Развитие цивилизации сопровождается ростом производства и потребления энергии. Такой рост не только требует увеличения экономических затрат, он ещё оказывает негативное воздействие на окружающую среду.

Сравнение источников электроэнергии по удельной мощности и удельной энергии, предложенное американским инженером Дэвидом Рагоном. Рисунок (с изменениями) из статьи: Kotz R. Carlen MElectrochim. Acta 45 2483 (2000).

Развитие цивилизации сопровождается ростом производства и потребления энергии. Такой рост не только требует увеличения экономических затрат, он ещё оказывает негативное воздействие на окружающую среду. Желательно, чтобы энергия обходилась нам дешевле, а вреда от её производства и потребления было бы меньше. Отсюда растущий интерес к возобновляемым источникам энергии. Это солнечное излучение, ветер, волны и морские приливы. Логика прозрачна: например, солнечный свет всё равно падает на Землю и ею поглощается, так почему бы не использовать этот бесплатный поток энергии, который достигает 1 кВт/м²?

Однако время суток, когда поступление возобновляемой энергии максимально, может не совпадать с временем, когда энергия нужнее всего. И ветер дует, когда хочет, и погода бывает пасмурная. Поэтому производимую таким способом энергию надо запасать, чтобы её можно было использовать, когда это потребуется.

Есть много методов накопления энергии, которые отличаются типом запасаемой энергии (механическая, тепловая, электрическая), ёмкостью, мощностью, надёжностью хранения, стоимостью устройств. Важнейшие параметры — удельная энергия, то есть сколько энергии можно запасти в устройстве на единицу его массы или объёма, и удельная мощность — то есть насколько быстро эту энергию можно загрузить и извлечь. Данная статья посвящена суперконденсаторам — относительно новым устройствам накопления электрической энергии. Но для сравнения немного скажем о других видах энергии.

Накопители механической и тепловой энергии

Простейший накопитель механической энергии — это груз массой M, поднимаемый на некоторую высоту H. В этом случае количество запасаемой энергии E вблизи поверхности Земли приблизительно выражается формулой Е = MgH, где g — ускорение свободного падения. Простые вычисления показывают, что величина энергии, запасаемой при использовании механического накопителя, не столь велика: если груз массой 100 т поднимается на высоту 100 м, величина накапливаемой энергии составляет примерно 9,8 • 10⁷ Дж ≈ 30 кВт•ч, чего едва хватит на суточное потребление нескольких квартир. Кроме того, для накопления и выделения энергии требуется значительное время. Тем не менее попытки придумать эффективный накопитель механической энергии известны. Например, предлагается закачивать воду в озеро, расположенное выше турбин, а потом сливать эту воду вниз через них.

Что касается накопителей тепловой энергии, то они используют материалы, в которых тепловая энергия запасается в результате фазового перехода. Так, у обыкновенной воды при её превращении в лёд выделяется энергия 334 кДж/кг, и столько же энергии требуется для таяния льда. Поэтому для накопления энергии в 30 кВт•ч необходимо примерно 300 кг воды. Мы видим, что накопители тепловой энергии в сотни раз эффективнее, чем накопители механической энергии такой же массы. Однако использование воды и льда для накопления тепловой энергии неудобно, поскольку процессы будут идти при 0°С. Для практического использования желательны более высокие температуры...

№4, 2026