ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СЖАТОГО ВОЗДУХА ДЛЯ ХРАНЕНИЯ ИЗБЫТКОВ ЭНЕРГИИ

В.Ю. Яранцев

Качесова Елена Яковлевна, научный руководитель преподаватель

Мценского филиала  ФГБОУ  ВПО «Госуниверситет – УНПК», г. Мценск

Когда многие компании, гиганты в энергетической отрасли, борются в гонке по созданию более эффективных средств для получения энергии от возобновляемых источников, другие компании работают над проблемой хранения этой энергии.

Аккумулирование энергии сжатием воздуха  может отличаться в деталях, но все системы работают, подавая охлажденный воздух под высоким давлением (60-70 атм.) в области хранения, такие как полости или водоносные пласты. А затем, когда потребуется мощность, нагревают и выпускают его для включения специальной турбины.

В современности насчитывается только два коммерческих проекта, использующих хранение сжатого воздуха - один в штате Алабама (мощностью 110 МВт с 1991 года) и один в Германии (мощностью 290 МВт с 1948 года). Еще два проекта, как ожидается, будут завершены в ближайшие несколько лет. Такое медленное развитие несколько удивительно, учитывая, что системы сжатого воздуха в масштабах города были построены в 1870 году в Аргентине, Англии, Франции и Германии.

Аккумулирующие системы сжатого воздуха несколько уступают гидроперекачиванию с точки зрения выбросов углерода - часть процесса для нагрева поступающего из хранилища воздуха использует энергию углеводородного топлива. Однако они сохраняют в 240 раз больше энергии, чем необходимо для заполнения системы.

Компания SustainX предлагает использовать для хранения излишков энергии сжатый воздух, хранимый в специальном резервуаре.

Пилотный проект компании заключается в использовании резервуара для сжатого воздуха, вмонтированного внутрь обычного грузового морского контейнера длиной 12 метров. По расчетам, емкости такого резервуара должно хватить для хранения 4 МВт энергии. Для сравнения, емкости аккумуляторных батарей, заключенных в таком же объеме, хватит для хранения 2-3 МВт энергии.

Сжатый воздух в резервуар будет закачиваться компрессором, приводимым в действие электродвигателем. Электродвигатель, в свою очередь, будет приводиться в движение электроэнергией, получаемой от возобновляемого источника энергии. Сжатый воздух, в случае необходимости, может привести в действие турбину, соединенную с генератором, преобразовав накопленную энергию обратно в электрическую. В настоящее время КПД полного цикла таких преобразований находится на уровне 50%, в дальнейшем, компания собирается применить более эффективные компрессоры, турбины и генераторы, подняв КПД до значения 75%.

Помимо преобразования накопленной энергии в электроэнергию, сжатый воздух в резервуарах может использоваться для обеспечения работы приводов и механизмов на сжатом воздухе, которые применяются в промышленности достаточно широко.

Немецкие исследователи нашли оригинальное решение  проблемы, решив использовать в качестве хранилища энергии ветряных турбин… заброшенные шахты горного массива Гарц. Марко Шмидт, инженер Исследовательского центра проблем энергетики Нижней Саксонии, разработал план размещения аккумулирующей гидроэлектростанции в стволе заброшенной шахты.

Некогда кипящий жизнью центр горной промышленности, сегодня северный хребет немецкого горного массива Гарц привлекает разве что туристов да любителей горнолыжного спорта. Однако вскоре все может измениться. Первый в своем роде проект позволил бы частично реализовать стремление Германии к развитию сектора возобновляемой энергетики и повысить надежность его поставок.

В Бельгии видят решение в создании искусственного острова в Северном море, на котором можно будет хранить добытую энергию ветра. Остров будет иметь форму «пончика», внутри которого расположится выемка, заполненная водой. При помощи излишков энергии от ветряных мельниц вода будет выкачиваться из полости и проходить назад через трубы, соединенные с накопительными турбинами, которые и выступят в роли энергоскладов.

Бельгийцы уверены, что смогут добывать из своих североморских ветряных ферм 2 300 мегаватт, что заменит часть работы на одном из двух ядерных реакторов местной АЭС.

Остров-хранилище планируется насыпать из песка в 3 км от побережья Бельгии возле г. Вендуин. На строительство объекта может уйти до 5-ти лет.

Накапливаемая им энергия вольется в энергосистему Бельгии где-то в 2018 году.

Норвежская компания Subhydro развивает подводные гидроэлектростанции, а канадская компания Hydrostor создает подводную систему хранения электроэнергии.

Представьте себе поток воды, врывающийся в пробоину подводной лодки, и вы получите представление о силах, действующих под водой. Например, на глубине в 400 м это давление составляет 400 атмосфер. Для увеличения количества получаемой электроэнергии, компания Subhydro предлагает установку больших бетонных емкостей на глубине 400-800 метров, и более.

Когда открывается «заслонка» емкости, вода поступает в нее через турбину, соединенную с электрогенератором. Чем крупнее по размеру будут эти емкости, тем дольше может идти генерация электроэнергии. Когда емкости заполнены, то турбины переключаются в реверсный режим, для выкачивания воды из емкости. При этом они начинают потреблять энергию из электрической сети. Это весьма напоминает гидроэлектростанции на суше, которые закачивают воду в расположенные вверху резервуары после того, как она прошла через турбину.

Есть и совершенно новая идея, предложенная профессором Сиамус Гарвэйем из Ноттингемского университета Великобритании. Это огромные надувные мешки, заякоренные на небольшой (600-метровой) морской глубине Оркнейских островов Шотландии.

Море выступает сосудом давления. Расходы проекта составляют только материалы конструкции для удержания мешков на дне - не нужны массивные инфраструктуры на суше.

Хранение на поверхности в резервуарах одень дорогостояще, а использование чудо-мешков может потенциально стать наиболее дешевой системой аккумулирования энергии с затратами 1-10 евро на кВт•ч (для сравнения капиталозатраты ГАЭС составляют более 50 евро на кВт•ч).

В системе надувных мешков нет саморазряда - пневматическим запорным клапаном энергия не потребляется и при его открытии воздух с глубины вытесняется водой.

Разработчиками подсчитано, что такая система намного дешевле аварийных дизель-генераторов. В прибрежных районах она вполне может стать отличным источником электроэнергии, компенсирующим неравномерность поступления энергии с ветряных турбин.

В Канаде появились гигантские подводные накопители, которые будут хранить сжатый воздух и в дальнейшем обеспечивать выработку необходимого количества электроэнергии в сеть.

Компания  Hydrostor построила в 2012 году демонстрационный объект мощностью 4МВч на глубине 80 метров в озере Онтарио, рядом с Торонто. Эта система будет работать с эффективностью 70 процентов, заявляет Hydrostor.   Разработка подобных систем также ведется в США и Великобритании.

Список литературы:

1. Гидроаккумулирующие электростанции в современной электроэнергетике. / В. Ю. Синюгин, В. И. Магрук, В. Г. Родионов. - М. : ЭНАС, 2008. - 352 с.

2. Исследование и разработка систем энергоснабжения с использованием возобновляемых источников энергии // Объединенный институт высоких температур РАН. М., 2007.

3. Возобновляемые источники энергии // План внедрения и продвижения технологий на период до 2020 года // EREC, Renewable Energy House, Brussels, 2007.

4. Быстрицкий Г. Ф.Основы энергетики. Учеб. для вузов. - М: КНОРУС, 2010

5. Елистратов В. В. Мониторинг развития возобновляемой энергетики в мире и России. Академия энергетики. – 2008 - №2