Хранение энергии. Обзор. Хранение энергии 28.06.22. Хранение энергии в контексте энергетического перехода обзор технологий Аннотация

• Название: Хранение энергии в контексте энергетического перехода обзор технологий Аннотация
• Анкор: Хранение энергии. Обзор
• Дата: 08.05.2023
• Размер: 4.08 Mb.
• Имя файла: Хранение энергии 28.06.22.docx
• Тип: Документы; #1115769
• страница: 2 из 11

2.2.1. Технологии хранения механической энергии

2.2.1.1 Насосное гидроаккумулирование (PHS). Насосное гидроаккумулированиеявляется наиболее развитым и широко представленным крупномасштабным EES в мире, с более чем 340 действующими объектами и 178 ГВт установленной мощности [72].

Система PHS состоит из двух водоемов на разных высотах, соединенных трубами и турбомашинами. Энергия накапливается за счет перекачки воды из нижнего резервуара в верхний, а получаем мы энергию при помощи турбины и воды, которая возвращается из верхнего резервуара в нижний.

Могут быть установлены раздельные турбомашинные агрегаты, насосы и турбины, или обе функции могут выполнять турбомашины, называемые реверсивными насос-турбинами [44].

Обычные конструкции PHS можно разделить на два основных типа: чистые или безнапорные, когда верхний водоем физически отделен от естественных водотоков, и гибридные или откачиваемые, когда и нижний, и верхний резервуары объединены с водотоками. В последнем случае PHS очень похожа на водохранилище, но отличается откачивающей способностью. Следовательно, в зависимости от географических и экологических условий гидроэлектростанции могут быть модернизированы до объектов PHS [73].

Номинальная мощность PHS обычно находится в диапазоне от сотен до тысяч МВт, в то время как емкость накопления энергии пропорциональна разнице высот между нижним и верхним резервуаром и объему хранимой воды. Как правило, PHS может хранить достаточно энергии для работы в течение нескольких часов, и, поскольку потери малы, такая установка может хранить большое количество энергии в течение нескольких месяцев. Однако размер резервуаров PHS объясняется не только обычно большой емкостью, но и очень низкой плотностью энергии (0,5–1,5 Втч / л).

Обычный PHS также характеризуется эффективностью от умеренной до высокой (65–85%), длительным сроком службы (30–60 лет), а его турбомашинные и электрические компоненты имеют быстрое время отклика в диапазоне секунд, и для полного выхода на полную мощность требуется всего несколько минут.

Основные недостатки связаны с путями реализации рассматриваемых объектов, особенно это касается необходимости наличия двух резервуаров.

Помимо того, что это дорого и требует длительного времени выполнения, трудно найти подходящие с точки зрения географии участки, к тому же воздействие на окружающую среду может быть значительным: затрагивается местная растительность, покрывается водой пригодные для сельского хозяйства площади или даже целые деревни.

Эти недостатки вызывают интерес к ранее упомянутой модернизации, а также к некоторым инновационным технологиям PHS, которые включают различные типы турбин или резервуаров для смягчения некоторых недостатков традиционных PHS [18, 40, 41, 43, 44, 73, 74].

Одно из этих инновационных решений включает в себя подземную вертикальную шахту с поршнем внутри, схематично показанную на рис. 1. Энергия накапливается за счет перекачки воды на дно шахты, тем самым поднимая поршень. Чтобы высвободить энергию, поршень движется вниз, вытесняя воду, которая прогоняется через турбину для выработки электроэнергии, а затем вода снова вводится в верхнюю часть шахты.

Это решение снижает воздействие на окружающую среду, поскольку не имеет географических ограничений и отсутствует необходимость в поверхностных резервуарах.

Подземный шахтно-поршневой PHS имеет номинальную мощность в несколько сотен МВт, аккумулирующую способность от получаса до нескольких часов при номинальной мощности, высокий КПД (75–80%) и время отклика, аналогичное обычному PHS [75,76].



2.2.1.2 Хранение энергии в сжатом воздухе (CAES)

Хранение энергии в сжатом воздухе (CAES) — еще одна коммерчески развитая технология, способная хранить большое количество энергии и обеспечивать подачу высокой мощности. Когда объект CAES находится в рабочем состоянии, он использует электричество для привода компрессора, полученный сжатый воздух хранится в качестве источника энергии. Процесс разрядки основан на использовании газовой турбины.

Сжатый воздух предварительно нагревается с использованием дополнительного топлива, обычно природного газа, а затем расширяется в турбине для выработки электроэнергии [40]. В этой схеме CAES, также называемой Diabatic CAES (D-CAES) (диабатическое накопителение энергии на сжатом воздухе), когда воздух сжимается, все выделяемое тепло теряется, что снижает общую эффективность системы и требует внешнего источника тепла для расширения воздуха [41]. Первые два крупных завода D-CAES все еще работают. Первым из них - завод Huntorf CAES в Германии, работающий с 1978 года, с номинальной мощностью 320 МВт и КПД 42%. Второй - McIntosh CAES в Алабаме, США, работает с 1991 года, имеет мощность 110 МВт и КПД 54%.

По сравнению с предыдущим заводом, эффективность завода McIntosh была повышена за счет использования рекуператора тепла, что уменьшило потребление топлива. Что касается места для хранения, вышеупомянутые объекты и крупномасштабные проекты CAES используют подземные площадки, такие как соляные шахты или скальные пещеры, для хранения сжатого воздуха при давлении от 4 до 8 МПа [39,40,44].

Интересны некоторые технические характеристики D-CAES, такие как высокая номинальная мощность (100–300 МВт), большая накопительная емкость с длительным временем разрядки, умеренное время отклика (около десяти минут) и длительный срок службы (20–40 лет). D-CAES имеет более низкие капитальные затраты по сравнению с обычным PHS, но более высокие эксплуатационные расходы из-за использования топлива. Однако D-CAES сталкивается с серьезными недостатками, такими как низкий или умеренный КПД (40–60%), необходимость в определенном подземном сооружении, которое должно быть достаточно большим для размещения сжатого воздуха из-за его низкой удельной энергии (3–12 кВт·ч). /м3), а использование ископаемого топлива в фазе расширения делает D-CAES системой, выделяющей углерод [39–41,44,73,77].

Инновационные решения CAES находятся в стадии исследований и разработок для решения некоторых экологических проблем D-CAES, особенно в отношении альтернативных вместилищ для хранения сжатого воздуха и повышения тепловой эффективности, чтобы избежать необходимости в дополнительном использовании топлива.

На рис. 2 показаны типовые принципиальные схемы для D-CAES и Инновационного CAES, при этом в первом необходим внешний источник тепла, который не нужен во втором, так как в нем есть и сжатый воздух, и накопитель тепла. Инновационные CAES могут иметь различные технологические решения, три из которых будут описаны ниже. Адиабатический CAES (A-CAES) включает в себя накопитель тепла для сохранения тепла, выделяемого при сжатии, для последующего использования при расширении [18,41].

Изотермический CAES (I-CAES) фокусируется на другом процессе сжатия, который генерирует меньше тепла, необходимого для хранения. Во время сжатия распыляется вода для поглощения тепла, выделяющегося в процессе, и воздух и тепло сохраняются. При высвобождении энергии теплая вода распыляется в пространство для поддержания температуры во время процесса. В обоих случаях хранение сжатого воздуха может быть подземным или надземным (в сосудах под давлением) [43].

Подводные CAES (UW-CAES) предлагает решение для хранения сжатого воздуха: необходимо использовать мешки под водоемами, как показано на рис. 3, используя гидростатическое давления для хранения воздуха, а также применяя одно из вышеупомянутых улучшений теплового КПД (адиабатическое или изотермическое сжатие) [75,77–79].

Ожидается, что эти три нововведения будут развернуты в модульном масштабе от нескольких сотен кВт до десятков МВт, и только A-CAES может использоваться в более крупных масштабах — от сотен МВт в одном блоке. Они также обладают емкостью хранения от десятков минут до нескольких часов, высокой эффективностью (75–95%), хорошим временем отклика (около минуты) и длительным сроком службы (30 лет).

Все инновационные технологии имеют более высокие капитальные затраты на электроэнергию по сравнению с D-CAES, капитальные затраты на обычные подземные и подводные хранилища аналогичны и ниже, чем на надземные хранилища [75].




2.2.1.3. Маховое колесо

По словам Линн Уайт [80], использование маховика в качестве накопителя механической энергии восходит к 11 веку, но только в начале 20 века исследования теоретических пределов напряжения вращающихся дисков открыли новые возможности для конструирования и применения маховика [80, 81].

В 1940-х годах швейцарская компания Oerlikon разработала автобус с маховиком, названный гиробусом [82]. В 1960–70-х годах программы НАСА рассматривали маховики для хранения энергии в качестве возможного промежуточного носителя энергии для космических миссий [81].

В маховике энергия запасается в виде кинетической энергии вращения. Двигатель использует электричество для вращения ротора маховика, заряжая систему. При разрядке тот же двигатель, действующий как генератор, вырабатывает электричество, замедляющее ротор маховика. В системе с маховиком номинальная мощность определяется характеристиками мотор-генераторной установки и связанной с ней силовой электроники, а аккумулирующая способность зависит от формы ротора, материала и скорости [40].

Имеются две конфигурации маховиков с учетом их максимальной скорости ротора. Низкоскоростные маховики достигают скорости менее десяти тысяч об/мин, сталь является наиболее распространенным материалом ротора, а высокоскоростные могут достигать сотни тысяч об/мин, наиболее распространенный материал ротора - композиты. Низкоскоростные маховики могут быть в пять раз дешевле скоростных, что объясняется разницей в материалах ротора и более прочным мотор-генераторным оборудованием у быстроходных маховиков [18,41].

Маховик имеет внутреннюю среду, либо заполненную газом с низким коэффициентом трения, либо вакуумированную, также имеются магнитные подшипники с очень низким коэффициентом трения, они необходимы для поддержания ротора, уменьшая потери энергии во время зарядки, разрядки и ожидания. Тем не менее маховики обычно имеют очень высокую скорость саморазряда (55–100 %/сутки) [38].

Эта неблагоприятная характеристика не препятствует использованию маховиков, потому что они применяются в тех случаях, когда требуется высокая мощность в частые короткие периоды времени. Обычно маховики имеют номинальную мощность в диапазоне сотен кВт, достигающую в модульных системах нескольких МВт, длительность разряда от секунд до минут, высокий КПД (75 85%), малое время отклика (в диапазоне от миллисекунд до единиц секунд) и большой срок службы (десятки тысяч циклов или 15–20 лет) [40,41,44].

Системы с маховиками практически не оказывают неблагоприятного воздействия на окружающую среду, поскольку в их компонентах не содержатся опасные материалы, а выбросы в процессе эксплуатации отсутствуют. Наиболее серьезной экологической проблемой для систем с маховиками является шум, особенно это касается низкоскоростных маховиков, достигающих уровня шума 70 дБ на расстоянии 2 м.

Высокоскоростные маховики имеют вакуумную камеру и значительно тише. Маховики могут быть установлены под землей, тогда они будут незаметны [60].

2.2.1.4. Жидкостно-воздушное накопление энергии (LAES)

Хранение энергии в жидком воздухе (LAES) - это новая технология, которая накапливает тепловую энергию путем сжижения воздуха. При накоплении энергии электричество приводит в действие цикл сжижения, и сжиженный воздух хранится в теплоизолированном резервуаре. В цикле высвобождения энергии давление жидкого воздуха повышается, а затем преобразуется в воздух высокого давления, проходя через теплообменник. Воздух высокого давления используется для выработки электроэнергии в расширительной турбине. Тепловой накопитель используется для ограждения холода от испарений, которые будут рекуперированы в противоточном теплообменнике для уменьшения энергии, необходимой для цикла сжижения.

Другое тепловое хранилище может быть использовано для сохранения отработанного тепла от цикла сжатия в целях последующего использования для предварительного нагрева воздуха высокого давления в цикле разрядки.

Помимо отработанного тепла от цикла сжижения, в процессе расширения могут использоваться другие источники отработанного тепла или другой внешний источник тепла, например, концентрированная солнечная энергия [83].

На рис. 4 представлена ​​схема установки ЛАЭС, представляющая указанный выше цикл хранения.

Одним из существенных преимуществ LAES является более высокая плотность энергии (до 50 кВт·ч/м3) по сравнению с обычным PHS или обычным CAES [84]. Следовательно, установка LAES может быть до 12 раз меньше, чем обычная CAES, или до 140 раз меньше, чем традиционная PHS.

У LAES есть и другие преимущества, такие как отсутствие ограничений по местоположению, поскольку все ее конструкции расположены над землей и хорошо изучены в отраслях, использующих жидкий воздух. Также у LAES отсутствуют недостатки, связанные с экологическими проблемами [75]. LAES показывает высокий КПД (75–85 %), если в цикле разряда используется отработанное тепло, в противном случае уровень КПД будет низким (40–50 %). LAES имеют номинальную мощность от десятков МВт до сотен МВт с расчетной емкостью на несколько часов работы, умеренное время отклика (около десяти минут) и длительный срок службы (20–40 лет). Недостатки LAES связаны с затратами на процесс сжижения и необходимостью использования отработанного тепла для повышения эффективности работы [85–87].


2.2.1.5. Насосное накопление тепловой энергии (PTES).

Насосное накопление тепловой энергии (PTES) — это разрабатываемая технология, направленная на хранение электроэнергии в виде тепловой энергии с использованием реверсивного теплового насоса. Система PTES, как показано на рис. 5, состоит из двух накопительных резервуаров, заполненных твердым материалом, и тепловой машины, способной выполнять функции как теплового насоса, так и теплового двигателя.

При накоплении энергии электричество приводит машину в действие как тепловой насос, производящий горячий газ под высоким давлением, который впрыскивается в резервуар для хранения, а в другой резервуар впрыскивается холодный газ. Газы распространяются соответственно тепловым и холодным фронтами в твердые материалы, которые заполняют резервуары.

В цикле нагнетания, действуя как тепловой двигатель, тепловая машина использует разницу температур между двумя резервуарами для работы вала по приводу электрического генератора. Во время этого процесса более теплый фронт распространяется через низкотемпературный накопительный бак, а более холодный фронт распространяется через высокотемпературный накопительный бак.

Резервуар для хранения с низкой температурой поддерживается при давлении окружающей среды, а резервуар для хранения с высокой температурой — при более высоком давлении [88–90].

Уровни высоких и низких температур, а также соотношение давлений между двумя резервуарами зависят от характеристик твердого материала и рабочей жидкости [91].

Система PTES, использующая аргон в качестве рабочей жидкости и гравий в качестве твердого материала для хранения, работает при высокой температуре около 500 °C и низкой температуре около 160 °C, степень сжатия равна 12 [92].

Некоторым преимуществом (помимо гибкости реализации, поскольку установка не требует какой-либо конкретной площадки для размещения) PTES является более высокая плотность энергии (35–50 кВт·ч/м3) по сравнению как с обычными PHS, так и с обычными CAES [90].

Несмотря на то, что PTES разделяет эти преимущества с LAES, эффективность первого не зависит от рекуперации отработанного тепла, полагаясь только на эффективность теплоизоляции и рабочие характеристики реверсивного теплового насоса. PTES обладают высоким КПД (70–80%), мощностью от сотен кВт до нескольких МВт, накопительной емкостью на несколько часов работы, большим сроком службы (25 лет) [93–95].

В настоящий момент проводятся исследования характеристик материалов, эти исследования направлены на повышение срока службы твердых материалов и повышение рабочих температур для достижения более высокой плотности энергии [89–92]. PTES также безвреден для окружающей среды, поскольку рабочей жидкостью обычно является инертный газ, а твердым материалом для хранения обычно являются обычные минералы [92].