Криоэнергетика: криогенная электростанция
-
- Схема криогенной накапливающей электростанции
- Бросовые градусы Не обращая внимания на прекрасный КПД в 83%, станция в Слау выбрасывает в воздух огромное количество отработанного пара с температурой в пределах 110−115°C. Существующие разработки рекуперации тепловой энергии с этими температурами не трудятся и действенны только в диапазоне 120−370°C.
-
- Дабы перевоплотить отходы в доходы, компания Scottish&Southern Energy применяет бросовое тепло для прогрева испарителей CES, поднимая КПД аккумулятора с 50 до 70%
- Хорошая сделка Хранение жидкого воздуха намного надёжнее, чем газа, мазута либо дизтоплива, а сама разработка криогенной аккумуляции энергии довольно несложна, дешева и компактна
Авторство идеи об утилизации излишней генерации энергии методом сжижения атмосферного воздуха (а практически — азота) в промышленных криогенных установках для сетей с высокой долей нестабильных источников (наподобие ветровых и солнечных электростанций) приписывают доктору наук Университета Лидс китайцу Юлон Дину. Но ничего нового ему придумывать не было нужно.
Все компоненты криогенного аккумулятора (CES) — турбодетандеры, сосуды Дьюара и паротурбинные генераторы- известны уже более ста лет. Страно, что за это время никто, не считая Дина и его сотрудников, не додумался сложить совместно эти идеально совпадающие кусочки различных «пазлов».
Ватты в термосе
Все очень способное легко, и CES не исключение из правил. Дабы «усвоить» временно ненужное электричество, воздушное пространство в CES охлаждается до -196°C, а полученная наряду с этим жидкая смесь кислорода и азота закачивается в закрытое хранилище-термос, где с минимальными утратами (менее 0,5% в день) и при атмосферном давлении может храниться семь дней. В моменты, в то время, когда сети начинают «проседать» под нагрузкой, жидкий воздушное пространство поступает на испаритель и, расширяясь в 700 и более раз, раскручивает турбину.
Предварительный нагрев испарителя необязателен — отличия в 210−230 градусов между практически обычной температурой и космическим «холодом за бортом» вполне достаточно для взрывного выброса скрытой энергии смеси. Совершивший работу очень холодной воздушное пространство полностью возвращается в рабочий цикл.
Работоспособность концепции Дина была доказана на первой же экспериментальной установке мощностью 5 кВт, выстроенной в 2010 году компанией Highview Power Storage на наибольшей в Британии 100-мегаваттной ТЭЦ Слау, которая трудится на древесных отходах. В течение девяти месяцев установка исправно «отгружала» в сеть запасенные ночью недорогие киловатты с эффективностью более 50%, а в режиме принудительного прогрева жидкого воздуха при помощи отработанного теплоносителя с температурой 110−115°C КПД установки достигал солидных 70%, близко приближаясь к КПД ГАЭС (гидроаккумуляционных электростанций) — «золотого стандарта» громадной энергетики.
Успех проекта был закреплен без промедлений. На грант в ?1,1 млн, выделенный правительством страны, инициативная несколько в составе Highview, региональных электросетей Scottish & Southern Energy и производителя криогенной техники BOC/Linde весной прошлого года запустила в Слау пилотную накапливающую станцию мощностью 350 кВт с емкостью хранилища 2,5 МВт/ч (4−8 часов работы сети с полной нагрузкой).
Из огня да в полымя
Сборка станции на месте заняла всего два месяца, поскольку все применяемое в ней оборудование выпускается серийно и не требует дополнительной сертификации. По словам главного технолога Highview Роба Моргана, подобные системы возможно собирать из готовых модулей, как конструктор Lego, и масштабировать их электрические характеристики в зависимости от требований сети. Емкость модуля, со своей стороны, определяется количеством энергоносителя: термос на 10 т жидкого воздуха плотностью 873 кг/м3 способен выдавать в сеть один милионов ватт мощности в час, на 100 т — 10 МВт/ч, и т. д. В периоды вынужденного бездействия CES-станции смогут производить на продажу сжиженные технические газы либо создавать мороз для пищевых, химических и металлургических комбинатов.
Процессы, происходящие в недрах пилотной криогенной станции в Слау, делятся на три этапа: сжижение воздуха в цикле среднего давления (заряд аккумулятора), хранение «сжиженного» электричества и восстановление энергии с большим давлением (разряд). На начальной стадии атмосферный воздушное пространство, нагнетаемый в совокупность при помощи винтовых компрессоров, подвергается тщательной очистке от примесей: твёрдые частицы и пыль оседают на фильтрах, а влага, углеводороды и СО2 отделяются при помощи двухслойного адсорбера из синтетических цеолитов и алюмогеля.
Цеолиты — это несколько минералов, известных собственными впитывающими способностью и качествами к ионному обмену. Иногда адсорберы «забиваются» и для их восстановления, и для отвода «мусора» используется стандартная процедура сброса давления, последующего охлаждения и нагрева.
Подготовленный так и сжатый до 40 атм сухой и тёплый воздушное пространство проходит через двухступенчатый турбодетандер — холодильную машину, в которой он два раза расширяется и теряет солидную часть собственной тепловой энергии (охлаждается), раскручивая лопатки турбин до 50 000 об/мин. Дополнительное охлаждение происходит кроме этого при дросселировании за счет результата Джоуля-Томпсона: пребывав еще под давлением, газ медлительно проходит в расширительную камеру через пористую перегородку — дроссель.
В следствии львиная часть закачанного в совокупность воздуха преобразовывается в светло-серую текучую жидкость с температурой -196°C, а остатки охлажденного газа, не успевшие утратить всю тепловую энергию, закачиваются в турбодетандер повторно. Хранение жидкой смеси кислорода и азота осуществляется при атмосферном давлении в двух стандартных 10-тонных криогенных емкостях-термосах с двойной вакуумно-порошковой термоизоляцией.
Восстановление энергии в CES является следствием регазификации воздуха. Выход станции с нулевой генерации на полную мощность занимает не более 20 мин.. Итак, в то время, когда сети нуждаются в дополнительном электричестве, жидкий воздушное пространство откачивается из термоса и при помощи замечательных поршневых насосов, создающих в трубопроводе давление порядка 70 атм, подается на разогретый до 110 °C теплообменник-испаритель.
Попадая на эту «сковородку», воздушное пространство расширяется и с огромной скоростью устремляется на лопатки 4-ступенчатой турбины. Крутящий момент турбины через понижающий редуктор передается на генератор переменного тока, а «выжатый до нитки» отработанный воздушное пространство с давлением 0,5 атм и температурой порядка -40°C возвращается на вторичную переработку, проходя по пути через резервный тепловой аккумулятор с жёсткой засыпкой из песка и гравия.
В целях экономии в Слау употребляется серийная паровая турбина Concepts Nrec с рабочим диапазоном от 40 до 84 000 об/мин, но для будущих станций планируется создание особых криогенных турбин, талантливых действенно трудиться в сухой среде при температуре от -196 до -30°C и давлении 100−150 атм.
Ледяные батарейки
Президент Highview Power Storage Гарет Бретт уверен, что разработка хранения энергии в виде жидкого воздуха имеет блестящие возможности, и с ним тяжело не дать согласие. «В отличие от ГАЭС, требующих ландшафта и огромных площадей с громадным перепадом высот, компактные криогенные станции возможно возводить где угодно и с минимальными затратами, а при необходимости — разбирать и перевозить с места на место, — отмечает Бретт. — Хранение жидкого азота намного надёжнее, чем хранение газа, мазута, дизтоплива, а самый экзотический материал для того чтобы изготовить криогенное оборудование — нержавейка».
Посредством модульных CES мощностью 10−40 МВт, легко выдерживающих более 13 000 циклов разряда, возможно покрыть целый диапазон потребностей сетей любого масштаба. Жидкий воздушное пространство имеет хорошие шансы стать надежным буфером для нестабильных ветровых плантаций и гелиостанций, оперативно гасить суточные пиковые нагрузки и переваривать сбросы реактивной мощности независимо от наличия водных геологии и ресурсов в точке размещения.
Помимо этого, у Highview имеется уникальное решение проблемы энергетической независимости для отдельных фирм и маленьких населенных пунктов. Компактный генерирующий модуль Cryo GenSet состоит только из стандартной 10-тонной турбогенератора и ёмкости, а жидкий азот для него возможно доставлять в автомобильных цистернах либо сменных емкостях с ближайшего завода по производству технических газов. Согласно расчетам Бретта, эксплуатация модуля Cryo GenSet (что возможно забрать в аренду) обойдется потребителям в два раза дешевле, чем обслуживание независимой дизельной установки.
Арктика под капотом.
Гарет Бретт и его коллеги не планируют ограничивать сферу собственной деятельности громадной и малой энергетикой. В феврале 2011 года от Highview Power Storage отпочковался стартап Dearman Engine, замахнувшийся на «святое»: изобретатель Питер Дирмэн собирается очистить от двигателей внутреннего сгорания промышленные объекты, складские терминалы и городские стройплощадки.
Экологически чистый криогенный двигатель Дирмэна (КДД) ожидал собственного часа целое десятилетие. Первая версия агрегата, собранная Питером в 2001 году, до сих пор пыхтит под капотом его старенького Ford Fiesta, легко разгоняя машину до 50 км/ч.
Дирмэн не стал повторять неточность собственных предшественников, переносивших процесс расширения воздуха в отдельный теплообменник. В поршневом двухтактном КДД кульминационное действо свершается конкретно в цилиндрах мотора. Хитроумная совокупность впрыска снабжает образование послойного заряда из двух рабочих жидкостей.
В камеру вводится порция жидкого теплоносителя (антифриза), следом — жидкий азот. В камере происходит стремительное изотермическое расширение газа, и поршень делает механическую работу с большим КПД расширения. В конце рабочего такта антифриз конденсируется, сбрасывает избыток «холода» на радиаторе и возвращается в тепловой цикл.
По оценке технолога Dearman Engine Генри Кларка, защитившего по КДД диссертацию , эффективность двигателя Дирмэна может быть около 35−50%. Так это либо нет, будет светло только через полтора года, в то время, когда свободные специалисты из компании Ricardo, лаборатории Резерфорда и пяти английских университетов закончат анализ термодинамики КДД и совершат опробования прототипа. Сам изобретатель уверен в том, что совершенным применением для криогенного двигателя смогут стать складские погрузчики, вспомогательные транспортные средства и легкая строительная техника.
История ледникового периода
-
- Установка по сжижению воздуха компании Linde на Глобальной выставке в Париже, 1900 год
- В 1900 году инженер Паулюс Хейландт выстроил первую мобильную цистерну для жидкого кислорода по прозвищу «Древесная лягушка»
Машины, применявшие в качестве горючего жидкий азот, показались задолго до Дирмэна. Первые из них были выпущены во второй половине 90-ых годов девятнадцатого века в бостонской мастерской Liquid Air Power & Automobile Co. на шасси серийного паровика Locomobile Steamer по разработке, приобретённой у некоего Томаса Джексона из Небраски. В то время, когда компания переехала в Лондон, на одной из таких автомобилей разъезжал узнаваемый в те годы датский изобретатель Ханс Кнудсен.
В интервью The Times Кнудсен утверждал, что на скорости 20 км/ч и при полном 68-литровом баке жидкого воздуха запас хода его криомобиля достигал 64 км.
В случае если это действительно, то экспериментальный карт CooLN2Car на жидком азоте с поршневым пневмомотором и баком количеством 180 л, что во второй половине 90-ых годов двадцатого века собрали студенты из Университета Северного Техаса, был в четыре раза прожорливее примитивной конструкции XIX века, не обращая внимания на современные высокотехнологичные материалы. В 2000 году еще один подобный автомобиль был выстроен в Вашингтонском университете.
15-сильный пневмомотор модели LN2000, переделанной из почтового фургона Grumman Kubvan, съедал практически 20 л ледяного «горючего» на милю (1,6 км) пути и еле разгонялся до 35 км/ч. Израсходовав на данный курьезный проект $360 000, выделенных Департаментом энергетики, студенты дали обещание, что новое поколение LN2000 будет более экономичным.
Статья «Продавцы воздуха» размещена в издании «Популярная механика» (№116, июнь 2012).
<
h4>