УДК 339.54.012

Криогенные системы накопления энергии

Борисов Илья Сергеевич – магистрант Иркутского национального исследовательского технического университета

Бархатова Ирина Николаевна – магистрант Иркутского национального исследовательского технического университета

Аннотация: В последние десятилетия возобновляемые источники энергии (ВИЭ), такие как ветер и фотогальванические элементы, развиваются стремительными темпами. Желание снизить зависимость от ископаемых ресурсов наряду с осознанием необходимости охраны окружающей среды вынуждает правительства по всему миру инвестировать огромные средства в возобновляемые источники энергии.  Ясно, что для облегчения интеграции ВИЭ в энергосистему необходимо применять новые или усовершенствованные технические решения. Усовершенствование сети требует применения различных дополнительных программ и систем электрических накопителей энергии (ЭНЭ), как вариантов решения поддержки более высокого уровня внедрения ВИЭ с более высокой степенью надежности.

Ключевые слова: возобновляемая энергия, криогенная энергетики, накопители энергии, электроэнергетика.

Введение

В настоящее время существует только две технологии аккумулирования энергии, которые могут достичь сетевой мощности (выше 100 МВт) и могут быть внедрены в производство: гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) и аккумулирование энергии в виде сжатого воздуха – воздушно-аккумулирующая электростанция (ВАЭС). Хотя они имеют относительно высокую эффективность, но и то, и другое требует особой географической среды и большого резервуара для воды или сжатого воздуха [1].

Криогенные накопители энергии – новая структурная единица

Многие исследователи приложили усилия к созданию системы криогенного хранения энергии (Cryogenic energy storage (CES)) (рис. 1), поскольку она опирается на большой опыт в промышленности по сжижению газа и не имеет таких ограничений, как ГАЭС или ВАЭС.

Рисунок 1. Схема криогенного накопителя.

Предварительно   очищенный  от  пыли  и  влаги воздух сжимается  и  охлаждается   до  температуры сжижения азота - порядка -196°C. Сжиженный воздух перекачивается в большие резервуары, по устройству напоминающие термоса с металлическими колбами. Для высвобождения энергии жидкий воздух перекачивают из «термоса» в теплообменник и там нагревают, используя доступное тепло из внешней среды. Получить его несложно: в сравнении с -193°C любая плюсовая температура будет высокой. Воздух испаряется, его давление нарастает, и он совершает работу в турбодетандере, увеличиваясь в объёме до 790 раз. Турбодетандер механически соединён с электрогенератором, который вырабатывает энергию. Для повышения эффективности предусматриваются рекуперативные хранилища холода и тепла (рис. 1). Электрический КПД всей системы в полном цикле равен 60% и достигает 70% при использовании внешнего сбросного тепла, в сравнении, этот показатель выше, чем у ВАЭС, их КПД составляет 50-55% [2, 5].

Результаты эксперимента первой в мире опытной установки CES

Первая в мире пилотная установка CES имеет номинальную мощность 350 кВт и номинальной энергоемкостью 2,5 МВт×ч. Пилотная установка оснащена накопителем холодной тепловой энергии (CTS) и накопителем тепловой энергии на основе горячей воды (TES). CTS состоит из уплотненного слоя горных пород (кварцит) со средним размером 15 мм для рекуперации энергии холода жидкого воздуха в криогенном диапазоне температур во время процесса разряда. TES предназначен для обеспечения тепла для нагрева жидкого воздуха во время процесса выпуска за счет тепла, подаваемого с университетской теплоэлектростанции, поскольку пилотная установка не имеет функции рекупе рации тепла при сжатии.

Был проведен ряд испытаний [3,4] для изучения производительности опытной установки CES. На рисунке 2 представлен пример выходной мощности установки во время испытания. Можно видеть, что система изначально находилась в режиме ожидания, а именно без выходной мощности, до внезапного увеличения запроса на питание от сети. На рисунке 3 показан подробный экспериментальный запуск с увеличением мощности во время разряда. Видно, что установка быстро наращивает мощность до 250 кВт, что составляет ~70% от максимальной нагрузки за  ~3 минуты, что позволяет предположить, что технология CES может стать вариантом для рынка быстрого резервирования.

Рисунок 2. Выходная мощность опытной установки CES во время испытаний 26 и 27 ноября.

Рисунок 3. Выходная мощность опытной установки CES во время испытаний 4 декабря.

Заключение

Технология CES в настоящее время продвинулась до стадии коммерческой демонстрации с тех пор, как была изобретена несколько лет назад. Эта технология характеризуется низкими капитальными затратами и затратами на техническое обслуживание, высокой плотностью энергии, длительным сроком службы и отсутствием ограничений на месте, что обеспечивает многообещающую альтернативу крупномасштабным технологии хранения энергии, например, ГАЭС или с помощью сжатого воздуха в зависимости от объекта.

Список литературы

1. Скотт Р.Б. Техника низких температур. Перевод под ред. проф. М.П. Малкова. М.: Изд. иностр. литер., 1962, с. 21-22.
2. Wojcieszak , Polinski J., Chorowski M. Investigation of a working fluid for cryogenic energy storage systems, 10th Conference on Interdisciplinary Problems in Environmental Protection and Engineering, Polanica Zdroj, Apr 16-18, 2018.
3. Qinghua Yu, Tongtong Zhang, Cryogenic Energy Storage and Its Integration With Nuclear Power Generation for Load Shift.
4. Chen , Cong T.N., Yang W., Tan C., Li Y. Ding Y., Progress in electrical energy storage system: a critical review, Prog. Nat. Sci. 19 (2009) 291-312.
5. Быстрицкий Г.Ф.Основы энергетики. – М.: Инфра-М, 2007. – 276 с.