Пневматический аккумулятор энергии. Compressed Air Energy Storage (CAES) - Пневматический аккумулятор энергии. Удельная энергетическая емкость

Пещера, компрессор и газовая турбина - так устроен пневматический аккумулятор энергии. В США первое такое устройство было построено в 1991 году в Mclntosh, Алабама. Его назначение - сглаживание пиковых нагрузок на электростанции.

В режиме накопления воздух компрессорами загоняется в подземное хранилище (естественную соляную пещеру) объемом 538 тыс.куб. до давления 77 атм. Когда потребление энергии в сети неожиданно возрастает, воздух выходит и отдает мощность в систему. Время опорожнения резервуара до нижнего рабочего давления 46 атм - 26 часов, в течение которых станция выдает 110 МВт мощности.

Сжатый воздух крутит турбину не сам по себе, а поступает в газовую турбину. Поскольку 2/3 мощности газовой турбины обычно расходуется на привод компрессора, который нагнетает в нее воздух, то получается солидная экономия. Перед поступлением в турбину воздух подогревается в теплоутилизаторе (рекуператоре) продуктами сгорания, что тоже добавляет эффективности.

Отмечают снижение расхода газа на 60...70% по сравнению с традиционной газовой турбиной, быстрый запуск из холодного состояния (несколько минут) и хорошую работу на малых нагрузках.

Строительство станции в Mclntosh заняло 30 месяцев и стоило 65 млн.долларов.

Проект в Алабаме не уникален. Еще в 1978 в Huntorf немцы запустили хранилище на 290 МВт (2 часа работы) в двух соляных пещерах на глубине 600...800 м с диапазоном давлений 50...70 атм. Первоначально хранилище служило горячим резервом для промышленности северо-запада Германии, а сейчас используется для сглаживания пиков выработки ветряных электростанций.

Пишут , что в Донбассе во времена СССР планировали обустройство в такой же пещере пневматического аккумулятора на 1050 МВт, судьба его неизвестна.

В 2012 в Техасе рядом с 2-мегаваттным ветропарком было открыто пневматическое хранилище на 500 МВт-часов, но конкретики по нему маловато.

Недавно мы вспоминали о проблемах сглаживания пиков выработки/потребления электричества, когда обсуждали . Заодно вспомнили и о возможности хранить для дальнейшего использования тепло, как в или . А сегодня - рассмотрим проекты аккумуляторов пневматических.

Самый простой такой аккумулятор - обычный газовый баллон, в который в момент пиковой выработки электроэнергии компрессором закачивается воздух под большим давлением. Когда падает выработка энергии или, наоборот, резко возрастает её потребление, открывается клапан и выходящий сжатый воздух раскручивает турбину генератора. КПД такой установки получается относительно небольшим, но учитывая тот факт, что зачастую в пик выработки энергия просто пропадает вхолостую, обогревая окружающее пространство, даже такой добавкой пренебрегать не стоит.

Как можно увеличить КПД и уменьшить относительную стоимость такой системы? В установке, называемой Compressed Air Energy Storage (CAES), впервые построенной США в 1991 году в Mclntosh, Алабама. В качестве резервуара используется естественная соляная подземная пещера. Пласт соли не пропускает воздух, находящийся даже под высоким давлением - мелкие крупинки, соляная пыль запечатывает мельчайшие трещинки, которые могут возникнуть в толще пласта. Воздух в пещеру объемом 538 тыс.куб. закачивается компрессором до давления 77 атмосфер. Когда потребление энергии в сети неожиданно возрастает, воздух выходит и отдает мощность в систему. Время опорожнения резервуара до нижнего рабочего давления 46 атм - 26 часов, в течение которых станция выдает 110 МВт мощности.

Как же повысить КПД системы? Сжатый воздух не сам по себе крутит крыльчатку, а смешивается с природным газом и поступает в газовую турбину. Большая часть мощности газовой турбины (до двух третей) обычно расходуется на привод компрессора, который нагнетает в нее воздух - тут-то мы и получаем солидная экономия. Дополнительно перед поступлением в турбину воздух подогревается в теплоутилизаторе (рекуператоре) продуктами сгорания, что тоже добавляет эффективности.

Суммарно при равной с традиционной газовой турбиной такая схема обеспечивает снижение расхода газа на 60...70%, быстрый запуск из холодного состояния (несколько минут) и хорошую работу на малых нагрузках. Станция в Mclntosh строилась 30 месяцев и стоило 65 млн.долларов (даже не смотря на наличие природной соляной пещеры).

Кроме проекта в Алабаме в 1978 в Huntorf немцы запустили хранилище на 290 МВт (2 часа работы) в двух соляных пещерах на глубине 600...800 м с диапазоном давлений 50...70 атмосфер. Первоначально хранилище служило горячим резервом для промышленности северо-запада Германии, а сейчас используется для сглаживания пиков выработки ветряных электростанций.

В советское время в Донбассе планировалась постройка пневматического аккумулятора на 1050 МВт, но увы - как и многие проекты тех лет всё так и осталось на бумаге.

Ну и видео от разработчиков проекта.

Цепочка технологического цикла производства электроэнергии с необходимостью включает такое звено, как накопитель (аккумулятор). В традиционных способах генерации электроэнергии энергетические запасы накапливаются в предварительном, «не электрическом» виде, и это звено – накопитель энергии, находится непосредственно перед электрогенератором.

Водохранилище гидроэлектростанции призвано накапливать потенциальную энергию речной воды в гравитационном поле Земли, поднимая ее на некоторую высоту при помощи плотины. Тепловая электростанция аккумулирует в своих хранилищах необходимые для бесперебойной работы запасы твердого или жидкого топлива, либо осуществляет поставку по трубопроводу природного газа, теплотворная способность которого гарантирует требуемый запас энергии. Стержни реакторов атомных электростанций представляют собой запас ядерного топлива, обладающего определенным ресурсом доступной для использования ядерной энергии.

Режим постоянной мощности доступен для всех приведенных типов генераторов электроэнергии. Количество производимой энергии регулируется при этом в широких пределах в зависимости от уровня насущного энергопотребления. Альтернативные источники (энергия ветра, приливов, геотермальных источников, солнечная энергия) не могут обеспечить гарантированную постоянную мощность генератора на требуемом в данный момент уровне. Накопитель, поэтому, является здесь не столько хранилищем ресурсов, сколько демпфирующим устройством, делающим энергопотребление менее зависимым от колебаний мощности источника. Энергия источника аккумулируется в накопителе, а позже расходуется, по мере надобности, в виде электрической энергии. При этом ее цена во многом зависит от стоимости накопителя.

Характерной чертой накопителя в альтернативных источниках энергии является еще и то, что аккумулированная в нем энергия может расходоваться на другие цели. Так, например, при их помощи могут быть генерированы сильные и сверхсильные магнитные поля.

Принятые в физике и энергетике единицы измерения энергии и соотношения между ними: 1 кВт ч, или 1000 Вт 3600 с – то же, что и 3.6 МДж. Соответственно 1 МДж эквивалентен 1/3,6 кВт ч, или 0.278 кВт ч

Некоторые распространенные накопители энергии:

Сразу оговоримся: приведенный обзор - не полная классификация применяемых в энергетике накопителей, помимо рассматриваемых здесь существуют тепловые, пружинные, индукционные, многообразные иные типы накопителей энергии.

1. Накопитель конденсаторного типа

Энергия, запасенная конденсатором емкостью 1 Ф при напряжении 220 В, составляет: E = CU2 /2 = 1 2202 /2 кДж = 24 200 Дж = 0,0242 МДж ~ 6.73 Вт ч. Масса одного такого электролитического конденсатора может достигать 120 кг. Приходящаяся на единицу массы удельная энергия оказывается равной чуть более 0,2 кДж/кг. Часовая работа накопителя возможна при нагрузке в пределах 7 Вт. Электролитические конденсаторы могут прослужить до 20 лет. Ионисторы (суперконденсаторы) имеют большую плотность энергии и мощности (порядка 13 Вт ч /л = 46,8 кДж/л и до 6 кВт/л соответственно) , при ресурсе около 1 млн. циклов подзарядки. Неоспоримым достоинством конденсаторного накопителя является возможность использования аккумулированной энергии за краткий промежуток времени.

2. Накопители гравитационного типа

Накопители энергии копрового типа запасают энергию при подъеме бабы копра массой 2т и более на высоту около 4 м. Движение подвижной части копра высвобождает потенциальную энергию тела, сообщая ее электрогенератору. Количество произведенной энергии E = mgh в идеальном случае (без учета потерь на трение) составит ~ 2000 10 4 кДж = 80 кДж ~ 22,24 Вт ч. Приходящаяся на единицу массы бабы копра удельная энергия оказывается равной 0.04 кДж/кг. В течение часа накопитель способен обеспечить нагрузку до 22 Вт. Ожидаемый срок службы механической конструкции превосходит 20 лет. Накопленная телом в гравитационном поле энергия также может быть израсходована в короткий промежуток времени, что является достоинством данного варианта.

Гидравлический накопитель использует энергию воды (массой порядка 8-10 т) накачанной из колодца в емкость водонапорной башни. В обратном движении под действием силы тяжести вода вращает турбину электрогенератора. Обычный вакуумный насос без проблем позволяет закачать воду на высоту до 10 м. Запасенная при этом энергия E = mgh ~ 10000 8 10 Дж = 0,8 МДж = 0.223 кВт час. Приходящаяся на единицу массы удельная энергия оказывается равной 0.08 кДж/кг. Нагрузка, обеспечиваемая накопителем в течение часа, находится в пределах 225 Вт. Накопитель может прослужить от 20 лет и дольше. Ветряной двигатель может напрямую приводить в действие насос (без преобразования энергии в электрическую, что сопряжено с определенными потерями), вода в емкости вышки при необходимости может быть использована в иных нуждах.

3. Накопитель на основе маховика

Кинетическая энергия вращающегося маховика определяется следующим образом: E = J w2/2, под J подразумевается собственный момент инерции металлического цилиндра (так как он вращается вокруг оси симметрии), w – угловая скорость вращения.

При радиусе R и высоте H цилиндр имеет момент инерции:

J = M R^2 /2 = pi * p R^4 H/2

где p - плотность металла - материала цилиндра, произведение pi* R^2 H – его объем.

Максимально возможная линейная скорость точек поверхности цилиндра Vmax (составляет порядка 200 м/с для стального маховика).

Vmax = wmax*R, откуда wmax = Vmax/R

Максимально возможная энергия вращения Emax = J wmax^2/2 = 0.25 pi*p R2^2 H V2max = 0.25 M Vmax^2

Приходящаяся на единицу массы энергия составляет: Emax/M = 0.25 Vmax^2

Удельная энергия в случае, если цилиндрический маховик сделан из стали, составит около 10 кДж/кг. Маховик массой 200 кг (с линейными размерами H = 0.2 м, R = 0.2 м) запасает энергию Emax = 0.25 pi 8000 0.22 0.2 2002 ~ 2 МДж ~ 0.556 кВт ч. Максимальная нагрузка, обеспечиваемая накопителем-маховиком в течение часа не превосходит 560 Вт. Маховик вполне может прослужить 20 лет и более. Достоинства: быстрое высвобождение накопленной энергиии, возможность значительного улучшения характеристик путем подбора материала и изменения геометрических характеристик маховика.

4. Накопитель в виде химической аккумуляторной батареи (свинцово-кислотной)

Классическая аккумуляторная батарея, имея емкость 190 А ч при напряжении на выходе 12 В и 50 % разрядке способна выдавать ток порядка 10 А в течение 9 часов. Высвобождаемая энергия составит 10 А 12 В 9 ч = 1.08 кВт ч, или, приблизительно, 3.9 МДж за один цикл. Приняв массу батареи равной 65 кг, имеем удельную энергию 60 кДж/кг. Максимальная нагрузка, которую аккумулятор способен обеспечивать в течение часа не превосходит 1080 Вт. Гарантийный срок службы для качественной аккумуляторной батареи находится в пределах 3 - 5 лет, в зависимости от интенсивности эксплуатации. От аккумуляторной батареи возможно непосредственно получать электроэнергию с выходным током, достигающим тысячи ампер, при выходном напряжении 12 В, соответствующем автомобильному стандарту. С аккумулятором совместимы множество устройств, рассчитанных на постоянное напряжение 12 В, доступны преобразователи 12/220 В различные по мощности на выходе.

5. Накопитель пневматического типа

Воздух, закачанный в резервуар из стали объемом 1 кубометр до давления 40 атмосфер, совершает работу в условиях изотермического расширения. Работа A, совершаемая идеальным газом в условиях T=const, определяется согласно формуле:

A = (M / mu) R T ln (V2 / V1)

Здесь M - масса газа, mu – масса 1 моля того же газа, R = 8,31 Дж/(моль К), T - температура, рассчитанная по абсолютной шкале Кельвина,V1 и V2- начальный и конечный объем, занимаемый газом (при этом V2 / V1 = 40 при расширении до атмосферного давления внутри резервуара). Для изотермического расширения справедлив закон Бойля-Мариотта: P1V1 = P2 V2 . Примем T = 298 0K (250С) Для воздуха M / mu ~ 40: 0.0224 = 1785,6 молей вещества, газ совершает работу А= 1785,6 8.31 298 ln 50 ~ 16 МДж ~ 4.45 кВт ч за цикл. Стенки резервуара, рассчитанные на давление в 40-50 атмосфер, должны иметь толщину как минимум 5 мм, в связи с чем масса накопителя окажется порядка 250 кг. Запасенная данным пневматическим накопителем удельная энергия окажется равной 64 кДж/кг. Предельная мощность, обеспечиваемая пневматическим накопителем в течение часа работы, составит 4,5 кВт. Гарантированный срок службы, как и у большинства накопителей, основанных на выполнении механической работы их конструктивными частями, составляет от 20 лет. Преимущества данного типа накопителя: возможность расположения резервуара под землей; резервуаром может служить стандартный газовый баллон с использованием соответствующего оборудования, ветродвигатель способен непосредственно передавать движение насосу компрессора. Кроме того, многие устройства напрямую используют аккумулированную энергию сжатого в резервуаре воздуха.

Приведем параметры рассмотренных типов накопителей энергии в сводной таблице:

Тип накопителя энергии	Расчетные рабочие характеристики	Величина запасенной энергия, кДж	Удельная энергия (на единицу массы устройста), кДж/кг	Предельная нагрузка при работе накопителя в течении часа, Вт	Ожидаемый срок службы, в годах
Конденсаторного типа	емкость батареи 1 Ф, напряжение 220 В, масса 120 кг	24,2			в пределах 20
Копрового типа	масса бабы копра 2000 кг, максимальный подъем 4 м		0.04		не менее 20
Гравитационный гидравлического типа	масса жидкости 8000 кг, разница в высотах 10 м		0.08		не менее 20
Маховик	цилиндрический маховик из стали массой 200 кг, радиус 0,2 м, толщина 0,2 м	2000			не менее 20
Аккумулятор свинцово-кислотный	емкость батареи 190 А · час, напряжение на выходе12 В, масса батареи 60 кг	3900		1080	минимум 3 максимум 5
Пневматического типа	резервуар из стали емкостью 1 м 3 , масса резервуара 2,5ц давление сжатого воздуха 40 атмосфер	16000		4500	не менее 20