В условиях глобального перехода к чистой энергии переменные возобновляемые источники, такие как солнечная энергия и ветер, открывают огромный потенциал, но также представляют собой серьезные проблемы. Их прерывистость,-вызванная погодой, дневными-ночными циклами и сезонными изменениями-часто приводит к сокращению (растраченной трате энергии) или нестабильности сети. Хранение энергии на сжатом воздухе (CAES) представляет собой зрелое, крупномасштабное-решение, которое преобразует излишки электроэнергии в сжатый воздух для хранения и высвобождает его по требованию для выработки электроэнергии, эффективно поглощая и используя энергию ветра и солнца, обеспечивая при этом стабильность и баланс сети.
CAES сохраняет электрическую энергию в виде механического потенциала за счет сжатия воздуха, что позволяет хранить ее от нескольких часов до недель с минимальными потерями. При необходимости сжатый воздух выпускается для привода турбин и выработки электроэнергии. Эта технология особенно хорошо-подходит для крупномасштабного-длительного-хранения энергии, превращая прерывистые возобновляемые источники энергии в управляемую и надежную электроэнергию, которая отвечает-круглосуточно-потребностям энергосистемы.
Базовые технологии и принципы
В основе CAES лежит термодинамика сжатия и расширения газа. Воздух нагревается при сжатии и охлаждается при расширении. Высокая эффективность зависит от эффективного управления теплом:
Обычный (диабатический) CAES: Теплота сжатия рассеивается через промежуточные охладители, а топливо (обычно природный газ) используется для подогрева воздуха перед расширением. КПД-обратного пути обычно составляет 40–55 %.
Усовершенствованный адиабатический CAES (AA-CAES): Тепло сжатия улавливается и сохраняется в системах хранения тепловой энергии (TES),-таких как уплотненные каменные пласты, расплавленная соль или термомасло-для повторного использования во время расширения. Эффективность достигает 70% и выше при отсутствии потребления ископаемого топлива.
Изотермический/около-изотермический CAES: Усовершенствованные теплообменники или водяные распылители поддерживают почти-постоянную температуру во время сжатия и расширения с теоретическим КПД 80–95 % в разрабатываемых системах.
Современные установки CAES работают при давлении 4–7 МПа (40–70 бар) и используют закон идеального газа для хранения энергии. В отличие от батарей, CAES превосходно работает в приложениях длительного-гигаваттного- масштаба с незначительной деградацией в течение десятилетий.
Ключевое оборудование и компоненты
Типичный объект CAES состоит из:
Компрессоры: Много-электрические турбокомпрессоры-, работающие от избыточной электроэнергии, которые создают давление в окружающем воздухе с помощью ступеней низкого- и высокого-давления с промежуточным охлаждением.
Хранение воздуха: подземные пещеры (соляные купола, истощенные газовые месторождения или водоносные горизонты) или надземные искусственные сосуды-высокой-плотности (например, массивы труб). Соляные пещеры популярны из-за своей непроницаемости и устойчивости к циклическому давлению-на глубинах 300–1500 метров.
Система терморегулирования(в усовершенствованных исполнениях): теплообменники и блоки TES, улавливающие и сохраняющие тепло сжатия.
Детандеры/турбины и генераторы: турбодетандеры высокого- и низкого-давления-, соединенные с генераторами. В обычных системах для подогрева используется камера сгорания; передовые адиабатические системы повторно используют тепло TES.
Вспомогательные системы: Регуляторы давления, двунаправленные двигатели/генераторы и оборудование для подключения к сети.
|
Нет. |
Название оборудования |
Основная функция |
Технические характеристики и принципы |
Сопутствующий рисунок Описание |
|
1 |
Компрессоры |
Зарядная-фазная электростанция: преобразует избыточную электроэнергию в потенциальную энергию сжатого-воздуха. |
Многоступенчатые электрические турбо-компрессоры (осевые или центробежные) с давлением 4–7 МПа (40–70 бар), оснащенные промежуточными охладителями и системами рекуперации тепла-; приводы с регулируемой-скоростью позволяют быстро реагировать на колебания возобновляемых источников энергии |
Полная компоновка системы с выделением компрессорной установки |
|
2 |
Системы хранения воздуха |
Длительное-хранение сжатого воздуха (от часов до недель) |
Подземные соляные пещеры (глубина 300–1500 м) или надземные-наземные трубчатые-резервуары высокой плотности; рассчитан на повторяющиеся циклические изменения давления с почти-нулевой утечкой |
Диаграмма в поперечном разрезе,-показывающая интерфейс управления подземной пещерой и наземной-термальной средой. |
|
3 |
Системы управления температурным режимом и хранения тепловой энергии (TES) |
Улавливайте, сохраняйте и повторно используйте тепло сжатия для обеспечения высокой-эффективности и работы без топлива-. |
Теплообменники (HX1/HX2) в сочетании с средой TES (керамический слой, расплавленная соль или термомасло), сохраняющие тепло до 600 градусов; Восстановление по замкнутому-контуру обеспечивает эффективность туда и обратно-превышения более 70 % |
Схема теплового потока-фазы зарядки-+схема полной интеграции системы |
|
4 |
Детандеры, турбины и генераторы |
Электростанция с разгрузочной-фазой: преобразует хранящийся сжатый воздух в электричество. |
Многоступенчатые турбодетандеры-турбо-(высокого- и низкого-давления), напрямую связанные с синхронными генераторами; полная нагрузка достигается менее чем за 10 минут с нулевыми выбросами при горении в усовершенствованной конструкции |
Реальная фотография-расширителя мира-установки генератора |
|
5 |
Вспомогательные системы |
Обеспечьте безопасную и эффективную работу предприятия и интеграцию в сеть. |
Клапаны регулирования давления-, двунаправленные двигатели-генераторы, мониторинг SCADA, распределительные устройства сети, градирни и обширные сети трубопроводов. |
Внутренний вид машинного зала с интегрированными трубопроводами и электрическими системами. |
Модульная конструкция CAES позволяет независимо оптимизировать возможности сжатия, хранения и расширения, обеспечивая эксплуатационную гибкость, не имеющую аналогов во многих других технологиях хранения.
Операционные процессы
CAES работает в два основных этапа:
Фаза зарядки (сжатия): В периоды высокой производительности возобновляемых источников энергии или низкого спроса избыток электроэнергии приводит в действие компрессоры. Воздух сжимается в несколько этапов (нагревается), охлаждается и закачивается в хранилище. В современных адиабатических системах отведенное тепло сохраняется в ТЭС.
Фаза разрядки (расширения/генерации): Когда пики спроса или возобновляемые источники энергии недостаточны, сжатый воздух выпускается, предварительно нагревается (с использованием тепла TES или дополнительного топлива), расширяется через турбины для привода генераторов и выбрасывается в виде более холодного воздуха. Система может достичь полной нагрузки менее чем за 10 минут, что делает ее идеальной для балансировки сети, регулирования частоты и резервирования вращения.
Установки могут работать ежедневно или сезонно с очень низким уровнем саморазряда-. К числу признанных примеров коммунальных предприятий- относятся электростанция Ханторф в Германии (321 МВт, работает с 1978 года) и электростанция Макинтош в США (110 МВт, с 1991 года).
Реальный-пример из мира: демонстрационный проект усовершенствованного накопителя энергии на сжатом воздухе мощностью 100 МВт
Флагманским примером успешной реализации проекта CAES является китайский национальный демонстрационный проект по усовершенствованному хранению энергии на сжатом воздухе мощностью 100 МВт, демонстрирующий зрелость технологии и потенциал ее крупномасштабного применения. Разработанная под руководством Института инженерной теплофизики Китайской академии наук, это первая в мире усовершенствованная станция CAES класса 100 МВт-и в настоящее время самая крупная и-эффективная усовершенствованная станция CAES, действующая в настоящее время.
Подробности конфигурации системы:
Емкость: Выходная мощность 100 МВт / накопление энергии 400 МВт.
Тип технологии: Усовершенствованный адиабатический CAES (AA-CAES), обеспечивающий сверхкритическое теплоаккумулирование, сверхкритический теплообмен, сжатие/расширение при высоких-нагрузках и полную системную интеграцию-, полностью устраняющую зависимость от ископаемого топлива.
Способ хранения: Резервуары для хранения искусственного воздуха высокой-плотности (конструкция с трубчатыми-решетками), повышающие плотность энергии и снижающие зависимость от больших подземных пещер.
Эффективность: эффективность туда и обратно-70,4 %.
Параметры производительности: Годовая выработка превышает 132 миллиона кВтч, что достаточно для удовлетворения пикового спроса на электроэнергию примерно 50 000 домохозяйств; экономит 42 000 тонн условного угля и снижает выбросы CO₂ примерно на 109 000 тонн в год.
Ключевое оборудование: много-ступенчатые компрессоры, турбодетандеры/генераторные установки, сверхкритическая система хранения тепла TES и резервуары для хранения-трубопроводных-систем высокого давления.
Расположение: Уезд Гуюань, город, провинция Хэбэй, на территории промышленного парка облачных вычислений Мяотань; занимает около 5,7 га. Проект был-подключен к сети в 2022 году и вступил в подготовку к коммерческой эксплуатации.
Этот проект демонстрирует нашу способность успешно реализовывать крупномасштабные-инициативы CAES за счет рекуперации тепла сжатия, оптимизации управления температурным режимом и использования модульной конструкции для преодоления традиционных ограничений в эффективности, зависимости от топлива и выбора места. Он обеспечивает ценную-инженерную проверку в реальном мире и масштабируемую модель глобальной интеграции возобновляемых источников энергии.
Как CAES способствует эффективному поглощению и использованию ветровой и солнечной энергии
Непостоянство ветровой и солнечной энергии часто приводит к избытку электроэнергии, которая не может быть полностью поглощена сетью. CAES служит «амортизатором» сети, непосредственно решая эту проблему:
Поглощение избыточной энергии: Во время сильного ветра или пиковой солнечной радиации избыточная энергия используется для сжатия и хранения воздуха под землей, предотвращая его сокращение.
Сглаживание выходного сигнала: CAES отделяет генерацию от потребления, высвобождая накопленную энергию в спокойные периоды или после захода солнца, чтобы обеспечить стабильную и предсказуемую электроэнергию.
Стабильность и интеграция сети: его быстрый отклик поддерживает регулирование частоты, контроль напряжения и услуги-запуска без отключения. Ветровые-солнечные-гибридные системы CAES создают электростанции с "виртуальной базовой нагрузкой", снижая зависимость от пиковых-ископаемых видов топлива.
Экономические и экологические преимущества: CAES значительно снижает затраты на хранение, повышает коэффициент использования возобновляемых источников энергии и сокращает выбросы углекислого газа (особенно в усовершенствованных адиабатических конфигурациях). Он особенно конкурентоспособен для крупномасштабной и долгосрочной-интеграции возобновляемых источников энергии.
Совместное-размещение CAES с ветряными электростанциями или солнечными станциями оптимизирует инфраструктуру передачи и открывает дополнительные доходы за счет энергетического арбитража, рынков мощности и вспомогательных услуг.
Взгляд в будущее: CAES как краеугольный камень электростанций, работающих на возобновляемых источниках энергии
С момента своего появления в 1970-х годах система CAES превратилась в гибкую технологию хранения данных длительного-длительного действия с потенциалом в гигаваттных-часах-масштабе. Усовершенствованные адиабатические и изотермические варианты полностью исключают использование ископаемого топлива, что идеально соответствует чистым-нулевым целям. Ее масштабируемость и географическая адаптируемость (при наличии подходящей геологии) позволяют преобразовывать периодические источники энергии ветра и солнца в надежную и ценную-электрическую энергию.
Успешные проекты, например, подтверждают, что технология CAES полностью готова к развертыванию-в коммерческом масштабе. Приняв CAES, сектор возобновляемой энергетики сможет преодолеть свою самую большую проблему, -изменчивость-ускорив переход к чистой энергетике и обеспечив экономическую устойчивость и энергетическую безопасность коммунальным предприятиям, отраслям промышленности и сообществам во всем мире. Текущие проекты в Китае и на международном уровне свидетельствуют о том, что интегрированные ветровые-солнечные-электростанции CAES – это уже не мечта, а нынешняя реальность,-поставляющая чистую, управляемую электроэнергию, когда и где бы она ни была необходима.
