Воздух, тепло и вода
Накопители на сжатом воздухе (Compressed Air Energy Storage, CAES) известны давно, но реально работающих систем пока мало. Попробуем взглянуть на некоторые инновации в этой области.
Эффективнее сжигать топливо
Первая система CAES была запущена на пиковой электростанции Хунторф в Эльсфлете (Германия) в 1978 году и действует до сих пор. Электростанция мощностью первоначально 290, а в настоящее время 321 МВт работает на природном газе. В часы низких нагрузок дешёвая избыточная энергия (раньше она вырабатывалась на АЭС, сейчас – на ВИЭ-станциях) питает компрессор, сжимающий воздух, а при пиковых нагрузках этот воздух подаётся в камеру сгорания газовой турбины, что позволяет втрое увеличить выработку электроэнергии (в простой газовой турбине на сжатие воздуха тратится около двух третей энергии сгорания топлива). Воздух закачивается в два подземных хранилища общим объёмом 310 000 м³; одно из них опустошается и вновь заполняется ежедневно; второе, резервное, задействуется на более продолжительных промежутках времени. Хранилища представляют собой 150-метровые (на глубине примерно от 650 до 800 м) шахты в толще соляных пластов; такое размещение позволяет поддерживать в течение всего года постоянную температуру и давление до 100 бар. В последние годы изучаются возможности эксплуатации хранилища при более высоком давлении и перевода газовой турбины с ископаемого топлива на водород, вырабатываемый ВИЭ-станциями.
Спустя 13 лет, в 1991 году, в городе Макинтоше в Алабаме заработала вторая коммерческая система CAES. Для сжатия воздуха, как и в первоначальном проекте в Хунторфе, используется избыточная энергия от соседней АЭС, хранилище находится в толще соляного пласта, а сжатый воздух поступает в газовую турбину. Предварительно он (поскольку температура газов при сжатии повышается, а при расширении снижается) подогревается за счёт отходящего тепла турбины, что позволяет дополнительно экономить порядка 25% топлива.
После проекта в Макинтоше в развитии CAES наступило длительное затишье и могло даже показаться, что с изменением индустриального ландшафта эти системы потеряли актуальность. Однако по крайней мере в Китае они строятся - так, в мае компания ZCGN объявила о вводе в эксплуатацию в Фейчэне (провинция Шаньдун) крупнейшей в мире CAES-системы мощностью 300 МВт и ёмкостью 1800 МВт·ч. Проект, по информации компании, обошёлся в 207,8 миллиона долларов. Воздух закачивается в соляную каверну объёмом 500 000 м³; её глубина достигает километра. Основные компоненты системы – это многоступенчатый компрессор с широкими возможностями регулирования нагрузки и мощный турбинный детандер. Система также включает высокоэффективный сверхкритический теплообменник и использует технологию сквозного управления. Предполагаемая годовая выработка электроэнергии на объекте составит 600 ТВт·ч, при этом будет экономиться около 189 000 тонн энергетического угля относительно стандартного его потребления, а атмосферные выбросы в пересчёте на углекислый газ сократятся примерно на 490 000 тонн в год. Общий КПД системы – 72%.
Компания сообщила, что её проект был на 30% дешевле, чем проект установки мощностью 100 МВт, построенной Институтом инженерной теплофизики Китайской академии наук и запущенной в 2022 году (к сожалению, о ней очень мало информации).
Взглянем теперь на некоторые перспективные инновации.
Солнечно-воздушный охладитель
Установки CAES, построенные в прошлом веке, – диабатические, в них тепловая энергия, выделяющаяся при сжатии воздуха, просто рассеивается (и в Макинтоше воздух приходится подогревать, чтобы компенсировать потерю). Новая китайская система – адиабатическая, здесь энергия собирается для последующего использования, и это важнейший фактор повышения КПД. Израильская компания Storage Drop в партнёрстве с университетом Технион и ещё четырьмя исследовательскими группами из Испании и Франции разрабатывает изотермический процесс, в котором теплообмен происходит непрерывно, так что температура сжимаемого воздуха не меняется. Этого позволит добиться гидравлический компрессор на основе водяного насоса, носящий фирменное название DropX (см. рис. 1).
используется изотермический процесс (Источник: Storage Drop)
Компрессор – часть экологически чистой системы охлаждения, работающей от солнечных панелей и использующей в качестве теплоносителя только воду и CO2; она также включает хранилище сжатого воздуха HyDrop и охладитель Cool Drop. Система в состоянии поддерживать температуру хладагента в диапазоне от –40 до +12 °C и предназначена для любых помещений, где требуется охлаждение/кондиционирование воздуха: многоквартирных жилых домов, офисных зданий, заводских цехов, центров обработки данных, промышленных холодильников и др. Компоненты системы независимы и могут использоваться по отдельности, но самые большие ожидания разработчики возлагают всё-таки на их комплекс.
Подводное хранилище
В 2011 году двое немецких физиков, профессор Хорст Шмидт-Бёкинг и доктор Герхард Лютер, подали заявку и в 2013-м получили патент на систему хранения электроэнергии в форме сжатого воздуха, размещаемую на дне моря. Изобретением сразу же (задолго до выдачи патента) заинтересовались в Институте экономики энергетики и технологий энергосистем Общества имени Фраунгофера (Fraunhofer IEE), в результате чего был запущен проект StEnSea (Stored Energy in the Sea – энергохранилище в море), к которому присоединился ряд промышленных партнёров. Концепцию протестировали сначала на компьютерной модели, а затем и на физической, в масштабе 1:10. Испытания, прошедшие на Боденском озере, были признаны успешными, и в настоящее время израильский стартап BaroMar реализует пилотный проект у побережья Кипра.
Рабочая система будет состоять из полых бетонных сферических модулей диаметром тридцать метров, установленных на морском дне (см. рис. 2). В полностью разряженном состоянии модуль целиком заполнен морской водой, в процессе зарядки компрессор нагнетает в него сверху воздух, который вытесняет воду; при этом давление воздуха остаётся одним и тем же (равным давлению окружающей воды) вне зависимости от его количества внутри модуля. При разрядке сжатый воздух из модуля подаётся на соединённую с электрогенератором турбину, и она вращается с постоянной скоростью. На глубине 750 м модуль сможет хранить около 20 МВт·ч энергии и при разрядке вырабатывать мощность приблизительно в 5 МВт. Систему предполагается использовать совместно с электростанциями, работающими от ВИЭ (в пилотном проекте это ветровой парк).
Противоположным образом действует система Augwind, о которой мы сообщали в прошлом году, – там воздух вытесняет воду, которая и подаётся в турбину. О других проектах накопителей, соединяющих воздух с водой, – в следующих статьях.
