Файл: Хранение энергии в контексте энергетического перехода обзор технологий Аннотация.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 05.12.2023
Просмотров: 190
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
топлива не связано с процессом конверсии, они не будут предметом данного исследования.
Таким образом, для технологий ES существует два возможных энерго-входа: электрическая и тепловая энергия (тепло или холод), а диапазон возможных выходов энергии более широкий, например, электроэнергия, тепловая энергия, газообразные и жидкие топлива и другие химические соединения [71].
Процессы преобразования электричества в другую форму энергии и восстановления энергии обратно в электричество классифицируются как «Power-to-Power». Эти процессы составляют основную классификацию хранения, известную как Electricity Energy Storage (EES).
Когда электричество преобразуется в другую форму энергии, и энергия восстанавливается в виде тепла или холода, эти процессы классифицируются как «Энергия-в-Тепло» (“Power-to-Thermal”), являясь частью основной классификации хранения, известной как Thermal Energy Storage (TES), которая также включает процессы, использующие тепловую энергию как на входе, так и на выходе.
Процессы, использующие электричество для производства газообразного и жидкого топлива, соответственно классифицируются как «Энергия-в-Газ» («Power-to-Gas») и «Энергия-в-Жидкость» («Power-to-Liquid»), и оба они включены в основную классификацию хранения энергии, известную как «Хранение химической энергии», которая также включает процессы, использующие тепловую энергию, например, солнечную энергию для синтеза топлива, такой процесс называется «Solar-to-Fuels» [40,71].
У EES есть три последовательные классификации, учитывающие промежуточную форму энергии, в которой хранится электроэнергия.
Первая известна как Хранение Механической Энергии. Здесь электричество хранится в виде кинетической или потенциальной (гравитационной или упругой) энергии с использованием механического процесса, такого как накачка, сжатие, расширение, ускорение и замедление.
Вторая - Хранение Электрохимической энергии, энергия хранится в виде химической энергии с использованием обратимых электрохимических реакций, в частности окислительно-восстановительных реакций. Наконец, третья классификация - Хранение Электрической Энергии включает процессы, в которых энергия запасается в виде электрической потенциальной энергии с помощью специальных устройств для создания электрического поля (электростатический потенциал) или магнитного поля (электродинамический или магнитный потенциал) [40]. В таблице 1 приведены классификации процесса преобразования и хранения.
2.2 Описание технологий ES
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].
Таким образом, для технологий ES существует два возможных энерго-входа: электрическая и тепловая энергия (тепло или холод), а диапазон возможных выходов энергии более широкий, например, электроэнергия, тепловая энергия, газообразные и жидкие топлива и другие химические соединения [71].
Процессы преобразования электричества в другую форму энергии и восстановления энергии обратно в электричество классифицируются как «Power-to-Power». Эти процессы составляют основную классификацию хранения, известную как Electricity Energy Storage (EES).
Когда электричество преобразуется в другую форму энергии, и энергия восстанавливается в виде тепла или холода, эти процессы классифицируются как «Энергия-в-Тепло» (“Power-to-Thermal”), являясь частью основной классификации хранения, известной как Thermal Energy Storage (TES), которая также включает процессы, использующие тепловую энергию как на входе, так и на выходе.
Процессы, использующие электричество для производства газообразного и жидкого топлива, соответственно классифицируются как «Энергия-в-Газ» («Power-to-Gas») и «Энергия-в-Жидкость» («Power-to-Liquid»), и оба они включены в основную классификацию хранения энергии, известную как «Хранение химической энергии», которая также включает процессы, использующие тепловую энергию, например, солнечную энергию для синтеза топлива, такой процесс называется «Solar-to-Fuels» [40,71].
У EES есть три последовательные классификации, учитывающие промежуточную форму энергии, в которой хранится электроэнергия.
Первая известна как Хранение Механической Энергии. Здесь электричество хранится в виде кинетической или потенциальной (гравитационной или упругой) энергии с использованием механического процесса, такого как накачка, сжатие, расширение, ускорение и замедление.
Вторая - Хранение Электрохимической энергии, энергия хранится в виде химической энергии с использованием обратимых электрохимических реакций, в частности окислительно-восстановительных реакций. Наконец, третья классификация - Хранение Электрической Энергии включает процессы, в которых энергия запасается в виде электрической потенциальной энергии с помощью специальных устройств для создания электрического поля (электростатический потенциал) или магнитного поля (электродинамический или магнитный потенциал) [40]. В таблице 1 приведены классификации процесса преобразования и хранения.
2.2 Описание технологий ES
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].