Accumulateur d'énergie pneumatique. Comment fonctionne un accumulateur d'énergie pneumatique ?

La chaîne du cycle technologique de production d'électricité comprend nécessairement un maillon tel qu'un dispositif de stockage (batterie). V manières traditionnelles produisant de l'électricité, les réserves d'énergie sont accumulées sous une forme préliminaire, "non électrique", et ce lien - le stockage d'énergie, est situé directement devant le générateur électrique.

Le réservoir de la centrale hydroélectrique est conçu pour accumuler l'énergie potentielle de l'eau de la rivière dans le champ gravitationnel de la Terre, en l'élevant à une certaine hauteur à l'aide d'un barrage. La centrale thermique accumule dans ses stockages les réserves de solides ou carburant liquide, ou fournit du gaz naturel via une canalisation dont le pouvoir calorifique garantit l'approvisionnement en énergie nécessaire. Les cœurs des réacteurs des centrales nucléaires représentent un stock de combustible nucléaire avec une certaine ressource disponible pour l'utilisation de l'énergie nucléaire.

Le mode d'alimentation constante est disponible pour tous les types de groupes électrogènes répertoriés. La quantité d'énergie produite est régulée dans de larges limites, en fonction du niveau de consommation énergétique quotidienne. Les sources alternatives (éolien, marémotrice, géothermique, solaire) ne peuvent pas garantir puissance constante générateur au niveau actuellement requis. Le stockage est donc ici moins un stockage de ressources qu'un dispositif d'amortissement qui rend la consommation d'énergie moins dépendante des fluctuations de la puissance de la source. L'énergie de la source est accumulée dans le dispositif de stockage, et ensuite consommée, au besoin, sous la forme énergie électrique... De plus, son prix dépend en grande partie du coût du lecteur.

Une caractéristique du dispositif de stockage dans les sources d'énergie alternatives est également le fait que l'énergie accumulée dans celui-ci peut être dépensée à d'autres fins. Par exemple, ils peuvent être utilisés pour générer des champs magnétiques puissants et super puissants.

Unités de mesure d'énergie acceptées en physique et en génie électrique et les rapports entre elles : 1 kWh, soit 1000 W 3600 s - idem 3,6 MJ. En conséquence, 1 MJ équivaut à 1 / 3,6 kWh, soit 0,278 kWh

Quelques dispositifs de stockage d'énergie courants :

Faisons une réserve tout de suite: l'examen ci-dessus n'est pas une classification complète des dispositifs de stockage d'énergie utilisés dans l'industrie électrique, en plus de ceux considérés ici, il existe des dispositifs de stockage d'énergie thermique, à ressort, à induction et divers autres.

1. Type de condensateur de stockage

L'énergie stockée par un condensateur 1 F à une tension de 220 V est : E = CU2 / 2 = 1 2202/2 kJ = 24 200 J = 0,0242 MJ ~ 6,73 W h. La masse d'un tel condensateur électrolytique peut atteindre 120 kg . L'énergie spécifique par unité de masse s'avère être égale à un peu plus de 0,2 kJ/kg. Le fonctionnement horaire du variateur est possible avec une charge inférieure à 7 W. Les condensateurs électrolytiques peuvent durer jusqu'à 20 ans. Les ionistors (supercondensateurs) ont une densité d'énergie et de puissance élevée (environ 13 Wh/l = 46,8 kJ/l et jusqu'à 6 kW/l, respectivement), avec une ressource d'environ 1 million de cycles de recharge. L'avantage incontestable du stockage par condensateur est la possibilité d'utiliser l'énergie stockée dans un court laps de temps.

2. Accumulateurs de type gravitationnel

Les accumulateurs d'énergie à impact stockent de l'énergie lors du levage d'un engin de battage pesant 2 tonnes ou plus à une hauteur d'environ 4 m. Le mouvement de la partie mobile du piqueur libère l'énergie potentielle du corps, la transmettant à un générateur électrique. La quantité d'énergie produite E = mgh dans le cas idéal (sans tenir compte des pertes par frottement) sera ~ 2000 10 4 kJ = 80 kJ ~ 22,24 Wh. L'énergie spécifique par unité de masse d'une femme de coprah s'avère être de 0,04 kJ / kg. Pendant une heure, le lecteur est capable de fournir une charge allant jusqu'à 22 watts. La structure mécanique a une durée de vie prévue de plus de 20 ans. L'énergie accumulée par le corps dans le champ gravitationnel peut également être dépensée en peu de temps, ce qui est l'avantage de cette option.

L'accumulateur hydraulique utilise l'énergie de l'eau (pesant environ 8 à 10 tonnes) pompée du puits dans le réservoir du château d'eau. En marche arrière sous l'influence de la gravité, l'eau fait tourner la turbine du générateur électrique. Une pompe à vide classique permet de pomper de l'eau jusqu'à une hauteur de 10 m sans aucun problème.L'énergie stockée dans ce cas est E = mgh ~ 10000 8 10 J = 0,8 MJ = 0,223 kWh. L'énergie spécifique par unité de masse s'avère être égale à 0,08 kJ / kg. La charge d'entraînement pendant une heure est de l'ordre de 225 W. Le lecteur peut durer 20 ans ou plus. L'éolienne peut entraîner directement la pompe (sans convertir l'énergie en énergie électrique, ce qui est associé à certaines pertes), l'eau du réservoir de la tour, si nécessaire, peut être utilisée pour d'autres besoins.

3. Accumulateur basé sur un volant

L'énergie cinétique d'un volant d'inertie en rotation est déterminée comme suit : E = J w2 / 2, J désigne le moment d'inertie intrinsèque d'un cylindre métallique (puisqu'il tourne autour de l'axe de symétrie), w est la vitesse angulaire de rotation.

De rayon R et de hauteur H, le cylindre a un moment d'inertie :

J = M R ^ 2/2 = pi * p R ^ 4 H / 2

où p est la densité du métal - le matériau du cylindre, le produit pi * R ^ 2 H est son volume.

La vitesse linéaire maximale possible des points à la surface du cylindre Vmax (est d'environ 200 m/s pour un volant en acier).

Vmax = wmax * R, d'où wmax = Vmax / R

Énergie de rotation maximale possible Emax = J wmax ^ 2/2 = 0,25 pi * p R2 ^ 2 H V2max = 0,25 M Vmax ^ 2

L'énergie par unité de masse est : Emax / M = 0,25 Vmax ^ 2

L'énergie spécifique dans le cas d'un volant cylindrique en acier sera d'environ 10 kJ/kg. Un volant d'inertie d'une masse de 200 kg (avec des dimensions linéaires H = 0,2 m, R = 0,2 m) emmagasine de l'énergie Emax = 0,25 pi 8000 0,22 0,2 ​​2002 ~ 2 MJ ~ 0,556 kWh La charge maximale fournie par le stockage du volant d'inertie pendant une heure ne dépasse pas 560 W... Un volant moteur peut durer 20 ans ou plus. Avantages : libération rapide de l'énergie stockée, possibilité d'amélioration significative des performances en sélectionnant le matériau et en modifiant les caractéristiques géométriques du volant.

4. Stockage sous forme d'accumulateur chimique (plomb-acide)

Une batterie rechargeable classique, d'une capacité de 190 Ah à une tension de sortie de 12 V et 50 % de décharge, est capable de délivrer un courant d'environ 10 A pendant 9 heures. L'énergie dégagée est de 10 A 12 V 9 h = 1,08 kWh, soit environ 3,9 MJ par cycle. En prenant la masse de la batterie égale à 65 kg, nous avons une énergie spécifique de 60 kJ/kg. La charge maximale que la batterie peut fournir pendant une heure ne dépasse pas 1080 watts. Période de garantie l'entretien pour une batterie d'accumulateurs de haute qualité est de 3 à 5 ans, selon l'intensité d'utilisation. Il est possible d'obtenir directement de l'énergie électrique à partir de la batterie d'accumulateurs avec un courant de sortie allant jusqu'à des milliers d'ampères à une tension de sortie de 12 V, correspondant à la norme automobile. Une variété d'appareils conçus pour une tension constante de 12 V sont compatibles avec la batterie, des convertisseurs 12/220 V sont disponibles avec différentes puissances de sortie.

5. Accumulateur de type pneumatique

L'air pompé dans un réservoir en acier d'un volume de 1 mètre cube jusqu'à une pression de 40 atmosphères effectue un travail dans des conditions de détente isotherme. Le travail A effectué par un gaz parfait dans les conditions T = const est déterminé selon la formule :

A = (M / mu) R T ln (V2 / V1)

Ici M est la masse du gaz, mu est la masse de 1 mole du même gaz, R = 8,31 J / (mol K), T est la température calculée sur l'échelle absolue de Kelvin, V1 et V2 sont les valeurs initiale et finale volume occupé par le gaz (à ce V2 / V1 = 40 lors de la détente à la pression atmosphérique à l'intérieur du réservoir). Pour l'expansion isotherme, la loi de Boyle-Mariotte est valable : P1V1 = P2 V2. Prenons T = 298 0K (250С) Pour l'air M / mu ~ 40 : 0,0224 = 1785,6 moles de la substance, le gaz travaille A = 1785,6 8,31 298 ln 50 ~ 16 MJ ~ 4,45 kWh par cycle. Les parois du réservoir, conçues pour une pression de 40 à 50 atmosphères, doivent avoir une épaisseur d'au moins 5 mm, en relation avec laquelle la masse du dispositif de stockage sera d'environ 250 kg. L'énergie spécifique stockée par cet accumulateur pneumatique sera égale à 64 kJ/kg. La puissance maximale fournie par l'accumulateur pneumatique pendant une heure de fonctionnement sera de 4,5 kW. Durée de vie garantie comme la plupart des disques basés sur les performances travail mécanique leurs parties structurelles est de 20 ans ou plus. Les avantages de ce type de stockage sont : la possibilité de localiser le réservoir sous terre ; le réservoir pouvant être une bouteille de gaz standard utilisant les équipements appropriés, l'éolienne est capable de transmettre directement le mouvement à la pompe du compresseur. De plus, de nombreux appareils utilisent directement l'énergie stockée de l'air comprimé dans le réservoir.

Voici les paramètres des types de dispositifs de stockage d'énergie considérés dans le tableau récapitulatif :

Le plus simple de ces accumulateurs est une bouteille de gaz ordinaire, dans laquelle l'air est pompé sous grande pression... Lorsque la production d'énergie chute ou, au contraire, que sa consommation augmente fortement, la vanne s'ouvre et l'air comprimé sortant fait tourner la turbine du générateur. L'efficacité d'une telle installation s'avère relativement faible, mais étant donné que souvent au pic de production, l'énergie disparaît tout simplement au ralenti, chauffant l'espace environnant, même un tel additif ne doit pas être négligé.

Comment augmenter l'efficacité et réduire le coût relatif d'un tel système ? Dans une configuration appelée Compressé Énergie de l'air Storage (CAES), construit pour la première fois par les États-Unis en 1991 à McLntosh, en Alabama. Une grotte de sel souterraine naturelle est utilisée comme réservoir. La couche de sel ne laisse pas passer l'air, même sous haute pression- en petits grains, la poussière de sel scelle les moindres fissures pouvant survenir dans l'épaisseur de la formation. Air dans la grotte avec un volume de 538 mille mètres cubes. pompé par un compresseur à une pression de 77 atmosphères. Lorsque la consommation d'énergie du réseau augmente soudainement, de l'air est libéré et fournit de l'énergie au système. Le temps de vidange du réservoir à la pression de fonctionnement inférieure de 46 atm est de 26 heures, pendant lesquelles la station produit 110 MW de puissance.

Comment améliorer l'efficacité du système ? L'air comprimé ne fait pas tourner la turbine par lui-même, mais se mélange au gaz naturel et pénètre dans la turbine à gaz. La plupart de la puissance d'une turbine à gaz (jusqu'aux deux tiers) est généralement dépensée pour l'entraînement du compresseur, qui y injecte de l'air - c'est là que nous obtenons de solides économies. De plus, avant d'entrer dans la turbine, l'air est réchauffé dans un échangeur de chaleur (récupérateur) par les produits de combustion, ce qui ajoute également de l'efficacité.

Au total, égal à celui d'une turbine à gaz traditionnelle, un tel schéma permet une réduction de la consommation de gaz de 60 ... 70 %, un démarrage rapide à froid (plusieurs minutes) et Bon travailà faibles charges. La station de McLntosh a pris 30 mois à construire et a coûté 65 millions de dollars (même s'il y avait une grotte de sel naturelle).

En plus du projet en Alabama en 1978 à Huntorf, les Allemands ont lancé une installation de stockage d'une capacité de 290 MW (2 heures de fonctionnement) dans deux grottes de sel à une profondeur de 600 ... 800 m avec une plage de pression de 50 ... 70 ambiances. Servant à l'origine de hot standby pour l'industrie du nord-ouest de l'Allemagne, l'installation de stockage est désormais utilisée pour lisser les pics de production des parcs éoliens.

À l'époque soviétique, il était prévu de construire un accumulateur pneumatique de 1050 MW dans le Donbass, mais hélas - comme de nombreux projets de ces années, tout est resté sur papier.

Eh bien, une vidéo des développeurs du projet.

Ecologie de la cognition Science et technologie : Dans les conditions de développement actif des nouvelles technologies dans le domaine de l'énergie, le stockage de l'énergie est une tendance bien connue. Il s'agit d'une solution de qualité au problème des coupures de courant ou des coupures de courant complètes.

Il y a une question : « Quelle méthode de stockage de l'énergie est préférable dans une situation donnée ? »... Par exemple, quel mode de stockage d'énergie choisir pour une maison privée ou un chalet d'été équipé d'une installation solaire ou éolienne ? Évidemment, personne ne construira une grande station de stockage par pompage dans ce cas, mais il est possible d'installer un grand réservoir en le soulevant à une hauteur de 10 mètres. Mais une telle installation suffirait-elle à maintenir une alimentation constante en l'absence de soleil ?

Pour répondre aux questions qui se posent, il est nécessaire de développer quelques critères d'évaluation des batteries, permettant d'obtenir des évaluations objectives. Et pour cela, vous devez considérer divers paramètres accumulateurs, vous permettant d'obtenir des estimations numériques.

Capacité ou charge cumulée ?

Lorsque les gens parlent ou écrivent sur les batteries de voiture, ils mentionnent souvent une valeur qui s'appelle la capacité de la batterie et s'exprime en ampères-heures (pour les petites batteries, en milliampères-heures). Mais, à proprement parler, l'ampère-heure n'est pas une unité de capacité. La capacité dans la théorie de l'électricité est mesurée en farads. Et l'ampère-heure est une unité de mesure de charge ! C'est-à-dire que la charge accumulée doit être considérée comme une caractéristique de la batterie (c'est ainsi qu'on l'appelle).

En physique, la charge se mesure en coulombs. Le pendentif est la quantité de charge passée à travers le conducteur à 1 ampère en une seconde. Puisque 1 C / s est égal à 1 A, alors, en convertissant les heures en secondes, nous obtenons qu'un ampère-heure sera égal à 3600 C.

Il convient de noter que même à partir de la définition d'un coulomb, on peut voir qu'une charge caractérise un certain processus, à savoir le processus du courant traversant un conducteur. Il en va de même du nom d'une autre quantité : un ampère-heure, c'est quand un courant d'un ampère circule dans un conducteur pendant une heure.

À première vue, il peut sembler qu'il y ait une sorte d'incohérence. Après tout, si nous parlons de conservation de l'énergie, l'énergie stockée dans n'importe quelle batterie doit être mesurée en joules, car c'est le joule en physique qui sert d'unité de mesure de l'énergie. Mais rappelons-nous que le courant dans le conducteur ne se produit que lorsqu'il existe une différence de potentiel aux extrémités du conducteur, c'est-à-dire qu'une tension est appliquée au conducteur. Si la tension aux bornes de la batterie est de 1 volt et qu'une charge d'un ampère-heure circule dans le conducteur, on obtient que la batterie a fourni 1 V · 1 A · h = 1 Wh d'énergie.

Ainsi, en ce qui concerne les batteries, il est plus correct de parler d'énergie accumulée (énergie stockée) ou de charge accumulée (stockée). Néanmoins, étant donné que le terme "capacité de la batterie" est répandu et en quelque sorte plus familier, nous l'utiliserons également, mais avec quelques précisions, à savoir, nous parlerons de capacité énergétique.

Capacité énergétique - l'énergie dégagée par une batterie complètement chargée lors de la décharge à la valeur la plus faible autorisée.

En utilisant ce concept, nous allons essayer de calculer et de comparer approximativement la capacité énergétique différents types dispositifs de stockage d'énergie.

Capacité énergétique des batteries chimiques

Une batterie électrique complètement chargée avec une capacité déclarée (charge) de 1 Ah est théoriquement capable de fournir un courant de 1 ampère pendant une heure (ou, par exemple, 10 A pendant 0,1 heure, ou 0,1 A pendant 10 heures) ... Mais un courant de décharge trop élevé de la batterie conduit à une production d'énergie moins efficace, ce qui réduit de manière non linéaire son temps de fonctionnement avec un tel courant et peut conduire à une surchauffe. En pratique, la capacité des batteries est donnée sur la base d'un cycle de décharge de 20 heures à la tension finale. Pour les batteries de voiture, elle est de 10,8 V. Par exemple, l'inscription sur l'étiquette de la batterie "55 Ah" signifie qu'elle est capable de délivrer un courant de 2,75 ampères pendant 20 heures, et la tension aux bornes ne descend pas en dessous de 10,8 V .

Les fabricants de batteries citent souvent caractéristiques techniques de leurs produits, l'énergie stockée en Wh (Wh), et non la charge stockée en mAh (mAh), ce qui, de manière générale, n'est pas correct. En général, il n'est pas facile de calculer l'énergie stockée à partir de la charge stockée : il faut intégrer la puissance instantanée produite par la batterie pendant tout le temps de décharge. Si une plus grande précision n'est pas nécessaire, au lieu de l'intégration, vous pouvez utiliser les valeurs moyennes de tension et de consommation de courant et utiliser la formule :

1 Wh = 1 V 1 Ah.

C'est-à-dire que l'énergie stockée (en Wh) est approximativement égale au produit de la charge stockée (en Ah) par la tension moyenne (en Volts) : E = q · U... Par exemple, s'il est indiqué que la capacité (au sens usuel) d'une batterie de 12 volts est de 60 Ah, alors l'énergie stockée, c'est-à-dire sa capacité énergétique, sera de 720 Wh.

Capacité énergétique des dispositifs de stockage d'énergie gravitationnelle

Dans n'importe quel manuel de physique, vous pouvez lire que le travail A effectué par une force F tout en soulevant un corps de masse m à une hauteur h est calculé par la formule A = m · g · h, où g est l'accélération de la gravité. Cette formule a lieu lorsque le corps se déplace lentement et que les forces de friction peuvent être négligées. Le travail contre la gravité ne dépend pas de la façon dont nous soulevons le corps : verticalement (comme un poids dans une horloge), plan incliné(comme pour tirer un traîneau en montée) ou d'une autre manière.

Dans tous les cas, travailler A = m · g · h. Lors de l'abaissement du corps au niveau initial, la force de gravité fera le même travail que celui dépensé par la force F pour soulever le corps. Cela signifie qu'en soulevant le corps, nous avons emmagasiné un travail égal à m · g · h, c'est-à-dire que le corps soulevé a une énergie égale au produit de la force de gravité agissant sur ce corps et de la hauteur à laquelle il est soulevé. Cette énergie ne dépend pas du chemin le long duquel l'ascension a eu lieu, mais est déterminée uniquement par la position du corps (la hauteur à laquelle il est soulevé ou la différence de hauteurs entre la position initiale et finale du corps) et est appelée énergie potentielle.

Estimons par cette formule la capacité énergétique d'une masse d'eau pompée dans un réservoir d'une capacité de 1000 litres, élevé à 10 mètres au-dessus du niveau du sol (ou du niveau d'une turbine d'hydrogénérateur). Nous supposerons que la citerne a la forme d'un cube avec une longueur d'arête de 1 m. Ensuite, selon la formule du manuel de Landsberg, A = 1000 kg · (9,8 m / s2) · 10,5 m = 102 900 kg · m2 / s2. Mais 1 kg m2 / s2 est égal à 1 joule, et en convertissant en watt-heure, nous n'obtenons que 28,583 watt-heure. C'est-à-dire que pour obtenir une capacité énergétique égale à la capacité d'un accumulateur électrique classique de 720 wattheures, il est nécessaire d'augmenter de 25,2 fois le volume d'eau dans le réservoir.

Le réservoir devra avoir une longueur de nervure d'environ 3 mètres. De plus, sa capacité énergétique sera égale à 845 wattheures. C'est plus que la capacité d'une batterie, mais le volume d'installation est nettement supérieur à la taille d'une batterie de voiture plomb-zinc conventionnelle. Cette comparaison suggère qu'il est logique de considérer non pas l'énergie stockée dans un certain système en soi, mais par rapport à la masse ou au volume du système considéré.

Capacité énergétique spécifique

Nous sommes donc arrivés à la conclusion qu'il est conseillé de corréler la capacité énergétique avec la masse ou le volume du dispositif de stockage, ou le support lui-même, par exemple, l'eau versée dans la citerne. Deux indicateurs de ce type peuvent être envisagés.

On appellera capacité énergétique d'un dispositif de stockage la masse de ce dispositif de stockage par consommation d'énergie massique spécifique.

La consommation énergétique spécifique volumétrique sera appelée capacité énergétique d'une unité de stockage, rapportée au volume de cette unité de stockage.

Exemple. La batterie au plomb Panasonic LC-X1265P, conçue pour 12 volts, a une charge de 65 ampères-heures, poids - 20 kg. et dimensions (LxlxH) 350 166 175 mm. Sa durée de vie à t = 20 C est de 10 ans. Ainsi, sa consommation d'énergie massique spécifique sera de 65 12/20 = 39 wattheures par kilogramme, et la consommation d'énergie spécifique volumétrique sera de 65 12 / (3,5 1,66 1,75) = 76,7 wattheures par kilogramme de décimètre cube ou 0,0767 kWh par mètre cube.

Pour l'unité de stockage d'énergie gravitationnelle considérée dans la section précédente basée sur un réservoir d'eau d'un volume de 1000 litres, la consommation d'énergie massique spécifique ne sera que de 28.583 wattheures / 1000 kg = 0, 0286 Wh / kg., ce qui est 1363 fois moins que l'intensité énergétique massique de la batterie plomb-zinc. Et bien que la durée de vie d'un dispositif de stockage gravitationnel puisse être nettement plus longue, d'un point de vue pratique, un réservoir semble moins attrayant qu'un accumulateur.

Considérons quelques autres exemples de dispositifs de stockage d'énergie et estimons leur consommation d'énergie spécifique.

Capacité de stockage de chaleur

Capacité calorifique - la quantité de chaleur absorbée par le corps lorsqu'il est chauffé de 1 ° C. Selon l'unité quantitative à laquelle appartient la capacité calorifique, on distingue la capacité calorifique massique, volumétrique et molaire.

La chaleur massique spécifique, également appelée simplement chaleur spécifique, est la quantité de chaleur qui doit être appliquée à une unité de masse d'une substance afin de la chauffer par unité de température. En SI, il est mesuré en joules divisé par kilogramme par kelvin (J · kg − 1 · K − 1).

La capacité calorifique volumétrique est la quantité de chaleur qui doit être apportée à une unité de volume d'une substance afin de la chauffer par unité de température. L'unité SI se mesure en joules par mètre cube par kelvin (J m − 3 K − 1).

La capacité calorifique molaire est la quantité de chaleur qui doit être apportée à 1 mole d'une substance afin de la chauffer par unité de température. En SI, il est mesuré en joules par mole par kelvin (J / (mol · K)).

Une mole est une unité de mesure de la quantité d'une substance dans le système international d'unités. Une mole est la quantité de matière dans un système contenant autant d'éléments structurels qu'il y a d'atomes dans le carbone 12 pesant 0,012 kg.

La valeur de la chaleur spécifique est influencée par la température de la substance et d'autres paramètres thermodynamiques. Par exemple, mesurer la chaleur spécifique de l'eau donnera des résultats différents à 20°C et 60°C. De plus, la chaleur spécifique dépend de la façon dont les paramètres thermodynamiques de la substance (pression, volume, etc.) sont autorisés à changer ; par exemple, la chaleur spécifique à pression constante (CP) et à volume constant (CV) sont généralement différentes.

La transition d'une substance d'un état d'agrégation à un autre s'accompagne d'un changement brutal de la capacité calorifique à un point de conversion de température spécifique à chaque substance - le point de fusion (transition corps solide en liquide), point d'ébullition (transition du liquide en gaz) et, par conséquent, températures de transformations inverses : congélation et condensation.

Les capacités thermiques spécifiques de nombreuses substances sont données dans des ouvrages de référence, généralement pour un processus à pression constante. Par exemple, la chaleur spécifique de l'eau liquide dans des conditions normales est de 4200 J / (kg · K); glace - 2100 J / (kg K).

Sur la base des données présentées, on peut essayer d'estimer la capacité calorifique d'un accumulateur de chaleur à eau (résumé). Supposons que la masse d'eau qu'il contient soit de 1000 kg (litres). Chauffez-le jusqu'à 80°C et laissez-le dégager de la chaleur jusqu'à ce qu'il refroidisse à 30°C. Si vous ne vous souciez pas du fait que la capacité calorifique est différente à différentes températures, nous pouvons supposer que l'accumulateur de chaleur donnera 4200 * 1000 * 50 J de chaleur. C'est-à-dire que la capacité énergétique d'un tel accumulateur de chaleur est de 210 mégajoules ou 58,333 kilowattheures d'énergie.

Si l'on compare cette valeur avec la charge énergétique d'une batterie de voiture classique (720 wattheures), on constate que la capacité énergétique de l'accumulateur de chaleur considéré est égale à la capacité énergétique d'environ 810 batteries électriques.

La capacité énergétique massique spécifique d'un tel accumulateur de chaleur (même sans prendre en compte la masse de la cuve dans laquelle l'eau chauffée sera effectivement stockée, et la masse d'isolation thermique) sera de 58,3 kWh/1000 kg = 58,3 Wh/kg . Cela s'avère déjà être supérieur à la capacité énergétique massique d'une batterie plomb-zinc, égale, comme cela a été calculé ci-dessus, à 39 Wh/kg.

Selon des calculs approximatifs, l'accumulateur de chaleur est comparable à un accumulateur conventionnel. batterie de voiture et en termes de capacité énergétique spécifique volumétrique, puisqu'un kilogramme d'eau est un décimètre de volume, sa capacité énergétique spécifique volumétrique est donc également de 76,7 Wh / kg, ce qui coïncide exactement avec la capacité thermique spécifique volumétrique d'une batterie au plomb. Certes, dans le calcul de l'accumulateur de chaleur, nous n'avons pris en compte que le volume d'eau, même s'il faudrait également prendre en compte le volume du réservoir et l'isolation thermique. Mais dans tous les cas, la perte ne sera pas aussi importante que pour un entraînement par gravité.

Autres types de stockage d'énergie

L'article "Examen du stockage d'énergie (accumulateurs)" contient des calculs des capacités énergétiques spécifiques de certains autres dispositifs de stockage d'énergie. Empruntons-y quelques exemples.

Stockage de condensateur

Avec une capacité de condensateur de 1 F et une tension de 250 V, l'énergie stockée sera : E = CU2 / 2 = 1 ∙ 2502/2 = 31,25 kJ ~ 8,69 Wh. Si vous utilisez des condensateurs électrolytiques, leur poids peut être de 120 kg. L'énergie spécifique du dispositif de stockage est de 0,26 kJ/kg soit 0,072 W/kg. Pendant le fonctionnement, le variateur peut fournir une charge ne dépassant pas 9 watts pendant une heure. La durée de vie des condensateurs électrolytiques peut aller jusqu'à 20 ans. En termes de densité énergétique, les ionistes sont proches des accumulateurs chimiques. Avantages : l'énergie stockée peut être utilisée dans un court laps de temps.

Stockage gravitationnel de type coprah

Tout d'abord, nous soulevons un corps pesant 2000 kg à une hauteur de 5 m. Ensuite, le corps est abaissé par gravité, faisant tourner un générateur électrique. E = mgh ~ 2000 ∙ 10 ∙ 5 = 100 kJ ~ 27,8 Wh. La capacité énergétique spécifique est de 0,0138 W h / kg. Pendant le fonctionnement, le variateur peut fournir une charge ne dépassant pas 28 watts pendant une heure. La durée de vie d'un variateur peut être de 20 ans ou plus.

Avantages : l'énergie stockée peut être utilisée pendant une courte période.

Volant

L'énergie stockée dans le volant d'inertie peut être trouvée par la formule E = 0,5 J w2, où J est le moment d'inertie d'un corps en rotation. Pour un cylindre de rayon R et de hauteur H :

J = 0,5 p r R4 H

où r est la densité du matériau à partir duquel le cylindre est fait.

Vitesse linéaire limite à la périphérie du volant moteur Vmax (environ 200 m/s pour l'acier).

Vmax = wmax R ou wmax = Vmax / R

Alors Emax = 0,5 J w2max = 0,25 p r R2 H V2max = 0,25 M V2max

L'énergie spécifique sera : Emax / M = 0,25 V2max

Pour un volant d'inertie cylindrique en acier, la densité d'énergie spécifique maximale est d'environ 10 kJ/kg. Pour un volant d'inertie d'une masse de 100 kg (R = 0,2 m, H = 0,1 m), l'énergie maximale accumulée peut être de 0,25 3,14 ∙ 8000 ∙ 0,22 ∙ 0,1 ∙ 2002 ~ 1 MJ ~ 0,278 kWh. Pendant le fonctionnement, le variateur peut fournir une charge ne dépassant pas 280 watts pendant une heure. La durée de vie du volant moteur peut être de 20 ans ou plus. Avantages : l'énergie accumulée peut être utilisée dans un court laps de temps, les caractéristiques peuvent être considérablement améliorées.

Super volant

Le super volant, contrairement aux volants conventionnels, est capable de caractéristiques de conception stocker théoriquement jusqu'à 500 Wh par kilogramme de poids. Cependant, le développement des super volants d'inertie s'est arrêté pour une raison quelconque.

Stockage pneumatique

L'air est pompé dans un réservoir en acier d'une capacité de 1 m3 à une pression de 50 atmosphères. Pour résister à cette pression, les parois du réservoir doivent avoir une épaisseur d'environ 5 mm. L'air comprimé est utilisé pour faire le travail. Dans un processus isotherme, le travail A effectué par un gaz parfait lorsqu'il se dilate dans l'atmosphère est déterminé par la formule :

A = (M / m) R ∙ T ∙ ln (V2 / V1)

où M est la masse de gaz, m est la masse molaire du gaz, R est la constante universelle des gaz, T est la température absolue, V1 est le volume de gaz initial, V2 est le volume de gaz final. Prise en compte de l'équation d'état pour un gaz parfait (P1 ∙ V1 = P2 ∙ V2) pour une implémentation donnée du dispositif de stockage V2 / V1 = 50, R = 8,31 J / (mol deg), T = 293 0K, M / m ~ 50 : 0,0224 ~ 2232, fonctionnement au gaz pendant la détente 2232 ∙ 8,31 ∙ 293 ∙ ln 50 ~ 20 MJ ~ 5,56 kWh par cycle. La masse de l'entraînement est d'environ 250 kg. L'énergie spécifique sera de 80 kJ/kg. Pendant le fonctionnement, l'accumulateur pneumatique peut fournir une charge ne dépassant pas 5,5 kW pendant une heure. La durée de vie d'un accumulateur pneumatique peut être de 20 ans ou plus.

Avantages : le réservoir de stockage peut être situé sous terre, des réservoirs standard peuvent être utilisés comme réservoir de stockage. les bouteilles de gaz en quantité requise avec l'équipement approprié, lorsqu'on utilise une éolienne, cette dernière peut entraîner directement la pompe du compresseur ; il existe un assez grand nombre d'appareils qui utilisent directement l'énergie de l'air comprimé.

Tableau comparatif de quelques dispositifs de stockage d'énergie

Nous allons résumer toutes les valeurs des paramètres des dispositifs de stockage d'énergie obtenues ci-dessus dans un tableau généralisant. Mais d'abord, notons que des consommations énergétiques spécifiques permettent de comparer les dispositifs de stockage avec du carburant conventionnel.

La principale caractéristique du carburant est son pouvoir calorifique, c'est-à-dire la quantité de chaleur dégagée lors de sa combustion complète. Distinguer chaleur massique de combustion (MJ/kg) et volumétrique (MJ/m3). En convertissant les MJ en kW-heures, nous obtenons :

Comme vous pouvez le voir, la consommation d'énergie spécifique du carburant dépasse largement la consommation d'énergie des dispositifs de stockage d'énergie. Étant donné que comme source d'énergie de secours est souvent utilisé générateurs diesel, nous inclurons dans le tableau final la consommation énergétique du gazole, qui est de 42624 kJ/kg soit 11,84 kWh/kg. Et ajoutons, à titre de comparaison, le gaz naturel et l'hydrogène, puisque ce dernier peut également servir de base à la création de dispositifs de stockage d'énergie.

La capacité énergétique massique spécifique du gaz en bouteille (propane-butane) est de 36 mJ/kg. ou 10 kWh / kg., et pour l'hydrogène - 33,58 kWh / kg.

En conséquence, nous obtenons le tableau suivant avec les paramètres des dispositifs de stockage d'énergie considérés (les deux dernières lignes de ce tableau ont été ajoutées à des fins de comparaison avec les vecteurs énergétiques traditionnels) :

Les chiffres donnés dans ce tableau sont très approximatifs, de nombreux facteurs ne sont pas pris en compte dans les calculs, par exemple, le rendement du générateur qui utilise l'énergie stockée, les volumes et les poids équipement nécessaire etc. Néanmoins, ces chiffres permettent, à mon avis, de donner une première estimation de l'intensité énergétique potentielle différents types dispositifs de stockage d'énergie.

Et, comme il ressort du tableau ci-dessus, le plus vue efficace le réservoir de stockage est représenté par une bouteille d'hydrogène. Si l'énergie « gratuite » (surplus) issue de sources renouvelables est utilisée pour produire de l'hydrogène, c'est le stockage de l'hydrogène qui peut s'avérer le plus prometteur.

Hydrogène peut être utilisé comme carburant dans un moteur à combustion interne conventionnel qui entraînera un générateur électrique, ou dans des piles à combustible à hydrogène qui génèrent directement de l'électricité. La question de savoir quelle méthode est la plus rentable nécessite un examen séparé. Eh bien, les problèmes de sécurité dans la production et l'utilisation de l'hydrogène peuvent apporter des ajustements lors de l'examen de la faisabilité de l'utilisation de l'un ou l'autre type de dispositif de stockage d'énergie. publié par

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Une grotte, un compresseur et une turbine à gaz - c'est ainsi que fonctionne un accumulateur d'énergie pneumatique. Aux États-Unis, le premier appareil de ce type a été construit en 1991 à McLntosh, en Alabama. Son objectif est de lisser les pics de charge des centrales électriques.

En mode accumulation, l'air est entraîné par des compresseurs dans le stockage souterrain (grotte de sel naturel) d'un volume de 538 000 mètres cubes. jusqu'à une pression de 77 atm. Lorsque la consommation d'énergie du réseau augmente soudainement, de l'air est libéré et fournit de l'énergie au système. Le temps de vidange du réservoir à la pression de fonctionnement inférieure de 46 atm est de 26 heures, pendant lesquelles la station produit 110 MW de puissance.

L'air comprimé ne fait pas tourner la turbine par lui-même, mais pénètre dans la turbine à gaz. Puisque les 2/3 de la puissance d'une turbine à gaz sont généralement consommés pour entraîner le compresseur, qui y injecte de l'air, les économies sont substantielles. Avant d'entrer dans la turbine, l'air est chauffé dans un échangeur de chaleur (récupérateur) par les produits de combustion, ce qui ajoute également de l'efficacité.

Ils notent une diminution de la consommation de gaz de 60 ... 70 % par rapport à une turbine à gaz traditionnelle, un démarrage rapide à froid (quelques minutes) et de bonnes performances à faibles charges.

La station de McLntosh a pris 30 mois à construire et a coûté 65 millions de dollars.

Le projet de l'Alabama n'est pas unique. En 1978 à Huntorf, les Allemands ont lancé une installation de stockage d'une capacité de 290 MW (2 heures de fonctionnement) dans deux grottes de sel à une profondeur de 600 ... 800 m avec une plage de pression de 50 ... 70 atm. Servant à l'origine de hot standby pour l'industrie du nord-ouest de l'Allemagne, l'installation de stockage est désormais utilisée pour lisser les pics de production des parcs éoliens.

Ils écrivent que dans le Donbass à l'époque soviétique, ils prévoyaient d'équiper un accumulateur pneumatique de 1050 MW dans la même grotte, son sort est inconnu.

En 2012, une installation de stockage pneumatique d'une capacité de 500 MWh a été ouverte au Texas à côté d'un parc éolien de 2 mégawatts, mais les détails ne suffisent pas.