Файл: Хранение энергии в контексте энергетического перехода обзор технологий Аннотация.docx

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].

---

2.2.2. Электрохимические технологии накопления энергии

Эта классификация хранения объединяет различные типы вторичных или перезаряжаемых батарей. Каждая ячейка батареи состоит из трех основных элементов: отрицательного электрода, положительного электрода и электролита. Два электрода соединены материалами, имеющими разные электрохимические потенциалы, которые спонтанно вызывают окислительно-восстановительную реакцию, генерирующую внешний электрический ток, когда цепь замыкается для цикла разряда. Поскольку эти электрохимические реакции обратимы, вторичные батареи можно заряжать, прикладывая к электродам внешнее напряжение [40].

Электричество входит и выходит из батарей из-за этих химических реакций, что дает им быстрое, почти мгновенное время отклика, которое обычно менее секунды, вплоть до миллисекунд [18].

При оценке срока службы батарей следует учитывать три важных фактора: глубину разряда (DOD), скорость разрядки и зарядки, а также рабочую температуру окружающей среды. DOD показывает, сколько энергии, сохраненной в устройстве, было использовано, например, 0% DOD означает, что батарея полностью заряжена, а 100% DOD означает, что батарея разряжена. Как правило, высокая цикличность DOD приводит к сокращению срока службы. Обычный метод обозначения скоростей разряда и заряда называется «C- rate» и выражается как I = M x , где I — ток разрядки (или зарядки) в амперах (А); C - числовое значение номинальной емкости аккумулятора в ампер-часах (Ач); n — время в часах, для которого указана номинальная емкость, а M — число, кратное или дробное по отношению к C. Например, скорость разряда 0,2C или C/5 для батареи с номинальной емкостью 5 А·ч составляет 1 A.

Обычно срок службы батареи будет уменьшаться всякий раз, когда она разряжается (или заряжается) со скоростью, превышающей номинальную скорость (более высокий ток разрядки/зарядки). Наконец, производители обычно сообщают о сроке службы батареи при рабочих температурах окружающей среды около 20–25 °C, и, как правило, при повышении рабочей температуры окружающей среды срок службы батареи сокращается [96–99].

Существует несколько основных типов конструкции батарей, например, призматические с решетчатыми или трубчатыми пластинами и цилиндрические со спиральными или дисковыми пластинами. Также существует множество подходящих материалов, применяемых в различных технологиях аккумуляторных батарей, характеристики которых основаны на их химических свойствах [100].

---