Воздух, тепло и вода

Накопители на сжатом воздухе (Compressed Air Energy Storage, CAES) известны давно, но реально работающих систем пока мало. Попробуем взглянуть на некоторые инновации в этой области.

Эффективнее сжигать топливо

Первая система CAES была запущена на пиковой электростанции Хунторф в Эльсфлете (Германия) в 1978 году и действует до сих пор. Электростанция мощностью первоначально 290, а в настоящее время 321 МВт работает на природном газе. В часы низких нагрузок дешёвая избыточная энергия (раньше она вырабатывалась на АЭС, сейчас – на ВИЭ-станциях) питает компрессор, сжимающий воздух, а при пиковых нагрузках этот воздух подаётся в камеру сгорания газовой турбины, что позволяет втрое увеличить выработку электроэнергии (в простой газовой турбине на сжатие воздуха тратится около двух третей энергии сгорания топлива). Воздух закачивается в два подземных хранилища общим объёмом 310 000 м³; одно из них опустошается и вновь заполняется ежедневно; второе, резервное, задействуется на более продолжительных промежутках времени. Хранилища представляют собой 150-метровые (на глубине примерно от 650 до 800 м) шахты в толще соляных пластов; такое размещение позволяет поддерживать в течение всего года постоянную температуру и давление до 100 бар. В последние годы изучаются возможности эксплуатации хранилища при более высоком давлении и перевода газовой турбины с ископаемого топлива на водород, вырабатываемый ВИЭ-станциями.

Спустя 13 лет, в 1991 году, в городе Макинтоше в Алабаме заработала вторая коммерческая система CAES. Для сжатия воздуха, как и в первоначальном проекте в Хунторфе, используется избыточная энергия от соседней АЭС, хранилище находится в толще соляного пласта, а сжатый воздух поступает в газовую турбину. Предварительно он (поскольку температура газов при сжатии повышается, а при расширении снижается) подогревается за счёт отходящего тепла турбины, что позволяет дополнительно экономить порядка 25% топлива.

После проекта в Макинтоше в развитии CAES наступило длительное затишье и могло даже показаться, что с изменением индустриального ландшафта эти системы потеряли актуальность. Однако по крайней мере в Китае они строятся - так, в мае компания ZCGN объявила о вводе в эксплуатацию в Фейчэне (провинция Шаньдун) крупнейшей в мире CAES-системы мощностью 300 МВт и ёмкостью 1800 МВт·ч. Проект, по информации компании, обошёлся в 207,8 миллиона долларов. Воздух закачивается в соляную каверну объёмом 500 000 м³; её глубина достигает километра. Основные компоненты системы – это многоступенчатый компрессор с широкими возможностями регулирования нагрузки и мощный турбинный детандер. Система также включает высокоэффективный сверхкритический теплообменник и использует технологию сквозного управления. Предполагаемая годовая выработка электроэнергии на объекте составит 600 ТВт·ч, при этом будет экономиться около 189 000 тонн энергетического угля относительно стандартного его потребления, а атмосферные выбросы в пересчёте на углекислый газ сократятся примерно на 490 000 тонн в год. Общий КПД системы – 72%.

Компания сообщила, что её проект был на 30% дешевле, чем проект установки мощностью 100 МВт, построенной Институтом инженерной теплофизики Китайской академии наук и запущенной в 2022 году (к сожалению, о ней очень мало информации).

Взглянем теперь на некоторые перспективные инновации.

Солнечно-воздушный охладитель

Установки CAES, построенные в прошлом веке, – диабатические, в них тепловая энергия, выделяющаяся при сжатии воздуха, просто рассеивается (и в Макинтоше воздух приходится подогревать, чтобы компенсировать потерю). Новая китайская система – адиабатическая, здесь энергия собирается для последующего использования, и это важнейший фактор повышения КПД. Израильская компания Storage Drop в партнёрстве с университетом Технион и ещё четырьмя исследовательскими группами из Испании и Франции разрабатывает изотермический процесс, в котором теплообмен происходит непрерывно, так что температура сжимаемого воздуха не меняется. Этого позволит добиться гидравлический компрессор на основе водяного насоса, носящий фирменное название DropX (см. рис. 1).

Рис. 1. В гидравлическом компрессоре DropX компании Storage Drop
используется изотермический процесс (Источник: Storage Drop)

Компрессор – часть экологически чистой системы охлаждения, работающей от солнечных панелей и использующей в качестве теплоносителя только воду и CO₂; она также включает хранилище сжатого воздуха HyDrop и охладитель Cool Drop. Система в состоянии поддерживать температуру хладагента в диапазоне от –40 до +12 °C и предназначена для любых помещений, где требуется охлаждение/кондиционирование воздуха: многоквартирных жилых домов, офисных зданий, заводских цехов, центров обработки данных, промышленных холодильников и др. Компоненты системы независимы и могут использоваться по отдельности, но самые большие ожидания разработчики возлагают всё-таки на их комплекс.

Подводное хранилище

В 2011 году двое немецких физиков, профессор Хорст Шмидт-Бёкинг и доктор Герхард Лютер, подали заявку и в 2013-м получили патент на систему хранения электроэнергии в форме сжатого воздуха, размещаемую на дне моря. Изобретением сразу же (задолго до выдачи патента) заинтересовались в Институте экономики энергетики и технологий энергосистем Общества имени Фраунгофера (Fraunhofer IEE), в результате чего был запущен проект StEnSea (Stored Energy in the Sea – энергохранилище в море), к которому присоединился ряд промышленных партнёров. Концепцию протестировали сначала на компьютерной модели, а затем и на физической, в масштабе 1:10. Испытания, прошедшие на Боденском озере, были признаны успешными, и в настоящее время израильский стартап BaroMar реализует пилотный проект у побережья Кипра.

Рис. 2. Схема работы накопителя StEnSea

Рабочая система будет состоять из полых бетонных сферических модулей диаметром тридцать метров, установленных на морском дне (см. рис. 2). В полностью разряженном состоянии модуль целиком заполнен морской водой, в процессе зарядки компрессор нагнетает в него сверху воздух, который вытесняет воду; при этом давление воздуха остаётся одним и тем же (равным давлению окружающей воды) вне зависимости от его количества внутри модуля. При разрядке сжатый воздух из модуля подаётся на соединённую с электрогенератором турбину, и она вращается с постоянной скоростью. На глубине 750 м модуль сможет хранить около 20 МВт·ч энергии и при разрядке вырабатывать мощность приблизительно в 5 МВт. Систему предполагается использовать совместно с электростанциями, работающими от ВИЭ (в пилотном проекте это ветровой парк).

Противоположным образом действует система Augwind, о которой мы сообщали в прошлом году, – там воздух вытесняет воду, которая и подаётся в турбину. О других проектах накопителей, соединяющих воздух с водой, – в следующих статьях.