Юрий Почанин – Энергетика и экология (страница 12)

Таким образом, сверхпроводники играют важную роль в энергетике, обеспечивая эффективное использование энергии и снижение затрат. Исследования в этой области продолжаются, и мы можем ожидать еще большего применения сверхпроводников в энергетике в будущем.

3.3.2. Криогенные системы хранения энергии для возобновляемых источников

Будущее, в котором 100% мировой электроэнергии будет производиться из чистых источников, становится очевидным. Эта тенденция обусловлена суровыми реалиями изменения климата. Получение энергии из ископаемого топлива – привычка, от которой человечество должно отказаться в пользу возобновляемых источников и современных технологий, в том числе криогенных хранилищ энергии. Криогенные жидкости – это вещества, обладающие крайне низкими температурами кипения. Главными представителями криогенных жидкостей являются жидкий азот, жидкий кислород и жидкий водород.

По всей территории Соединенных Штатов более 100 городов поставили перед собой амбициозные цели по обеспечению 100% чистой энергии. В конце 2018 года Xcel Energy сделала знаменательное объявление, взяв на себя обязательства к 2050 году поставлять только безуглеродное электричество на всей территории обслуживания в восьми штатах США.

Европа добилась еще большего прогресса. Большинство европейских стран поставили аналогичные цели в области возобновляемых источников энергии, и некоторые из них достигнуты раньше заявленного срока. Германия получает 36% электроэнергии из возобновляемых источников, Дания – более 50%, а в Исландии почти 100% энергии производится из возобновляемых источников.

Качественный скачок, который мы наблюдаем на рынке, стал возможен благодаря тому, что стоимость возобновляемой энергии почти сравнилась со стоимостью производства энергии из ископаемого топлива. Нормированная стоимость электроэнергии (LCOE) солнечных электростанций была снижена на 85% с 350 долларов США за МВтч в 2009 году до 50 долларов США за МВтч в 2017 году. Ожидается, что к 2050 году она сократится до 37 долларов за Мвтч. В ветроэнергетике наблюдается аналогичное падение цен, при этом средний показатель LCOE энергии ветра в 2017 году упал до 45 долларов за МВтч. Конкурентоспособные цены стимулируют беспрецедентно высокий уровень использования возобновляемых источников энергии. Управление энергетической информации США прогнозирует, что с 2020 по 2050 год установленная мощность местных ветроэнергетических предприятий увеличится на 20 ГВт, а установленная мощность фотоэлектрических солнечных батарей увеличится на 127 ГВт, и это только в одной стране.

Неравномерное распределение во времени энергии, вырабатываемой из возобновляемых источников (ВИЭ), является одной из основных проблем, которые сейчас сдерживают рост ветровых и солнечных электростанций. Как правило, возобновляемые источники энергии непостоянны и характеризуются перепроизводством при низком потреблении и дефицитом энергии при пиковых нагрузках. Это создает трудности в балансировке электросети, особенно в традиционных электросетях с централизованной структурой, где потребители являются полностью пассивными участниками энергетической системы. Переход от этого типа структур к так называемым «умным сетям», где потребители являются активными участниками энергетической системы, способствует росту доли ВИЭ в структуре энергопотребления и помогает более эффективно сбалансировать производство и потребление энергии. Одним из элементов перехода к «умным сетям» является внедрение систем хранения энергии, как в малых, так и в больших масштабах. В настоящее лидерами в этой области являются такие страны, как Соединенные Штаты, Китай, Южная Корея, Германия, Франция, Япония, Индия, Великобритания, Австралия и Бразилия. Основу хранения электроэнергии составляют гидроаккумулирующие электростанции, доля которых превышает 96%.

Мировой энергетический совет прогнозировал, что к 2030 году в мире будет установлено до 250 ГВт накопителей энергии. Установленная мощность хранилищ энергии всех типов по странам на 2018 год представлена в таблице 3.3.

Таблица 3.3. Установленная мощность хранилищ энергии всех типов (до счетчика) по странам на 2018 год.

Страна

Установленная мощность

ГВт

Южная Корея

0,8

Китайская Народная Республика

0,6

Соединенные Штаты Америки

0,4

Германия

0,3

Другие страны

1,0

Существует множество систем хранения энергии, основанных на самых разных физических принципах. Они используют накопление тепла или холода, гидроэлектрическую энергию, сжатый воздух, криогенные вещества, маховики, суперконденсаторы, сверхпроводящие магниты, электрохимические элементы, топливные элементы и др. Однако наиболее значимые и многообещающие технологии – это криогенное хранение энергии (CES) и, в частности, накопление энергии с помощью жидкого воздуха, успешно реализованно компанией Highview Power Storage (Великобритания).

Чистый атмосферный воздух содержит около 78% азота и 21% кислорода. При атмосферном давлении азот кипит при минус195,8°C, а кислород при минус 183°C. Скрытая теплота парообразования составляет 200 кДж / кг для азота и 213 кДж / кг для кислорода.

Надежное энергоснабжение сегодня требует развития технологий аккумулирования и хранения энергии. Операторы сетей все чаще обращаются к долгосрочному хранению энергии (более четырех часов), чтобы помочь улучшить экономику производства электроэнергии, сбалансировать электросеть и повысить ее надежность.

Криогенные системы хранения энергии, использующие жидкий воздух, лучше подходят для работы в масштабе электросети, чем громоздкие гидроаккумулирующие электростанции. Эти объекты представляют собой очень компактные автономные системы, которые при желании могут быть расположены где угодно. Криогенные хранилища занимают мало места, они не используют опасные материалы, не несут сопутствующей пожарной опасности и вполне могут соответствовать современным городским строительным нормам. Принцип их работы аналогичен тому, который используется для сжижения природного газа.

Проект, разработанный компанией Highview Power Storage, предусматривает использование излишков энергии от ВИЭ для охлаждения воздуха до температуры в минус 190°C. Полученный в результате концентрированный энергоноситель (криоген) может надежно храниться в резервуаре под давлением в 1 бар. Хранение криогенной энергии, называемое также хранилищем жидкой воздушной энергии (LAES), использует технологию аккумулирования энергии в виде криогенной жидкости СES (Cryogenie Energy Storage). Для этой цели применяют жидкий азот или воздух.

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. Система хранения энергии на основе необычного рабочего тела, жидкого воздуха, позволяет надолго запасать энергию, используя недорогие ёмкости, работающие при низком давлении.

Во-первых, при этом 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.

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 минус 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 минус 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, рис.3.4.

По данным компании, электрический КПД всей системы в полном цикле равен 60% и достигает 70% при использовании внешнего сбросного тепла.

Рис.3.4. Упрощённая схема криогенного накопителя. Источник: Highview Power.

Полная система CES включает в себя не только аппаратуру для сжижения воздуха, но и оборудование, сохраняющее и утилизирующее холод, получающийся на выходе воздушной турбины. Схема основного оборудования криогенной электростанции представлена на рис.3.5.

Рис.3.5. Схема основного оборудования криогенной электростанции

Процессы, происходящие в криогенной электростанции (КЭС), делятся на три этапа.

На первом этапе атмосферный воздух, нагнетаемый в систему при помощи винтовых компрессоров, подвергается тщательной очистке от примесей. Подготовленный таким образом сжатый сухой и горячий воздух проходит через двухступенчатый турбодетандер – холодильную машину, в которой он дважды расширяется и теряет большую часть своей тепловой энергии (охлаждается). В результате закачанный в систему воздух превращается в светло-серую текучую жидкость с температурой минус 196°C. Хранение жидкой смеси азота и кислорода осуществляется при атмосферном давлении в стандартных 10-тонных криогенных емкостях-термосах с двойной вакуумно-порошковой термоизоляцией. Восстановление энергии в КЭС происходит за счет регазификации воздуха. Когда сети нуждаются в дополнительном электричестве, жидкий воздух откачивается из термоса и при помощи мощных поршневых насосов, создающих давление порядка 70 атмосфер, подается на разогретый до 110°C теплообменник-испаритель. Попадая на него, воздух расширяется и с огромной скоростью устремляется на лопатки 4-ступенчатой турбины. Крутящий момент турбины через понижающий редуктор передается на генератор переменного тока, а отработанный воздух возвращается на вторичную переработку