Батарейки

популярно о научном

Создание хранилищ возобновляемой энергии с помощью воздуха

Создание хранилищ возобновляемой энергии с помощью воздуха

Быстрый рост солнечных и ветряных электростанций, наблюдающийся в последние годы во всем развитом мире, с одной стороны может восприниматься как долгожданная победа в нелегком деле сбережения окружающей среды и природных ресурсов планеты, а с другой обнажает все более обостряющуюся проблему эффективного хранения и утилизации полученной таким образом энергии.

И чем большая доля энергии в энергобалансе отдельных стран и всего мира производится с помощью возобновляемых источников, тем проблема эффективной утилизации этой энергии становится острее. Некоторые европейские ученые предлагают дешевый и очень распространенный ресурс для хранения возобновляемой энергии - воздух.

В то время как одни исследователи заняты развитием технологий проточных батарей и других продвинутых технологий для электросетей, активно развивающихся в последние годы (вспоминаем решения по хранению электроэнергии, предлагаемые компанией Элона Маска SolarCity, например), отдельные ученые предлагают пересмотреть подход к старому дедовскому методу - т.н. хранилищам энергии на сжатом воздухе / ХЭСВ (compressed air energy storage / CAES). Как понятно из названия, речь идет о технологии, которая использует текущие излишки электроэнергии (появляющиеся в электросети как возобновляемых, так и от традиционных источников электроэнергии) для сжатия воздуха, который затем подается для хранения в подземные пустоты. Когда же в электросети ожидается недостаток энергии, например, в утренние и вечерние часы, то воздух из хранилищ подается на турбины электрогенераторов, чтобы восполнить ожидающийся провал в мощности. В теории это довольно таки привлекательное решение - оно является одним из самых дешевых способов хранения больших объемов энергии, в отличие, например, от крупных водохранилищ гидроэлектростанций, которые требуют немалых перепадов высот и затопления огромных территорий, что возможно далеко не везде.

Однако, процесс сжатия воздуха сопровождается выделением тепла (PV/T=const). Мало того, что это снижает эффективность системы хранения энергии, так еще и нужно думать о том, что делать с этим теплом. Сегодня на планете существуют только две электростанции, использующие ХЭСВ - электростанция в немецком Хунторфе (Huntorf) и американском МакИнтоше (McIntosh), штат Алабама. Эти электростанции имеют пиковые мощности генерации в 290 и 226 мегаВатт соответственно. На обеих электростанциях тепло выделяется как побочный продукт процесса сжатия воздуха и, за неимением инфраструктуры по его утилизации, рассеивается. Помимо непосредственных потерь энергии, связанных с этим, возникает необходимость нагрева сжатого воздуха при обратном процессе, когда мы подаем его на турбины для генерации электроэнергии. Естественно, что все это снижает КПД системы хранения энергии.

По все Европе полным заброшенных шахт, которые могут служить отличными хранилищами для сжатого воздуха

По все Европе полным заброшенных шахт, которые могут служить отличными хранилищами для сжатого воздуха

Чтобы решить эту проблему, ученые участвующие в работе финансируемого на деньги ЕС проекта RICAS 2020, пришли к концепции хранилищ энергии на сжатом воздухе с предварительным адиабатическим модулем / ХЭСВ-ПАМ (advanced adiabatic CAES / AA-CAES), что позволит сохранять выделяющееся при сжатии воздуха тепло.

Ключевым компонентом новой концепции хранилищ энергии, как несложно догадаться, является модуль, позволяющий отводить тепло, выделяемое при сжатии воздуха, расположенный после компрессора перед самим хранилищем. Как показано на схеме ниже, после того, как воздух покидает компрессор, он проходит через камеру, наполненную дроблеными породами, поглощающими его тепло. Охлажденный таким образом воздух затем поступает в основную емкость для хранения. Когда нам нужно генерировать энергию, холодный воздух из хранилища снова проходит через наш модуль, нагревается и, расширяясь, подается на турбину генератора. Таким образом, отпадает необходимость нагрева сжатого воздуха с помощью сжигания топлива. Грубо говоря, вынесенный перед хранилищем модуль работает как теплообменник или рекуператор.

Хранилище энергии на сжатом воздухе с предварительным адиабатическим модулем

Схема ХЭСВ-ПАМ (Хранилище энергии на сжатом воздухе с предварительным адиабатическим модулем)

Джованни Перилло (Giovanni Perillo), ученый-материаловед из SINTEF, работающий одним из менеджеров проекта в RICAS 2020, убежден, что эта технология имеет потенциал предложить лучшую альтернативу хранению энергии в больших масштабах, чем могут дать химические батареи. В первую очередь из-за длительного времени эксплуатации ХЭСВ-ПАМ и более низких капитальных затрат в пересчете на 1 килоВатт-час хранимой энергии. Также, в сравнении с уже существующими объектами для хранения энергии, имеющими эффективность от 45 до 55% и возвращающими только половину энергии, использованной в процессе сжатия воздуха, новая система должна иметь эффективность в интервале 70-80%.

"Чем больше тепла, выделенного при сжатии, возвратит себе воздух, выходящий из хранилища через модуль-теплообменник, тем больше работы он выполнит, проходя через газовую турбину," - объясняет Перилло. "И мы думаем, что сможем сохранить большую часть этого тепла, что не позволяют сделать существующие технологии хранения энергии на сжатом воздухе. Следовательно, мы можем существенно увеличить эффективность новых хранилищ."

Еще одним преимуществом, что дает технология ХЭСВ-ПАМ, является независимость размещения таких хранилищ от конкретных геологических формаций. И хотя объекты должны быть расположены в местах, где уже существуют большие пустоты, исследователи утверждают, что они также могут включать и неиспользуемые пещеры и шахты. В частности, проект RICAS 2020 предполагает использование заброшенной шахты в Австрии.

Таким образом, для проекта, прошедшего стадию проектирования, который будет первым реализованным проектом ХЭСВ-ПАМ, должны выполняться несколько условий. К ним относится и разработка уплотнительной мембраны, которая должна будет выдерживать высокие давление и температуру пещеры. На основе полученных результатов и анализа затрат и будет принято решение о дальнейшем развитии проекта и строительстве экспериментального хранилища энергии.

Despite being around for decades, compressed air has yet to realize its potential in the renewable energy sector. Это произошло по ряду причин, говорит Маттиас Финкенрат (Matthias Finkenrath), профессор энергетики в Кемтенском университете прикладных наук (Kempten University of Applied Science), Германия. Он перечисляет технологические трудности, низкие цены на электроэнергию и неопределенности в энергетическом рыке как факторы, которые могут привести к тому, что планы по созданию больших хранилищ энергии на сжатом воздухе будут заморожены или вообще закрыты. В качестве примера он приводит несостоявшийся проект на 400 000 000 долларов - Айовский парк запасенной энергии (Iowa Stored Energy Park), который был свернут в 2011 году после полученных результатов исследований, показавших, что местные водоносные горизонты в песчанике не подходят для создания ХЭСВ.

Тем не менее, эта неудача не позволила поставить крест на перспективах развития технологии ХЭСВ, и ученые и специалисты отрасли постоянно ищут способы улучшить и удешевить хранение внепиковых объемов энергии, генерируемых возобновляемыми источниками энергии в распределительные сети. По сравнению с недешевыми химическими соединениями, используемыми в современных химических аккумуляторах самых различных типов, воздух ничего не стоит, не деградирует со временем, находится везде. Это плюсы данной технологии. Осталось разобраться с минусами - научиться создавать огромные подземные хранилища сжатого воздуха в различных геологических условиях.

"Хранилища сжатого воздуха данного типа, который предлагается в проекте RICAS 2020, могут обеспечить значительное снижение расходов на хранение 1 килоВатт-часа энергии и значительно увеличить емкость в сравнении с батареями химических аккумуляторов," - отмечает Финкенрат. "Если этот проект позволит создавать хранилища энергии в самых различных геологических условиях, это станет серьезным подспорьем в дальнейшем развитии ветряных и солнечных электростанций."
"Если партнерам проекта удастся успешно реализовать их планы по эффективному хранению тепла, использование сжатого воздуха для хранилищ энергии из возобновляемых источников станет настоящим прорывом."

Источник: SINTEF.

Оставьте комментарий!


Комментарий будет опубликован после проверки

     

  

Facebook.

(обязательно)