Криогенное хранение энергии ( CES ) — это использование низкотемпературных ( криогенных ) жидкостей, таких как жидкий воздух или жидкий азот, для хранения энергии. [1] [2] Технология в основном используется для крупномасштабного хранения электроэнергии . После демонстрационных установок сетевого масштаба в Великобритании сейчас строится коммерческая установка мощностью 250 МВт·ч, а в США планируется хранилище мощностью 400 МВт·ч.
Когда это дешевле (обычно ночью), электричество используется для охлаждения воздуха из атмосферы до -195 °C с использованием цикла Клода до точки, где он сжижается. Жидкий воздух, который занимает одну тысячную объема газа, может храниться в течение длительного времени в большой вакуумной колбе при атмосферном давлении . В периоды высокого спроса на электроэнергию жидкий воздух закачивается под высоким давлением в теплообменник , который действует как котел. Воздух из атмосферы при температуре окружающей среды или горячая вода из промышленного источника тепла используются для нагрева жидкости и превращения ее обратно в газ. Огромное увеличение объема и давления от этого используется для приведения в действие турбины для выработки электроэнергии. [3]
В изоляции этот процесс эффективен всего на 25%. Этот показатель увеличивается примерно до 50% при использовании низкосортного холодильного хранилища, например, большого гравийного слоя, для улавливания холода, образующегося при испарении криогена. [4] Холод повторно используется в следующем цикле охлаждения. [3]
Эффективность еще больше увеличивается при использовании в сочетании с электростанцией или другим источником низкопотенциального тепла , которое в противном случае было бы потеряно в атмосфере. Highview Power заявляет о КПД преобразования переменного тока в переменный ток в 70%, используя в противном случае источник отходящего тепла от компрессора и другого процесса, теряющего низкопотенциальное тепло при 115 °C, при этом IMechE (Институт инженеров-механиков) соглашается, что эти оценки эффективности для завода коммерческого масштаба являются реалистичными. [5] Однако эта цифра не была проверена или подтверждена независимыми профессиональными учреждениями.
Система основана на проверенной технологии, безопасно используемой во многих промышленных процессах, и не требует каких-либо особенно редких элементов или дорогих компонентов для производства. Доктор Тим Фокс, глава отдела энергетики в IMechE, говорит: «Она использует стандартные промышленные компоненты, что снижает коммерческий риск; она прослужит десятилетия, и ее можно починить с помощью гаечного ключа». [6]
Технология экономически выгодна только там, где наблюдается большой разброс оптовой цены на электроэнергию с течением времени. Обычно это происходит там, где сложно изменять генерацию в ответ на меняющийся спрос. Таким образом, технология дополняет растущие источники энергии, такие как ветер и солнце, и позволяет большему проникновению таких возобновляемых источников энергии в энергетический баланс. Она менее полезна там, где электроэнергия в основном вырабатывается диспетчерской генерацией , например, угольными или газовыми тепловыми электростанциями или гидроэлектростанциями.
Криогенные установки также могут предоставлять услуги электросети, включая балансировку сети, поддержку напряжения, частотную характеристику и синхронную инерцию. [7]
В отличие от других технологий хранения энергии в масштабе сети, которые требуют определенных географических условий, таких как горные водохранилища ( гидроаккумулирующие электростанции ) или подземные соляные пещеры ( аккумулирующие системы сжатого воздуха ), криогенная установка хранения энергии может быть расположена практически где угодно. [8]
Для достижения наибольшей эффективности криогенная установка должна располагаться вблизи источника низкопотенциального тепла, которое в противном случае было бы потеряно в атмосфере. Часто это будет тепловая электростанция, которая, как можно ожидать, также будет вырабатывать электроэнергию в периоды пикового спроса и самых высоких цен. Совместное размещение с источником неиспользуемого холода, таким как установка регазификации СПГ, также является преимуществом. [9]
В апреле 2014 года правительство Великобритании объявило, что выделило 8 миллионов фунтов стерлингов компаниям Viridor и Highview Power на финансирование следующего этапа демонстрации. [10] Получившаяся в результате демонстрационная установка сетевого масштаба на полигоне Pilsworth Landfill в Бери, Большой Манчестер , Великобритания , начала работу в апреле 2018 года. [11] Проект был основан на исследованиях Бирмингемского центра криогенного хранения энергии (BCCES), связанного с Бирмингемским университетом, и имеет хранилище емкостью до 15 МВт·ч, может генерировать пиковую мощность 5 МВт (так что при полной зарядке ее хватает на три часа при максимальной выходной мощности) и рассчитан на срок службы 40 лет.
В 2019 году Фонд чистой энергии Министерства торговли штата Вашингтон объявил, что предоставит грант, чтобы помочь Tacoma Power в партнерстве с Praxair построить установку для хранения энергии на жидком воздухе мощностью 15 МВт / 450 МВт·ч. Она будет хранить до 850 000 галлонов жидкого азота, чтобы помочь сбалансировать энергетические нагрузки. [12]
В октябре 2019 года Highview Power объявила, что планирует построить коммерческую электростанцию мощностью 50 МВт / 250 МВт·ч в Каррингтоне, Большой Манчестер . [13] [14] Строительство началось в ноябре 2020 года, [15] [8] а коммерческая эксплуатация запланирована на 2022 год. [7] При мощности 250 МВт·ч электростанция будет соответствовать емкости хранения крупнейшей в мире существующей литий-ионной батареи, хранилища энергии Gateway в Калифорнии. [16] В ноябре 2022 года Highview Power заявила, что они все еще пытаются собрать деньги «на строительство электростанции в Каррингтоне, которая имеет мощность 30 мегаватт и может хранить 300 мегаватт·часов электроэнергии», а ввод в эксплуатацию запланирован на «конец 2024 года». [17]
В 2024 году Highview Power объявила, что привлекла £300 млн инвестиций от UK Infrastructure Bank и Centrica и начнет немедленное строительство объекта мощностью 50 МВт/300 МВт-ч в Каррингтоне. Коммерческая эксплуатация планируется начать в начале 2026 года. [18]
В декабре 2019 года компания Highview объявила о планах строительства электростанции мощностью 50 МВт в северном Вермонте, при этом предлагаемый объект сможет хранить восемь часов энергии, что обеспечит емкость хранилища 400 МВт·ч. [19]
В июне 2021 года компания Highview объявила о разработке электростанции мощностью 50 МВт/500 МВт-ч в регионе Атакама в Чили. [20]
Как жидкий воздух, так и жидкий азот использовались экспериментально для питания автомобилей. Автомобиль с жидким воздухом под названием Liquid Air был построен между 1899 и 1902 годами, но в то время он не мог конкурировать по эффективности с другими двигателями. [21]
Совсем недавно был построен автомобиль на жидком азоте . Питер Дирман, изобретатель в гараже в Хартфордшире, Великобритания, который изначально разработал автомобиль на жидком воздухе, а затем применил эту технологию в качестве сетевого накопителя энергии [5] Двигатель Дирмана отличается от предыдущих конструкций азотных двигателей тем, что азот нагревается путем его соединения с теплообменной жидкостью внутри цилиндра двигателя. [22] [23]
В 2010 году технология была опробована на электростанции в Великобритании. [24] Пилотная криогенная энергетическая система с емкостью хранения 300 кВт и 2,5 МВт-ч [25], разработанная исследователями из Университета Лидса и Highview Power [26] , которая использует жидкий воздух (с удаленными CO2 и водой, поскольку они становятся твердыми при температуре хранения) в качестве накопителя энергии, а также низкосортное отработанное тепло для повышения теплового повторного расширения воздуха, работала на биомассовой электростанции мощностью 80 МВт в Слау , Великобритания, с 2010 по 2014 год, когда она была перемещена в университет Бирмингема. [5] [25] [27] Эффективность составляет менее 15% из-за используемых низкоэффективных аппаратных компонентов, но инженеры нацелены на эффективность около 60 процентов для следующего поколения CES на основе опыта эксплуатации этой системы.