Здания потребляют около 40% электроэнергии во всем мире. Существует несколько решений для повышения эффективности энергетических услуг в зданиях. Однако существует ограниченное количество решений для выработки электроэнергии в зданиях. Существующие могут включать генерацию солнечной энергии и хранение энергии (аккумуляторы или небольшие гидроаккумулирующие установки). Увеличение выработки электроэнергии из источников переменной возобновляемой энергии (VRE) может снизить зависимость от ископаемого топлива и сократить выбросы CO2. Однако каждый источник VRE требует дополнительного решения по гибкости из-за его прерывистости. Кроме того, спрос на электроэнергию в здании часто сильно меняется ежедневно и еженедельно, а также в праздничные сезоны, что увеличивает интерес к хранению энергии внутри самого здания.

Потребление энергии в лифтах обычно составляет 2–10% от общего потребления энергии зданием.

В часы пик лифты могут составлять до 40% спроса на электроэнергию здания. Расчетное суточное потребление энергии лифтами в Нью-Йорке составляет 1945 МВт·ч в будние дни с пиковым спросом 138,8 МВт и 1575 МВт·ч в выходные с пиковым спросом 106,0 МВт.

На рис.1 представлено распределение высот зданий в Нью-Йорке и энергии, потребляемой лифтами.

Лифты — это сложные системы, которые направлены на предоставление качественных транспортных услуг с наименьшими затратами и потреблением энергии. За полтора столетия скорость лифтов увеличилась в 100 раз.

Новые технологии и передовой опыт, включающий двигатели, рекуперативные преобразователи, программное обеспечение управления и оптимизацию противовесов или лифтов без канатов, могут еще больше повысить эффективность лифтов. Для достижения высокого и плавного ускорения, предлагающего высококачественные транспортные услуги и поддерживающего высокую общую энергоэффективность, двигатели строятся безредукторными и с рекуперативными тормозами, которые генерируют чистую и безопасную электроэнергию во время спуска. Для интеллектуальных лифтов был разработан высокоэффективный синхронный мотор-редуктор с постоянными магнитами (PMSGM). Эффективность традиционных редукторов колеблется от 66% до 76%, что является низким показателем. Производительность и параметры двигателя/генератора PMSGM имеют КПД около 92%. Повышение КПД при рекуперативном торможении происходит, в частности, когда лифты движутся с полностью загруженными кабинами. Альтернативами накопителям электроэнергии (EES) для хранения энергии в здании обычно являются батареи и гидроаккумуляторы (PHS). Батареи выигрывают от постоянно снижающихся капитальных затрат. Они, вероятно, предложат доступное решение для хранения энергии для внутридневных и суточных колебаний энергии или предоставят вспомогательные услуги для сети. Однако использование батарей для хранения энергии в недельном цикле может никогда не стать экономически выгодным из-за высокой стоимости хранимой энергии ($/МВт-ч) и, в некоторых случаях, высокой скорости потерь и/или саморазряда в течение дня.

Более того, широкомасштабное развертывание батарей в мобильных энергосистемах поднимает вопросы, связанные с доступностью ресурсов и устойчивостью такого интенсивного использования материалов для батарей. Гидроаккумулирующие электростанции (PHS) могут хранить большие объемы энергии для еженедельных, ежемесячных или сезонных циклов в потенциальной энергии, хранящейся в виде массы воды на больших высотах. Электростанции PHS являются единственным экономически целесообразным вариантом для относительно больших установленных мощностей хранения, т. е. более 50 или 100 МВт. Это связано с тем, что стоимость туннелей, трубопроводов, турбин и генераторов на единицу генерирующей мощности выиграет от экономии масштаба.

Например, если диаметр туннеля удваивается, это удваивает стоимость туннеля; однако это также учетверяет количество воды, проходящей через туннель, и, следовательно, также мощность станции. Таким образом, для проектов PHS, чем больше установленная мощность, тем дешевле установленная мощность проекта ($/МВт).

На рынке существует высокий спрос на жизнеспособную технологию, которая могла бы предложить доступное долгосрочное хранение энергии с низкой генерирующей мощностью, кроме H2 и других синтетических видов топлива, которые страдают от относительно низкой эффективности преобразования переменного тока в переменный ток и высоких капитальных затрат. И этот пробел может быть потенциально заполнен новым решением, называемым технологией хранения энергии лифтом (LEST).

LEST — это технология EES, которая использует существующий лифт в высотном здании для подъема твердой массы на вершину здания в режиме зарядки и для снижения массы, генерирующей электроэнергию в режиме разрядки. Технология подъема очень зрелая и широко применяется повсеместно. Основное вмешательство LEST в существующую технологию заключается в том, что подъем также будет использоваться для выработки электроэнергии при снижении высоты массы. Уже давно несколько компаний инвестируют в гравитационное хранение энергии, технологию хранения потенциальной энергии с помощью твердых материалов на разных высотах.

Energy Vault предлагает разницу напора путем строительства и демонтажа высокой башни из бетонных блоков.

Недостатком этой технологии является то, что разница напора между нижним и верхним местами хранения относительно мала; также требуется большая точность при строительстве «бетонной башни», которая может со временем разрушиться. Другое решение предлагает использовать существующие шахтные стволы с большими головками для хранения потенциальной энергии. Существуют также предложения по использованию железнодорожных путей для перевозки бетонной массы с нижнего на верхнее место хранения.

Помимо необходимости строительства рельсовых путей, вес самого поезда почти равен весу бетонного блока, что приводит к большим потерям энергии. Наклон железнодорожных путей также снижает общую выходную мощность по сравнению с вертикальным спуском. Похожая альтернатива, которая в последнее время привлекла большое внимание, — это возможность генерации электроэнергии с помощью гидроэлектростанции Electric Truck.

Но чтобы заполнить существующий пробел для решения децентрализованного хранения энергии в городских условиях с недельными циклами лучше использовать LEST в качестве инновационного подхода к хранению энергии.

Методология

На рис. 2 представлена ​​методологическая структура, реализованная для оценки LEST.

Шаг 1 состоит из проверки технологии, анализа общего вклада лифтов в здание, описания компонентов и эффективности обычных лифтов и определения предлагаемого LEST.

Шаг 2 состоит из разработки LEST, поиска его ниш для услуг по хранению энергии, таких как установленная мощность и циклы хранения, предложения различных типов нижних и верхних мест хранения и анализа различных плотностей и затрат материалов для хранения и других компонентов системы.

Шаг 3 состоит из оценки стоимости LEST, поиска глобальной базы данных зданий и оценки глобального потенциала LEST.

2.1. Технология хранения энергии лифтами (LEST) LEST связывает два места хранения, одно из которых расположено внизу высотного здания (нижнее место хранения), а другое наверху того же здания (верхнее хранилище).

Энергия хранится как потенциальная энергия путем подъема контейнеров для хранения с помощью имеющегося в здании лифта из нижнего хранилища в верхнее хранилище. Затем электроэнергия вырабатывается путем опускания контейнеров для хранения с верхнего на нижнее хранилище. Пример предлагаемой компоновки представлен в Таблице 1. Верхнее и нижнее хранилища описаны на Рис. 3a,b,c. Загрузка и выгрузка контейнеров в лифт выполняется автономным прицепом, который забирает контейнеры из хранилища (нижнего или верхнего), заходит в лифт, движется вверх или вниз, выезжает из лифта и помещает контейнер в другое хранилище (верхнее или нижнее соответственно) (Рис. 3d и e и Рис. 4a и b).

Автономный прицеп имеет визуальные датчики, чтобы избежать столкновения с людьми при входе или выходе из лифта и переносе контейнеров вокруг здания (Рис. 4c).

Требования к перемещению контейнеров по горизонтали с помощью автономного прицепа невелики, они не были включены в эту оценку.

Горизонтальное потребление энергии будет зависеть от прицепа, колес и напольного покрытия. Ковровое покрытие значительно увеличит горизонтальное потребление энергии!

Система хранения будет регистрировать положение контейнеров и запускать программное обеспечение для оптимизации доступной емкости хранения в верхних и нижних местах хранения. Администрация здания может выбрать работу системы только в периоды низкого спроса на подъем, чтобы минимизировать влияние работы системы LEST на жильцов здания. Подъемная система может изменять скорость подъема в зависимости от требований к мощности накопления энергии. Если требования к мощности высоки, лифт может увеличить свою скорость; однако это снизит общую эффективность системы!

Когда лифты не используются, например, ночью, автономные прицепы могут заполнять лифт контейнерами, а лифт может использоваться для предоставления вспомогательных услуг электросети путем непрерывного подъема и опускания массы в соответствии с требованиями сети.

Мощность, вырабатываемая установкой LEST, можно рассчитать с помощью уравнения, где мощность равна энергии, запасенной в песке или гравии, деленной на время, необходимое для его опускания. Например, система будет вырабатывать больше мощности, если песок или гравий опускаются быстро. P ¼ E T (2) где, P — мощность, вырабатываемая системой LEST (Вт), T — время, необходимое для перемещения песка или гравия с верхнего на нижнее место хранения (с). Обычные подъемники проектируются с мощностью, представленной на рис. 5.

3. Результаты

Носители, используемые в предлагаемой конструкции, будут зависеть от доступного пространства и отдачи от услуги хранения энергии. Например, если стоимость места для хранения низкая, то смесь песка и воды может быть хорошим решением.

С другой стороны, если стоимость места для хранения высокая, то могут применяться материалы с более высокой плотностью!

Плотность и стоимость нескольких носителей сравнены и представлены на рис. 6. В таблице 2 представлено сравнение различных схем работы для LEST, предполагая, что системы имеют 5000 или 50 000 контейнеров для хранения с размерами 0,5 × 0,5 × 2 м, заполненных влажным песком пустыни с плотностью 2000 кг/м3 и весом 1 тонна (обычный предел веса подъемников показан на рис. 5).

Количество контейнеров для хранения значительно варьируется в зависимости от несущей способности потолка здания!

Цикл хранения в днях оценивается, предполагая, что средняя мощность генерации электроэнергии в лифтах зданий составляет 30 кВт. Коэффициент мощности генерации лифта низок, так как половину времени лифт будет хранить энергию, а другую половину — вырабатывать электроэнергию. Кроме того, в режиме генерации электроэнергии лифт должен двигаться вверх и вниз для выработки электроэнергии. Другими словами, лифт дважды поднимается и дважды опускается в цикле хранения. Предполагая, что лифт работает 70% времени, накапливая энергию, коэффициент мощности системы составляет 17,5%.

Здание с 5000 контейнерами и средней разницей высот 50 м имеет емкость хранения энергии 545 кВт·ч, что эквивалентно хранению энергии электромобиля.

Обратите внимание, что количество лифтов в здании может значительно увеличиться, если лифты будут без канатов. LEST с большей средней разницей высот обеспечит более высокий потенциал для хранения энергии и более длительный цикл хранения. Как показано в таблице 2, различные рабочие схемы могут привести к циклам хранения энергии в день, недели или месяц.

Проектирование и эксплуатация должны быть сосредоточены на долгосрочных циклах хранения (еженедельных или ежемесячных), поскольку батареи могут обеспечить краткосрочное хранение энергии более надежно, дешево и эффективно.

Однако, если спрос мини-сети превышает ее пиковую мощность генерации, или если в сети имеется избыток генерации электроэнергии, которую батареи не могут хранить, LEST может использоваться для дополнения краткосрочных требований системы к хранению энергии. С целью воспроизведения рабочего сценария LEST мы предложили использовать морскую ветровую электростанцию ​​близ Нью-Йорка на широте 40,4685 и долготе 73,7722, представленную на рис. 7b, с установленной мощностью 1 ГВт для удовлетворения спроса на электроэнергию в высотных зданиях в Нью-Йорке, как показано на рис. 7c. Желаемая выработка электроэнергии в результате совместной работы оффшорной ветровой электростанции и систем LEST состоит из средней выработки ветровой энергии за одну неделю вперед до анализируемого часа. Профиль выработки ветровой энергии в этом месте использует данные с сайта Renewable Ninja. Рис. 7a показывает частоту посетителей в здании Empire States в течение недели. Это используется для оценки того, когда лифты доступны для использования для хранения энергии.

Однако, поскольку сценарий предполагает проверку долгосрочного хранения энергии, предполагается, что ежедневное изменение спроса на энергию будет сбалансировано вспомогательной системой батарей в здании. Предлагаемая система LEST имеет емкость хранения 30 ГВт·ч и начальный заряд 15 ГВт·ч.

Для достижения этой емкости хранения потребуется 2752 здания с 50 000 контейнеров для хранения, каждое со средней разницей высот 100 м. Как показано на рис. 7d, операция LEST сосредоточена на хранении энергии в основном в еженедельных циклах, так как она предназначена для работы. На рис. 7c показаны потери энергии, поскольку система хранения энергии не имеет достаточной емкости для хранения всей избыточной генерации оффшорного ветра. Эти сокращения мощности оффшорного ветра эквивалентны только 2% от общей генерации оффшорного ветра. Для расчета предполагается, что установленные подъемники уже имеют возможности рекуперативного торможения, а стоимость аренды пространства для хранения контейнеров на верхних и нижних площадках хранения равна нулю. Таким образом, единственными требованиями к стоимости являются контейнеры, материал, выбранный для увеличения массы контейнеров, и автономные прицепы (таблица 3). Здание, используемое для иллюстрации стоимости системы, имеет 5000 контейнеров для хранения со средней разницей высот 100 м. Стоимость хранения энергии оценивается в 64 долл. США/кВтч. Чем больше разница высот между нижними и верхними площадками хранения, тем дешевле хранить энергию с помощью LEST.

Еще одним преимуществом LEST является то, что срок службы контейнера и материала (79% от общей стоимости) превышает 30 лет.

Срок службы автономного прицепа (21% от общей стоимости) составляет 5 лет.

4. Обсуждение

LEST может заполнить пробел для технологий децентрализованного хранения энергии с еженедельными циклами хранения энергии. См. рис. 8 для LEST с MGES, батареями, PHS, аммиаком и водородом.

Рисунок выше фокусируется на долгосрочных решениях по хранению энергии и ограничениях для батарей для коротких энергетических решений.

Значительным ограничением для LEST, которое не рассматривалось в этой работе, является несущая способность потолка здания.

Здания и их полы спроектированы для определенных целей. Если цель данного здания определена, инженеры будут следовать строительному кодексу, который будет определять требования, касающиеся, например, несущей способности пола. Обычно это представлено в фунтах на квадратный фут или килограммах на квадратный метр.

Весьма маловероятно, что здания в прошлом проектировались с идеей, что они могут служить хранилищами энергии в будущем. Поэтому сделано предположение, что несущая способность пола достаточна, чтобы выдержать дополнительный вес складских блоков в каждом здании. Для целей реализации обязательно оценить локальный потенциал, приняв во внимание несущую способность потолка здания. Чтобы минимизировать раскачивание, застройщики размещают гигантские противовесы, называемые настроенными массовыми демпферами (TMD), вблизи вершины небоскребов.

TMD — это гигантский шар из стали или бетона, который весит от 300 до 800 тонн, и он обычно подвешивается в здании с помощью пружин и поршней. Автономные прицепы с контейнерами также выполняют функцию настроенного массового демпфера, перемещаясь с одной стороны на другую, чтобы уравновесить движение башни при сильном ветре или во время землетрясения. Поскольку высотное здание не поддерживает 500 прицепов для LEST, автономные прицепы из окружающих зданий, у которых нет проблем с высокой скоростью ветра или землетрясениями, могут переместиться в соседнее высотное здание, чтобы обеспечить настроенный массовый демпфер для обслуживания системы.

На рис. 9а представлены примеры настроенных массовых демпферов в высотных зданиях.

На рис. 9б представлена ​​карта мира с количеством зданий выше 250 м в городе.

LEST также особенно интересен в городах-призраках Китая.

Есть несколько городов-призраков, где лифты могут использоваться в качестве устройств хранения энергии. В некоторых случаях инвесторы не сдают пустые квартиры, потому что они хотят быть гибкими, чтобы продать квартиру в любое время, когда они получат хорошую цену. Поэтому LEST может быть хорошим приложением для таких пустых квартир. ThyssenKrupp разработала лифт Multi, который не использует канаты. Вместо этого он использует магнитную силу для подъема и опускания лифтов. Это позволяет лифту двигаться вертикально, горизонтально и по диагонали!

Это особенно интересно для высотных зданий, потому что несколько лифтов могут одновременно двигаться вверх или вниз в таких же шахтах. Это значительно уменьшает количество шахт, необходимых в здании, увеличивая до 50% пространства, доступного для жилых или офисных помещений в здании. Эта технология особенно интересна для LEST, потому что: поскольку в одной шахте находится несколько лифтов, ускорение и скорость лифта значительно снижаются, что увеличивает общую эффективность системы, а большое количество лифтов, поднимающихся или опускающихся одновременно, обеспечивает относительно постоянную подачу электроэнергии, и устранение тросов и противовесов обычных лифтов также уменьшает массу лифта на 50%, что еще больше увеличивает эффективность системы. Глобальный потенциал LEST можно оценить с учетом существующих зданий.

В нашем анализе рассматривались только здания высотой более 50 м. База данных начинается с Burj Khalifa в Дубае (828 м) и заканчивается Wills Eye Hospital Walnut Towers в Филадельфии (53,25 м). Всего база данных состоит из 22 585 зданий, распределенных по всему миру. На рис. 11 представлено пространственное (региональное) и высотное распределение зданий в указанной базе данных. Средняя высота рассматриваемых зданий составляет ~120 м, и в целом наибольшее количество зданий можно найти в Северной Америке и Азии. Количество зданий немного ниже, чем в рассматриваемой базе данных, поскольку некоторые страны не включены ни в один из упомянутых регионов. Для оценки глобального потенциала мы следовали процедуре, описанной в разделе 2. Мы сделали консервативное предположение, что каждое здание может выдержать (как с точки зрения пространства, так и конструкции) массу 5000 контейнеров.

Также предполагалось, что средняя высота равна высоте здания и в некоторых случаях, это может привести к переоценке, так как некоторые здания имеют высокие шпили, не подходящие в качестве верхнего места хранения. В то же время наши расчеты не учитывают потенциальное увеличение средней высоты, если глубокие подвалы используются в качестве нижних мест хранения.

Результаты представлены на рис. 12. Координаты зданий были округлены до ближайшего целого числа и сгруппировано. Поэтому здания, расположенные рядом друг с другом, представлены вместе. Глобальный потенциал составил 29,2 ГВт·ч, что в статье округлено до 30 ГВт·ч. Если предположить, что в зданиях можно хранить 50 000 контейнеров, этот глобальный потенциал возрастает до 300 ГВт·ч.

Потенциал хранения пропорционален высоте здания, поэтому ранее упомянутая Бурдж-Халифа могла бы потенциально хранить от 9 до 90 МВт·ч. Потенциал хранения LEST в США составляет от 6,5 до 65 ГВт·ч и от 7,3 до 73 ГВт·ч в Китае. Будущие направления для дальнейшего развития LEST:

1. Проведение экспериментов на существующем здании с рекуперативными тормозными лифтами для оценки эффективности LEST с различными двигателями/генераторами и режимами работы, такими как ускорение и скорость,

2. Внедрение LEST в здании для снижения общих затрат на электроэнергию в здании или хранение энергии из непостоянных возобновляемых источников энергии.

3. Анализ преимуществ и проблем предоставления децентрализованных вспомогательных услуг с помощью LEST, сравнение LEST с маховиками, и проектирование зданий с нуля для оптимизации их использования для хранения энергии с помощью LEST.

Глобальный потенциал хранения для этой технологии варьируется от 30 до 300 ГВт·ч, в основном в мегаполисах с высотными зданиями, таких как Нью-Йорк, Чикаго, Филадельфия, Сиэтл, Лос-Анджелес, Гавайи и Торонто в Северной Америке, Дубай и Доха на Ближнем Востоке, Пекин, Шанхай, Гонконг, Токио, Куала-Лумпур и Сингапур в Азии, а также Сидней и Мельбурн в Австралии. Хотя на небольших островах Карибского моря, в Индонезии, на Филиппинах и островах Тихого океана обычно не так много высотных зданий, они были бы более благоприятными местами для LEST из-за более высоких затрат на электроэнергию и меньшей потребности в хранении энергии. LEST может служить децентрализованным решением для городского хранения энергии, чтобы сбалансировать еженедельные колебания в подаче электроэнергии от ветровых и солнечных источников и колебания спроса.

P.S. - Стоит упомянуть что здание-гравитационный аккумулятор в Китае подозрительно напоминает обычное, только специально созданное с учетом потенциального использования.

Но это все лирика. А практически если вернутся к первой картинке в начале статьи при использовании технологии LEST в здании появится еще одна объективная причина задумчивости лифта. Но на этот раз важная не только в плане здоровья жителей, но и экологии.