Криогенные накопители

В 2018 г. английская компания Highview Power запустила в работу первый в мире промышленный криогенный накопитель энергии на жидком воздухе. Система помогает нивелировать рваную выработку ветровых и солнечных станций, не нанося вреда окружающей среде.

Всё дело в «термосе»

Директор по технологиям компании Highview Power Гарет Бретт загорелся идеей создать промышленный накопитель энергии нового типа ещё в 2006 г., когда и была учреждена Highview Power. Идея показалась ему весьма перспективной. «Система хранения энергии на основе необычного рабочего тела, жидкого воздуха, позволяет надолго запасать энергию, используя недорогие ёмкости, работающие при низком давлении», - объясняет он.

Предложенный Гаретом Бреттом подход кардинально отличается от накопления заряда в ионно-литиевых и других электрохимических аккумуляторах. Во-первых, речь идёт о тепломеханической системе, которая работает десятилетиями и не требует применения дефицитных и ядовитых материалов. Во-вторых, оборудование криогенного накопителя энергии включает хорошо отлаженные в производстве и легкодоступные на рынке готовые узлы. Некоторые компании уже более ста лет занимаются выпуском криогенных систем. В-третьих, технология хорошо масштабируется и настраивается на разные соотношения ёмкости и мощности.

Три этапа

В основе системы - готовый промышленный криогенный холодильник. Подобная техника выпускается, например, для предприятий чёрной металлургии, где при выплавке стали сегодня используются преимущественно кислородные конвертеры. 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, см. рис. По данным компании, электрический КПД всей системы в полном цикле равен 60% и достигает 70% при использовании внешнего сбросного тепла. И это, кстати, - неплохие показатели: по опыту США, промышленные накопители энергии на сжатом воздухе экономически эффективны при КПД на уровне 50-55%.

Упрощённая схема криогенного накопителя. Источник: Highview Power.

Накопители компании Highview Power обеспечивают наибольший выигрыш, когда нужно надолго запасти много энергии. Из-за того, что криогенное холодильное оборудование обходится дорого, для снижения стоимости каждого запасаемого киловатт-часа желательно использовать большие ёмкости. «На рынке промышленных систем хранения энергии ионно-литиевые аккумуляторы захватили сектор небольших систем для кратковременного накопления энергии, исчисляемого минутами и десятками минут, а мы говорим о крупных системах, способных выдавать энергию в электрическую сеть часами и десятками часов», - отмечает Гарет Бретт.

Пора тиражировать

Компания Highview Power ввела в строй демонстрационную установку промышленного масштаба (ёмкостью 15 МВт·ч и мощностью 5 МВт) в апреле 2018 г. Накопитель размещён под Манчестером, в местечке Бёри, рядом с закрытым полигоном твёрдых бытовых отходов. Полигон герметизирован для сбора свалочного газа, который поступает на небольшую электростанцию, где установлены газопоршневые агрегаты (ГПА). Тепло выхлопных газов ГПА используется в накопителе Highview Power для подогрева сжиженного воздуха. Установка подключена к Энергосистеме Великобритании и оказывает Системному оператору услуги по поддержанию мощности. Средства на строительство установки выделило Министерство энергетики и изменения климата Великобритании. «Эксплуатируя демонстрационную установку, мы получили опыт и знания, которые позволяют нам спроектировать и построить в десять раз более мощную систему», - поделился Гарет Бретт.

До этого в 2010-2014 гг. компанией Highview Power была создана уменьшенная пилотная система, которая сегодня находится в Центре криогенного накопления энергии при Бирмингемском университете, где используется как наглядное пособие при обучении студентов технических специальностей. Кстати, проработкой концепции криогенных накопителей занимаются и в Губкинском университете на лукойловской кафедре возобновляемых источников энергии.

Американская компания Baker Hughes (входит в состав корпорации GE) лицензировала технологию Highview Power и предлагает соответствующие решения корпоративным клиентам из электроэнергетического сектора.

Катализатор для генерации

Необходимость подвода тепла при испарении жидкого воздуха ограничивает выходную мощность криогенного накопителя. Однако в рамках тепловой электростанции, работающей на органическом топливе, эта особенность криогенного накопителя может нивелироваться. Дело в том, что в моменты пикового энергопотребления на электростанциях образуется много сбросного тепла, которое можно эффективно утилизировать для испарения воздуха. Пики энергопотребления обычно наблюдаются днём, а ночью, когда генерирующие мощности в избытке, накопитель удобно заряжать, заодно получая энергетический выигрыш от пониженной температуры внешнего воздуха.

На ТЭС криогенный накопитель можно вписать в циркуляционные контуры для получения дополнительных эффектов. Жидкий азот поможет эффективно охлаждать конденсаторы паровых турбин, электрогенераторы и другое оборудование, а также воздух на всосе в компрессоры газовых турбин, повышая КПД энергогенерации.

Мы знаем, какими затратами даётся приращение температуры пара на 100-200 °C: для этого в производстве котлов, паропроводов и турбин необходимо использовать совсем другие конструкционные материалы и технологии. Поэтому не следует упускать возможность в цикле паросиловой установки получить хотя бы 30-градусный выигрыш за счёт лучшего охлаждения конденсатора. То же самое касается и газовых турбин.

Источник: Энерговектор