Накопи́тель эне́ргии, устройство, воспринимающее, сохраняющее и выделяющее энергию для использования без преобразования её вида. Накопители энергии различаются объёмом запасаемой энергии, скоростью её накопления и отдачи («зарядки» и «разрядки»), удельной энергоёмкостью (плотностью накопленной энергии), возможными сроками её хранения и другими параметрами, включая надёжность и стоимость изготовления и обслуживания. Например, при производстве электрической энергии с использованием возобновляемых источников (вода, ветер, солнце и др.) возникает проблема непостоянства их мощности. Поэтому энергию источника при её избытке необходимо запасти в накопителе энергии, а затем уже расходовать эту накопленную энергию в необходимом количестве. При этом накопитель энергии будет играть роль демпфирующего устройства, сглаживающего колебания мощности источника (например, гидроаккумулирующая электростанция). Если вид энергии при этом меняется, например с электрической на механическую, то этот переход осуществляет преобразователь энергии, в данном случае электродвигатель.

Накопители энергии делятся на 3 основные группы: накопители электроэнергии (электрические аккумуляторы, ёмкостные и индуктивные накопители), накопители механической энергии (статической и динамической) и накопители тепловой энергии (с фазовым переходом и без него); не рассматриваются малозначимые с энергетической точки зрения накопители, например фосфоресцирующие составы – накопители световой энергии.

Накопители электроэнергии

Из множества электрических аккумуляторов наиболее перспективными для применения как в бытовой электронной технике, так и в электромобилях являются литий-ионные аккумуляторы. Их удельная энергоёмкость (одна из самых высоких для электрических аккумуляторов) 400–720 кДж/кг, удельная мощность около 300 Вт/кг. Важное достоинство – отсутствие т. н. эффекта памяти (низкий уровень саморазряда); недостатки – относительно небольшой срок службы (свыше 1000 циклов), подверженность старению (срок службы не более 5 лет). Из ёмкостных накопителей наиболее перспективны электрохимические конденсаторы (суперконденсаторы, или ионисторы), которые, по мнению отечественных и зарубежных специалистов, в будущем могут вытеснить электрохимические аккумуляторы. Удельная энергоёмкость их в десятки раз больше, чем у обычных электролитических конденсаторов. Любая катушка индуктивности является индуктивным накопителем электроэнергии, но срок хранения энергии ничтожен из-за активного сопротивления обмоток. В условиях сверхпроводимости индуктивные накопители приобретают техническую реальность.

Накопители механической энергии

Накопители механической энергии – самый древний класс таких устройств, освоенный ещё доисторическим человеком. Многие виды этих конструкций отличаются предельной простотой и практически неограниченным сроком службы и хранения запасённой энергии. Однако их удельная энергоёмкость, как правило, очень мала. Например, поднятый на высоту 10 м груз обеспечивает удельную энергоёмкость всего 0,1 кДж/кг, стальная пружина – около 0,3 кДж/кг, а растянутая резина – около 3 кДж/кг. В газовых механических накопителях энергия накапливается за счёт упругости сжатого газа. При избытке энергии компрессор закачивает газ в баллон. Когда требуется использовать запасённую энергию, сжатый газ подаётся в турбину, непосредственно выполняющую необходимую механическую работу или вращающую электрогенератор. Вместо турбины можно применять поршневой двигатель, который более эффективен при небольших мощностях. Практически каждый современный промышленный компрессор оснащён подобным аккумулятором – ресивером. Сжатый при давлении 20 МПа газ в прочном резервуаре может обеспечить достаточно высокую удельную энергоёмкость (около 30 кДж/кг) в течение практически неограниченного времени (месяцы, годы, а при высоком качестве металлического баллона и запорной арматуры – десятки лет). Однако кпд такого накопителя невелик (порядка 60 %) из-за охлаждения газа при расширении. Поднятый груз, в том числе и вода, всевозможные пружины, резиновые элементы, сжатый газ – это статические накопители. Современные динамические или маховичные накопители энергии обеспечивают недостижимые для других накопителей удельные энергетические и особенно мощностные показатели. Так, супермаховик из графитового волокна массой 10 кг при 60 тыс. об/мин, накапливающий около 20 МДж энергии, может передать через вал диаметром 30 мм мощность свыше 16 МВт. Это свойство маховиков кратковременно выделять огромную мощность используется, например, в ударных генераторах.

Накопители тепловой энергии

Накопители тепловой энергии с фазовым переходом имеют наибольшее практическое значение. Они запасают и отдают бо́льшую часть тепловой энергии почти без изменения температуры рабочего тела, которое при этом переходит, например, из жидкого состояния в твёрдое и наоборот. В частности, гидрид лития, нередко используемый в качестве рабочего тела накопителей тепловой энергии, плавящийся при температуре 650 °C, будет сохранять её вплоть до затвердевания (удельная энергоёмкость 2856 кДж/кг). Подбирая материалы, плавящиеся при различных температурах, можно получать накопители теплоты с почти постоянной температурой рабочего тела при накоплении и выделении тепловой энергии. Например, в диапазоне от комнатных температур до 100 °C подходят парафин, озокерит и некоторые кристаллогидраты; в диапазоне 600–800 °C – гидрид и фторид лития; при температурах свыше 1000 °C – оксиды бериллия, магния, алюминия, кремния. С помощью накопителей тепловой энергии можно получать и механическую, и электрическую энергию, преобразовывая вид энергии соответствующими преобразователями. Механическую энергию из тепловой можно получить, в частности, с помощью т. н. двигателей внешнего сгорания (паровых, двигателя Стирлинга и др.). Электрическую энергию из тепловой получают, например, с помощью термоэлементов или термоэмиссионных преобразователей энергии. Однако удельная энергоёмкость всего устройства «накопитель – двигатель» при этом падает во много раз. Накопители тепловой энергии с фазовым переходом широко используются за рубежом (например, для нагревания воды в квартирах, имеющих двойной тариф оплаты электроэнергии). Ночью рабочее тело в бачке, расположенном в подсобном помещении, в ванной или на кухне, разогревается до плавления дешёвой электроэнергией, а днём пропускаемая по трубкам через расплавленное рабочее тело холодная вода нагревается дешёвой ночной электроэнергией. Или, например, термобигуди для завивки волос – это тоже накопитель энергии с фазовым переходом на основе парафина. Накопители тепловой энергии без фазового перехода (например, солнечный водонагреватель) накапливают небольшие количества энергии на единицу своей массы.