ცოდნა სინათლეა - Knowledge is light - Знание свет -   მომავლის ენერგეტიკის ერთერთი მიმართულება - One of the energy directions of the future

                გრავიტაციული ბატარეები

                                 Energy Vault 60 meter prototype in Castione-Arbedo 2021

გრავიტაციული ბატარეა არის ენერგიის შესანახი მოწყობილობა, რომელიც ინახავს გრავიტაციულ ენერგიას, ობიექტში შენახულ ენერგიას გრავიტაციის გამო სიმაღლის ცვლილების შედეგად, რომელსაც ასევე უწოდებენ პოტენციურ ენერგიას. გრავიტაციული ბატარეა მუშაობს ქსელიდან ჭარბი ენერგიის გამოყენებით მასის ასამაღლებლად გრავიტაციული პოტენციური ენერგიის წარმოქმნის მიზნით, რომელიც შემდეგ იშლება და ელექტრო გენერატორის მეშვეობით პოტენციური ენერგია ელექტროენერგიად გარდაიქმნება. გრავიტაციული ბატარეიდან გამომუშავებული ენერგია მდგრადი ენერგიის ფორმაა. გრავიტაციული ბატარეის ერთ-ერთი ფორმა არის ის, რომელიც ამცირებს მასას, როგორიცაა ბეტონის ბლოკი, ელექტროენერგიის გამომუშავებისთვის. ყველაზე გავრცელებული გრავიტაციული ბატარეა გამოიყენება სატუმბი-საწყობის ჰიდროელექტროენერგიაში, სადაც წყალი მიედინება უფრო მაღალ სიმაღლეებზე ენერგიის შესანახად და გამოიყოფა წყლის ტურბინების მეშვეობით ელექტროენერგიის გამომუშავებისთვის.

იხ. ვიდეო - Как гравитационные батареи могут изменить мир - How gravitational batteries could change the world - როგორ შეიძლება გრავიტაციულმა ბატარეებმა შეცვალონ სამყარო - Возможно, это вас шокирует, но в промышленном масштабе электричество практически никогда не вырабатывается про запас. Если для получения энергии используют топлива или силу воды, то процесс можно регулировать и не вырабатывать лишнее электричество. Но с возобновляемыми источниками энергии возникает проблема. Вы не можете сказать солнцу “посвети попозже”, а ветру “подуй вечером”.  Как сберечь возобновляемую энергию и отдать ее потребителям в пиковые часы? Ученые работают над разными вариантами. Об одном из них - песочных батареях - мы уже рассказывали. Альтернатива - гравитационные батареи. Как долго они могут работать и сколько электричества выдавать? А самое главное - могут ли они изменить мир возобновляемых источников энергии? Узнайте в сегодняшнем видео.  - შეიძლება შოკში ჩაგაგდოთ, მაგრამ სამრეწველო მასშტაბით, ელექტროენერგია თითქმის არასოდეს წარმოიქმნება რეზერვში. თუ საწვავი ან წყლის ენერგია გამოიყენება ენერგიის გამომუშავებისთვის, მაშინ პროცესი შეიძლება დარეგულირდეს და არ გამოიმუშაოს ზედმეტი ელექტროენერგია. მაგრამ არსებობს განახლებადი ენერგიის წყაროების პრობლემა. მზეს არ შეგიძლია უთხრა: "მოგვიანთხიე", ხოლო ქარს: "აბერე საღამოს". როგორ დავზოგოთ განახლებადი ენერგია და მივცეთ ის მომხმარებლებს პიკის საათებში? მეცნიერები სხვადასხვა ვარიანტზე მუშაობენ. ერთ-ერთ მათგანზე - ქვიშის ბატარეებზე უკვე ვისაუბრეთ. ალტერნატივა არის გრავიტაციული ბატარეები. რამდენ ხანს შეუძლიათ იმუშაონ და რა რაოდენობის ელექტროენერგიის გაცემა შეუძლიათ? და რაც მთავარია, შეუძლიათ მათ შეცვალონ განახლებადი ენერგიის სამყარო? შეიტყვეთ დღევანდელ ვიდეოში. - It may shock you, but on an industrial scale, electricity is almost never generated in reserve. If fuel or water power is used to generate energy, then the process can be regulated and not generate excess electricity. But there is a problem with renewable energy sources. You cannot say to the sun, "Shine later," and to the wind, "Blow in the evening." How to save renewable energy and give it to consumers during peak hours? Scientists are working on different options. We have already talked about one of them - sand batteries. The alternative is gravity batteries. How long can they work and how much electricity can they give out? And most importantly, can they change the world of renewable energy? Find out in today's video.

                                                     განვითარება

მოწყობილობის ყველაზე ადრეული ფორმა, რომელიც იყენებდა გრავიტაციას მექანიკური მოძრაობის გასაძლიერებლად, იყო ქანქარიანი საათი, რომელიც გამოიგონა 1656 წელს კრისტიან ჰაიგენსმა. საათი იკვებებოდა გრავიტაციის ძალით გაქცევის მექანიზმის გამოყენებით, რომელიც აიძულებდა ქანქარას წინ და უკან გადაადგილებას. მას შემდეგ, გრავიტაციული ბატარეები გადაიზარდა სისტემებში, რომლებსაც შეუძლიათ გამოიყენონ გრავიტაციის ძალა და გადააქციონ იგი ელექტროენერგიად დიდი მასშტაბის ენერგიის შესანახად.

პირველი გრავიტაციაზე დაფუძნებული სატუმბი-საწყობი ჰიდროელექტროენერგიის სისტემა (PSH) შეიქმნა 1907 წელს შვეიცარიაში. 1930 წელს, სატუმბი-საწყობი მოვიდა შეერთებულ შტატებში Connecticut Electric and Power Company-ის მიერ. 2019 წლის მდგომარეობით, PSH-ის მსოფლიო სიმძლავრე არის 168 გვატი (გიგავატი). შეერთებულ შტატებს აქვს 23 გიგავატი სიმძლავრე PSH-დან, რაც შეადგენს ენერგომომარაგების სისტემის თითქმის 2%-ს და კომუნალური მასშტაბის ენერგიის შენახვის 95%-ს აშშ-ში. გრავიტაციაზე დაფუძნებული სატუმბი-საწყობი ელექტროენერგია ამჟამად არის ქსელის ენერგიის შენახვის უდიდესი ფორმა მსოფლიოში.

2012 წელს მარტინ რიდიფორდმა და ჯიმ რივზმა შეიმუშავეს GravityLight-ის პირველი მოქმედი პროტოტიპი, მცირე ზომის გრავიტაციული ბატარეა, რომელიც ახლა კომერციულად ხელმისაწვდომია გარკვეულ ქვეყნებში.

Energy Vault, შვეიცარიული კომპანია, რომელიც დაარსდა 2017 წელს, ინახავს ელექტროენერგიას ამწის გამოყენებით, რომელიც ამაღლებს და აქრობს ბეტონის ბლოკებს. 2020 წლის ბოლოს, Arbedo-Castione-ში აშენებულმა პროტოტიპმა გამოიყენა ექვსი ამწე 110 მეტრის სიმაღლის კოშკზე, რათა გადაეტანა 35 ტონიანი ბეტონის ბლოკები 80 მეგავატ საათიანი სიმძლავრით.

Cascadia Carbon Inc., პორტლანდში, ორეგონის კომპანია, ავითარებს პოტენციურ ენერგეტიკულ ბატარეას ბრიტანეთის კოლუმბიის უნივერსიტეტთან ერთად.

Gravitricity-მა, რომელიც 2011 წელს დაარსდა პიტერ ფრეენკელის მიერ, ააშენა 15 მეტრიანი 250 კილოვატი სიმძლავრის გრავიტაციული ბატარეის პროტოტიპი ედინბურგთან, შოტლანდიაში, რომელმაც საცდელი ოპერაციები და ქსელთან დაკავშირება დაიწყო 2021 წლის აპრილში.

იხ. ვიდეო - Gravity Batteries: This New Technology Could Change Everything - 

გრავიტაციული ბატარეები: ამ ახალ ტექნოლოგიას შეუძლია შეცვალოს ყველაფერი 

მექანიზმები და ნაწილები

გრავიტაციულ ბატარეებს შეიძლება ჰქონდეთ განსხვავებული დიზაინი და სტრუქტურა, მაგრამ ყველა გრავიტაციული ბატარეა იყენებს ფიზიკის ერთსა და იმავე თვისებებს ენერგიის გამომუშავებისთვის. გრავიტაციული პოტენციური ენერგია არის სამუშაო, რომელიც საჭიროა ობიექტის დედამიწის გრავიტაციის საპირისპირო მიმართულებით გადასაადგილებლად, რომელიც გამოიხატება განტოლებით

სადაც U არის გრავიტაციული პოტენციური ენერგია, m არის ობიექტის მასა, g არის ობიექტის აჩქარება მიზიდულობის გამო (9,8 მ/წმ2 დედამიწაზე) და h არის ობიექტის სიმაღლე. სამუშაო-ენერგიის პრინციპის გამოყენებით, გამომუშავებული ენერგიის მთლიანი რაოდენობა შეიძლება გამოისახოს განტოლებით

სადაც E არის გამომუშავებული ენერგიის მთლიანი რაოდენობა და h1 და h2 წარმოადგენს ობიექტის საწყის და საბოლოო სიმაღლეებს. ენერგიის ცვლილება პირდაპირ კავშირშია მასის ვერტიკალურ გადაადგილებასთან; რაც უფრო მაღალია მასა, მით მეტი გრავიტაციული პოტენციური ენერგია ინახება. ენერგიის ცვლილება ასევე პირდაპირ კავშირშია ობიექტის მასასთან; რაც უფრო მძიმეა მასა, მით უფრო დიდია ენერგიის ცვლილება.

გრავიტაციულ ბატარეაში მასა გადაადგილდება ან ამაღლებულია გრავიტაციული პოტენციური ენერგიის შესაქმნელად, რომელიც გარდაიქმნება ელექტროენერგიად. გრავიტაციული ბატარეები ინახავს გრავიტაციულ პოტენციურ ენერგიას ტუმბოს, ამწის ან ძრავის გამოყენებით მასის გარკვეულ სიმაღლეზე აწევით. მასის აწევის შემდეგ, ის ახლა ინახავს გარკვეულ გრავიტაციულ პოტენციურ ენერგიას, რომელიც ეფუძნება ობიექტის მასას და რამდენად მაღლა აიწია იგი. შენახული გრავიტაციული პოტენციური ენერგია შემდეგ გადადის ელექტროენერგიაში. მასა ქვეითდება, რათა დაუბრუნდეს თავდაპირველ სიმაღლეს, რაც იწვევს გენერატორის ბრუნვას და ელექტროენერგიის წარმოქმნას.

ფართომასშტაბიანი

სატუმბი-საწყობი ჰიდროელექტროენერგია (PSH) არის ქსელის ენერგიის შენახვის ყველაზე ფართოდ გამოყენებული და ყველაზე მაღალი სიმძლავრის ფორმა. PSH-ში წყალი მიედინება ქვედა რეზერვუარიდან უფრო მაღალ რეზერვუარში, რომელიც შემდეგ შეიძლება გათავისუფლდეს ტურბინების მეშვეობით ენერგიის შესაქმნელად. ალტერნატიული PSH წინადადება იყენებს საკუთრებაში არსებულ მაღალი სიმკვრივის სითხეს, 2+1⁄2-ჯერ უფრო სიმკვრივეს ვიდრე წყალს, რომელიც მოითხოვს უფრო მცირე სათავეს (სიმაღლე) და ამით ამცირებს საჭირო ინფრასტრუქტურის ზომას და ღირებულებას.

ენერგიის შენახვა სარკინიგზო საშუალებით არის კონცეფცია, სადაც ჭარბი განახლებადი ენერგია გამოიყენება მძიმე მატარებლის ვაგონების აღმართზე გადასაადგილებლად ენერგიის დაბალი მოთხოვნის დროს. პოტენციური ენერგია მოგვიანებით გამოიყოფა რეგენერაციული დამუხრუჭების გამოყენებით დაღმართზე გადაადგილებისას, რომელიც მოქმედებს როგორც გრავიტაციული ბატარეა. კომუნალური მასშტაბის (50 MW) ობიექტი სახელწოდებით GravityLine დაიწყო მშენებლობა 2020 წლის ოქტომბერში Advanced Rail Energy Storage-ის მიერ, რომელიც მდებარეობს Gamebird Pit ხრეშის მაღაროში Pahrump Valley-ში, ნევადა, და დაგეგმილია 15-წუთამდე მომსახურების მიწოდება სრული სიმძლავრით. .

Lift Renewable Energy იყენებს გრავიტაციული ბატარეის ფორმას. ენერგიის შესანახად, მძლავრი გაზის კონტეინერები ჯალამბარით ჩაედინება წყალში, წყალი ასობით მეტრით მაღლდება. შემდეგ ციკლი იცვლება და ელექტროენერგია წარმოიქმნება გაზის კონტეინერების აწევასთან ერთად. შედარებით მცირე ინფრასტრუქტურაა საჭირო, ბატარეები შეიძლება განთავსდეს ძირითადი მოსახლეობის ცენტრებთან ახლოს, ორმხრივი მგზავრობის ეფექტურობა არის 85+%, და სისტემა შეიძლება აშენდეს GWh მასშტაბით.

Lifted Weight Storage (LWS) ტექნოლოგია იყენებს ზედმეტ ენერგიას მყარი წონების ვერტიკალურად აწევისთვის, როგორც წესი, საბურავის სისტემაზე. როდესაც დამატებითი ენერგიაა საჭირო, მასა იკლებს და საბურველი აქცევს გენერატორს

EnergyVault აპროექტებს LWS სისტემას 32 ტონიანი ბეტონის ბლოკებისგან აშენებული კოშკის გამოყენებით, რომელიც დაწყობილია 120 მეტრიანი ამწეებით. მოსალოდნელია, რომ ერთი კომერციული ერთეული ინახავს 20 მგვტ/სთ ან ენერგიას, ანუ საკმარისს დღეში 2000 შვეიცარიული სახლის კვებისათვის.

Gravitricity-ის LWS სისტემა მიწისქვეშა შახტში იყენებს ელექტრო ჯალამბარს 500-დან 5000 ტონამდე წონის ასაწევად, რომელიც დაწევისას აქცევს ვინჩის ძრავას გენერატორად. სისტემა გამოიმუშავებს 10 მგვტ/სთ-ს, რაც საკმარისია 13000 სახლისთვის ორი საათის განმავლობაში. წონის დაკლება ასევე შეიძლება სწრაფად, მცირე სიმძლავრის გამო.

Მცირე მასშტაბი

GravityLight არის პატარა გრავიტაციით მომუშავე ნათურა, რომელიც მუშაობს ქანების ან ქვიშის ტომრის ხელით აწევით და შემდეგ თავისთავად დაეცემა ენერგიის გამომუშავების მიზნით. იგი შექმნილია როგორც ალტერნატივა მათთვის, ვისაც არ აქვს ელექტროენერგიაზე წვდომა და, როგორც წესი, ეყრდნობა ნავთის ნათურებს, რომლებიც ძვირი, საშიში და დამაბინძურებელია.

            ინდოეთი ააშენებს გრავიტაციულ ბატარეებს -                              ჰიდროელექტროსადგურების ალტერნატივას

ამერიკულმა კომპანია Energy Vault-მა შეიმუშავა ელექტროენერგიის გამომუშავებისა და შენახვის ახალი ტექნოლოგია გრავიტაციის გამოყენებაზე დაყრდნობით. იხ. ბმულზე წყარო

გრავიტაციული ანძები, რომლებსაც კომპანია ქმნის, მუშაობს იმავე პრინციპით, როგორც ჰიდროელექტროსადგური. მხოლოდ კოშკებში ბეტონის ბლოკები ასრულებენ წყლის ჩამოვარდნის ფუნქციას.

ბლოკების კონტროლირებადი დაცემა ამოძრავებს გენერატორს, რომელიც გამოიმუშავებს ელექტროენერგიას. კომპანიის ვებსაიტზე ნათქვამია, რომ გრავიტაციულ ბატარეას შეუძლია შეინახოს 10-დან 35 მგვტ/სთ-მდე.

მრავალფეროვნების თვალსაზრისით, Energy Vault-ის გრავიტაციულ კოშკებს შეუძლიათ გადააჭარბონ პოპულარულ და ფართოდ გამოყენებულ ქარის ტექნოლოგიას. კოშკებს, ისევე როგორც ქარის წისქვილებს, მხოლოდ მათი განთავსების ადგილი სჭირდებათ, მაგრამ მათ არ სჭირდებათ ქარი, რომელზედაც ქარის ელექტროსადგურები მუშაობენ.

ამერიკული კომპანიის ტექნოლოგიამ უკვე გამოიწვია მსოფლიოში ინტერესი. ამრიგად, Energy Vault იუწყება, რომ ცნობილი ინდური მრავალეროვნული კომპანია Tata და მექსიკური სამშენებლო კომპანია CEMEX გახდნენ პირველი კლიენტები, რომლებიც მზად იყვნენ გრავიტაციული კოშკების დასამონტაჟებლად.

ეკონომიკა და ეფექტურობა

რავიტაციული ბატარეების ღირებულება განსხვავდება დიზაინის მიხედვით.

სატუმბი შესანახი ჰიდროენერგეტიკა ღირს $165/კვტ/სთ ექსპლუატაციაში, შენახვის დონის ღირებულებით (LCOS) $0,17/კვტ/სთ. PSH სისტემების ტუმბოები და ტურბინები მუშაობენ 90%-მდე ეფექტურობით.

მოსალოდნელია, რომ Gravitricity-ის 250 კვტ დემონსტრატორი იქნება 1,25 მილიონი დოლარი, რაც გვპირდება 50 წლიან სიცოცხლეს და 80-90% ეფექტურობას. 

გრავიტაციულ ბატარეებს შეუძლიათ მზის და ქარის უფრო სიცოცხლისუნარიანი გახადონ, რადგან მათ შეუძლიათ შეინახონ ჭარბი ენერგია, რომელსაც წარმოქმნიან პიკის საათებში და მოგვიანებით გაავრცელონ საჭიროების შემთხვევაში.

                                              გარემოზე ზემოქმედება

გრავიტაციული ბატარეები შექმნილია განახლებადი ენერგიის გადაწყვეტილებებთან დასაწყვილებლად, რომელთა წყაროები (მზის შუქი, ქარი და ა.შ.) ხშირად ცვალებადია და სულაც არ ემთხვევა მოთხოვნას. ვიმედოვნებთ, რომ მათ ექნებათ უკეთესი გრძელვადიანი ღირებულება, ვიდრე ქიმიური ბატარეები, ხოლო ნაკლები ეკოლოგიური პრობლემები, ვიდრე სხვა ტრადიციული შენახვის გადაწყვეტილებები, როგორიცაა სატუმბი წყლის შენახვა. მოსალოდნელია, რომ გრავიტაციული ბატარეის სისტემებს შეეძლებათ სწრაფად მიაწოდონ ენერგია პიკური მოხმარების დროს, რაც მათ საშუალებას მისცემს შეავსონ ან შეცვალონ წიაღისეული საწვავის პიკის მქონე ელექტროსადგურები. მოსალოდნელია, რომ ერთჯერადი წონის სისტემებს შეუძლიათ მიაღწიონ ენერგიის სრულ გამომუშავებას წამზე ნაკლებ დროში.

დაბალი ნახშირბადის ხანგრძლივობის ენერგიის შენახვის მეთოდებს შორის, სატუმბი შესანახი ჰიდროენერგიას ჰქონდა ყველაზე დაბალი მიმდინარე ენერგეტიკული ღირებულება, თუმცა მოსალოდნელია, რომ მომავალში ლითიუმ-იონური ბატარეები გაუსწრებენ მას. ითვლება დაბალი ეკოლოგიური და უსაფრთხოების რისკებით ბატარეის ტექნოლოგიასთან შედარებით, ერთადერთი შემზღუდველი ფაქტორი გეოლოგიაა

                გრავიტაციული (ქიმიური) ბატარეა

1870 წლიდან 1930 წლამდე  ტერმინი „გრავიტაციული ბატარეა“ გამოიყენებოდა პოპულარული ტიპის ბატარეების კრებულის აღსაწერად, სადაც გრავიტაცია გამოიყენებოდა ქიმიური შემადგენლობის შესანარჩუნებლად მათი შესაბამისი სიმკვრივის მიხედვით.