stringtranslate.com

Аккумулирование энергии на основе сжатого воздуха

Резервуар со сжатым воздухом, используемый для запуска дизель-генераторной установки в парижском метро.

Хранение энергии на сжатом воздухе (CAES) — это способ хранения энергии для последующего использования с использованием сжатого воздуха . В масштабах коммунальных предприятий энергия, вырабатываемая в периоды низкого спроса, может высвобождаться в периоды пиковой нагрузки . [1]

Первый проект CAES промышленного масштаба был построен в Ханторфе, Германия, и до сих пор находится в эксплуатации. [2] Электростанция Ханторф изначально разрабатывалась как балансировщик нагрузки для электроэнергии, вырабатываемой из ископаемого топлива , глобальный сдвиг в сторону возобновляемых источников энергии возобновил интерес к системам CAES, [3] чтобы помочь источникам энергии с высокой прерывистостью, таким как фотоэлектрическая энергия и ветер , удовлетворять колеблющийся спрос на электроэнергию. [3]

Одной из постоянных проблем крупномасштабного проектирования является управление тепловой энергией, поскольку сжатие воздуха приводит к нежелательному повышению температуры , что не только снижает эксплуатационную эффективность, но также может привести к повреждению. Основное различие между различными архитектурами заключается в теплотехнике. С другой стороны, малогабаритные системы уже давно используются в качестве силовой установки шахтных локомотивов . По сравнению с традиционными батареями, системы могут хранить энергию в течение более длительных периодов времени и требуют меньше обслуживания.

Типы

Сжатие воздуха создает тепло; воздух после сжатия становится теплее. Расширение отводит тепло. Если не добавлять дополнительное тепло, воздух после расширения будет намного холоднее. Если тепло, выделяемое при сжатии, можно аккумулировать и использовать при расширении, эффективность аккумулирования значительно повышается. [4] Существует несколько способов, с помощью которых система CAES может бороться с нагревом. Хранение воздуха может быть адиабатическим , диабатическим, изотермическим или почти изотермическим.

Адиабатический

Адиабатическое хранилище продолжает хранить энергию, полученную в результате сжатия, и возвращает ее в воздух по мере его расширения для выработки энергии. Это предмет текущего исследования, и по состоянию на 2015 год никаких промышленных предприятий не было. Теоретическая эффективность адиабатического хранения приближается к 100% при идеальной изоляции, но на практике ожидается, что эффективность туда и обратно составит 70%. [5] Тепло может храниться в твердом теле, таком как бетон или камень, или в жидкости, такой как горячее масло (до 300 °C) или растворы расплавленных солей (600 °C). Сохранение тепла в горячей воде может обеспечить эффективность около 65%. [6]

Уплотненные слои были предложены в качестве накопителей тепла для адиабатических систем. В исследовании [7] численно моделировалась адиабатическая система хранения энергии сжатого воздуха с использованием хранения тепловой энергии насадочного слоя . По расчетам, эффективность моделируемой системы в непрерывном режиме работы составляет от 70,5% до 71%.

Диабатический

Диабатический аккумулятор рассеивает большую часть тепла сжатия с помощью промежуточных охладителей (таким образом приближаясь к изотермическому сжатию) в атмосферу в виде отходов, по существу тратя энергию, используемую для выполнения работы сжатия. После извлечения из хранилища температура этого сжатого воздуха является единственным показателем количества запасенной энергии, которая остается в этом воздухе. Следовательно, если температура воздуха слишком низка для процесса рекуперации энергии , воздух необходимо существенно повторно нагреть перед расширением в турбине для питания генератора . Этот повторный нагрев может быть осуществлен с помощью горелки, работающей на природном газе, для хранения бытовых отходов или с помощью нагретой металлической массы. Поскольку рекуперация часто наиболее необходима, когда возобновляемые источники энергии не работают, топливо необходимо сжигать, чтобы компенсировать потраченное впустую тепло. Это снижает эффективность цикла хранения-восстановления. Хотя этот подход относительно прост, сжигание топлива увеличивает стоимость рекуперируемой электроэнергии и ставит под угрозу экологические преимущества, связанные с большинством возобновляемых источников энергии. Тем не менее, это пока единственная система, реализованная на коммерческой основе.

Заводу CAES в Макинтоше, штат Алабама, требуется 2,5 МДж электроэнергии и 1,2 МДж газа с низшей теплотворной способностью (LHV) на каждый МДж произведенной энергии, что соответствует эффективности рекуперации энергии около 27%. [8] Электростанция комбинированного цикла General Electric 7FA 2x1 , одна из наиболее эффективных действующих газовых установок, использует 1,85 МДж (LHV) газа на каждый произведенный МДж, [9] тепловой КПД 54% .

изотермический

Подходы к изотермическому сжатию и расширению направлены на поддержание рабочей температуры за счет постоянного теплообмена с окружающей средой. В поршневом компрессоре этого можно достичь за счет использования ребристого поршня [10] и низких скоростей цикла. [11] Текущие проблемы с эффективными теплообменниками означают, что они практичны только для низких уровней мощности. Теоретическая эффективность изотермического хранения энергии приближается к 100% для идеальной передачи тепла в окружающую среду. На практике ни один из этих идеальных термодинамических циклов недостижим, поскольку неизбежны некоторые потери тепла, приводящие к почти изотермическому процессу.

Почти изотермический

Почти изотермическое сжатие (и расширение) — это процесс, при котором газ сжимается в непосредственной близости от большой несжимаемой тепловой массы, такой как теплопоглощающая и выделяющая структура (HARS) или водяная струя. [12] HARS обычно состоит из ряда параллельных ребер. По мере сжатия газа тепло сжатия быстро передается тепловой массе, поэтому температура газа стабилизируется. Затем используется внешний контур охлаждения для поддержания температуры тепловой массы. Изотермический КПД (Z) [13] является мерой того, где процесс находится между адиабатическим и изотермическим процессом. Если КПД равен 0%, то он полностью адиабатический; при КПД 100% он полностью изотермичен. Обычно при почти изотермическом процессе можно ожидать изотермического КПД 90–95%.

Другой

В одной реализации изотермического CAES используются последовательно расположенные поршни высокого, среднего и низкого давления. За каждой ступенью следует насос Вентури с продувкой воздухом, который всасывает окружающий воздух через теплообменник «воздух-воздух» (или «воздух-морская вода») между каждой ступенью расширения. В ранних конструкциях торпед на сжатом воздухе использовался аналогичный подход, заменявший воздух морской водой. Вентури нагревает выхлопные газы предыдущей ступени и пропускает предварительно нагретый воздух на следующую ступень. Этот подход получил широкое распространение в различных транспортных средствах, работающих на сжатом воздухе, таких как горные локомотивы компании HK Porter, Inc. [14] и трамваи. [15] Здесь тепло сжатия эффективно сохраняется в атмосфере (или море) и возвращается позже. [ нужна цитата ]

Компрессоры и расширители

Сжатие может осуществляться с помощью турбокомпрессоров с электрическим приводом , а расширение — с помощью турбодетандеров [16] или воздушных двигателей, приводящих в действие электрические генераторы для производства электроэнергии.

Хранилище

Емкости для хранения воздуха различаются по термодинамическим условиям хранения и используемой технологии:

  1. Хранилище постоянного объема (каверны, добываемые раствором, надземные резервуары, водоносные горизонты, автомобильные применения и т. д.)
  2. Хранилища постоянного давления (подводные сосуды под давлением, гибридные гидроаккумуляторы и хранилища сжатого воздуха)

Хранилище постоянного объема

В этой системе хранения используется камера с определенными границами для хранения большого количества воздуха. С термодинамической точки зрения это означает, что данная система представляет собой систему постоянного объема и переменного давления. Это вызывает некоторые эксплуатационные проблемы для компрессоров и турбин, поэтому колебания давления должны поддерживаться ниже определенного предела, как и напряжения, возникающие в резервуарах для хранения. [17]

Емкость для хранения часто представляет собой пещеру , созданную в результате добычи раствором (соль растворяется в воде для добычи) [18] или при использовании заброшенной шахты ; Также изучалось использование пористых и проницаемых горных пород (пород, имеющих взаимосвязанные отверстия, через которые может проходить жидкость или воздух), например тех, в которых обнаружены резервуары природного газа. [19]

В некоторых случаях в качестве системы хранения был протестирован наземный трубопровод, давший хорошие результаты. Очевидно, что стоимость системы выше, но ее можно разместить там, где пожелает проектировщик, тогда как для подземной системы необходимы определенные геологические образования (соляные купола, водоносные горизонты, истощенные газовые месторождения и т. д.). [17]

Хранение постоянного давления

В этом случае в резервуаре для хранения поддерживается постоянное давление, а газ содержится в резервуаре переменного объема. Было предложено множество типов емкостей для хранения, обычно основанных на вытеснении жидкостью для достижения изобарического режима работы. В таких случаях условия эксплуатации следуют принципу: резервуар для хранения располагается на сотни метров ниже уровня земли, а гидростатическое давление (напор) столба воды над резервуаром для хранения поддерживает давление на нужном уровне.

Эта конфигурация позволяет:

С другой стороны, стоимость такой системы хранения выше из-за необходимости размещения емкости для хранения на дне выбранного водоема (часто моря или океана) и из-за стоимости самого судна. [21]

Другой подход заключается в том, чтобы закопать большой мешок под несколько метров песка вместо воды. [22]

Установки работают по суточному циклу с минимальными пиковыми нагрузками : заряжаются ночью и разряжаются в течение дня. Нагревание сжатого воздуха с использованием природного газа или геотермального тепла для увеличения количества извлекаемой энергии изучалось Тихоокеанской северо-западной национальной лабораторией . [19]

Хранение энергии на сжатом воздухе также может использоваться в меньших масштабах, например, в воздушных автомобилях и пневматических локомотивах , и может использовать высокопрочные (например, из углеродного волокна ) резервуары для хранения воздуха. Чтобы сохранить энергию, запасенную в сжатом воздухе, этот резервуар должен быть термически изолирован от окружающей среды; в противном случае накопленная энергия уйдет в виде тепла, поскольку сжатие воздуха повышает его температуру.

История

Общегородские энергетические системы сжатого воздуха строятся с 1870 года. [23] Такие города, как Париж ; Бирмингем , Англия; Дрезден , Риксдорф и Оффенбах , Германия; и Буэнос-Айресе установили такие системы. Виктор Попп сконструировал первые системы для питания часов, каждую минуту посылая импульс воздуха для смены стрелок. Они быстро эволюционировали, чтобы доставлять электроэнергию в дома и на предприятия. [24] По состоянию на 1896 год в Парижской системе было 2,2 МВт генерации, распределенной при давлении 550 кПа по 50 км воздушных труб для двигателей легкой и тяжелой промышленности. Расход измерялся кубическими метрами. [23] В те дни эти системы были основным источником энергии, подаваемой в дом, а также приводили в действие машины стоматологов , швей , типографий и пекарен .

Первым проектом по диабатическому хранению энергии на сжатом воздухе промышленного масштаба была установка Huntorf мощностью 290 мегаватт, открытая в 1978 году в Германии с использованием соляного купола с энергией 580 МВтч, эффективностью 42%. [25]

Электростанция мощностью 110 МВт и мощностью 26 часов (энергия 2860 МВтч) была построена в Макинтоше, штат Алабама (1991 г.). Стоимость объекта в Алабаме в 65 миллионов долларов равна 590 долларам за киловатт мощности и примерно 23 долларам за киловатт-час мощности хранения. Он использует соляную пещеру объемом 19 миллионов кубических футов, добытую раствором , для хранения воздуха под давлением до 1100 фунтов на квадратный дюйм. Хотя эффективность фазы сжатия составляет примерно 82%, фаза расширения требует сгорания природного газа со скоростью, составляющей одну треть от скорости газовой турбины, производящей такое же количество электроэнергии с эффективностью 54%. [25] [26] [27] [28]

Министерство энергетики США выделило 24,9 миллиона долларов в виде доплаты для первой фазы строительства компании Pacific Gas and Electric Company мощностью 300 МВт и стоимостью 356 миллионов долларов , использующей соляную пористую породу, разрабатываемую недалеко от Бейкерсфилда в округе Керн, Калифорния. Целями проекта было создание и проверка усовершенствованной конструкции (2009 г.). [29]

Министерство энергетики США предоставило финансирование в размере 29,4 миллиона долларов для проведения предварительных работ по соляному проекту мощностью 150 МВт, разрабатываемому компанией Iberdrola USA в Уоткинс-Глене, штат Нью-Йорк. Цель состоит в том, чтобы внедрить технологию интеллектуальных сетей для балансировки возобновляемых источников прерывистой энергии (2010 г.). [29] [30]

General Compression завершила строительство почти изотермического проекта мощностью 2 МВт в округе Гейнс, штат Техас ; третий в мире проект (2012). Проект не использует топливо. [31] Судя по всему, он прекратил работу в 2016 году. [32]

Первый адиабатический проект, установку ADELE мощностью 200 мегаватт, планировалось построить в Германии (2013 г.) с целью достижения эффективности 70% за счет использования воздуха с температурой 600 ° C (1112 ° F) и давлением 100 бар. [33] Реализация проекта была отложена по неизвестным причинам как минимум до 2016 года. [34]

Storelectric Ltd планировала построить пилотную установку мощностью 40 МВт, работающую на 100% возобновляемой энергии, в Чешире, Великобритания, с емкостью хранения 800 МВтч (2017 г.). [35]

Компания Hydrostor завершила строительство первой коммерческой системы A-CAES в Годерихе, Онтарио, предоставив услуги хранения данных мощностью 2,2 МВт / 10 МВтч в энергосистему Онтарио (2019 г.). Это была первая система A-CAES, вышедшая в коммерческую эксплуатацию за последние десятилетия. [36]

Финансируемый Европейским Союзом проект RICAS (адиабатический) в Австрии должен был использовать щебень для хранения тепла от процесса сжатия для повышения эффективности (2020 г.). Ожидалось, что система достигнет эффективности 70–80%. [37]

Apex планировала запустить завод в округе Андерсон, штат Техас , в 2016 году. [38] Этот проект был отложен как минимум до 2020 года. [39]

Канадская компания Hydrostor планировала построить четыре завода Advance в Торонто, Годерихе, Ангасе и Розамонде (2020 г.). Некоторые включали частичное сохранение тепла в воде, повышая эффективность до 65%. [40]

В Цзянсу , Китай, открылась установка мощностью 60 МВт/300 МВтч с КПД 60% с использованием соляной пещеры (2022 г.). [41]

Установка по сжатию CO2 мощностью 2,5 МВт / 4 МВтч введена в эксплуатацию на Сардинии , Италия (2022 г.). [42]

По состоянию на 2022 год планировалось, что проект Gem в Розамонде в округе Керн, Калифорния , обеспечит хранилище мощностью 500 МВт / 4000 МВтч. Проект Печо в Сан-Луис-Обиспо, Калифорния , планировался мощностью 400 МВт / 3200 МВт-ч. Проект Брокен -Хилл в Новом Южном Уэльсе , Австралия, имел мощность 200 МВт / 1600 МВтч. [43]

В 2022 году Чжанцзякоу подключил первую в мире «продвинутую» систему мощностью 100 МВт к энергосистеме на севере Китая. Он не использует ископаемое топливо , вместо этого применяя сверхкритическое тепловое хранение, сверхкритический теплообмен, технологии сжатия и расширения при высоких нагрузках. Завод может хранить 400 МВтч с КПД 70,4%. [44] В Шаньдуне началось строительство проекта мощностью 350 МВт / 1,4 ГВтч. [45]

В 2023 году Alliant Energy объявила о планах построить установку по производству сжатого CO2 мощностью 200 МВтч на базе завода на Сардинии в округе Колумбия, штат Висконсин . Это будет первое мероприятие такого рода в США. [46]

Термодинамика хранения

Чтобы достичь почти термодинамически обратимого процесса , чтобы большая часть энергии сохранялась в системе и могла быть восстановлена, а потери оставались незначительными, желателен почти обратимый изотермический процесс или изоэнтропический процесс . [4]

Изотермическое хранилище

В процессе изотермического сжатия газ в системе поддерживается при постоянной температуре. Для этого обязательно требуется обмен теплотой с газом; в противном случае температура будет повышаться во время зарядки и падать во время разрядки. Этот теплообмен может быть достигнут с помощью теплообменников (промежуточного охлаждения) между последующими ступенями компрессора, регулятора и бака. Чтобы избежать бесполезной траты энергии, промежуточные охладители должны быть оптимизированы для обеспечения высокой теплопередачи и низкого перепада давления. Компрессоры меньшего размера могут приближаться к изотермическому сжатию даже без промежуточного охлаждения из-за относительно высокого отношения площади поверхности к объему камеры сжатия и, как следствие, улучшения отвода тепла от самого корпуса компрессора.

Когда достигается идеальное изотермическое хранение (и разгрузка), процесс называется «обратимым». Для этого необходимо, чтобы теплообмен между окружающей средой и газом происходил при бесконечно малой разнице температур. В этом случае потери эксергии в процессе теплопередачи отсутствуют , и поэтому работа сжатия может быть полностью восстановлена ​​как работа расширения: 100% эффективность хранения. Однако на практике в любом процессе теплопередачи всегда существует разница температур, поэтому эффективность любого практического хранения энергии составляет менее 100%.

Для оценки работы сжатия/расширения в изотермическом процессе можно предположить, что сжатый воздух подчиняется закону идеального газа :

Из процесса перехода от начального состояния A к конечному состоянию B с абсолютной температурной постоянной можно найти, что работа, необходимая для сжатия (отрицательная) или совершаемая при расширении (положительная), равна

где и так .

Здесь – абсолютное давление , – (неизвестный) объем сжатого газа, – объем сосуда, – количество вещества газа (моль) и – постоянная идеального газа .

Если снаружи сосуда существует постоянное давление, равное пусковому давлению , положительная работа внешнего давления уменьшает полезную энергию (отрицательное значение). Это добавляет член к приведенному выше уравнению:

Пример

Сколько энергии можно сохранить в резервуаре-аккумуляторе объемом 1 м 3 при давлении 70 бар (7,0 МПа), если давление окружающей среды 1 бар (0,10 МПа). В этом случае процесс работы

"="
= 7,0 МПа × 1 м 3 × ln(0,1 МПа/7,0 МПа) + (7,0 МПа − 0,1 МПа) × 1 м 3 = −22,8 МДж.

Знак минус означает, что работа над газом совершается окружающей средой. Необратимость процесса (например, при теплопередаче) приведет к тому, что в процессе расширения будет восстановлено меньше энергии, чем требуется для процесса сжатия. Например, если окружающая среда имеет постоянную температуру, термическое сопротивление промежуточных охладителей будет означать, что сжатие происходит при температуре несколько выше температуры окружающей среды, а расширение будет происходить при температуре несколько ниже температуры окружающей среды. Таким образом, идеальную изотермическую систему хранения невозможно создать.

Адиабатическое (изоэнтропическое) хранение

Адиабатический процесс – это процесс, при котором отсутствует теплообмен между жидкостью и окружающей средой: система изолирована от теплопередачи. Если процесс, кроме того, внутренне обратим (без трения, в идеальном пределе), то он дополнительно будет изэнтропическим .

Адиабатическая система хранения исключает промежуточное охлаждение во время процесса сжатия и позволяет газу просто нагреваться во время сжатия и охлаждаться во время расширения. Это привлекательно, поскольку можно избежать потерь энергии, связанных с передачей тепла, но недостатком является то, что резервуар для хранения должен быть изолирован от потерь тепла. Следует также отметить, что реальные компрессоры и турбины не являются изоэнтропическими, а имеют изоэнтропический КПД около 85%. В результате эффективность хранения энергии в обоих направлениях для адиабатических систем также значительно ниже идеальной.

Термодинамика большой системы хранения

В системах хранения энергии часто используются большие пещеры. Это предпочтительная конструкция системы из-за очень большого объема и, следовательно, большого количества энергии, которую можно сохранить при лишь небольшом изменении давления. Газ сжимается адиабатически с небольшим изменением температуры (приближаясь к обратимой изотермической системе) и потерями тепла (приближаясь к изэнтропической системе). Это преимущество сочетается с низкой стоимостью строительства системы хранения газа и использованием подземных стен для сдерживания давления. Пространство пещеры можно изолировать для повышения эффективности. [ нужна цитата ]

Были предложены подводные изолированные подушки безопасности, термодинамические свойства которых аналогичны термодинамическим свойствам большого хранилища в пещере. [47]

Применение в транспортных средствах

Практические ограничения в транспортировке

Чтобы использовать накопление воздуха в транспортных средствах или самолетах для практического наземного или воздушного транспорта, система хранения энергии должна быть компактной и легкой. Плотность энергии и удельная энергия — это технические термины, которые определяют эти желаемые качества.

Удельная энергия, плотность энергии и эффективность

Как объяснялось выше в разделе о термодинамике хранилища газа, сжатие воздуха нагревает его, а расширение охлаждает. Таким образом, практические воздушные двигатели требуют теплообменников, чтобы избежать чрезмерно высоких или низких температур, и даже в этом случае не достигаются идеальные постоянные температурные условия или идеальная теплоизоляция.

Тем не менее, как указано выше, полезно описать максимальную сохраняемую энергию, используя изотермический случай, который составляет около 100 кДж/м 3 [ ln( P A / P B )].

Таким образом, если 1,0 м 3 атмосферного воздуха очень медленно сжимать в бутылку емкостью 5 л при давлении 20 МПа (200 бар), запасенная потенциальная энергия составит 530 кДж. Высокоэффективный пневматический двигатель может преобразовать это в кинетическую энергию, если он работает очень медленно и ему удается расширить воздух от первоначального давления 20 МПа до 100 кПа (бутылка полностью «пустая» при атмосферном давлении). Достижение высокого КПД является технической задачей как из-за потерь тепла в окружающую среду, так и из-за невосстановимого внутреннего тепла газа. [48] ​​Если бутылку, указанную выше, опорожнить до давления 1 МПа, извлекаемая энергия составит около 300 кДж на валу двигателя.

Стандартная стальная бутыль объемом 5 л, рассчитанная на давление 20 МПа, имеет массу 7,5 кг, улучшенная — 5 кг. Высокопрочные волокна, такие как углеродное волокно или кевлар , могут весить менее 2 кг в этом размере, что соответствует законодательным нормам безопасности. Один кубический метр воздуха при 20 °C имеет массу 1,204 кг при стандартных температуре и давлении . [49] Таким образом, теоретическая удельная энергия составляет от примерно 70 кДж/кг на валу двигателя для простой стальной бутылки до 180 кДж/кг для усовершенствованной бутылки с волоконной обмоткой, тогда как практически достижимая удельная энергия для тех же контейнеров будет составлять от 40 до 100 кДж/кг.

Безопасность

Как и большинство технологий, сжатый воздух имеет проблемы с безопасностью, главным образом, катастрофический разрыв резервуара. Правила техники безопасности делают это редким явлением за счет большего веса и дополнительных функций безопасности, таких как предохранительные клапаны. Нормативные акты могут ограничивать допустимое рабочее давление до уровня менее 40 % от давления разрыва для стальных бутылок ( коэффициент безопасности 2,5) и менее 20 % для бутылок с намоткой из волокна ( коэффициент безопасности 5). Коммерческие проекты соответствуют стандарту ISO 11439 . [50] Баллоны высокого давления достаточно прочные, поэтому они обычно не разрываются при дорожно-транспортных происшествиях.

Сравнение с аккумуляторами

Усовершенствованные армированные волокном бутылки по плотности энергии сравнимы с перезаряжаемой свинцово-кислотной батареей . Аккумуляторы обеспечивают почти постоянное напряжение на всем уровне заряда, тогда как при использовании сосуда под давлением давление сильно варьируется от полного до пустого. Технически сложно спроектировать воздушные двигатели, обеспечивающие высокую эффективность и достаточную мощность в широком диапазоне давлений. Сжатый воздух может передавать мощность с очень высокой скоростью потока, что отвечает основным задачам ускорения и замедления транспортных систем, особенно для гибридных транспортных средств .

Системы сжатого воздуха имеют преимущества перед обычными батареями, включая более длительный срок службы сосудов под давлением и меньшую токсичность материалов. Новые конструкции аккумуляторов, например, основанные на литий-железо-фосфатном химическом составе, не страдают ни от одной из этих проблем. Затраты на сжатый воздух потенциально ниже; однако разработка усовершенствованных сосудов под давлением обходится дорого, а их испытания на безопасность в настоящее время дороже, чем батареи массового производства.

Как и в случае с технологией хранения электроэнергии, сжатый воздух настолько «чист», насколько «чист» источник энергии, которую он хранит. Оценка жизненного цикла рассматривает вопрос общих выбросов от данной технологии хранения энергии в сочетании с данным сочетанием выработки в энергосистеме.

Двигатель

Пневматический двигатель или двигатель на сжатом воздухе использует расширение сжатого воздуха для приведения в движение поршней двигателя, вращения оси или привода турбины .

Следующие методы могут повысить эффективность:

В высокоэффективной конструкции последовательно используются поршни высокого, среднего и низкого давления, причем за каждой ступенью следует трубка Вентури с продувкой воздухом, которая всасывает окружающий воздух через воздухо-воздушный теплообменник . Это нагревает выхлоп предыдущей ступени и пропускает предварительно нагретый воздух на следующую ступень. Единственным выхлопным газом каждой ступени является холодный воздух, температура которого может достигать -15 °C (5 °F); холодный воздух можно использовать для кондиционирования воздуха в автомобиле. [15]

Дополнительное тепло можно получить за счет сжигания топлива, как это было в 1904 году для торпеды Уайтхеда . [51] Это улучшает дальность полета и скорость, доступную для данного объема бака за счет дополнительного топлива.

Легковые автомобили

Примерно с 1990 года несколько компаний заявили, что разрабатывают автомобили на сжатом воздухе, но ни одна из них не доступна. Обычно основными заявленными преимуществами являются: отсутствие загрязнения обочин, низкая стоимость, использование растительного масла для смазки и встроенное кондиционирование воздуха.

Время, необходимое для заправки пустого бака, важно для транспортных средств. «Передача объема» практически мгновенно перемещает предварительно сжатый воздух из стационарного бака в бак автомобиля. Альтернативно, стационарный или бортовой компрессор может сжимать воздух по требованию, на что может потребоваться несколько часов.

Корабли

Большие судовые дизельные двигатели запускаются с использованием сжатого воздуха, обычно хранящегося в больших баллонах под давлением от 20 до 30 бар, который воздействует непосредственно на поршни через специальные пусковые клапаны, поворачивая коленчатый вал перед началом впрыска топлива. Эта конструкция более компактна и дешева, чем электростартер в таких масштабах, и способна обеспечить необходимый импульс чрезвычайно высокой мощности, не создавая непомерной нагрузки на электрические генераторы и систему распределения корабля. Сжатый воздух при более низком давлении также обычно используется для управления двигателем и действует как сила пружины, действующая на выпускные клапаны цилиндров, а также для управления другими вспомогательными системами и электроинструментами на борту, иногда включая пневматические ПИД-регуляторы . Одним из преимуществ этого подхода является то, что в случае отключения электроэнергии судовые системы, питаемые запасенным сжатым воздухом, могут продолжать работать бесперебойно, а генераторы можно перезапустить без электропитания. Во-вторых, пневматические инструменты можно использовать в обычно влажных средах без риска поражения электрическим током.

Гибридные автомобили

Хотя система хранения воздуха обеспечивает относительно низкую удельную мощность и запас хода, ее высокая эффективность привлекательна для гибридных автомобилей, в которых в качестве основного источника энергии используется обычный двигатель внутреннего сгорания. Хранение воздуха можно использовать для рекуперативного торможения и для оптимизации цикла поршневого двигателя, который не одинаково эффективен на всех уровнях мощности/об/мин.

Bosch и PSA Peugeot Citroën разработали гибридную систему, в которой гидравлика используется для передачи энергии в бак со сжатым азотом и обратно. Заявлено снижение расхода топлива до 45%, что соответствует 2,9 л/100 км (81 миль на галлон, 69 г CO 2 /км) в новом европейском ездовом цикле (NEDC) для такой компактной рамы, как Peugeot 208 . Утверждается, что эта система гораздо более доступна по цене, чем конкурирующие электрические системы и системы KERS с маховиком , и ожидается, что к 2016 году она появится на дорожных автомобилях. [52]

История воздушных двигателей

Локомотив со сжатым воздухом производства HK Porter, Inc. , использовавшийся на шахте Хоумстейк с 1928 по 1961 год.

Пневматические двигатели использовались с 19-го века для приведения в действие шахтных локомотивов , насосов, буров и трамваев посредством централизованного распределения на уровне города. Гоночные автомобили используют сжатый воздух для запуска двигателя внутреннего сгорания (ДВС), а большие дизельные двигатели могут иметь пусковые пневматические двигатели .

Типы систем

Гибридные системы

Двигатели с циклом Брайтона сжимают и нагревают воздух с помощью топлива, подходящего для двигателя внутреннего сгорания . Например, природный газ или биогаз нагревают сжатый воздух, а затем обычный газотурбинный двигатель или задняя часть реактивного двигателя расширяет его для производства работы.

Пневматические двигатели могут заряжать электрическую батарею . Очевидно несуществующая компания Energine продвигала свою систему Pne-PHEV или пневматическую подключаемую гибридную электромобильную систему. [ нужна ссылка ] [53]

Существующие гибридные системы

Ханторф, Германия, в 1978 году, и Макинтош, Алабама , США, в 1991 году ввели в эксплуатацию гибридные электростанции. [16] [54] Обе системы используют внепиковую энергию для сжатия воздуха и сжигают природный газ в сжатом воздухе на этапе выработки электроэнергии.

Будущие гибридные системы

Парк хранимой энергии Айовы (ISEP) будет использовать хранилище водоносных горизонтов , а не хранилище каверн. Вытеснение воды в водоносном горизонте приводит к регулированию давления воздуха постоянным гидростатическим давлением воды. Представитель ISEP утверждает: «Вы можете оптимизировать свое оборудование для повышения эффективности, если на вас постоянно оказывается давление». [54] Выходная мощность систем Макинтош и Айова находится в диапазоне 2–300 МВт.

Дополнительные объекты находятся в стадии разработки в Нортоне, штат Огайо . FirstEnergy , электроэнергетическая компания из Акрона, штат Огайо, получила права на разработку проекта Norton мощностью 2700 МВт в ноябре 2009 года. [55]

Проект RICAS2020 пытается использовать заброшенную шахту для адиабатической CAES с рекуперацией тепла. Тепло сжатия аккумулируется в секции туннеля, заполненной сыпучими камнями, поэтому сжатый воздух при входе в основную камеру хранения давления становится почти холодным. Холодный сжатый воздух возвращает тепло, накопленное в камнях, при выпуске обратно через наземную турбину, что приводит к повышению общей эффективности. [56] [57] Двухэтапный процесс имеет теоретически более высокий КПД около 70%. [58]

Озеро или океанское хранилище

Глубокие воды в озерах и океане могут обеспечить давление без необходимости использования сосудов высокого давления или бурения соляных пещер или водоносных горизонтов. [59] Воздух попадает в недорогие гибкие контейнеры, такие как пластиковые пакеты, расположенные внизу в глубоких озерах или на морских побережьях с крутыми обрывами. К препятствиям относятся ограниченное количество подходящих мест и необходимость прокладки трубопроводов высокого давления между поверхностью и контейнерами. Поскольку контейнеры будут очень недорогими, необходимость в большом давлении (и большой глубине) может быть не такой важной. Ключевым преимуществом систем, построенных на этой концепции, является то, что давление загрузки и нагнетания является постоянной функцией глубины. Таким образом, на электростанции можно снизить неэффективность Карно . Эффективность Карно можно повысить за счет использования нескольких ступеней зарядки и сброса, а также использования недорогих источников и поглотителей тепла, таких как холодная вода из рек или горячая вода из солнечных прудов . В идеале система должна быть очень умной — например, охлаждать воздух перед его откачкой в ​​летние дни. [60]

Почти изобарное решение возможно, если сжатый газ используется для привода гидроэлектростанции. Однако это решение требует больших резервуаров под давлением, расположенных на суше (а также подводных подушек безопасности). Кроме того, газообразный водород является предпочтительной жидкостью, поскольку другие газы страдают от значительного гидростатического давления даже на относительно небольших глубинах (например, 500 метров).

Европейская электроэнергетическая компания E.ON выделила 1,4 миллиона евро (1,1 миллиона фунтов стерлингов) на разработку подводных мешков для хранения воздуха. [61] [62] Hydrostor в Канаде разрабатывает коммерческую систему подводных «аккумуляторов» для хранения энергии сжатого воздуха, начиная с масштаба от 1 до 4 МВт. [63]

Существует план по созданию хранилища энергии сжатого воздуха в подводных пещерах Северной Ирландии. [64]

Почти изотермическое сжатие

Схематические изображения почти изотермического компрессора и детандера. Вид слева с полностью втянутым поршнем, вид справа с полностью вставленным поршнем.

Разрабатывается ряд методов близкоизотермического сжатия. В компании Fluid Mechanics имеется система с теплопоглощающей и отводящей структурой (HARS), прикрепленной к поршню, совершающему возвратно-поступательное движение. [65] Light Sail впрыскивает водную струю в возвратно-поступательный цилиндр. [ нужна ссылка ] SustainX использует смесь воздушно-водной пены внутри полуиндивидуального компрессора/расширителя со скоростью 120 об/мин. [66] Все эти системы обеспечивают сжатие воздуха с высокой температуропроводностью по сравнению со скоростью сжатия. Обычно эти компрессоры могут работать со скоростью до 1000 об/мин. Для обеспечения высокой температуропроводности среднее расстояние молекулы газа от теплопоглощающей поверхности составляет около 0,5 мм. Эти почти изотермические компрессоры также могут использоваться в качестве почти изотермических детандеров и разрабатываются для повышения эффективности работы CAES.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ↑ Уолд, Мэтью Л. (28 июля 2010 г.). «Ветер приводит к растущему использованию батарей». Нью-Йорк Таймс . п. Б1.
  2. ^ Кротогино, Фриц; Момейер, Клаус-Уве; Шарф, Роланд (2001). Huntorf CAES: Более 20 лет успешной работы (PDF) . Весенняя встреча SMRI.
  3. ^ Аб Лунд, Хенрик; Салджи, Жорж (2009). «Роль хранения энергии сжатого воздуха (CAES) в будущих устойчивых энергетических системах». Преобразование энергии и управление . Эльзевир Б.В. 50 (5): 1172–1179. doi :10.1016/j.enconman.2009.01.032. ISSN  0196-8904.
  4. ^ Аб Гис, Эрика (1 октября 2012 г.). «Глобальная чистая энергия: решение для хранения в воздухе». International Herald Tribune – через NYTimes.com.
  5. ^ «Информация о немецком проекте AAACAES» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 26 августа 2018 года . Проверено 22 февраля 2008 г.
  6. ↑ Колторп, Энди (20 января 2022 г.). «Почему Goldman Sachs считает, что усовершенствованная система сжатого воздуха заслуживает инвестиций в размере 250 миллионов долларов США». Новости хранения энергии . Архивировано из оригинала 3 апреля 2022 года.
  7. ^ Барбур, Эдвард; Миньяр, Дмитрий; Дин, Юлун; Ли, Юнлян (2015). «Адиабатическое хранилище энергии сжатого воздуха с хранилищем тепловой энергии насадочного слоя». Прикладная энергетика . Эльзевир Б.В. 155 : 804–815. Бибкод : 2015ApEn..155..804B. дои : 10.1016/j.apenergy.2015.06.019 . hdl : 20.500.11820/31a2a7f9-5fc6-4452-8bd8-b08614bebae2 . ISSN  0306-2619. S2CID  28493150.
  8. ^ История первого в США завода по хранению энергии на сжатом воздухе (CAES) (110 МВт, 26 часов). Главная страница EPRI (Отчет). Том. 2: Строительство. 7 мая 1994 года.
  9. ^ «Газотурбинные электростанции комбинированного цикла, работающие на природном газе» (PDF) . 8 августа 2002 г. Архивировано из оригинала (PDF) 11 апреля 2008 г. . Проверено 4 января 2008 г.
  10. ^ Хейдари, Махбод; Мортазави, Мехди; Руфер, Альфред (1 декабря 2017 г.). «Проектирование, моделирование и экспериментальная проверка нового ребристого поршневого компрессора для изотермического хранения энергии в сжатом воздухе». Энергия . 140 : 1252–1266. doi :10.1016/j.energy.2017.09.031. ISSN  0360-5442.
  11. ^ Мохаммади-Амин, Мейсам; Джахангири, Али Реза; Бустанчи, Мохсен (2020). «Термодинамическое моделирование, CFD-анализ и параметрическое исследование околоизотермического поршневого компрессора». Тепловая наука и инженерный прогресс . 19 :100624. дои :10.1016/ж.цепь.2020.100624. S2CID  225574178.
  12. ^ Гуанвэй, Цзя; Вэйцин, Сюй; Маолинь, Цай; Ян, Ши (1 сентября 2018 г.). «Квазиизотермическое сжатие микронного размера с водяным распылением для хранения энергии сжатого воздуха». Экспериментальная тепловая и гидрологическая наука . 96 : 470–481. doi :10.1016/j.expthermflusci.2018.03.032. ISSN  0894-1777. S2CID  126094265.
  13. ^ «Расчет изотермического КПД» (PDF) . www.fluidmechanics.co.uk . 2015. Архивировано из оригинала (PDF) 14 февраля 2019 года . Проверено 4 июля 2015 г.
  14. ^ Дуглас Селф . «Пневмодвижение» . Проверено 11 мая 2014 г.
  15. ^ ab «Трёхступенчатая двигательная установка с промежуточным подогревом». Архивировано из оригинала 31 октября 2015 года . Проверено 11 мая 2014 г.
  16. ^ ab «Программа распределенной энергетики: хранение энергии в сжатом воздухе». eere.energy.gov . 14 сентября 2005 г. Архивировано из оригинала 27 августа 2006 г.
  17. ^ ab «Хранение энергии сжатого воздуха: теория, ресурсы и применение для ветроэнергетики» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 19 января 2012 года . Проверено 6 июня 2015 г.
  18. ^ «Добыча соли» . Архивировано из оригинала 17 октября 2007 года . Проверено 26 октября 2007 г.
  19. ^ ab «Хранение энергии сжатого воздуха». Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория. Апрель 2013 . Проверено 20 мая 2013 г.
  20. ↑ Потти, Дэниел (2 февраля 2023 г.). «Сравнительный анализ изохорных и изобарно-адиабатических накопителей энергии сжатого воздуха». Энергии . 16 (6): 2646. doi : 10.3390/en16062646 .
  21. ↑ Аб Донг, Лим (17 мая 2013 г.). «Океанское хранилище энергии сжатого воздуха (OCAES), интегрированное с морскими возобновляемыми источниками энергии» (PDF) . Проверено 6 июня 2015 г.
  22. ^ "Dansk projekt vil lagre vindenergi под 25-метровым песком" . Ingeniøren (на датском языке). 25 сентября 2009 г.
  23. ^ ab «Пневматическая отправка». Энциклопедия Чемберса: словарь универсальных знаний. W. & R. Чемберс, ООО. 1896. стр. 252–253.
  24. ^ Вельдхоэн, Л.; ван ден Энде, Дж. (1995). Технические ошибки: de Planta-affaire, instortende bruggen, vliegdekschepen van ijs (на голландском языке). Донкер. ISBN 978-90-6100-400-4.
  25. ^ ab Хранение электроэнергии и возобновляемые источники энергии: затраты и рынки до 2030 года (PDF) (Отчет). Абу-Даби: Международное агентство по возобновляемым источникам энергии . 2017. с. 55.
  26. ^ Хранение сжатого воздуха (CAES) (PDF) , Dresser-Rand Corporation, 2010 г., форма брошюры № 85230, заархивировано из оригинала (PDF) 7 сентября 2012 г.
  27. ↑ Уолд, Мэтью (29 сентября 1991 г.). «Использование сжатого воздуха для накопления электроэнергии». Нью-Йорк Таймс .
  28. ^ "CAES: Электростанция Макинтош" . Энергетический кооператив PowerSouth. 2010. Архивировано из оригинала 18 октября 2011 года . Проверено 15 апреля 2012 г.
  29. ^ ab ARRA Energy Storage Demonstrations (PDF) , Sandia National Laboratories , получено 13 апреля 2012 г.
  30. ^ NYSEG рассматривает возможность хранения энергии в сжатом воздухе, Energy Reviews Publishing, архивировано из оригинала 29 июля 2018 г. , получено 13 апреля 2012 г.
  31. ^ General Compression, Inc. «Что мы делаем - Texas Dispatchable [sic] Wind 1, LLC». Архивировано из оригинала 23 мая 2013 года . Проверено 2 марта 2013 г.
  32. ↑ Хауэр, Андреас (27 апреля 2022 г.). Достижения в области хранения энергии: последние разработки от исследований и разработок до рынка. Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-1-119-76010-8.
  33. ^ «Адиабатическое хранение энергии на сжатом воздухе для электроснабжения» (PDF) . Январь 2010 г. Архивировано (PDF) из оригинала 22 мая 2022 г.
  34. ^ «Пилот Adele CAES: площадка выбрана, но проект отложен» . Современные энергетические системы. Архивировано из оригинала 9 марта 2016 г. – на сайте highbeam.com. Консорциум под руководством RWE/GE, который занимается разработкой адиабатической формы хранения энергии на основе сжатого воздуха, собирается основать свой испытательный завод промышленного масштаба в Штассфурте. Стадия тестирования, первоначально намеченная на 2073 год, теперь не ожидается раньше 2016 года.
  35. ^ Веб-сайт Storelectric
  36. ^ «Усовершенствованная установка по хранению энергии на сжатом воздухе, подключенная к сети, введена в эксплуатацию в Онтарио» . Новости хранения энергии . 28 ноября 2019 г. Архивировано из оригинала 23 декабря 2019 г.
  37. ↑ Ли, Лиза-Энн (29 марта 2017 г.). «Создание хранилища возобновляемой энергии из горячего воздуха». newatlas.com . Проверено 11 апреля 2017 г.
  38. ↑ СТОУН, ПОЛ (11 июля 2012 г.). «Округ Андерсон становится энергетическим центром». Palestineherald.com .
  39. ^ "Энергетический центр Вефиля". АПЕКС CAES . 8 октября 2013 года . Проверено 6 июля 2017 г.
  40. ^ "Установка A-CAES в Торонто - Гидростор" . Проверено 6 сентября 2020 г.
  41. ↑ Колторп, Энди (1 июня 2022 г.). «Китайская индустрия хранения энергии на основе сжатого воздуха добивается прогресса». Новости хранения энергии .
  42. ↑ Мюррей, Кэмерон (8 июня 2022 г.). «Energy Dome запускает первый в мире проект «CO2-батареи» мощностью несколько мегаватт на Сардинии, Италия» . Новости хранения энергии .
  43. ↑ Колторп, Энди (20 января 2022 г.). «Почему Goldman Sachs считает, что усовершенствованная система сжатого воздуха заслуживает инвестиций в размере 250 миллионов долларов США». Новости хранения энергии . Архивировано из оригинала 27 мая 2022 года.
  44. ↑ Блейн, Лоз (5 октября 2022 г.). «Китай запускает крупнейшую в мире установку по хранению энергии на сжатом воздухе». Новый Атлас . Проверено 10 октября 2022 г.
  45. ↑ Мюррей, Кэмерон (26 октября 2022 г.). «Начинается строительство энергоаккумулятора на сжатом воздухе мощностью 1,4 ГВтч в Китае». Новости хранения энергии .
  46. ↑ Шульц, Джо (25 сентября 2023 г.). «В Висконсине разместится первое в своем роде хранилище энергии в США». Общественное радио штата Висконсин . Проверено 28 сентября 2023 г.
  47. ↑ Кремер, Сьюзен (18 апреля 2011 г.). «Подводные энергетические пакеты будут испытаны на хранение прибрежного ветра». ЧистаяТехника .
  48. ^ Тепловые потери практических систем описаны в разделе «Хранение».
  49. ^ «Плотность воздуха и удельный вес» . Engineeringtoolbox.com . 2 марта 2006 г. Архивировано из оригинала 22 ноября 2012 г.
  50. ^ ISO 11439:2013 — Газовые баллоны. Баллоны высокого давления для бортового хранения природного газа в качестве топлива для автомобильных транспортных средств. Июнь 2013.
  51. ↑ Кирби, Джефф (18 сентября 1999 г.). «Военно-морской флот в переходный период: история торпеды; первые дни». Журнал научной службы Королевского флота . 27 (1). Архивировано из оригинала 30 мая 2012 года . Проверено 11 мая 2014 г.
  52. ^ «PSA Peugeot Citroën и Bosch разрабатывают гидравлическую гибридную трансмиссию для легковых автомобилей; снижение расхода топлива на 30% в NEDC, до 45% в городских условиях; применение в B-сегменте в 2016 году» . Конгресс зеленых автомобилей. 22 января 2013 года . Проверено 11 мая 2014 г.
  53. ^ "Схема системы Energine PHEV" . Энергайн.com. Архивировано из оригинала 13 мая 2014 года . Проверено 11 мая 2014 г.
  54. ↑ Аб Пендик, Дэниел (17 ноября 2007 г.). «Усильте ветер: хотите получать больше электроэнергии от ветра? Ключ лежит у нас под ногами». Новый учёный . 195 (2623): 4 . Проверено 17 ноября 2007 г.
  55. ^ "Дом FirstEnergy Corp." (PDF) . Firstenergycorp.com. 20 марта 2014 года . Проверено 11 мая 2014 г.
  56. ^ «Цели проекта». РИКАС . Проверено 20 февраля 2017 г.
  57. ^ "ПРЕКНИНГ: Luft kan bli verdens negte "batteri"" . Teknisk Ukeblad (на норвежском языке). 20 февраля 2017 г. Проверено 20 февраля 2017 г.
  58. ^ Ван, Дзидай; Лу, Кунпэн; Ма, Лан; Ван, Цзихун; Дунер, Марк; Мяо, Шихун; Ли, Цзянь; Ван, Дэн (13 июля 2017 г.). «Обзор развития технологий хранения энергии сжатого воздуха». Энергии . 10 (7): 991. doi : 10.3390/en10070991 .
  59. ^ «Ветер плюс сжатый воздух равняется эффективному хранению энергии в предложении Айовы» . Веб-сайт «Бюллетеня энергетических услуг» . Управление энергетики Западного региона. Архивировано из оригинала 9 мая 2008 года . Проверено 29 апреля 2008 г.
  60. ^ Патент США 4873828, Оливер Лэнг, «Накопление энергии для электроэнергии в непиковое время». 
  61. ^ «Энергетические пакеты и супербатареи» (пресс-релиз). Ноттингемский университет. 18 июня 2008 г. Архивировано из оригинала 3 февраля 2011 г.
  62. ↑ Харан, Брэди (26 марта 2008 г.). «Человек, делающий «ветряные мешки»». НОВОСТИ BBC .
  63. ^ «Как Hydrostor стремится изменить энергетическую игру, храня энергию под водой» . ТехКранч . 9 июля 2011 г.
  64. ^ «Можно ли хранить энергию в заполненных воздухом пещерах?». Новости BBC . 11 октября 2015 года . Проверено 29 июля 2018 г.
  65. ^ «Почти изотермическое сжатие и расширение». 28 мая 2015 года . Проверено 29 июля 2018 г.
  66. ^ BR Боллинджер (1 апреля 2015 г.). «Отчет о технологических характеристиках, программа SustainX Smart Grid» (PDF) . SustainX Inc.

Внешние ссылки

На Wikimedia Commons есть средства массовой информации, связанные с хранением энергии в сжатом воздухе .