiative.Лунд сказал, что наличие хранилища, подключенного к солнечным энергетическим установкам, «почти стандартно для США. Вы можете использовать пики [газовые пиковые электростанции] для краткосрочного выравнивания и хранения, когда вам нужно позаботиться о избыточной генерации. Это делает его наиболее экономичным решением этой проблемы в Калифорнии [рис. 2].

«Мы прошли несколько технологических циклов», — сказал Лунд POWER . «Литий-ионная технология является доминирующей и, вероятно, останется таковой в обозримом будущем.Это относительно дешево и работает, [и] то, что сейчас работает лучше, стоит дороже. В нашей стране эти решения принимаются рынком, и рынок ищет достаточно хорошую и дешевую вещь на данный момент ».

Технология хранения включает гидроэнергетику с насосом, создающую крупномасштабные резервуары энергии с сохраненной водой. И еще есть водород, где избыточное производство электроэнергии может быть преобразовано в водород посредством электролиза и сохранено.

«Водород — это, безусловно, самая захватывающая из последних технологий, которую может продвигать промышленность, хотя это тоже старая технология, получившая новую жизнь», — сказал Брайан Рестолл, старший директор Quinbrook Infrastructure Partners, инвестиционная компания в области возобновляемых источников энергии.«Водород, безусловно, является самым большим конкурентом аккумуляторным батареям для стационарных и транспортных средств».

Ресталл сказал, что важно разработать альтернативы системам хранения на основе литий-ионных аккумуляторов. «По мере того, как электромобили становятся все более распространенными и популярными, цепочки поставок литий-ионных аккумуляторов испытывают давление, чтобы поставлять как стационарные, так и автомобильные приложения», — сказал Рестолл POWER . «Что касается стационарного накопления энергии, литий-ионный аккумулятор имеет относительно ограниченную способность поддерживать потребность в накоплении энергии на срок более 2 часов.В результате этого, а также озабоченности по поводу ESG [экологической, социальной и управленческой] по поводу кобальта, приятно видеть, что промышленность инвестирует в альтернативную химию, такую ​​как LFP [литий-железо-фосфат], чтобы заменить литий-ионный, а также рост в проточных батареях, таких как Eos [который предлагает устройство с гибридным катодом на основе цинка] ».

«Я надеюсь, что водород как носитель энергии станет жизнеспособным. «Водород присутствует уже давно», — сказала Келли Эчолс, партнер Stoel Rives и сопредседатель рабочей группы компании по энергетическим технологиям.«Я надеюсь, что мы действительно находимся на пороге того, что P2H [энергия для водорода] станет реальностью, где его можно будет производить при достаточно низких затратах, чтобы быть рентабельными».

Эколс сказал POWER : «Кажется, действительно существует потребность, в основном в топливных элементах. Вы можете хранить его дольше, а с топливными элементами, возможностью хранения и способами удержания этого водорода, он мог бы быть дольше. Кажется, действительно есть большой интерес к этому комбинированному электрическому водородному будущему, где они дополняют друг друга, а не конкурируют … где водород используется в дальних грузовых перевозках, и мы видим интерес к воздушному транспорту.”

Эрик Мартин, партнер Stoel Rives, занимающийся разработкой природных ресурсов, сказал POWER : «С точки зрения водорода, коммунальные предприятия, которые сталкиваются с этой перспективой, — это то место, где общественность обеспокоена выбросами парниковых газов (парниковых газов) и изменением климата. Это способ адаптировать существующую инфраструктуру с меньшим воздействием на климат. Затем есть функция спроса со стороны конечных пользователей. Если вы являетесь владельцем / оператором автопарка и [решаете], какой тип транспортных средств вы собираетесь использовать, то это возможно [водородный].”

Аппаратное и программное обеспечение, надежность

Аппаратное обеспечение, связанное с накоплением энергии — батареи, инверторы и т. Д. — привлекает много внимания при обсуждении накопителей. Шамик Мехта, директор по маркетингу продуктов Data Platform в Intertrust, тем не менее, сказал POWER , что «программное обеспечение является одним из наиболее важных компонентов BESS. Программное обеспечение контролирует и устанавливает ограничения на то, насколько каждая ячейка может быть заряжена, разряжена, насколько быстро заряжать или разряжать и многое другое ».

Мехта сказал, что программное обеспечение «должно определять состояние заряда и глубину разряда каждой отдельной ячейки, а также контролировать состояние и температуру каждой ячейки.Когда типичный аккумулятор может работать до десятков тысяч ячеек, это быстро становится проблемой. Будь то арбитраж энергии, реагирование на спрос или другие приложения для хранения энергии, программное обеспечение и связанные с ним алгоритмы определяют правильное время для зарядки и разрядки, контролируя, насколько, далеко или быстро заряжать или разряжать каждую ячейку и блок и когда ».

«Где действительно есть место батареям, так это в надежности», — сказал Энтони Шоу, генеральный директор и основатель Progeneration Energy, разработчика энергетических проектов в Техасе.«Я думаю, что хранилище — это следующая эволюция. Если вам нравится солнечная энергия, то следующий шаг — спросить об аспекте хранения. Прямо сейчас для многих приятно иметь хранилище. Предполагается, что если батарея используется просто для хранения избыточной энергии, это не карандаш.

Шоу рассказал POWER о проекте, над которым работала его компания, — предприятии, которое «хотело получить дополнительное преимущество резервного питания. Для них наличие компонента хранения имело смысл ». Он сказал, что стоимость батарей была проблемой, но в этом отношении помогают технологические достижения.

«Они движутся в правильном направлении, и они движутся очень быстро», — сказал он. «Стоимость [запуска] масштабного производства, вероятно, станет следующим шагом».

Zinc Air — прорыв?

Международная группа исследователей в январе объявила, что они достигли прорыва в разработке воздушно-цинковых батарей, альтернативы литий-ионным, которые могут быть дешевле в производстве и связаны с меньшими трудностями при добыче полезных ископаемых. Группа, возглавляемая Вэй Сун, исследователем из Мюнстерского университета в Германии, заявила, что они близки к созданию батареи, которая не загорится благодаря содержанию воды и гидрофобной соли цинка.

Батарея может быть особенно полезной для хранения энергии в коммунальном хозяйстве, сказал Чуншенг Ван, директор Центра исследований экстремальных батарей в Университете Мэриленда и соавтор статьи, опубликованной в журнале Science. «Мы думаем, что у этого есть потенциал, чтобы конкурировать с литий-ионными батареями», — сказал Ван.

Воздушно-цинковые батареи обычно не использовались для хранения энергии в сети из-за их химической нестабильности и относительно короткого жизненного цикла, сообщила группа.Но Ван сказал, что эти батареи могут быть более безопасными, чем литий-ионные элементы, потому что они содержат негорючую воду и «архитектуру открытых элементов», а не закрытую структуру. Ван сказал, что цинк менее опасен для окружающей среды при добыче и производстве по сравнению с литием.

Роберто Денти, операционный директор греческой компании-разработчика систем хранения данных Systems Sunlight, сообщил POWER , что, хотя большая часть внимания в хранении энергии «сосредоточена на потребительском автомобильном секторе, существуют значительные возможности для развития в промышленном секторе, в частности , сектор возобновляемых источников энергии, для создания безопасных, надежных и устойчивых аккумуляторов для тяжелых условий эксплуатации, таких как накопление энергии для солнечных и ветряных электростанций.Возможности также открываются в других областях, где необходимы промышленные аккумуляторы, таких как судоходство, электрические автобусы и автомобили с автоматическим управлением, или AGV, что является рынком Sunlight.

«Разрабатывая новые технологии, которые откроют будущее чистой энергии, мы надеемся увидеть широкое распространение приложений для хранения энергии, что приведет к полностью электрифицированной отрасли», — сказал Денти.

— Даррелл Проктор — помощник редактора POWER ( @POWERmagazine ).

Электричество и хранение энергии — Всемирная ядерная ассоциация

(Обновлено в декабре 2020 г.)

• Накопление электроэнергии в больших масштабах стало основным объектом внимания, поскольку прерывистые возобновляемые источники энергии стали более распространенными.
• Насосный накопитель хорошо налажен. Разрабатываются и другие мегаваттные технологии. Они могут обеспечить диспетчерскую мощность в соответствии со спросом.
• Хранилище в дополнение к периодически возобновляемым источникам энергии, если они должны заменить емкость базовой нагрузки, должно удовлетворять спрос в течение многих дней, а не просто часов.
• На бытовом уровне, за счетчиком, продвигается хранение аккумуляторов. Это снижает потребность в сети.

Быстрое увеличение во многих частях мира генерирующих мощностей за счет периодических возобновляемых источников энергии, особенно ветра и солнца, привело к сильному стимулу к развитию накопления энергии для производства электроэнергии в больших масштабах. Из-за (желаемой или навязанной) растущей годовой доли электроэнергии, поступающей от возобновляемых технологий, подверженной естественным колебаниям потоков энергии (например, солнечные фотоэлектрические и ветровые), характеризующиеся относительно низкими коэффициентами нагрузки, объединенные установленные мощности этих технологий в будущем ожидается, что они будут намного больше, чем обычная / обычная пиковая потребляемая мощность.*

* «Прискорбной привычки в некоторых кругах слепо использовать слово« мощность »как синоним« электричества »следует избегать в контексте хранения. «Энергия» заряжается или разряжается в запоминающем устройстве, но сохраняется «энергия» ». — Прогнозируемые затраты на производство электроэнергии на 2020 год, Международное энергетическое агентство и Агентство по ядерной энергии.

Степень, в которой может быть развито накопление электроэнергии, будет определять степень, в которой эти прерывистые возобновляемые источники могут вытеснить диспетчерские источники, время от времени забирая излишки энергии и устраняя перебои в работе.Есть вопросы масштаба — мощности и энергоемкости — которые указаны ниже в конкретных случаях. Кроме того, накопленная электроэнергия обычно должна быть доступна в течение нескольких дней и недель, а не минут и часов. Для сравнения различных технологий накопления электроэнергии в различных приложениях и услугах необходимо четко определить как стоимость, так и затраты.

Электричество не может храниться ни в каком масштабе, но оно может быть преобразовано в другие формы энергии, которые могут храниться, а затем повторно преобразовываться в электричество по запросу.Системы хранения электроэнергии включают аккумулятор, маховик, сжатый воздух и гидроаккумулятор. Любые системы ограничены в общем количестве энергии, которое они могут хранить. Их энергоемкость выражается в мегаватт-часах (МВтч), а мощность или максимальная выходная мощность в данный момент времени выражается в мегаваттах электроэнергии (МВт или МВтэ). Системы накопления электроэнергии могут быть спроектированы для предоставления вспомогательных услуг системе передачи, включая регулирование частоты, и сегодня это основная роль сетевых аккумуляторов.

Конечно, очень эффективное хранение энергии достигается в ископаемом топливе и ядерном топливе до того, как из них будет произведена электроэнергия. Хотя здесь основное внимание уделяется хранению за генерацией, особенно из периодически возобновляемых источников, при любом надлежащем рассмотрении этого вопроса необходимо также охватывать ядерное топливо для производства электроэнергии как более экономичный вариант с относительно небольшими потребностями в материалах.

Насосное хранилище включает перекачку воды вверх в водохранилище, из которого она может быть выпущена по запросу для выработки гидроэлектроэнергии.Эффективность двойного процесса составляет около 70%. В середине 2016 года гидроаккумулирующие накопители составляли 95% мировых запасов электроэнергии, а в 2014 году было добавлено 72% емкости накопителей. Однако аккумуляторы активно внедряются. В 2014 году накопители энергии в масштабах зданий стали определяющей тенденцией в области энергетических технологий. Этот рынок вырос на 50% по сравнению с аналогичным периодом прошлого года, причем литий-ионные батареи широко используются, но батареи с проточными окислительно-восстановительными элементами являются многообещающими. Такое хранилище может использоваться для снижения спроса на сеть, в качестве резервного или для арбитража цен.

Проекты и оборудование гидроаккумуляторов имеют длительный срок службы — номинально 50 лет, но потенциально больше, по сравнению с батареями — от 8 до 15 лет. Гидроаккумулятор лучше всего подходит для обеспечения пиковой нагрузки системы, состоящей в основном из ископаемого топлива и / или ядерной генерации. Он не очень подходит для замены периодической, внеплановой и непредсказуемой генерации.

В отчете Всемирного энергетического совета, опубликованном в январе 2016 года, прогнозировалось значительное снижение стоимости большинства технологий хранения энергии с 2015 по 2030 год.Наибольшее снижение стоимости продемонстрировали аккумуляторные технологии, за ними следуют тепловые, скрытые тепловые и суперконденсаторы. Аккумуляторные технологии показали снижение со 100-700 евро / МВтч в 2015 году до 50-190 евро / МВтч в 2030 году — снижение более чем на 70% верхнего предела затрат в следующие 15 лет. По данным WEC, натрий-сера, свинцово-кислотная и литий-ионная технологии являются лидерами. В отчете моделируется хранение, относящееся как к ветровым, так и к солнечным электростанциям, и оценивается результирующая приведенная стоимость хранения (LCOS) для конкретных станций.В нем отмечается, что коэффициент нагрузки и среднее время разряда при номинальной мощности являются важными определяющими факторами LCOS, а частота цикла становится второстепенным параметром. Для хранения, связанного с солнечной батареей, использовалось ежедневное хранение с шестичасовым временем разряда при номинальной мощности. Для хранения, связанного с ветром, использовался вариант двухдневного хранения с 24-часовым разрядом при номинальной мощности. В первом случае наиболее конкурентоспособная технология хранения имела LCOS в размере 50-200 евро / МВтч. В последнем случае приведенные затраты были выше и зависели от количества циклов разряда в год, и «несколько технологий оказались привлекательными.«

После двухлетнего исследования, проведенного Комиссией по коммунальным предприятиям Калифорнии, в 2010 году штат принял закон, требующий хранения 1325 МВт электроэнергии (исключая крупномасштабные гидроаккумуляторы) к 2024 году. В 2013 году крайний срок был перенесен на 2020 год, затем было 35 Всего МВт. Законодательство определяет мощность, а не емкость накопителя (МВтч), предполагая, что основной целью является регулирование частоты. Заявленная цель закона — повысить надежность сети за счет обеспечения управляемой мощности от увеличивающейся доли солнечных и ветровых входов, заменить вращающийся резерв, обеспечить контроль частоты и снизить требования к пиковой мощности (уменьшение пиковой мощности).Системы хранения могут быть связаны либо с системами передачи или распределения, либо находиться за счетчиком. Основное внимание уделяется аккумуляторным системам хранения энергии (BESS). Энергетический арбитраж может увеличить доход, покупая в непиковый период и продавая при пиковом спросе. В 2014 году компания Southern California Edison объявила о планах по хранению электроэнергии мощностью 260 МВт, чтобы компенсировать закрытие АЭС Сан-Онофре мощностью 2150 МВт (эл.). Хотя 1,3 ГВт в контексте потребности штата в 50 ГВт не обеспечат большой управляемой мощности, это стало основным стимулом для коммунальных предприятий.

Орегон последовал за Калифорнией и в 2015 году установил требование для более крупных коммунальных предприятий (PGE и PacifiCorp) о закупке не менее 5 МВтч хранилищ к 2020 году, а PGE предложила 39 ГВт в нескольких местах стоимостью от 50 до 100 миллионов долларов. В июне 2017 года Массачусетс поставил цель хранилища 200 МВтч к 2020 году. В ноябре 2017 года Нью-Йорк принял решение установить цель хранилища на 2030 год.

В США имеется около 30 ГВт гидроаккумулирующих мощностей, а к марту 2019 года было развернуто 900 МВт аккумуляторных аккумуляторов.Ожидалось, что к 2020 году эта цифра вырастет до 1000 МВт, а к 2023 году — до 2500 МВт, при этом ожидается, что затраты упадут до 200 долларов США за кВт · ч хранимой энергии, что составляет половину стоимости 2016 года. Около 2,5% поставляемой электроэнергии в США проходит через хранилища (по сравнению с примерно 10% в Европе и 15% в Японии).

В начале 2016 года Национальная электросеть Великобритании активно откликнулась на тендер на усиленную частотную характеристику (EFR) мощностью 200 МВт. Он предлагал четырехлетние контракты на мощность, способную обеспечить 100% выходную активную мощность за секунду или меньше регистрации отклонения частоты.Было предложено около 888 МВт емкости батарей, 150 МВт межсетевого взаимодействия, 100 МВт ответа на стороне спроса и 50 МВт мощности маховика. Все, кроме трех, были связаны с аккумулятором. В августе были объявлены выигравшие тендеры — восемь выбранных тендеров мощностью от 10 до 49 МВт (всего 201 МВт) общей стоимостью 66 миллионов фунтов стерлингов. Выигрышные предложения варьировались от 7 до 12 фунтов стерлингов за МВт EFR / ч, в среднем 9,44 £ / МВт EFR / ч. Также ожидается, что батареи станут основным выбором для стабильной частотной характеристики, немного медленнее, чем EFR.

В Великобритании хранилище рассматривается как генерация для целей лицензирования, но при подключении к распределительной сети оно должно соответствовать двум различным методикам подключения и тарификации: одна половина подключается по запросу, а другая — по генерации. Предлагается единая методология подключения к хранилищу, и Департамент по бизнесу, энергетике и промышленной стратегии и регулирующий орган в области энергетики Ofgem стремятся определить «хранилище электроэнергии» в юридических и нормативных терминах, чтобы ускорить развертывание.Промышленная организация Electricity Storage Network поддерживает этот шаг.

Правительство Великобритании заявило, что при реагировании на спрос поставщики должны иметь более легкий доступ к ряду рынков, чтобы они могли честно конкурировать с крупными производителями, включая балансирующий рынок, вспомогательные услуги и рынок мощности. Существует озабоченность по поводу того, должны ли поставщики хранилищ и реагирования на спрос иметь доступ к контрактам на рынке мощности той же продолжительности, что и новые дизельные генераторы. В этой области реакция должна длиться более часа, а батареи менее экономичны.

В ноябре 2016 года Европейская комиссия признала хранение энергии ключевым инструментом гибкости, который потребуется в будущем. Было предложено новое определение хранения электроэнергии, включающее «откладывание количества электроэнергии, которая была произведена до момента использования, либо в качестве конечной энергии, либо преобразована в другой энергоноситель», например, газ. Это привело к тому, что концепции преобразования энергии в газ (P2G) были включены в нормативное определение хранения энергии, так что избыточная энергия от прерывистых возобновляемых источников энергии может быть преобразована путем электролиза в водород, который может быть добавлен в обычную газораспределительную сеть (до 20%, хотя и значительно). менее разрешено в большинстве стран) или продается напрямую.Таким образом, электролизеры могут предоставлять дополнительные сетевые услуги, за которые им платят. Изменение определения P2G с простой нагрузки на хранилище имеет последствия как для электросетей, так и для снижения выбросов CO ₂ из газа. Электролизеры P2G можно рассматривать как часть сети, а не просто конечных пользователей.

Компания ITM Power, которая разрабатывает электролизеры для систем P2G, предлагает построить в Великобритании ряд заправочных станций водородом для автомобилей на топливных элементах, которые будут выполнять некоторую функцию балансировки сети.В марте 2017 года их работало четыре, при этом производство водорода было рассчитано на поглощение избыточной энергии из сети. Правительство Великобритании хочет к 2020 году 65 водородных заправочных станций. Каждая из них имеет мощность от 200 до 250 кВт, поэтому необходимо несколько из них, чтобы иметь возможность участвовать в торгах на улучшенную частотную характеристику (минимум 3 МВт).

теперь доступны по цене около 1 миллиона евро за МВт, занимают меньшую площадь и имеют более быстрый отклик, чем альтернативы, что позволяет балансировать сеть и сохранять энергию.В 2015 году в Германии было сокращено производство электроэнергии из возобновляемых источников на 4,7 ТВт-ч.

Масштабное хранение водорода и его передача на большие расстояния предусматриваются путем преобразования в аммиак, который на практике является более энергоемким.

Для получения дополнительной информации см. Веб-сайт Ассоциации хранения энергии или Европейскую ассоциацию хранения энергии (EASE).

Накопительный гидроаккумулятор

В некоторых местах гидроаккумулятор используется для выравнивания суточной генерирующей нагрузки путем перекачки воды на высокую водохранилище в непиковые часы и в выходные дни, используя избыточную мощность базовой нагрузки от недорогих угольных или ядерных источников.В часы пик эта вода может быть выпущена через турбины в нижний резервуар для выработки гидроэлектроэнергии, преобразовывая потенциальную энергию в электричество. Реверсивные агрегаты насос-турбина / мотор-генератор могут работать как насосы, так и турбины *. Системы гидроаккумулирования могут быть эффективными при удовлетворении изменений пикового спроса из-за быстрого увеличения или уменьшения объемов производства и прибыльными из-за разницы между пиковыми и внепиковыми оптовыми ценами. Основная проблема, помимо воды и высоты, — это эффективность в оба конца, которая составляет около 70%, поэтому на каждый входной МВтч только 0.Восстановлено 7 МВтч. Кроме того, в относительно небольшом количестве мест есть возможности для установки гидроаккумулирующих плотин вблизи мест, где требуется электроэнергия.

* Турбины Фрэнсиса широко используются для гидроаккумулирования, но имеют предел гидравлического напора около 600 м.

Наибольшая гидроаккумулирующая способность связана с установленными плотинами гидроэлектростанций на реках, где вода перекачивается обратно на высокие водохранилища. Такие гидроэлектростанции с плотиной могут быть дополнены речным гидроаккумулятором. Для этого требуются пары небольших резервуаров на холмистой местности, соединенных трубой с насосом и турбиной.

Эта схема проекта Гордон Бьютт типична для водохранилища с гидроаккумулятором (Гордон Бьютт)

Международная ассоциация гидроэнергетики имеет инструмент отслеживания, который отображает местоположение и мощность существующих и планируемых проектов гидроаккумуляции.

Насосные хранилища используются с 1920-х годов, и сегодня по всему миру установлено около 160 ГВт гидроаккумуляторов, в том числе 31 ГВт в США, 53 ГВт в Европе и Скандинавии, 27 ГВт в Японии и 23 ГВт в Китае.Это составляет около 500 ГВт-ч, которые могут храниться — это около 95% крупномасштабных хранилищ электроэнергии в мире в середине 2016 года и 72% от этой мощности, которая была добавлена ​​в 2014 году. IRENA сообщает, что 96 ТВт-ч было использовано из гидроаккумулирующих хранилищ в 2015. В отчете World Energy Outlook 2016 Международного энергетического агентства, согласно прогнозам , к 2040 году будет добавлено 27 ГВт гидроаккумулирующих мощностей, в основном в Китае, США и Европе.

Для речных гидроцилиндров парные водохранилища обычно должны иметь перепад высот не менее 300 метров.Заброшенные подземные шахты имеют некоторый потенциал в качестве участков. В испанском регионе Леон Navaleo планирует построить гидроаккумуляторную систему на бывшей угольной шахте с напором 710 м и мощностью 548 МВт, возвращая в сеть 1 ТВт-час в год.

В отличие от ветровой и солнечной энергии, поступающей в энергосистему, гидроэнергетика является синхронной и, следовательно, обеспечивает вспомогательные услуги в сети передачи, такие как регулирование частоты и обеспечение реактивной мощности. В проекте гидроаккумулирующего оборудования обычно требуется от 6 до 20 часов хранения в гидравлическом резервуаре для эксплуатации, по сравнению с гораздо меньшим сроком для аккумуляторов.В гидроаккумулирующих системах обычно хранится более 100 МВтч энергии.

Накопительный гидроаккумулятор лучше всего подходит для обеспечения пиковой мощности системы, состоящей в основном из ископаемого топлива и / или ядерной генерации по низкой цене. Он гораздо менее подходит для замены периодической, внеплановой генерации, такой как ветер, когда доступность избыточной энергии нерегулярна и непредсказуема.

Самое крупное гидроаккумулирующее предприятие находится в Вирджинии, США, мощностью 3 ГВт и 30 ГВт-ч накопленной энергии.Однако полезные объекты могут быть совсем небольшими. Они также не должны быть дополнительными к основным гидроэлектрическим схемам, но могут использовать любую разницу в высоте между верхним и нижним резервуарами более 100 метров, если не слишком далеко друг от друга. На Окинаве морская вода перекачивается в резервуар на вершине утеса. В Австралии заброшенный подземный рудник рассматривался как нижний резервуар. Израиль планирует построить систему с двумя резервуарами Kokhav Hayarden мощностью 344 МВт.

В Монтане, США, проект гидроаккумулирующей гидроаккумулирующей станции Gordon Butte мощностью 4 x 100 МВт в центральной части штата будет использовать избыточную мощность ветряных турбин штата мощностью 665 МВт, хотя это менее предсказуемо, чем непиковая мощность. предназначен для питания базовой нагрузки.Absaroka Energy построит надземный резервуар на высоте 312 метров над нижним резервуаром с 2018 года. Ожидается, что он будет поставлять 1300 ГВтч в год в дополнение к ветровым и вспомогательным услугам.

Ожидается, что в 2018 году в Германии будет введен в эксплуатацию ветро- и гидроэнергетический проект Gaildorf около Мюнстера. Он включает 13,6 МВтэ ветряных турбин и 16 МВтэ гидроаккумулирующих мощностей.

Аккумуляторные системы хранения энергии

Батареи накапливают и выделяют энергию электрохимически.Требования к аккумулятору: высокая плотность энергии, высокая мощность, длительный срок службы (циклы заряда-разряда), высокая эффективность в оба конца, безопасность и конкурентоспособная стоимость. Другими переменными являются продолжительность разряда и скорость заряда. Среди этих критериев делаются различные компромиссы, подчеркивая ограничения аккумуляторных систем накопления энергии (BESS) по сравнению с управляемыми источниками генерации. Также возникает вопрос об окупаемости вложенной энергии (EROI), который остро относится к тому, как долго батарея находится в эксплуатации и как ее эффективность в оба конца сохраняется в течение этого периода.

Батареям требуется система преобразования энергии (PCS), включая инвертор, для подключения к нормальной системе переменного тока. Это добавляет около 15% к базовой стоимости батареи.

Различные мегаваттные проекты доказали, что батареи хорошо подходят для сглаживания колебаний мощности ветряных и солнечных систем в течение нескольких минут и даже часов для кратковременной интеграции этих возобновляемых источников энергии в сеть. Они также показали, что батареи могут реагировать быстрее и точнее, чем обычные ресурсы, такие как прядильные резервы и пиковые установки.В результате большие аккумуляторные батареи становятся предпочтительной технологией стабилизации для кратковременной интеграции возобновляемых источников энергии. Это функция мощности, а не в первую очередь накопления энергии. Спрос на него намного ниже, чем на хранение энергии — Калифорнийский ISO оценил его пиковую потребность в регулировании частоты на 2018 год в 2000 МВт из всех источников.

Интеллектуальные сети Большое внимание уделяется хранению аккумуляторов в связи с интеллектуальными сетями. Интеллектуальная сеть — это электросеть, которая оптимизирует энергоснабжение, используя информацию как о спросе, так и о предложении.Он делает это с помощью сетевых функций управления устройствами с коммуникационными возможностями, такими как интеллектуальные счетчики.

В 2015 году литий-ионные аккумуляторы составляли 51% от объявленной емкости новых систем накопления энергии (ESS) и 86% от установленной мощности ESS. В 2015 году в мире было объявлено о введении около 1 653 МВт новых мощностей ESS, из которых чуть более одной трети поступит из Северной Америки. Литий-ионные аккумуляторы — самая популярная технология для распределенных систем хранения энергии (Navigant Research).Литий-ионные аккумуляторы имеют КПД постоянного тока в оба конца 95%, а при преобразовании тока в переменный ток для сети снижается до 85%. Срок службы их составляет 10-20 лет, в зависимости от использования.

На бытовом уровне за счетчиком * продвигается аккумуляторная батарея. Между солнечными фотоэлектрическими батареями и батареями существует очевидная совместимость, поскольку они являются постоянным током. В Германии, где коэффициент мощности солнечных батарей составляет в среднем 10,7%, 41% новых солнечных фотоэлектрических установок в 2015 году были оснащены резервными аккумуляторными батареями, по сравнению с 14% в 2014 году.Это увеличение, как в бытовых, так и в подключенных к сети фотоэлектрических системах, поощряется Банком развития KfW, который организует государственные займы под низкие проценты и помощь в окупаемости, покрывающую до 25% необходимых инвестиционных затрат. KfW требует, чтобы для потребления и хранения на месте использовалось достаточное количество фотоэлектрической электроэнергии, чтобы не более половины выработки доходило до сети передачи. Таким образом, утверждается, что сеть может выдерживать от 1,7 до 2,5 раз больше обычной солнечной мощности без перегрузки.В 2016 году в Германии было зарегистрировано 200 МВт-ч установленной емкости хранения.

* Фотоэлектрические панели для домашних хозяйств и малых предприятий не являются частью распределительной системы, но в основном являются внутренними по отношению к помещениям, при этом большая часть генерируемой энергии используется там, а часть, возможно, экспортируется в систему через счетчик, который первоначально измерял мощность, потребляемую из сети для зарядки для.

Более одной трети «аккумуляторных батарей» мощностью 1,5 ГВт в 2015 году составляли литий-ионные батареи, а 22% — натриево-серные батареи.Международное агентство по возобновляемым источникам энергии (IRENA) оценивает, что миру требуется 150 ГВт аккумуляторных батарей, чтобы достичь желаемой цели IRENA по выработке 45% электроэнергии из возобновляемых источников к 2030 году. В Великобритании требуется около 2 ГВт для быстрого регулирования частоты в 45 Система GWe, и National Grid тратит на это от 160 до 170 миллионов фунтов стерлингов в год. В Германии установленная аккумуляторная батарея общего пользования увеличилась с примерно 120 МВт в 2016 году до примерно 225 МВт в 2017 году.

Большой BESS — это литий-ионная система Toshiba мощностью 40 МВт / 20 МВтч на подстанции Ниси-Сендай компании Tohoku Electric Power Company в Японии, введенная в эксплуатацию в начале 2015 года, и San Diego Gas & Electric имеет литий-ионную систему мощностью 30 МВт / 120 МВтч. BESS в Эскондидо, Калифорния.Также STEAG Energy Services запустила программу литий-ионных аккумуляторов мощностью 90 МВт в Германии (см. Ниже), а Эдисон строит объект мощностью 100 МВт в Лонг-Бич, Калифорния.

В Южной Австралии литий-ионная система Tesla 100 МВт / 129 МВтч была установлена ​​рядом с ветряной электростанцией Neoen в Хорнсдейле (309 МВт (эл.)) Недалеко от Джеймстауна — Hornsdale Power Reserve (HPR). Около 70 МВт мощности передано по контракту с правительством штата для обеспечения стабильности сети и безопасности системы, включая вспомогательные услуги управления частотой (FCAS) через платформу Tesla Autobidder в сроки от шести секунд до пяти минут.Остальные 30 МВт мощности предназначены для хранения на три часа и используются Neoen для переключения нагрузки для соседней ветряной электростанции. Он доказал свою способность очень быстро реагировать на FCAS, обеспечивая до 8 МВт в течение примерно 4 секунд, прежде чем более медленный FCAS сработает, когда частота упадет ниже 49,8 Гц. В 2020 году проект был расширен на 50 МВт / 64,5 МВтч за 79 миллионов австралийских долларов, так что теперь он обеспечивает примерно половину виртуальной инерции, необходимой в штате для FCAS.

Существует несколько типов литий-ионных аккумуляторов, некоторые с высокой плотностью энергии и быстрой зарядкой для автомобилей (электромобилей), другие, такие как литий-фосфат железа (LiFePO ₄ , сокращенно LFP), более тяжелые, менее энергоемкие. плотный и с увеличенным сроком службы.Концепции длительного хранения включают в себя перепрофилирование использованных аккумуляторов электромобилей — вторичных аккумуляторов.

Натрий-серные (NaS) батареи используются уже 25 лет и хорошо зарекомендовали себя, хотя и дороги. Они также должны работать при температуре около 300 ° C, что означает некоторое потребление электроэнергии в простое. Система Vaca-Dixon NaS BESS PG&E 2 МВт / 14 МВтч стоила около 11 миллионов долларов (5500 долларов за кВт, по сравнению с примерно 200 долларами за кВт, которые PG&E оценили как безубыточные затраты в 2015 году). Срок службы около 4500 циклов.Эффективность приема-передачи в 18-месячном испытании составила 75%. Блок 4,4 МВт / 20 МВтч строится компанией EWE в Вареле в Нижней Саксонии на севере Германии для ввода в эксплуатацию в конце 2018 года (это часть установки с литий-ионной батареей 7,5 МВт / 2,5 МВтч, весь завод стоимостью 24 миллиона евро.)

Батареи проточных элементов окислительно-восстановительного потенциала (RFB), разработанные в 1970-х годах, имеют два жидких электролита, разделенных мембраной, чтобы получить положительные и отрицательные полуэлементы, каждая с электродом, обычно углеродным. Разница напряжений находится в пределах 0.5 и 1,6 вольт в водных системах. Они заряжаются и разряжаются за счет обратимой реакции восстановления-окисления через мембрану. Во время процесса зарядки ионы окисляются на положительном электроде (высвобождение электронов) и восстанавливаются на отрицательном электроде (поглощение электронов). Это означает, что электроны перемещаются от активного материала (электролита) положительного электрода к активному материалу отрицательного электрода. При разряде процесс меняется на противоположный и высвобождается энергия. Активные материалы представляют собой окислительно-восстановительные пары, i.е. химических соединений, способных поглощать и выделять электроны.

Ванадиевые проточные окислительно-восстановительные батареи (VRFB или V-flow) используют ванадий с несколькими степенями окисления для накопления и высвобождения зарядов. Они подходят для больших стационарных применений с длительным сроком службы (около 15 000 циклов), полным разрядом и низкой стоимостью киловатт-часа по сравнению с литий-ионными при ежедневном или более частом циклировании. Батареи V-flow становятся более экономичными, чем дольше срок хранения и чем больше потребляемая мощность и энергия.Кроме того, они работают при температуре окружающей среды, поэтому менее подвержены возгоранию, чем литий-ионные. По стоимости и масштабу проточные ванадиевые батареи находят применение в основных сетях и в промышленности.

С помощью RFB можно отдельно масштабировать энергию и мощность. Мощность определяет размер ячейки или количество ячеек, а энергия определяется количеством носителя для хранения энергии. Это позволяет лучше адаптировать проточные окислительно-восстановительные батареи к конкретным требованиям, чем другие технологии. Теоретически не существует ограничений на количество энергии, и часто конкретные инвестиционные затраты снижаются с увеличением отношения энергия / мощность, поскольку носитель для хранения энергии обычно имеет сравнительно низкие затраты.

Общий вывод испытания PG&E заключался в том, что если батареи должны использоваться для энергетического арбитража, их следует размещать вместе с ветряными или солнечными фермами — часто вдали от основного центра нагрузки. Однако, если они будут использоваться для регулирования частоты, их лучше размещать поблизости от городских или промышленных центров нагрузки. Поскольку поток доходов от управления частотой намного лучше, чем арбитраж, коммунальные предприятия обычно предпочитают центр города, а не удаленные места для активов, которыми они владеют.

упала на две трети в период с 2000 по 2015 год, примерно до 700 долларов США за кВт · ч, что обусловлено рынком транспортных средств, и к 2025 году прогнозируется дальнейшее снижение стоимости вдвое. такая же ставка, а в 2015 г. добавила около 15% к стоимости аккумуляторов для приложений, не относящихся к транспортным средствам.

Суперконденсаторы

Конденсатор накапливает энергию за счет статического заряда, в отличие от электрохимической реакции.Суперконденсаторы очень большие и используются для накопления энергии, подвергаясь частым циклам зарядки и разрядки при высоком токе и короткой продолжительности. Они эволюционировали и перешли в аккумуляторную технологию с использованием специальных электродов и электролита. Они работают от 2,5-2,7 вольт и заряжаются менее чем за десять секунд. Разряд длится менее 60 секунд, и напряжение постепенно падает. Удельная энергия суперконденсаторов составляет до 30 Втч / кг, что намного меньше, чем у литий-ионной батареи.

Стабилизаторы синхронные поворотные

Чтобы компенсировать отсутствие синхронной инерции в генераторной установке, когда существует высокая зависимость от источников ветра и солнца, к системе могут быть добавлены синхронные конденсаторы, также известные как вращающиеся стабилизаторы.Они используются для управления частотой и напряжением, когда необходимо повысить стабильность сети из-за высокой доли переменного возобновляемого источника. Они обеспечивают надежную синхронную инерцию и могут помочь стабилизировать отклонения частоты за счет выработки и поглощения реактивной мощности. Они не являются накопителями энергии в обычном смысле и описаны на информационной странице «Возобновляемые источники энергии и электричество».

Аккумуляторные системы по всему миру

Европа

Общая установленная мощность не связанных с гидроаккумуляцией в Европе достигла 2.По данным Европейской ассоциации накопителей энергии, до 7 ГВтч в конце 2018 года и прогнозируется на уровне 5,5 ГВтч к концу 2020 года. Сюда входят бытовые системы, на которые приходится более одной трети добавлений 2019-20 годов. EDF планирует к 2035 году иметь 10 ГВт аккумуляторных батарей по всей Европе. В марте 2020 года Total запустила проект литий-ионных аккумуляторов 25 МВт / 25 МВт-ч в Мардике недалеко от Дюнкерка, который станет «крупнейшим во Франции».

Первый из шести запланированных литий-ионных энергоблоков STEAG мощностью 15 МВт в программе стоимостью 100 миллионов евро и мощностью 90 МВт был запущен в июне 2016 года на угольном предприятии в Люнене в Германии.Чтобы иметь право на коммерческую эксплуатацию, батареи должны отвечать на автоматические вызовы в течение 30 секунд и быть способными работать не менее 30 минут.

В Германии RWE инвестировала 6 миллионов евро в литий-ионную аккумуляторную систему 7,8 МВт / 7 МВтч на своей электростанции Herdecke недалеко от Дортмунда, где коммунальное предприятие эксплуатирует гидроаккумулирующую станцию. Работает с 2018 года.

В Германии в 2015 году в Фельдхайме, Бранденбург, была введена в эксплуатацию литий-ионная аккумуляторная система емкостью 10 МВт / 10,8 МВтч.Он имеет 3360 литий-ионных модулей от LG Chem в Южной Корее. Батарейный блок стоимостью 13 миллионов евро хранит электроэнергию, вырабатываемую местной ветряной электростанцией мощностью 72 МВт, и был построен для стабилизации энергосистемы TSO 50Hertz Transmission. Он также участвует в еженедельных торгах на получение первичного контрольного резерва.

Голландское коммунальное предприятие Eneco и Mitsubishi, известное как EnspireME, установили литий-ионную батарею 48 МВт / 50 МВтч в Ярделунде на севере Германии. Батарея предназначена для обеспечения первичного резерва в сети и повышения стабильности сети в регионе с множеством ветряных турбин и проблемами с перегрузкой сети.

Немецкие операторы аккумуляторных систем, которые еженедельно участвуют в торгах на первичном резервном рынке, как сообщается, получили среднюю цену 17,8 евро / МВтч за 18 месяцев до ноября 2016 года.

В Испании Acciona ввела в эксплуатацию ветряную электростанцию ​​с BESS в мае 2017 года. Завод Acciona оснащен двумя системами литий-ионных аккумуляторов Samsung, одна из которых вырабатывает 1 МВт / 390 кВтч, а другая — 0,7 МВт / 700 кВтч, подключенная к 3 МВт. ветряк и по сети. Оба, похоже, имеют частотную характеристику как часть своей роли.

В мае 2016 года Fortum в Финляндии заключила контракт с французской компанией Saft, производящей аккумуляторные батареи, на поставку системы накопления энергии на литий-ионных аккумуляторах мощностью 2 миллиона евро для своей электростанции Суоменоя в рамках крупнейшего пилотного проекта BESS в странах Северной Европы. Он будет иметь номинальную мощность 2 МВт и сможет хранить 1 МВт-ч электроэнергии, которая будет предложена TSO для регулирования частоты и сглаживания мощности. Это похоже на систему, действующую в регионе Об во Франции, соединяющую две ветряные электростанции общей мощностью 18 МВт.С 2012 года Saft развернула аккумуляторные батареи мощностью более 80 МВт.

В Великобритании в августе 2019 года было зарегистрировано, что в эксплуатации находится аккумуляторная батарея мощностью 475 МВт. В этом случае 11 проектов варьировались от 10 до 87 МВт, большинство из которых имеют контракты с улучшенной частотной характеристикой.

Компания возобновляемых источников энергии RES обеспечивает 55 МВт динамической частотной характеристики от литиево-ионного аккумулятора до National Grid. ВИЭ уже эксплуатирует более 100 МВт / 60 МВтч аккумуляторных батарей, в основном в Северной Америке.

В марте 2020 года финская компания Wartsila выиграла контракт на поставку двух литий-ионных батарей мощностью 50 МВт для компании EDF Pivot Power, поскольку она приступает к программе хранения 2 ГВт для сети сетевых батарей для вспомогательных сетевых услуг и зарядки электромобилей.Третья батарея мощностью 50 МВт в Саутгемптоне была произведена компанией Downing LLP. EDF Energy Renewables имеет проект по хранению аккумуляторов мощностью 49 МВт для National Grid на площадке EDF Energy в Вест-Бертоне в Северном Йоркшире.

Заместитель министра энергетики Великобритании Эмбер Радд посетила предприятие в Лейтон-Баззард в 2014 году (UK Power Networks)

В Северной Ирландии американский производитель AES завершил строительство массива накопителей энергии 10 МВт / 5 МВт-ч на своей электростанции Килрут в Каррикфергусе.Система состоит из более чем 53 000 литий-ионных батарей, размещенных в 136 отдельных узлах с системой управления, которая реагирует на изменения в сети менее чем за секунду. Это самая большая передовая система хранения энергии в Соединенном Королевстве и Ирландии и единственная такая система в масштабе передачи согласно AES. Компания хочет построить массив хранения мощностью до 100 МВт, обеспечивая экономию системы в размере 8,5 миллионов фунтов стерлингов в год, «заменяя неуместные резервные тепловые электростанции и способствуя более полной интеграции существующих возобновляемых источников энергии».

В Великобритании, на Оркнейских островах, работает система хранения литий-ионных аккумуляторов мощностью 2 МВт / 500 кВтч. На этой электростанции в Киркволле используются батареи Mitsubishi в двух 12,2-метровых транспортных контейнерах, а также энергия от ветряных турбин.

В Сомерсете компания Cranborne Energy Storage имеет литий-ионную систему хранения Tesla Powerpack мощностью 250 кВт / 500 кВтч, связанную с солнечной фотоэлектрической установкой мощностью 500 кВт. Tesla утверждает, что блоки питания могут быть сконфигурированы для подачи мощности и мощности в сеть в качестве отдельного актива, предлагая услуги регулирования частоты, напряжения и вращающегося резерва.Стандартный промышленный блок питания Tesla составляет 50 кВт / 210 кВтч с КПД в оба конца 88%.

В Великобритании компания Statoil заказала проект литий-ионной аккумуляторной системы мощностью 1 МВтч, Batwind, в качестве берегового хранилища для морского проекта Hywind мощностью 30 МВт в Питерхеде, Шотландия. С 2018 года он должен хранить избыточную продукцию, снижать затраты на балансировку и позволять проекту регулировать собственное энергоснабжение и фиксировать пиковые цены посредством арбитража.

Северная Америка

В ноябре 2016 года Pacific Gas & Electricity Co (PG&E) сообщила о 18-месячном демонстрационном проекте по изучению производительности аккумуляторных систем хранения, участвующих в рынках электроэнергии Калифорнии.В рамках проекта, начатого в 2014 году, использовались натриево-серные аккумуляторные батареи компании PG&E мощностью 2/14 МВт / ч Vaca-Dixon и 4 МВт Yerba Buena для предоставления энергии и вспомогательных услуг на рынках независимого системного оператора Калифорнии (CAISO), контролируемых CAISO на этом оптовом рынке. . Пилотный проект Yerba Buena BESS стоимостью 18 миллионов долларов был запущен PG&E в 2013 году при поддержке Калифорнийской энергетической комиссии в размере 3,3 миллиона долларов. Vaca-Dixon BESS связана с солнечной электростанцией PG&E в округе Солано.

Отчет PG&E показал, что батареи все еще далеки от рентабельности, даже если предположить, что срок службы батареи составляет 20 лет.Используемая для энергетического арбитража (взимание платы при низкой цене и разгрузка при высокой цене) установка на 6 МВтэ едва покрывала операционные расходы. Достигнутый запас в стоимости арбитража мощности был израсходован на 25% потерь мощности между циклами из-за неэффективности зарядки и разрядки, а также на энергию, необходимую для поддержания рабочих температур (300 ° C) батарей. Было подтверждено оптимальное использование BESS в качестве частотного регулирования, при этом батареи поддерживались наполовину заряженными и готовыми к зарядке или разрядке в соответствии с требованиями для компенсации несоответствий между генерацией и нагрузкой.Время ответа очень быстрое и, следовательно, очень ценно для CAISO (или любого TSO). При использовании полностью для регулирования частоты хранилище мощностью 2 МВт принесло почти 35 000 долларов в месяц — лучше, чем при альтернативном использовании, но все же невысоко окупаемость инвестиций в размере 11 миллионов долларов. Оперативный контроль оказался чрезвычайно сложным. PG&E сообщила Ассамблее Калифорнии: «В соответствии с законопроектом 2514 о собрании Калифорнии и его требованиями о закупке коммунальными предприятиями 1,3 гигаватт накопителей энергии, налогоплательщики Калифорнии могли рассчитывать заплатить миллиарды долларов за развертывание и эксплуатацию этих ресурсов.”

В 2017 году PG&E будет использовать батарею Yerba Buena для другой демонстрации технологии, включающей координацию сторонних распределенных энергоресурсов (DER), таких как солнечная энергия для жилых и коммерческих помещений, с использованием интеллектуальных инверторов и аккумуляторов, контролируемых с помощью распределенного управления энергоресурсами. система (ДЕРМС).

В августе 2015 года GE заключила контракт на строительство литий-ионной аккумуляторной системы 30 МВт / 20 МВт-ч для Coachella Energy Storage Partners (CESP) в Калифорнии, в 160 км к востоку от Сан-Диего.Объект мощностью 33 МВт был завершен ZGlobal в ноябре 2016 года и будет способствовать гибкости сети и повышению надежности в сети Imperial Irrigation District, обеспечивая линейное изменение мощности солнечной энергии, регулирование частоты, балансировку мощности и возможность запуска с нуля для соседней газовой турбины.

San Diego Gas & Electric имеет литий-ионный BESS мощностью 30 МВт / 120 МВт-ч в Эскондидо, построенный AES Energy Storage и состоящий из 24 контейнеров, вмещающих 400 000 батарей Samsung в почти 20 000 модулей. Он будет обеспечивать вечерний пиковый спрос и частично заменяет хранилище газа в каньоне Алисо в 200 км к северу, которое пришлось закрыть в начале 2016 года из-за крупной утечки.(Он использовался для выработки газа при пиковой нагрузке.)

Аккумуляторный комплекс SDG & E мощностью 30 МВт в Эскондидо, Калифорния. (Фото: San Diego Gas & Electric)

Южная Калифорния Эдисон строит аккумуляторную установку мощностью 100 МВт / 400 МВтч, которая будет введена в эксплуатацию в 2021 году и будет включать 80 000 литий-ионных батарей в контейнерах. Еще один крупный предлагаемый проект SCE — это хранилище мощностью 20 МВт / 80 МВтч для компании AltaGas Pomona Energy на ее заводе, работающем на природном газе в Сан-Габриэле.

Крупный проект — проект по хранению литий-ионных аккумуляторов 8 МВт / 32 МВтч в Южной Калифорнии, Эдисон, стоимостью 50 миллионов долларов США, в сочетании с ветряной электростанцией мощностью 4500 МВт с использованием 10872 модулей по 56 ячеек каждый от LG Chem, которые могут обеспечивать мощность 8 МВт в течение четырех часов. . В 2016 году Tesla заключила контракт на поставку литий-ионной аккумуляторной системы мощностью 20 МВт / 80 МВт-ч для подстанции Мира Лома в Южной Калифорнии в Эдисоне, чтобы удовлетворить суточный пиковый спрос.

Очень большая аккумуляторная система была одобрена для газовой электростанции Vistra Moss Landing в округе Монтерей, Калифорния.В конечном итоге это может составить 1500 МВт / 6000 МВтч, начиная с 182,5 МВт / 730 МВтч в 2021 году. Он будет использовать мегапакеты мощностью 256 Тесла’3 МВтч. В остальном планы предварительные. Vistra планирует 300 МВт / 1200 МВтч в другом месте.

Tesla планирует вывести 50 ГВтч в сети к началу 2020-х годов.

Ветряная электростанция Laurel Mountain мощностью 98 МВт в Западной Вирджинии использует многофункциональную подключенную к сети BESS 32 МВт / 8 МВт-ч. Завод отвечает за регулирование частоты и стабильность сети на рынке PJM, а также за арбитраж.Литий-ионные батареи были произведены компанией A123 Systems, и после ввода в эксплуатацию в 2011 году они были крупнейшими литий-ионными BESS в мире.

В декабре 2015 года EDF Renewable Energy ввела в эксплуатацию свой первый проект BESS в Северной Америке с гибкой мощностью 40 МВт (паспортная табличка 20 МВт) в сетевой сети PJM в Иллинойсе для участия в регулировании и рынках мощности. Литий-ионные батареи и силовая электроника были поставлены BYD America и состоят из 11 контейнерных блоков общей мощностью 20 МВт.Компания разрабатывает проекты хранения более 100 МВт в Северной Америке.

E.ON North America устанавливает две системы краткосрочных литий-ионных батарей мощностью 9,9 МВт для своих ветряных электростанций Pyron и Inadale в качестве хранилищ Texas Waves в Западном Техасе. Назначение в основном для вспомогательных услуг. Проект следует за Iron Horse мощностью 10 МВт около Тусона, штат Аризона, рядом с солнечной батареей мощностью 2 МВт.

SolarCity использует 272 блока питания Tesla Powerpacks (литий-ионная система хранения) для своего проекта солнечных панелей на острове Кауаи мощностью 13 МВт / 52 МВт / ч на Гавайях, чтобы удовлетворить вечерний пик спроса.Электроэнергия поставляется коммунальному кооперативу острова Кауаи (KIUC) по цене 13,9 цента / кВтч в течение 20 лет. KIUC также вводит в эксплуатацию проект с солнечной электростанцией мощностью 28 МВт и системой аккумуляторных батарей 20 МВт / 100 МВтч.

Toshiba поставила большой BESS для Гамильтона, Огайо, состоящий из литий-ионных батарей 6 МВт / 2 МВтч. Заявленный срок службы более 10 000 циклов заряда-разряда.

Powin Energy и Hecate Energy строят два проекта общей мощностью 12,8 МВт / 52,8 МВтч в Онтарио для Независимого оператора электроэнергетической системы.Батарейный блок Powin’s Stack 140 мощностью 2 МВт / ч будет включать системы в Китченере (20 массивов) и Стратфорде (6 массивов).

Крупный аккумулятор электроэнергии для коммунальных предприятий представляет собой натриево-серную (NaS) батарею мощностью 4 МВт, которая обеспечивает повышенную надежность и качество электроэнергии для города Президио в Техасе. В начале 2010 года на него было подано питание, чтобы обеспечить быстрое резервирование ветровой мощности в местной энергосистеме ERCOT. Натрий-серные батареи широко используются в других местах для аналогичных функций.

В Анкоридже, Аляска, 2 МВт / 0.Аккумуляторная система мощностью 5 МВтч дополнена маховиком для использования энергии ветра.

Avista Corp. в штате Вашингтон, северо-запад США, покупает ванадиевую проточную батарею с окислительно-восстановительным потенциалом мощностью 3,6 МВт (VRFB) для балансировки нагрузки за счет возобновляемых источников энергии.