Термодинамический накопитель энергии
Энергия не бывает лишней — особенно в условиях перманентного энергетического кризиса и непрекращающегося роста стоимости одного бареля нефти, газ и другие природные ресурсы. Наряду с этим во оптимизации и системы всём мире накопления энергетических затрат находятся, как ни необычно, на достаточно низком уровне. Большая часть энергии расходуется впустую из-за неоднородности графика электрической других факторов и нагрузки.
Нередки случаи, в то время, когда в моменты переизбытка электричества электростанции вынуждены реализовывать ее по нулевой (либо кроме того «отрицательной») цене, только бы избежать последующего пуска и дорогостоящей остановки.
Сейчас употребляется пара способов оптимизации энергосистем. Это и принудительное понижение выработки, и управление потреблением, и, само собой разумеется, аккумуляция электричества. Самый популярный метод накопления — это ГАЭС, гидроаккумулирующая электростанция (часть ГАЭС в мировых электроаккумулирующих мощностях — 99%).
Принцип ее функционирования несложен: ночью, в отсутствие пиковых нагрузок, совокупность применяет недорогую, избыточную электричество для перекачки воды в верхнюю емкость (так называемый бьеф), а днем сливает ее в нижний бьеф, производя пиковую электричество. ГАЭС надежны, прекрасно отработаны и разрешают избежать перегрузок, но наряду с этим имеют большой недочёт. Сущность в том, что гидроаккумулирующая электростанция — это массивная структура, которую возможно возвести лишь в определенных географических территориях, при необходимом наличии воды и перепада высот.
Достаточно давно употребляются накопители другого вида энергии — тепловой. Это устройства, функционирующие по принципу термоса, другими словами емкости, заполненные теплоносителем и окруженные теплоизоляцией. Термоаккумуляторы, например, используются для хранения энергии, взятой из возобновляемых источников, — солнечной, ветряной, приливной.
К примеру, паровой аккумулятор накапливает энергию методом нагрева воды с последующим хранением ее под давлением.
Применяют в качестве хранилищ и жёсткие рабочие тела — скажем, бетон. Очень распространенная разновидность теплоносителей в термоаккумуляторах — это солевые расплавы (про устройство аналогичных ТА мы кратко говорили в майском номере за 2012 год). Теплоносителем помогает расплав нитрата нитрата калия и смеси натрия («солнечная соль», 60% NaNO3 и 40% KNO3).
Расплав хранится в «холодной» камере, прокачивается через солнечные концентраторы и поступает в «тёплую» камеру-термос, уже собрав рабочую температуру. При «разрядке» расплав отдает тепло теплообменникам и поступает обратно в «холодную» камеру. Такие совокупности, будучи в первый раз представленными в 1970-х, активно применяются в Соединенных Штатах, Испании и т. д. Основное их преимущество содержится в том, что «солнечная соль» хранится при простом атмосферном давлении фактически без каких-либо трансформаций, наряду с этим являясь очень недорогим теплоносителем.
Но тепло, накапливаемое в теплоаккумуляторах, — это еще не энергия. Для превращения тепла в электричество на солнечных электростанциях используется классический принцип: расплав нагревает воду и преобразует ее в пар, что крутит турбину, вращающую генератор. Эффективность совокупности — всего около 42−44%.
Казалось бы, совершенной совокупности не существует. Но пара лет назад эксперты «Каспийской энергии» задали себе несложный вопрос: возможно ли значительно повысить КПД термонакопителя, к тому же и не привязывая его к воде и рельефу?
Введение в термодинамику
Сначала было ясно, что подобная система не может быть простой. Несколько инженеров во главе с Александром Самойловым шла к результату способом ошибок и проб в течение нескольких лет, и в 2012 году проект в первый раз был представлен общественности. Причем, как показалось нам при беседе с инженерами, самоё интересное — это кроме того не сама мысль, а сопровождающие ее заблуждения и дебаты.
Но, обо всем по порядку.
Устройство, созданное «Каспийской энергией», именуется термодинамическим накопителем электричества (ТНЭ), и в его конструкции имеется тот самый, в далеком прошлом узнаваемый нитратный «термос» с расплавом солей. Но в случае если при с солнечными электростанциями расплав является сердцем конструкции, то в ТНЭ он только один из множества элементов, причем в полной мере заменимый при необходимости.
В случае если искать в термодинамическом накопителе «сердце», то возможно условно назвать им машинную часть — сочетание теплового насоса и «зеркального» ему теплового двигателя, трудящихся по циклу Брайтона. В первой половине 70-ых годов XIX века американский инженер Джордж Брайтон создал уникальный поршневой двигатель, трудившийся по новому, малоизвестному дотоле циклу (ранее существовали циклы Ренкина, Карно, Ленуара и Стирлинга). Цикл складывается из четырех последовательных процессов:
изоэнтропическое сжатие (количество смеси значительно уменьшается, давление возрастает); изобарический подвод теплоты (при постоянном давлении); изоэнтропическое расширение (количество смеси растет, давление падает) — рабочий такт; изобарический отвод теплоты (при постоянном давлении).
Сейчас цикл Брайтона прекрасно изучен и обширно употребляется. В частности, по нему трудятся газотурбинные, турбореактивные, воздушно-реактивные ДВС, а на обратном цикле Брайтона основана работа многих низкотемпературных установок. Как раз обратимость стала главной причиной применения цикла в ТНЭ.
При обрисованной выше последовательности он делается частью теплового двигателя; в случае если же «проиграть» такты в обратном направлении, получается тепловой насос, другими словами устройство, разрешающее отобрать тепло у холодного носителя и передать его теплому.
Все очень способное сложно
Простой нитратный накопитель в качестве входящей энергии принимает тепло, которое возможно собрать, к примеру, посредством солнечного концентратора (батареи).
Задачей же инженеров «Каспийской энергии» было создание устройства, талантливого принимать и отдавать любую энергию. Несложнее всего было воспользоваться механической энергией в качестве «посредника».
Фактически, вся разработка носит название «Установка накопления, возврата и сохранения механической энергии» — как раз вследствие того что механическую энергию несложнее всего преобразовать в любую другую (и напротив). Вход в совокупность может осуществляться посредством электродвигателя, турбины либо кроме того ДВС — основное, дабы был крутящий момент. Подобно осуществляется и выход.
А вот дальше начинается увлекательное. Мотор, приводимый в перемещение внешним источником, вращает расположенные на одном валу компрессор и турбину, другими словами приводит в воздействие компрессионный тепловой насос, трудящийся по обратному замкнутому циклу Брайтона. Газовым рабочим телом в насосе может служить воздушное пространство, либо азот, либо аргон, либо иные их смеси и газы.
С одной стороны накопителя находятся две емкости «холодного» теплоносителя, с другой — две емкости «тёплого». Казалось бы, простой принцип: перенос энергии от холодного к тёплому с последующим ее хранением. Но дело в том, что «тёплый» теплоноситель сам по себе воображает тот самый нитратный накопитель, что есть главным для сохранения солнечной энергии!
Другими словами «тёплая» часть — это две емкости: «тёплая-холодная» (приблизительно +280°С) и «тёплая-тёплая» (порядка +580°С), между которыми переносится тепло через личный теплообменник. Подобно и «холодный» теплоноситель складывается из двух емкостей — «холодной-тёплой» (приблизительно +20°С) и «холодной-холодной» (приблизительно -60°С). Это напоминает фрактальную структуру: два свободных накопителя становятся симметричными частями более сложной совокупности.
При накоплении энергии компрессор сжимает газ, соответственно, увеличивается температура последнего — так, внешняя механическая энергия преобразовывается в тепловую. Полученное тепло отдается «тёплому» теплоносителю, газ охлаждается приблизительно до начальной температуры и поступает в рекуператор, где отдает еще часть тепла встречному потоку газа, уже отобравшему часть тепла от «холодного» теплоносителя.
После этого газ попадает в турбодетандер (расширитель в виде простой турбины), где расширяется и еще посильнее охлаждается, становясь фактически «ледяным» (наряду с этим часть мощности турбины идет на компрессор). Потом газ подводится к холодному теплоносителю и охлаждает его, отбирая некую часть энергии, опять проходит через рекуператор, нагреваясь от встречного потока газа, — и идет в компрессор. Цикл повторяется.
В то время, когда целый «холодный» теплоноситель станет весьма холодным, а «тёплый» — весьма горячим, накопитель можно считать заряженным.
Появляется естественный вопрос — для чего такие сложности? Неужто нельзя накапливать энергию, нагревая и перекачивая из «холодной» емкости в «тёплую» солнечную соль либо какое-то второе вещество? Во-первых, таким методом существенно сложнее взять механическую энергию на выходе.
А во-вторых, несложным нагреванием нереально достигнуть КПД аккумуляции, сравнимого хотя бы с эффективностью ГАЭС (до 70%).
Перед разработчиками стояло пара инженерных задач: подобрать дешёвые и стабильные теплоносители, обеспечить большое изменение их температуры (чем больше это изменение, тем меньше нужно расплава) и большую отличие температур между «холодным» и «горячим» финишами (чтобы повысить эффективность теплового двигателя).
Наконец, нужно было наладить теплопередачу от одного вещества (спирта, водно-солевой либо водно-спиртовой смеси с температурой замерзания ниже -55°С) к второму (фактически «солнечной соли»), не обращая внимания на то что их рабочие диапазоны температур по большому счету не пересекаются. Для этого и употребляется теплообменник-рекуператор. В него движутся родные либо равные по расходу противотоковые потоки газа, каковые обмениваются собственной температурой так, что практически все тепло передается от одного потока к второму (конечно, с некоей утратой на теплообмен).
Подобно, лишь в обратном порядке, происходит процесс отдачи энергии — тут именно и употребляется обратимость цикла Брайтона. При отдаче энергии, сейчас уже по прямому циклу, газ, предварительно охлажденный «ледяным» теплоносителем, сжимается в компрессоре, после этого нагревается от тёплого теплоносителя, по окончании чего вращает турбину, а через нее выходной и компрессор вал. Та же часть накопленной энергии, которая не может быть перевоплощена в нужную работу в силу неидеальности процессов в накопителе, отводится через аппарат воздушного охлаждения (АВО).
Взор в будущее
Цикл работы ТНЭ возможно разложить на три составляющих: получение механической энергии; преобразование данной энергии в высокотемпературную и низкотемпературную тепловую при помощи теплового насоса; теплопередача от газового рабочего тела жидким теплоносителям и сохранение его в «термосах». Возврат энергии происходит в обратном порядке.
При всей сложности совокупности преимущества важны. Это и большая компактность (1 м3 теплоносителей в ТНЭ равен по энергоемкости 220 м³ воды в Загорской ГАЭС), и независимость от ландшафта. Возвести комплекс ТНЭ возможно в любой точке планеты, подключив его к действующей либо строящейся электростанции.
Помимо этого, никаких революционных узлов либо технических ответов в ТНЭ нет — инженеры сумели собрать данный хитроумный пазл из разработок, каковые в далеком прошлом известны и по отдельности употребляются в разных отраслях.
Что же мешает ТНЭ занять место ГАЭС и везде принять перераспределения энергии и функции экономии? Прежде всего это юность проекта — будучи представленным десять или одинадцать месяцев назад, он еще не собрал достаточной авторитетности для немедленного строительства. Во-вторых, российское энергетическое законодательство сейчас делает оказание услуг по аккумуляции энергии невыгодным экономически.
Кроме того действующих ГАЭС в Российской Федерации всего две — Кубанская и Загорская, не смотря на то, что проектируется сейчас еще последовательность подобных систем. Не обращая внимания на бесприбыльность (строящаяся на данный момент Загорская ГАЭС-2 фактически неокупаема, легко очень нужна энергосистеме), возможно высказать предположение, что правила и законодательство рынка так или иначе будут изменяться в сторону помощи энергонакопления.
Мир весьма медлительно переходит на правила экономии: в Китае трудится 13 ГАЭС, в Соединенных Штатах — 11, в Японии — 7, в остальных развитых государствах — по одной-две (всего около полусотни). «Непривязанность» ТНЭ к воде открывает перед ним достаточно широкие возможности. Плюс к тому если сравнивать с разными совокупностями запасания энергии ТНЭ достаточно компактен, а удельная цена его емкости ниже, чем у соперников.
Будет ли реализован подобный проект? Вероятнее, да. По крайней мере, разработчики из «Каспийской энергии» — искренние энтузиасты собственной работы — уверены в его реализации в ближайшие 4−5 лет. Захотим им удачи — все-таки это большой прорыв в области энергетики, и первый ход сделан у нас, в Российской Федерации.
Что не имеет возможности не радовать.
Принципиальная схема термодинамического накопителя
В ходе накопления (зарядки) трудится часть контура, соответствующая тепловому насосу. Внешняя энергия подводится к клеммам двигателя. Турбодетандер, расположенный на одном валу с компрессором, частично покрывает потребление последним энергии. «Тёплый» теплоноситель нагревается, а «холодный» охлаждается.
Тепловой насос
электродвигатель
компрессор
турбодетандер
рекуператор энергии
теплообменники
емкости «холодного» теплоносителя
емкости «тёплого» теплоносителя
В ходе возврата (разрядки) трудится часть контура, соответствующая тепловому двигателю. Энергия отбирается от клемм генератора, вращаемого турбиной. От нее же нужную для работы энергию приобретает компрессор. «Тёплый» теплоноситель остывает, а «холодный» нагревается.
Тепловой двигатель
турбина
аппарат воздушного охлаждения
генератор
Солнечная электростанция
Солнечная электростанция как таковая не имеет прямого отношения к термодинамическому накопителю энергии. Но по крайней мере один серьёзный элемент их объединяет — нитратный накопитель с «солнечной солью» в (на иллюстрации — две «бочки» на переднем замысле). Тут они являются основным накопителем совокупности.
В ТНЭ таких «бочек» четыре — две симметрично расположенные емкости «тёплого» накопителя (аналог тех, что на снимке) и две емкости «холодного» накопителя.
ТНЭ против Li-ion
- ТНЭ против Li-ion
Сравнение площадей термодинамического и аналогичного накопителя на Li-ion-аккумуляторная батареях емкостью 2 ГВт•ч (при глубине разрядки-зарядки последнего от 20 до 90%). Параметры модульных литий-ионных накопителей забраны из презентации разработчика подобных систем — американской компании AES Energy Storage.
Танки с солевым раствором — достаточно распространенный метод хранения энергии. Разработчики из «Каспийской энергии» забрали данную методику на вооружение.
Анекдот про КПД
Расчетный КПД термодинамического накопителя — порядка 62−64%, что пара уступает ГАЭС (около 70%). Но в любом случае это довольно высокий КПД — особенно с учетом того, что ТНЭ возможно выстроить в любой точке планеты и накапливать огромные количества энергии. Но вот с расчетом этого КПД происходят время от времени анекдотичные случаи.
Разработчики много раз демонстрировали совокупность разным экспертам. Представленное число 62−64% думается завышенным — и собеседники неоднократно уже просили пересчитать «для верности» по методике для цикла Карно (не смотря на то, что цикл Карно в ТНЭ не употребляется физически). Александр Самойлов, автор идеи и менеджер проекта, вначале пробовал спорить, но после этого отыскал верную методику презентации.
Он умышленно вычисляет КПД по циклу Карно и приобретает 76%, другими словами фактически неосуществимое число. «Хорошо, — соглашаются собеседники (иногда, кстати, инженеры и видные учёные), — по всей видимости, вы правы. Говорите, как это трудится в действительности».
В действительности КПД теплового двигателя в этом случае вправду равен приблизительно 44−46%. Но имеется одна хитрость. Предположим, мы подводим к совокупности некое количество (N) кВт•ч энергии. Она преобразуется в тепловую и поступает к «тёплому» теплоносителю. Но еще некую часть, скажем, 0,35N кВт•ч, мы отбираем благодаря подведенной энергии от «холодного» теплоносителя! Так, суммарный КПД совокупности примерно равен не 0,46N, а 0,46 (N + 0,35N) = 0,62N. Вот откуда берутся 62%.
Они обеспечиваются совместной (последовательной работой) теплового двигателя и теплового насоса.
Экстремальный вариант
При применении в качестве «тёплого» теплоносителя смеси 60% NaNO3 и 40% KNO3, а в качестве холодного — водно-спиртовой смеси удельная энергоемкость совокупности (массовая) равна приблизительно 37 Вт•ч/кг, а КПД аккумуляции — 62−66%. Но допускается применение и других теплоносителей.
К примеру, при реализации по «экстремальному варианту» в качестве «тёплого» теплоносителя возможно применить железный натрий, либо калий, либо их сплав, а в качестве «холодного» — пропан, бутан либо пентан. Так, возможно довести отличие температур до 850 °C, удельную энергоемкость — до 100 Вт•ч/кг, а КПД аккумуляции — до 70%. Однако экстремальный вариант возможно чрезмерно дорог либо страшен — он описывается сугубо для демонстрации потенциальных возможностей совокупности.
Статья «Нелишняя энергия» размещена в издании «Популярная механика» (№125, март 2013).
<
h4>