Воздушно-водородный накопитель

Иллюстрация: Iconic Bestiary

Потребность в создании эффективных энергоаккумуляторов с каждым годом растёт. В централизованной энергосистеме необходимо сглаживать неравномерности суточных, недельных и сезонных графиков энергопотребления, а в малых энергосистемах – резервировать ВИЭ.

По мере развития накопителей резервы дополнительного повышения эффективности начинают обнаруживаться в новых местах, на стыках разных технологий. В этом плане весьма интересна водородно-воздушная газотурбинная система аккумулирования энергии, концептуально проработанная и описанная сотрудниками Объединённого института высоких температур (ОИВТ) РАН Счастливцевым и Назаровой в прошлом десятилетии.

Учёные ОИВТ РАН предложили концепцию гибридной водородно-воздушной газотурбинной системы накопления энергии, которая может быть использована как в автономной, так и в централизованной энергетике, причём она весьма перспективна для применения в комплексе с ВИЭ. Речь идёт о комбинированном запасании энергии в виде сжатого компрессором воздуха, а также в водороде и кислороде, полученных из воды электролизом. Такой подход даёт гибкость, снижая удельную стоимость системы благодаря сокращению требований к объёму хранилищ.

Зарубежные прародители

Воздушно-аккумулирующие накопители энергии (Compressed Air Energy Storage, CAES), получившие распространение за рубежом, требуют больших подземных хранилищ для сжатого воздуха, а потому строить их можно далеко не везде.

CAES закачивает сжатый воздух в специальные резервуары, используя при этом дешёвую электроэнергию, производимую в часы пониженного спроса. При пиковом энергопотреблении сжатый воздух, подогреваемый сжиганием природного газа, используется для привода газотурбинной энергоустановки.

Существуют адиабатические CAES, не потребляющие топливо. В них для подогрева воздуха служит только теплота, запасённая при его сжатии в компрессорах. Такие установки не создают вредных выбросов в атмосферу при работе, однако обладают суженным диапазоном регулирования мощности, большей удельной стоимостью и страдают от потерь тепла в аккумуляторах при продолжительном хранении энергии. При этом для запасания воздуха необходимы большие ёмкости. Расчётный коэффициент рекуперации энергии для такой установки мощностью 115 МВт и при давлении воздуха в хранилище до 17 МПа доходит до 72,7%.

Слагаемые энергии

Сотрудники ОИВТ разработали комбинированную схему воздушно-аккумулирующей газотурбинной электростанции, в которой для подогрева воздуха перед турбиной применяется теплота сжигания водорода в кислороде.

Водород обеспечивает высокую плотность запасаемой энергии (до 38 кВт·ч/кг), а при сжигании в кислороде не создаёт токсичных окислов азота. Образующийся высокотемпературный водяной пар можно смешивать с подогреваемым воздухом, обходясь без теплообменника. И поскольку воздух при нагревании сильно расширяется, применение водорода позволяет сократить объёмы хранилищ сжатого газа.

На рисунке показана упрощённая схема водородно-воздушной газотурбинной системы аккумулирования (ВВГТСА). Электроэнергию во время пониженного спроса на неё запасают двумя способами. Во-первых, электролизным разложением воды на водород и кислород с последующим закачиванием их в хранилища. В случае использования электролизёра высокого давления могут даже не понадобиться дожимные компрессоры для водорода и кислорода. И во-вторых, путём сжатия воздуха компрессорами, приводимыми в действие мотор-генератором. Компрессорная группа может состоять из нескольких (как показано на рисунке) компрессоров среднего и высокого давления либо из одного осевого с промежуточными отводами тепла. Полученное при сжатии воздуха тепло может быть направлено в тепловой аккумулятор либо использовано для отопления или других нужд. Сжатый компрессорами охлаждённый воздух поступает в хранилище.

Упрощённая схема ВВГТСА

В режиме выработки электроэнергии воздух из хранилища сначала поступает в регенератор, где подогревается отработанными газами ГТУ до температуры 200–350 °С. Далее он подводится к камере сгорания, где нагревается до 850–950 °С теплотой сгорания водорода в кислороде.

Засучив рукава

Авторы отмечают, что практически все элементы установки известны и освоены в серийном производстве за исключением камеры сгорания. Её изготовление осложняется тем, что требуется обеспечить как можно более полное сжигание водорода в кислороде при стехиометрическом соотношении компонентов и плавный подогрев воздуха для предотвращения образования окислов азота. Чтобы нагреть воздух в ГТУ до температуры 850–850 °С, необходимо предварительно снизить температуру генерируемого пара с более чем 2000 °С (см. фото) до 1500–1800 °С за счёт отвода теплоты от камеры сгорания. Далее пар можно постепенно смешивать с потоком воздуха из рекуператора. Чтобы в лопатках ГТУ не возникали сильные термические напряжения, неоднородность температуры в нагретом таким образом воздухе не должна превышать 40°.

Горение водород-кислородной смеси в среде водяного пара (Иллюстрация: Г. Ш. Пиралишвили)

Прототипы охлаждаемых водой камер сгорания мощностью от 50 кВт до 25 МВт разработаны в ОИВТ РАН совместно с Конструкторским бюро химавтоматики, но нуждаются в доработке в соответствии с конкретными требованиями к накопителю.

Надо всё посчитать

Разработчики приводят приблизительные расчёты основных параметров ВВГТСА и отмечают, что при сжатии воздуха в компрессоре происходит его нагрев до 250–470 °С, а перед подачей в хранилище его необходимо охладить до 30–50 °С для уменьшения удельного объёма. Отведённое тепло можно использовать различными способами. Во-первых, для отопления, подогрева воды или технологических нужд. Во-вторых, его можно запасти в тепловом аккумуляторе и впоследствии использовать для подогрева воздуха перед турбиной, чтобы повысить коэффициент рекуперации энергии. В-третьих, это тепло можно сбрасывать в атмосферу, что позволит снизить стоимость аккумулирующей системы. Выбор варианта зависит от заказчика энергоустановки.

При подборе хранилищ также требуются оптимизационные расчёты. Возможны два основных варианта хранения сжатого воздуха: при низком (до 18 атм.) и при высоком (более 80 атм.) давлении. В первом случае не возникает проблем с безопасностью, а цена таких хранилищ может быть очень низкой, но потребуются довольно большой их объём и придётся установить дополнительный компрессор перед турбиной. Например, можно закачать воздух в хранилище под давлением 8 атм., а при его подаче в турбину повышать давление до 18–40 атм. с помощью компрессора, но тогда увеличится расход водорода и кислорода.

Во втором случае объём хранилища снижается, однако возрастает его стоимость, возникают затраты на установку компрессора высокого давления и проблемы, связанные с обеспечением безопасности при работе с высоким давлением.

Расчёт коэффициента рекуперации нетривиален, поскольку энергия запасается в двух разных формах - механической и химической. За подробностями отошлём читателя к первоисточнику (щёлкните здесь).

* * *

После 2017 года, когда были опубликованы результаты исследования ОИВТ, проблема хранения электроэнергии в промышленных масштабах в нашей стране стала ещё актуальнее. Это связано как с увеличением мощностей ВИЭ-генерации, так и с усилением летних пиков потребления.