Acumulator pneumatic de energie. Stocarea energiei în aer comprimat (CAES) - Stocarea energiei pneumatice

Cea mai simplă astfel de baterie este una convențională cilindru de gaz, în care, în momentul producerii puterii de vârf, compresorul pompează aer sub presiune mare. Când producția de energie scade sau, dimpotrivă, consumul acesteia crește brusc, supapa se deschide și ieșirea aer comprimatînvârte turbina generatorului. Eficiența unei astfel de instalații se dovedește a fi relativ mică, dar având în vedere faptul că adesea la vârful producției, energia dispare pur și simplu, încălzind spațiul înconjurător, nici un astfel de aditiv nu trebuie neglijat.

Cum se poate crește eficiența și reduce costul relativ al unui astfel de sistem? Într-o instalație numită Compressed Air Energy Storage (CAES), construită pentru prima dată de SUA în 1991 la McIntosh, Alabama. O peșteră subterană de sare naturală este folosită ca rezervor. Stratul de sare nu permite trecerea aerului, nici măcar dedesubt presiune ridicata- boabe mici, praful de sare etanșează cele mai mici fisuri care pot apărea în grosimea formațiunii. Aer în peșteră cu un volum de 538 mii de metri cubi. pompat de un compresor la o presiune de 77 atmosfere. Când consumul de energie al rețelei crește în mod neașteptat, aerul iese și furnizează energie sistemului. Timpul de golire a rezervorului la presiunea de funcționare inferioară de 46 atm este de 26 de ore, timp în care stația produce 110 MW de putere.

Cum să creștem eficiența sistemului? Aerul comprimat nu rotește singur rotorul, ci se amestecă cu gazul natural și intră în turbina cu gaz. Majoritatea puterea unei turbine cu gaz (până la două treimi) este de obicei cheltuită pentru a conduce un compresor care pompează aer în ea - de aici obținem economii solide. În plus, înainte de a intra în turbină, aerul este încălzit în schimbătorul de căldură (recuperator) prin produse de ardere, ceea ce adaugă și eficiență.

În total, atunci când este egală cu o turbină cu gaz tradițională, o astfel de schemă asigură o reducere a consumului de gaz cu 60 ... 70%, o pornire rapidă de la o stare rece (câteva minute) și Buna treaba la sarcini mici. Stația de la McIntosh a durat 30 de luni pentru a construi și a costat 65 de milioane de dolari (chiar dacă avea o peșteră naturală de sare).

Pe lângă proiectul din Alabama, în 1978 la Huntorf, germanii au lansat o instalație de stocare de 290 MW (2 ore de funcționare) în două peșteri de sare la o adâncime de 600...800 m cu un interval de presiune de 50... .70 atmosfere. Folosit inițial ca standby fierbinte pentru industrie din nord-vestul Germaniei, stocarea este acum folosită pentru a netezi vârfurile de generare a parcurilor eoliene.

În perioada sovietică, s-a planificat construirea unui acumulator pneumatic de 1050 MW în Donbass, dar din păcate, ca multe proiecte din acei ani, totul a rămas pe hârtie.

Ei bine, un videoclip de la dezvoltatorii proiectului.

O peșteră, un compresor și o turbină cu gaz - așa funcționează un acumulator pneumatic de energie. În SUA, primul astfel de dispozitiv a fost construit în 1991 în McIntosh, Alabama. Scopul său este de a netezi sarcinile de vârf la centralele electrice.

În modul de acumulare, aerul este condus de compresoare într-un depozit subteran (peștera de sare naturală) cu un volum de 538 mii de metri cubi. până la o presiune de 77 atm. Când consumul de energie al rețelei crește în mod neașteptat, aerul iese și furnizează energie sistemului. Timpul de golire a rezervorului la presiunea de funcționare inferioară de 46 atm este de 26 de ore, timp în care stația produce 110 MW de putere.

Aerul comprimat nu întoarce turbina de la sine, ci intră în turbina cu gaz. Deoarece 2/3 din puterea unei turbine cu gaz este de obicei cheltuită pentru acționarea unui compresor care forțează aer în ea, se obține o economie semnificativă. Inainte de a intra in turbina, aerul este incalzit in schimbatorul de caldura (recuperator) prin produse de ardere, ceea ce adauga si eficienta.

Aceștia constată o reducere a consumului de gaz cu 60 ... 70% față de o turbină cu gaz tradițională, o pornire rapidă de la o stare rece (câteva minute) și o funcționare bună la sarcini mici.

Construcția stației de la McIntosh a durat 30 de luni și a costat 65 de milioane de dolari.

Proiectul din Alabama nu este unic. În 1978, la Huntorf, germanii au lansat o instalație de stocare de 290 MW (2 ore de funcționare) în două peșteri de sare la o adâncime de 600...800 m cu un interval de presiune de 50...70 atm. Folosit inițial ca standby fierbinte pentru industrie din nord-vestul Germaniei, stocarea este acum folosită pentru a netezi vârfurile de generare a parcurilor eoliene.

Ei scriu că în Donbass în timpul erei sovietice au plănuit să echipeze un acumulator pneumatic de 1050 MW în aceeași peșteră, soarta acestuia este necunoscută.

În 2012, în Texas a fost deschisă o instalație de stocare pneumatică de 500 MWh lângă un parc eolian de 2 megawați, dar specificul lipsește.

Lanțul ciclului tehnologic de producere a energiei electrice include în mod necesar o astfel de verigă precum o stocare (acumulator). LA moduri traditionale generarea de energie, rezervele de energie sunt acumulate într-o formă preliminară, „neelectrică”, iar această legătură - stocarea energiei, este situată direct în fața generatorului de energie.

Rezervorul unei centrale hidroelectrice este conceput pentru a acumula energia potențială a apei râului în câmpul gravitațional al Pământului, ridicând-o la o anumită înălțime cu ajutorul unui baraj. O centrală termică acumulează în depozitele sale rezerve de solide sau combustibil lichid, sau livrează gaze naturale prin conductă, a cărei putere calorică garantează aprovizionarea cu energie necesară. Tijele reactoarelor centralelor nucleare reprezintă un stoc de combustibil nuclear cu o anumită resursă disponibilă pentru utilizarea energiei nucleare.

Modul de putere constantă este disponibil pentru toate tipurile de generatoare de energie enumerate. Cantitatea de energie produsă este reglementată în limite largi în funcție de nivelul consumului de energie la îndemână. Sursele alternative (vânt, maree, geotermal, solar) nu pot oferi o garanție putere constantă generator la nivelul cerut în prezent. Prin urmare, stocarea este aici nu atât un depozit de resurse, cât un dispozitiv de amortizare, ceea ce face ca consumul de energie să fie mai puțin dependent de fluctuațiile sursei de putere. Energia sursei este acumulată în acumulator, iar ulterior consumată, la nevoie, sub formă energie electrica. În același timp, prețul său depinde în mare măsură de costul unității.

O trăsătură caracteristică a acumulatorului în surse alternative de energie este și faptul că energia acumulată în acesta poate fi cheltuită în alte scopuri. Deci, de exemplu, cu ajutorul lor, pot fi generate câmpuri magnetice puternice și superputernice.

Unitățile de măsură ale energiei acceptate în fizică și ingineria energetică și raportul dintre ele: 1 kWh, sau 1000 W 3600 s - la fel ca 3,6 MJ. În consecință, 1 MJ este echivalent cu 1/3,6 kWh sau 0,278 kWh

Unele dispozitive comune de stocare a energiei sunt:

Să facem imediat o rezervare: recenzia de mai sus nu este o clasificare completă a dispozitivelor de stocare utilizate în sectorul energetic, pe lângă cele considerate aici, există dispozitive termice, cu arc, cu inducție și diverse alte tipuri de dispozitive de stocare a energiei.

1. Depozitare tip condensator

Energia stocată de un condensator de 1 F la o tensiune de 220 V este: E = CU2 /2 = 12202 /2 kJ = 24200 J = 0,0242 MJ ~ 6,73 Wh. Masa unui astfel de condensator electrolitic poate ajunge la 120 kg. Energia specifică pe unitatea de masă se dovedește a fi puțin mai mare de 0,2 kJ/kg. Funcționarea pe oră a unității este posibilă la o sarcină de 7 wați. Condensatorii electrolitici pot dura până la 20 de ani. Ionistorii (supercondensatori) au o energie și o densitate mare de putere (aproximativ 13 Wh / l \u003d 46,8 kJ / l și, respectiv, până la 6 kW / l), cu o resursă de aproximativ 1 milion de cicluri de reîncărcare. Avantajul incontestabil al unui acumulator de condensator este capacitatea de a utiliza energia acumulată într-o perioadă scurtă de timp.

2. Acumulatoare de tip gravitațional

Acumulatoarele de energie de tipul dispozitivului de antrenare a piloților stochează energie atunci când un dispozitiv de desfășurare a piloților care cântărește 2 tone sau mai mult este ridicat la o înălțime de aproximativ 4 m. Mișcarea părții în mișcare a dispozitivului de antrenare a piloților eliberează energia potențială a corpului, împărțindu-o către generator electric. Cantitatea de energie produsă E = mgh în cazul ideal (excluzând pierderile prin frecare) va fi ~ 2000 10 4 kJ = 80 kJ ~ 22,24 Wh. Energia specifică pe unitatea de masă a unei femei copra este de 0,04 kJ/kg. În decurs de o oră, unitatea este capabilă să furnizeze o sarcină de până la 22 de wați. Durata de viață estimată a structurii mecanice este de peste 20 de ani. Energia acumulată de corp în câmpul gravitațional poate fi cheltuită și într-o perioadă scurtă de timp, ceea ce este avantajul acestei opțiuni.

Acumulatorul hidraulic folosește energia apei (cu o greutate de aproximativ 8-10 tone) pompată din puț în capacitatea turnului de apă. În mișcare inversă, sub acțiunea gravitației, apa rotește turbina generatorului electric. O pompă de vid convențională permite pomparea apei până la o înălțime de până la 10 m fără probleme.Energia stocată în acest caz este E = mgh ~ 10000 8 10 J = 0,8 MJ = 0,223 kWh. Energia specifică pe unitatea de masă se dovedește a fi 0,08 kJ/kg. Sarcina furnizată de unitate pentru o oră este de 225 de wați. Conducerea poate dura 20 de ani sau mai mult. Turbina eoliană poate antrena direct pompa (fără a converti energia în energie electrică, care este asociată cu anumite pierderi), apa din rezervorul turnului, dacă este necesar, poate fi folosită pentru alte nevoi.

3. Tracțiune cu volantă

Energia cinetică a unui volant rotativ este definită astfel: E = J w2/2, J înseamnă momentul intrinsec de inerție al cilindrului metalic (deoarece se rotește în jurul axei de simetrie), w este viteza unghiulară de rotație.

Cu raza R și înălțimea H, cilindrul are un moment de inerție:

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

unde p este densitatea metalului - materialul cilindrului, produsul pi* R^2 H este volumul acestuia.

Viteza liniară maximă posibilă a suprafeței cilindrului punctează Vmax (este de aproximativ 200 m/s pentru un volant de oțel).

Vmax = wmax*R, de unde wmax = Vmax/R

Energia de rotație maximă posibilă Emax = J wmax^2/2 = 0,25 pi*p R2^2 H V2max = 0,25 M Vmax^2

Energia pe unitatea de masă este: Emax/M = 0,25 Vmax^2

Energia specifica, daca volantul cilindric este din otel, va fi de aproximativ 10 kJ/kg. Un volant cu o greutate de 200 kg (cu dimensiuni liniare H = 0,2 m, R = 0,2 m) stocheaza energie Emax = 0,25 pi 8000 0,22 0,2 ​​2002 ~ 2 MJ ~ 0,556 kWh. Sarcina maxima asigurata de dispozitivul de stocare al volantului nu o face pe durata unei ore. depășește 560 W. Volanul poate dura 20 de ani sau mai mult. Avantaje: eliberarea rapidă a energiei stocate, posibilitatea de îmbunătățire semnificativă a performanței prin selectarea materialului și modificarea caracteristicilor geometrice ale volantului.

4. Conduceți sub forma unei baterii chimice (plumb-acid)

O baterie reîncărcabilă clasică, având o capacitate de 190 Ah la o tensiune de ieșire de 12 V și 50% descărcare, este capabilă să furnizeze un curent de aproximativ 10 A timp de 9 ore. Energia eliberată va fi 10 A 12 V 9 h = 1,08 kWh, sau aproximativ 3,9 MJ pe ciclu. Presupunând că masa bateriei este de 65 kg, avem o energie specifică de 60 kJ/kg. Sarcina maximă pe care o poate asigura bateria timp de o oră nu depășește 1080 wați. Perioada de garantie durata de viață a unei baterii de calitate este de 3 - 5 ani, în funcție de intensitatea utilizării. Este posibil să primiți direct energie electrică de la baterie cu un curent de ieșire de până la o mie de amperi la o tensiune de ieșire de 12 V, care îndeplinește standardul auto. Multe dispozitive sunt compatibile cu bateria, proiectate pentru o tensiune constantă de 12 V, sunt disponibile convertoare 12/220 V de diferite puteri de ieșire.

5. Acumulator tip pneumatic

Aerul pompat într-un rezervor de oțel cu un volum de 1 metru cub la o presiune de 40 de atmosfere funcționează în condiții de expansiune izotermă. Lucrul A efectuat de un gaz ideal în condițiile T=const se determină după formula:

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

Aici M este masa gazului, mu este masa a 1 mol din același gaz, R = 8,31 J / (mol K), T este temperatura calculată pe scara Kelvin absolută, V1 și V2 sunt volumul inițial și final ocupat de gaz (la acest V2 / V1 = 40 când se extinde la presiunea atmosferică în interiorul rezervorului). Pentru expansiunea izotermă este valabilă legea Boyle-Mariotte: P1V1 = P2 V2 . Să luăm T = 298 0K (250C) Pentru aer M / mu ~ 40: 0,0224 = 1785,6 moli de substanță, gazul funcționează A = 1785,6 8,31 298 ln 50 ~ 16 MJ ~ 4,45 kWh pe ciclu. Peretii rezervorului, proiectati pentru o presiune de 40-50 atmosfere, trebuie sa aiba o grosime de cel putin 5 mm, si de aceea masa motorului va fi de aproximativ 250 kg. Energia specifica stocata de acest acumulator pneumatic va fi de 64 kJ/kg. Puterea maximă furnizată de acţionarea pneumatică în timpul unei ore de funcţionare va fi de 4,5 kW. Durată de viață garantată ca majoritatea unităților bazate pe performanță munca mecanica părțile lor structurale, este de la 20 de ani. Avantajele acestui tip de rezervor: posibilitatea de amplasare a rezervorului în subteran; Rezervorul poate fi un cilindru de gaz standard folosind echipamentul adecvat, turbina eoliană este capabilă să transmită direct mișcarea către pompa compresorului. În plus, multe dispozitive folosesc direct energia acumulată a aerului comprimat în rezervor.

Iată parametrii tipurilor considerate de dispozitive de stocare a energiei din tabelul rezumativ:

Oamenii autonomi se întreabă adesea cum să colecteze, să stocheze și să utilizeze energia „în plus”. Există mai multe motive pentru apariția kW subcolectați - o cantitate excesivă de panouri solare, trepte de încărcare care nu folosesc sistemul la 100%, zile excesiv de însorite, absența proprietarilor de case etc.
Cel mai simplu mod sunt bateriile. În funcție de credințele religioase, acestea pot fi diferite: plumb-acid, alcalin, nichel-cadmiu, viață etc. Dar, în orice caz, partea bateriei a autonomiei este cea care reprezintă 50% (mai probabil 60%) din costă kWh Prin urmare, toate dansurile sunt în jurul lor, dragilor.
Undeva în secțiune s-a remarcat că calea de dezvoltare a tehnologiilor bateriilor nu s-a dezvoltat conform scenariului de care aveau nevoie alternativele - eficiență cu dimensiuni relativ mici. Cu toate acestea, într-o casă privată în care nu există rețele electrice, există adesea mult teren. Această idee provine dintr-un fapt simplu - mulți oameni doresc să evadeze din agitația orașului și adesea cumpără terenuri nu doar departe de orașe și peste o concentrație mare de oameni, ci și departe de civilizație ca atare, unde nu există comunicații și chiar electricitate. De aceea, de foarte multe ori, alternativele au un astfel de tip de resursă precum spațiul. Ce tehnologiile tradiționale ale bateriilor nu țin cont. Deci puteți căuta non-tradiționale. AndrewNS, a început câteva subiecte pe această problemă și astfel m-a determinat să mă gândesc la căutarea opțiunilor.
Există multe modalități super-alternative de a stoca energie alternativă în afara conturilor tradiționale.
Iar unul dintre ele, pe care m-am hotarat sa il prezint, este... un acumulator pneumatic!
Principiul este simplu - excesul de energie electrică în timpul zilei, cu ajutorul unui compresor, se transformă în aer comprimat. Apoi, la nevoie, îl eliberăm prin motorul pneumatic, care rotește generatorul care încarcă bateriile noaptea, în cazul SA, sau în calm, în cazul VG.
Arata cam asa:

Cred că principiul este clar pentru majoritatea camarazilor de arme.
Principiul este principiul, dar pe mine mă interesează în primul rând justificarea economică pentru acest tip de baterie. Mă întreb cât costă energia stocată în acest fel și dacă poate concura cu metodele tradiționale.
Pentru a face acest lucru, am efectuat un mic studiu, ce pentru ce în contextul pneumoacilor. Pentru comoditate și ușurință de percepție, toate prețurile vor fi în dolari și vom omite, de asemenea, câteva lucruri mici, cum ar fi fire, țevi etc. Cu toate acestea, am adus compresorul, motorul de aer și gena în calcule.
Asa de.
1. Cel mai important lucru este capacitatea. Aceasta este cea mai scumpă parte a acumulatorului pneumatic, dar și cea mai durabilă și fiabilă, cu ore, cicluri sau ani practic nelimitate. Pe internet am gasit un rezervor de gaz uzat de 16 mc. pentru aproximativ 2k $.
2. Compresor. Există multe opțiuni. De la autovehicule cu lubrifiere și răcire la semi-industriale, ca să spunem așa „pentru construcții”. Am ales un cap nou (avem capacitate), cu caracteristicile de care aveam nevoie - aproximativ 80 de dolari. Există o opțiune cu compresoare pentru MAZ-KAMAZ, este mai ieftină și mai fiabilă, dar nu asigură presiunea necesară (până la 16 atmosfere).
3. Motor pneumatic. Pe internet l-am gasit pregatit pentru 250W cu un debit de 6,67 l/s. Nu există preț pentru el, așa că vom opera cu prețuri pentru scule pneumatice. O mașină de găurit sau polizor nouă costă aproximativ 25 USD.
4. Generator. Cel mai real este un automobil dintr-o vază, să zicem. Nou 80 USD, folosit 35 USD. Număr aproximativ de ore de la 15k.
Scurtă descriere a sistemului specific. Compresorul are o capacitate de 300-400l/min, ceea ce îi permite să pompeze capacitatea în 10 ore. Motorul pneumatic consuma 6,67 l/s, sau 24 de metri cubi. în oră. O capacitate de 16 metri cubi, pompată până la 16 atm, va dura 10,7 ore. Adică avem 10,7 ore x 250W = 2,675 kW. Aceasta este aproximativ comparabilă cu o baterie de mașină de 225 Ah. Mai precis, cu un ciclu 100%. Excesul de electricitate, în sistemul meu, este de aproximativ 250 de zile pe an, deci avem 250 de cicluri pe an.
Costul unui autoaccus normal, minus fier vechi, este de aproximativ 200 USD. Dar poate funcționa maxim 250 de cicluri la descărcări de 100%.
Cu alte cuvinte, acest sistem generator de pneumo-stocare înlocuiește 1 baterie auto pe an. Sau 200 de dolari pe an.
Acum la acumulatorul nostru pneumatic.
1. Capacitate. Durată de viață de 50 de ani. De fapt, cu pictura obișnuită, 500 sau 5000 de ani, dar să luăm 50 și să nu numărăm vopseaua. Deci, 2000 USD (costul său) împărțiți la 50 primesc aproximativ 40 USD pe an.
2. Compresor. Vom lua durata de viață de 10.000 de ore-motor. În consecință, împărțim 10.000 la 250 de cicluri și la 10 ore (muncă în fiecare ciclu) obținem 4 ani. 80 USD împărțiți la 4, primim 20 USD pe an.
3. Motor pneumatic. Durata de viață a sculelor pneumatice ieftine din magazin nu poate fi evaluată în mod corect. Cu toate acestea, îl vom calcula pentru 10.000 de ore, având în vedere posibilitatea de cumpărare un instrument bun folosit pentru ieftin. În continuare 10000 / 250 de zile / 10 ore obținem aceiași 4 ani. 25 USD nu este divizibil cu patru, dar împărțim și obținem 6 USD pe an.
4. Gen. Resursa motorie este de aproximativ 20.000 de ore-moto (și nu trebuie să vă certați cu mine!). 20000 / 250 / 10 = 8 ani sau 10 USD pe an.

Total avem:
1. 40$
2. 20$
3. 6$
4. 10$
-
76 USD pe an.
Adică a avea un astfel de sistem pneumatic-acumulator-generator este de aproape 3 ori mai ieftin decât a cumpăra 1 autoacumulator pe an!
Și nu am adăugat încă o încărcare separată bateriei electrice, de care, fără îndoială, are nevoie.
Asta e.
Aceste calcule m-au surprins, ca să spunem ușor. Desigur, nu există eficiență - pompăm în 1,5 - 2 kW, obținem 200-250, dar, personal, asta mi se potrivește.
Puteți încerca să calculați puțin diferit: pneumo-acc generează noaptea direct la akiya și puteți estima aproximativ cât de mult va scădea adâncimea de descărcare și, în consecință, cât de mai rar este să schimbați accesul electric și, în consecință, care este eficiența economică a acestei întreprinderi.
Dacă sistemul este mărit de 2-10 ori, eficiența, în teorie, se va îmbunătăți și mai mult.
Se pare că este timpul să începem să experimentăm. Am aproape tot setul, cu excepția motorului pneumatic, dar ori îl voi cumpăra, grivne cu 50 (6 dolari) sau, ceea ce este mai scump, voi cere pe cineva pentru utilizare temporară.