Хранение энергии сжатым воздухом - Compressed-air energy storage

Резервуар сжатого воздуха, используемый для запуска дизель-генераторной установки в парижском метро.

Хранение энергии сжатым воздухом (CAES) - это способ хранить энергию генерируется в одно время для использования в другое время с помощью сжатый воздух. В масштабе коммунального предприятия энергия, генерируемая в периоды низкого спроса на энергию (внепиковый период), может быть высвобождена для удовлетворения более высокого спроса (Пиковая нагрузка ) периоды.^[1] Первый масштабный проект CAES был построен в Huntorf и все еще работает.^[2] Завод Huntorf CAES изначально разрабатывался как балансировщик нагрузки для ископаемое топливо вырабатывает электричество имея в виду, глобальный сдвиг в сторону возобновляемых, но очень непостоянных источников энергии (например, фотогальваника, ветер ) привела к возобновлению интереса к системам CAES.^[3] Таким образом, системы CAES могут иметь жизненно важное значение для обеспечения того, чтобы Возобновляемая энергия может удовлетворить меняющийся спрос на электроэнергию.^[4] Одной из постоянных проблем в крупномасштабном проектировании CAES является управление тепловой энергией, поскольку сжатие воздуха приводит к нежелательному повышению температуры, которое не только снижает эффективность работы, но также может привести к повреждению. Основное различие между различными архитектурами CAES заключается в теплотехнике. С другой стороны, маломасштабные системы долгое время использовались в качестве двигателя шахтные локомотивы. По сравнению с традиционными батареями, системы CAES могут хранить энергию в течение более длительных периодов времени и требуют меньшего обслуживания.

Типы

Сжатие воздуха создает тепло; после сжатия воздух становится теплее. Расширение отводит тепло. Если не добавлять дополнительное тепло, после расширения воздух будет намного холоднее. Если тепло, образующееся во время сжатия, может быть сохранено и использовано во время расширения, эффективность хранения значительно улучшится.^[5] Система CAES может справиться с высокой температурой тремя способами. Хранение воздуха может быть адиабатический, диабатический, изотермический, или почти изотермический.

Адиабатический

Адиабатический накопитель продолжает удерживать тепло, выделяемое при сжатии, и возвращает его воздуху, поскольку оно расширяется для выработки энергии. Это предмет постоянного исследования, по состоянию на 2015 год заводов коммунального масштаба не было, но в рамках немецкого проекта ADELE планирует привезти демонстрационную установку (360МВтч емкость хранилища) в эксплуатацию в 2016 году.^[6] Теоретическая эффективность адиабатического хранения приближается к 100% с идеальной изоляцией, но на практике ожидается, что эффективность приема-передачи составит 70%.^[7] Тепло может храниться в твердом теле, таком как бетон или камень, или, что более вероятно, в жидкости, такой как горячее масло (до 300 ° C) или расплавленные солевые растворы (600 ° C).

Упакованные кровати были предложены в качестве аккумуляторов тепла для систем A-CAES. Изучение ^[8] численное моделирование адиабатической системы накопления энергии сжатым воздухом с использованием упакованная кровать накопитель тепловой энергии. Расчетный КПД смоделированной системы в непрерывном режиме составляет от 70,5% до 71%.

Диабатический

Диабатическое хранение рассеивает большую часть тепла сжатия с помощью интеркулеры (приближаясь к изотермическому сжатию) в атмосферу как отходы; по существу тратя впустую энергию, используемую для выполнения работы сжатия. При снятии с хранения температура этого сжатого воздуха составляет один индикатор количества запасенной энергии, которая остается в этом воздухе. Следовательно, если температура воздуха низкая для восстановление энергии процесс, воздух должен быть существенно повторно нагрет перед расширением в турбина привести в действие генератор. Этот повторный нагрев может быть выполнен с помощью горелки, работающей на природном газе, для полезность сорт хранения или с нагретой металлической массой. Поскольку восстановление часто наиболее необходимо, когда возобновляемые источники неактивны, топливо необходимо сжигать, чтобы восполнить потрачено высокая температура. Это снижает эффективность цикла восстановления-хранилища; и хотя этот подход относительно прост, сжигание топлива увеличивает стоимость рекуперированной электроэнергии и ставит под угрозу экологические преимущества, связанные с большинством Возобновляемая энергия источники. Тем не менее, это пока единственная система, которая была реализована на коммерческой основе.

Завод CAES в Макинтоше, штат Алабама, требует 2,5 МДж электроэнергии и 1,2 МДж. низкая теплотворная способность (LHV) газа на каждый МДж выходной энергии, что соответствует эффективности рекуперации энергии около 27%.^[9] А General Electric 7FA 2x1 комбинированный цикл установка, одна из наиболее эффективных действующих станций, работающих на природном газе, потребляет 1,85 МДж газа на 1 МДж произведенного газа,^[10] тепловой КПД 54%.

Изотермический

Подходы изотермического сжатия и расширения пытаются сохранить Рабочая Температура за счет постоянного теплообмена с окружающей средой. В поршневом компрессоре это может быть достигнуто за счет использования оребренного поршня. ^[11] и низкие скорости цикла.^[12] Текущие проблемы в эффективных теплообменники означают, что они подходят только для низких уровней мощности. Теоретическая эффективность изотермического накопления энергии приближается к 100% для идеальной передачи тепла в окружающую среду. На практике невозможно получить ни один из этих идеальных термодинамических циклов, поскольку неизбежны некоторые тепловые потери, приводящие к почти изотермическому процессу.

Почти изотермический

Почти изотермическое сжатие (и расширение) - это процесс, в котором газ сжимается в непосредственной близости от большой несжимаемой тепловой массы, такой как конструкция, поглощающая и высвобождающая тепло (HARS) или водяная струя.^[13] HARS обычно состоит из ряда параллельных плавников. Когда газ сжимается, теплота сжатия быстро передается тепловой массе, поэтому температура газа стабилизируется. Затем используется внешний охлаждающий контур для поддержания температуры тепловой массы. Изотермический КПД (Z)^[14] является мерой того, где процесс находится между адиабатическим и изотермическим процессом. Если КПД равен 0%, то он полностью адиабатический; с КПД 100% он полностью изотермический. Обычно при почти изотермическом процессе можно ожидать изотермической эффективности 90-95%.

Другой

Одна реализация изотермического CAES использует последовательно поршни высокого, среднего и низкого давления, при этом за каждой ступенью следует продувка воздухом. насос Вентури который втягивает окружающий воздух через теплообменник воздух-воздух (или воздух-морская вода) между каждой ступенью расширения. Ранний сжатый воздух торпеда конструкции использовали аналогичный подход, заменяя морскую воду воздухом. Вентури согревает выхлоп предыдущей ступени и подает предварительно нагретый воздух на следующую ступень. Этот подход получил широкое распространение в различных транспортных средствах с сжатым воздухом, таких как H. K. Porter, Inc. добыча локомотивы^[15] и трамваи.^[16] Здесь теплота сжатия эффективно сохраняется в атмосфере (или море) и возвращается позже.

Компрессоры и расширители

Сжатие можно производить с помощью электрического привода турбокомпрессоры и расширение с турбо-расширителями^[17] или же воздушные двигатели вождение электрические генераторы производить электричество.

Место хранения

Сосуды для хранения воздуха различаются по термодинамическим условиям хранения и используемой технологии:

1. Хранение постоянного объема (каверны, добытые раствором, надземные сосуды, водоносные горизонты, автомобильные приложения и т. Д.)
2. Хранение постоянного давления (подводные сосуды под давлением, гибридная гидроаккумулирующая система - хранилище сжатого воздуха)

Постоянный объем хранилища

Эта система хранения использует камеру с определенными границами для хранения большого количества воздуха. С термодинамической точки зрения это означает, что данная система представляет собой систему постоянного объема и переменного давления. Это вызывает некоторые эксплуатационные проблемы для компрессоров и турбин, работающих на них, поэтому колебания давления должны быть ниже определенного предела, как и напряжения, создаваемые в резервуарах для хранения.^[18]

Резервуар для хранения часто представляет собой пещеру, созданную добыча решений (соль растворяется в воде для экстракции)^[19] или используя заброшенная шахта; также изучалось использование пористых горных пород (горных пород с отверстиями, через которые может проходить жидкость или воздух), таких как те, в которых обнаружены резервуары природного газа.^[20]

В некоторых случаях наземный трубопровод также тестировался в качестве системы хранения, что дало хорошие результаты. Очевидно, что стоимость системы выше, но ее можно разместить там, где выберет проектировщик, в то время как подземная система требует определенных геологических образований (соляные купола, водоносные горизонты, истощенные газовые шахты и т. Д.).^[18]

Хранение постоянного давления

В этом случае в резервуаре-хранилище поддерживается постоянное давление, а газ содержится в резервуаре переменного объема. Было предложено много типов емкостей для хранения, но условия эксплуатации следуют тому же принципу: емкость для хранения находится на сотнях метров под водой, а гидростатическое давление водяного столба над емкостью для хранения позволяет поддерживать давление на желаемом уровне.

Эта конфигурация позволяет:

• Повысьте плотность энергии накопительной системы, потому что можно использовать весь содержащийся воздух (давление постоянное при всех условиях заряда, полное или пустое, давление одинаковое, поэтому турбина не имеет проблем с его использованием, в то время как с постоянным- системы объема через некоторое время давление опускается ниже безопасного предела, и систему необходимо остановить).
• Повышение эффективности турбомашины, которая будет работать при постоянных условиях на входе.
• Открывает возможность использования различных географических мест для размещения завода CAES (береговые линии, плавучие платформы и т. Д.).^[21]

С другой стороны, стоимость такой системы хранения выше из-за необходимости размещения емкости для хранения на дне выбранного водоема (часто моря или океана) и из-за стоимости самого судна.^[21]

Другой подход состоит в том, что вместо воды закапывают большой мешок под слоем песка в несколько метров.^[22]

Установки работают по суточному циклу, заряжаясь ночью и разряжаясь днем. Нагрев сжатого воздуха с использованием природного газа или геотермального тепла для увеличения количества извлекаемой энергии был изучен Тихоокеанская Северо-Западная национальная лаборатория.^[20]

Хранение энергии сжатым воздухом также может быть использовано в меньшем масштабе, например, в воздушные машины и с пневматическим приводом локомотивы, и может использовать высокопрочные углеродное волокно резервуары для хранения воздуха. Чтобы сохранить энергию, запасенную в сжатом воздухе, этот резервуар должен быть термически изолирован от окружающей среды; иначе накопленная энергия уйдет в виде тепла, так как сжатие воздуха повышает его температуру.

История

Передача инфекции

Энергетические системы на сжатом воздухе в городе строятся с 1870 года.^[23] Такие города, как Париж, Франция; Бирмингем, Англия; Дрезден, Риксдорф и Оффенбах, Германия и Буэнос-Айрес, Аргентина установили такие системы. Виктор Попп построили первые системы для питания часов, каждую минуту посылая импульс воздуха для смены стрелок. Они быстро эволюционировали и стали обеспечивать электроэнергией дома и промышленность.^[24] По состоянию на 1896 год в парижской системе было 2,2 МВт генерации, распределенной при 550 кПа по 50 км воздуховодов для двигателей в легкой и тяжелой промышленности. Использование измерялось кубическими метрами.^[23] В те дни системы были основным источником энергии, поставляемой в дом, а также приводили в действие машины дантисты, швеи, полиграфические услуги и пекарни.

Место хранения

• 1978 - Первый проект накопителя энергии на сжатом воздухе мощностью 290 мегаватт. Huntorf завод в Германии с использованием соляного купола.
• 1991 - В Макинтоше, штат Алабама, была построена установка мощностью 110 мегаватт мощностью 26 часов (1991). Стоимость объекта в Алабаме составляет 65 миллионов долларов, что составляет 590 долларов за киловатт генерирующей мощности и около 23 долларов за киловатт-час накопительной мощности при использовании 19 миллионов кубических футов. добытый раствор соляная пещера для хранения воздуха под давлением до 1100 фунтов на квадратный дюйм. Хотя эффективность фазы сжатия составляет приблизительно 82%, фаза расширения требует сжигания природного газа со скоростью, равной одной трети скорости газовой турбины, производящей такое же количество электроэнергии.^[25][26][27]
• Декабрь 2012 г. - General Compression завершает строительство почти изотермического проекта CAES мощностью 2 МВт в Гейнсе, штат Техас; третий в мире проект CAES. В проекте не используется топливо.^[28]

Проекты

• Завод Huntorf в Германии (290 МВт) диабетический. Энергия 580 МВтч, КПД 42%.^[29]
• Завод McIntosh в Алабаме, США (110 МВт) диабат. Энергия 2860 МВтч, КПД 54%.^[29]
• Ноябрь 2009 г. - Министерство энергетики США выделяет 24,9 миллиона долларов в виде дополнительных средств для первого этапа строительства 300 МВт, 356 миллионов долларов. Тихоокеанская газовая и электрическая компания установка, использующая соленую пористую породу, разрабатываемая недалеко от Бейкерсфилда в округе Керн, Калифорния. Цели проекта - создать и проверить передовой дизайн.^[30]
• Декабрь 2010 г. - Министерство энергетики США выделяет 29,4 млн долларов на проведение предварительных работ по проекту CAES мощностью 150 МВт, разрабатываемому компанией Ибердрола США в Уоткинс-Глен, Нью-Йорк. Цель состоит в том, чтобы включить технологию интеллектуальных сетей, чтобы сбалансировать прерывистые источники энергии.^[30][31]
• 2013 - Первый адиабатический Проект CAES, объект ADELE на 200 мегаватт, планировалось построить в Германии. Этот проект был отложен по нераскрытым причинам как минимум до 2016 года.^[32]
• 2017 (прогноз) - Storelectric Ltd планирует построить 40 МВт 100% возобновляемая энергия пилотная установка в Чешире, Великобритания, с емкостью хранения 800 МВтч. «Это будет в 20 раз больше, чем любое построенное до сих пор CAES на 100% возобновляемых источников энергии, что представляет собой скачок в индустрии хранения». согласно их сайту.^[33]
• 2020 (прогноз) - Apex запланировала строительство завода CAES для Округ Андерсон, Техас выйти в интернет в 2016 году.^[34] Этот проект отложен и не будет запущен до лета 2020 года.^[35]
• Ларн, Северная Ирландия - проект CAES мощностью 330 МВт по отработке двух каверн в соляном месторождении,^[36][37][38] при поддержке ЕС в размере 90 миллионов евро.^[39][40]
• В австрийском проекте RICAS 2020 (адиабатический), финансируемом Европейским союзом, используется щебень для хранения тепла от процесса сжатия с целью повышения эффективности. Ожидалось, что эффективность системы составит 70-80%.^[41]
• Канадская компания Hydrostor планирует построить четыре различных завода Advance CAES в Торонто, Годериче, Ангасе и Розамонде.^[42]

Термодинамика хранения

Чтобы добиться близкого термодинамический обратимый процесс так что большая часть энергии сохраняется в системе и может быть восстановлена, а потери остаются незначительными, что почти обратимо изотермический процесс или изэнтропический процесс желательно.^[5]

Изотермическое хранение

В изотермический В процессе сжатия газ в системе поддерживается при постоянной температуре. Это обязательно требует теплообмена с газом, в противном случае температура будет расти во время зарядки и падать во время разряда. Этот теплообмен может быть достигнут с помощью теплообменников (промежуточного охлаждения) между последующими ступенями компрессора, регулятора и резервуара. Чтобы избежать потерь энергии, промежуточные охладители должны быть оптимизированы для теплопередача и низкий перепад давления. Компрессоры меньшего размера могут приблизиться к изотермическому сжатию даже без промежуточного охлаждения из-за относительно высокого отношения площади поверхности к объему камеры сжатия и, как следствие, улучшения теплоотвода от самого корпуса компрессора.

Когда достигается идеальное изотермическое хранение (и разряд), этот процесс называется «обратимым». Для этого требуется, чтобы теплообмен между окружающей средой и газом происходил при бесконечно малой разнице температур. В этом случае нет эксергия потери в процессе теплопередачи, и поэтому работа сжатия может быть полностью восстановлена ​​как работа расширения: 100% эффективность хранения. Однако на практике всегда существует разница температур в любом процессе теплопередачи, и поэтому практически все накопители энергии имеют КПД ниже 100%.

Чтобы оценить работу сжатия / расширения в изотермическом процессе, можно предположить, что сжатый воздух подчиняется закон идеального газа:

${\displaystyle pV=nRT={\text{constant}}.}$

Из процесса из начального состояния А до конечного состояния B, с абсолютная температура ${\displaystyle T=T_{A}=T_{B}}$ постоянным, считается, что работа, необходимая для сжатия (отрицательная) или проделанная расширением (положительная), равна

${\displaystyle {\begin{aligned}W_{A\to B}&=\int _{V_{A}}^{V_{B}}p\,dV=\int _{V_{A}}^{V_{B}}{\frac {nRT}{V}}dV=nRT\int _{V_{A}}^{V_{B}}{\frac {1}{V}}dV\\&=nRT(\ln {V_{B}}-\ln {V_{A}})=nRT\ln {\frac {V_{B}}{V_{A}}}=p_{A}V_{A}\ln {\frac {p_{A}}{p_{B}}}=p_{B}V_{B}\ln {\frac {p_{A}}{p_{B}}},\\\end{aligned}}}$

куда ${\displaystyle pV=p_{A}V_{A}=p_{B}V_{B}}$, и так ${\displaystyle {\frac {V_{B}}{V_{A}}}={\frac {p_{A}}{p_{B}}}}$.

Здесь ${\displaystyle p}$ абсолютный давление, ${\displaystyle V_{A}}$ это (неизвестно) объем сжатого газа, ${\displaystyle V_{B}}$ объем сосуда, ${\displaystyle n}$ это количество вещества газа (моль) и ${\displaystyle R}$ это постоянная идеального газа.

Если за пределами емкости постоянное давление, равное начальному давлению ${\displaystyle p_{A}}$, положительная работа внешнего давления снижает полезную энергию (отрицательное значение). Это добавляет член в уравнение выше:

${\displaystyle W_{A\to B}=p_{A}V_{A}\ln {\frac {p_{A}}{p_{B}}}+(V_{A}-V_{B})p_{A}=p_{B}V_{B}\ln {\frac {p_{A}}{p_{B}}}+(p_{B}-p_{A})V_{B}.}$

Пример

Сколько энергии может храниться в 1 м³ резервуар для хранения при давлении 70 бар (7,0 МПа), если давление окружающей среды составляет 1 бар (0,10 МПа). В этом случае процесс работы

${\displaystyle W=p_{B}V_{B}\ln {\frac {p_{A}}{p_{B}}}+(p_{B}-p_{A})V_{B}}$ =

= 7,0 МПа × 1 м³ × ln (0,1 МПа / 7,0 МПа) + (7,0 МПа - 0,1 МПа) × 1 м³ = −22,8 МДж (эквивалентно 6,33 кВтч).

Знак минус означает, что на газе работают окружающие. Необратимость процесса (например, при передаче тепла) приведет к тому, что в процессе расширения будет рекуперировано меньше энергии, чем требуется для процесса сжатия. Если окружающая среда имеет постоянную температуру, например, тепловое сопротивление в промежуточных охладителях будет означать, что сжатие происходит при температуре несколько выше, чем температура окружающей среды, а расширение будет происходить при температуре несколько ниже, чем температура окружающей среды. Таким образом, невозможно создать идеальную изотермическую систему хранения.

Адиабатическое (изэнтропическое) хранение

An адиабатический процесс Это тот, где нет передачи тепла между жидкостью и окружающей средой: система изолирована от передачи тепла. Если процесс, кроме того, является внутренне обратимым (плавным, медленным и без трения, до идеального предела), то он дополнительно будет изэнтропический.

Адиабатическая система хранения устраняет промежуточное охлаждение во время процесса сжатия и просто позволяет газу нагреваться во время сжатия, а также охлаждаться во время расширения. Это привлекательно, поскольку исключаются потери энергии, связанные с передачей тепла, но недостатком является то, что емкость для хранения должна быть изолирована от потерь тепла. Следует также отметить, что настоящие компрессоры и турбины не изоэнтропичны, а вместо этого имеют изоэнтропическая эффективность около 85%, в результате чего эффективность хранения в оба конца для адиабатических систем также значительно ниже идеальной.

Термодинамика большой системы хранения

В системах накопления энергии часто используются большие пещеры. Это предпочтительная конструкция системы из-за очень большого объема и, следовательно, большого количества энергии, которое может быть сохранено только при небольшом изменении давления. Пространство каверны можно легко изолировать, адиабатически сжать с небольшим изменением температуры (приближение к обратимой изотермической системе) и потерями тепла (приближение к изэнтропической системе). Это преимущество является дополнением к низкой стоимости строительства системы хранения газа с использованием подземных стен для сдерживания давления.

Недавно были разработаны подводные изолированные надувные подушки безопасности с термодинамическими свойствами, аналогичными свойствам хранилищ в больших пещерах.^[43]

Приложения для транспортных средств

Основная статья: Пневматические автомобили

Практические ограничения при транспортировке

Чтобы использовать аккумуляторы воздуха в транспортных средствах или самолетах для практических наземных или воздушных перевозок, система аккумулирования энергии должна быть компактной и легкой. Плотность энергии и удельная энергия - технические термины, определяющие эти желаемые качества.

Удельная энергия, удельная энергия и эффективность

Как объяснялось в разделе термодинамики хранения газа выше, сжатие воздуха нагревает его, а расширение охлаждает. Поэтому практические воздушные двигатели требуют теплообменников, чтобы избежать чрезмерно высоких или низких температур и даже в этом случае не достичь идеальных постоянных температурных условий или идеальной теплоизоляции.

Тем не менее, как указано выше, полезно описать максимальную сохраняемую энергию, используя изотермический случай, который составляет около 100 кДж / м³ [ln (п_А/п_B)].

Таким образом, если 1,0 м³ Воздуха из атмосферы очень медленно сжимается в 5-литровую бутылку при 20 МПа (200 бар), запасенная потенциальная энергия составляет 530 кДж. Высокоэффективный пневмодвигатель может преобразовать это в кинетическую энергию, если он работает очень медленно и способен расширять воздух от начального давления 20 МПа до 100 кПа (баллон полностью «пустой» при атмосферном давлении). Достижение высокого КПД является технической проблемой как из-за потерь тепла в окружающую среду, так и из-за неизвлекаемого внутреннего тепла газа.^[44] Если опорожнить вышеуказанный баллон до 1 МПа, извлекаемая энергия на валу двигателя составит около 300 кДж.

Стандартная стальная бутылка объемом 5 л на 20 МПа имеет массу 7,5 кг, улучшенная - 5 кг. Волокна с высокой прочностью на разрыв, такие как углеродное волокно или же Кевлар может весить менее 2 кг в этом размере в соответствии с законодательными нормами безопасности. Один кубический метр воздуха при 20 ° C имеет массу 1,204 кг при стандартная температура и давление.^[45] Таким образом, теоретический удельная энергия составляет примерно от 70 кДж / кг на валу двигателя для простой стальной бутылки до 180 кДж / кг для усовершенствованной бутылки с волоконной намоткой, тогда как практично достижимый удельная энергия для тех же контейнеров будет от 40 до 100 кДж / кг.

Безопасность

Как и в случае с большинством технологий, сжатый воздух имеет проблемы с безопасностью, в основном это катастрофический разрыв резервуара. Правила техники безопасности делают это редким явлением за счет большего веса и дополнительных функций безопасности, таких как предохранительные клапаны. Правила могут ограничивать допустимое рабочее давление до менее 40% от давления разрыва для стальных баллонов (коэффициент безопасности 2,5) и менее 20% для бутылок с волоконной намоткой (коэффициент безопасности из 5). Коммерческие образцы принимают ISO 11439 стандарт.^[46] Баллоны высокого давления достаточно прочные, поэтому они, как правило, не разрываются при авариях.

Сравнение с батареями

Усовершенствованные бутылки, армированные волокном, сопоставимы с перезаряжаемый свинцово-кислотная батарея по плотности энергии. Батареи обеспечивают почти постоянное напряжение на всем уровне заряда, тогда как давление сильно меняется при использовании сосуда высокого давления от полного до пустого. Технически сложно спроектировать воздушные двигатели, чтобы поддерживать высокий КПД и достаточную мощность в широком диапазоне давлений. Сжатый воздух может передавать мощность с очень высокой скоростью потока, что соответствует основным требованиям по ускорению и замедлению транспортных систем, особенно для гибридные автомобили.

Системы сжатого воздуха имеют преимущества перед обычными батареями, включая более длительный срок службы сосуды под давлением и более низкая токсичность материала. Новые конструкции батарей, например, на основе Литий-фосфат железа химия не страдает ни одной из этих проблем. Затраты на сжатый воздух потенциально ниже; однако усовершенствованные сосуды под давлением требуют больших затрат на разработку и испытания на безопасность, и в настоящее время они более дороги, чем батареи, производимые серийно.

Как и в случае с технологией аккумулирования электроэнергии, сжатый воздух настолько же «чистый», насколько и источник энергии, который он хранит. Оценка жизненного цикла рассматривает вопрос об общих выбросах от данной технологии хранения энергии в сочетании с данным сочетанием генерации в энергосистеме.

Двигатель

Основная статья: Пневматический мотор

Пневматический двигатель или двигатель на сжатом воздухе использует расширение сжатого воздуха для привода поршней двигателя, поворота ось, или проехать турбина.

Следующие методы могут повысить эффективность:

• Турбодетандер непрерывного действия с высоким КПД
• Несколько этапов расширения
• Использование отработанного тепла, особенно в гибридных Тепловой двигатель дизайн
• Использование тепла окружающей среды

В высокоэффективной компоновке последовательно используются поршни высокого, среднего и низкого давления, за каждой ступенью следует трубка Вентури с воздушным потоком, которая втягивает окружающий воздух по воздуховоду. теплообменник. Это нагревает выхлоп на предыдущей ступени и пропускает предварительно нагретый воздух на следующую ступень. Единственный выхлопной газ каждой ступени - это холодный воздух, который может иметь температуру до –15 ° C (5 ° F); холодный воздух можно использовать для кондиционер в машине.^[16]

Дополнительное тепло можно получить за счет сжигания топлива, как в 1904 году для торпед Уайтхеда.^[47] Это увеличивает диапазон и скорость, доступные для данного объема бака, за счет дополнительного топлива.

Легковые автомобили

Основные статьи: Пневматический автомобиль и Пневматическая машина

Примерно с 1990 года несколько компаний утверждали, что разрабатывают автомобили, работающие на сжатом воздухе, но ни одна из них не доступна. Как правило, основными заявленными преимуществами являются: отсутствие загрязнения дороги, низкая стоимость, использование растительного масла для смазка, и интегрированное кондиционирование воздуха.

Время, необходимое для наполнения израсходованного бака, важно для транспортных средств. «Объемный перенос» почти мгновенно перемещает предварительно сжатый воздух из стационарного бака в бак транспортного средства. В качестве альтернативы стационарный или бортовой компрессор может сжимать воздух по запросу, возможно, на несколько часов.

Корабли

Большой судовые дизельные двигатели запускаются с использованием сжатого воздуха, обычно от 20 до 30 бар, и хранятся в двух или более больших баллонах, воздействуя непосредственно на поршни через специальные пусковые клапаны, чтобы повернуть коленчатый вал до начала впрыска топлива. Эта конструкция более компактна и дешевле, чем электрический стартер в таких масштабах, и способна обеспечить необходимый импульс чрезвычайно высокой мощности без чрезмерной нагрузки на электрические генераторы и распределительную систему корабля. Сжатый воздух также обычно используется при более низком давлении для управления двигателем и действует как сила пружины, действующая на выпускные клапаны цилиндров, а также для управления другими вспомогательными системами и электроинструментами на борту, иногда включая пневматические. ПИД-регуляторы. Одним из преимуществ этого подхода является то, что в случае отключения электроэнергии судовые системы, работающие на накопленном сжатом воздухе, могут продолжать работать без перебоев, а генераторы могут быть перезапущены без подачи электроэнергии. Во-вторых, пневматические инструменты можно использовать во влажных средах без риска поражения электрическим током.

Гибридные автомобили

Основная статья: Гидравлический гибридный автомобиль

Хотя система хранения воздуха предлагает относительно низкую удельную мощность и дальность действия транспортного средства, ее высокий КПД привлекателен для гибридных транспортных средств, в которых в качестве основного источника энергии используется обычный двигатель внутреннего сгорания. Хранение воздуха можно использовать для рекуперативное торможение и для оптимизации цикла поршневого двигателя, который не является одинаково эффективным на всех уровнях мощности / оборотов.

Bosch и PSA Peugeot Citroën разработали гибридную систему, которая использует гидравлику как способ передачи энергии в резервуар со сжатым азотом и из него. Заявлено снижение расхода топлива до 45%, что соответствует 2,9 л / 100 км (81 миль на галлон, 69 г CO2 / км) на Новый европейский ездовой цикл (NEDC) для компактной рамы, например Peugeot 208. Утверждается, что система намного более доступна, чем конкурирующие электрические и маховиковые. KERS систем и ожидается на дорожных автомобилях к 2016 году.^[48]

История

Пневматические двигатели использовались с 19 века для питания мой локомотивы, насосы, буровые установки и трамваи, через централизованное, городское, распределение. Гоночные машины использовать сжатый воздух, чтобы запустить их двигатель внутреннего сгорания (ICE) и большой Дизельные двигатели может иметь начало пневматические двигатели.

Пневматический локомотив от H. K. Porter, Inc., используется в Шахта Хоумстейк между 1928 и 1961 гг.

Типы систем

Гибридные системы

Цикл Брайтона двигатели сжимают и нагревают воздух топливом, подходящим для двигатель внутреннего сгорания. Например, природный газ или биогаз нагревают сжатый воздух, а затем обычный газовая турбина двигатель или задняя часть реактивный двигатель расширяет его, чтобы производить работу.

Пневматические двигатели может перезарядить электрическая батарея. Очевидно несуществующий Энергия продвигала свою систему Pne-PHEV или пневматический подключаемый гибридный электромобиль.^{[нужна цитата ][49]}

Существующие гибридные системы

Хунторфа, Германия в 1978 г., и МакИнтош, Алабама США в 1991 году ввели в эксплуатацию гибридные электростанции.^[17][50] Обе системы используют внепиковую энергию для сжатия воздуха и сжигают природный газ в сжатом воздухе на этапе выработки электроэнергии.

Будущие гибридные системы

Энергетический парк штата Айова (ISEP) будет использовать водоносный горизонт хранилище, а не хранилище в пещере. Вытеснение воды в водоносном горизонте приводит к регулированию давления воздуха за счет постоянного гидростатического давления воды. Представитель ISEP утверждает: «Вы можете оптимизировать свое оборудование для повышения эффективности, если на вас постоянно действует давление».^[50] Выходная мощность систем McIntosh и Iowa находится в диапазоне 2–300 МВт.

Дополнительные объекты находятся в стадии разработки в Нортон, Огайо. FirstEnergy, электрическая компания Акрон, штат Огайо, получила права на разработку проекта Norton мощностью 2700 МВт в ноябре 2009 года.^[51]

В рамках проекта RICAS2020 делается попытка использовать заброшенную шахту для адиабатического CAES с рекуперацией тепла. Теплота сжатия сохраняется в секции туннеля, заполненной рыхлыми камнями, поэтому сжатый воздух почти холодный на входе в основную камеру хранения давления. Холодный сжатый воздух восстанавливает тепло, накопленное в камнях, при выходе обратно через поверхностную турбину, что приводит к повышению общей эффективности.^[52][53] Двухэтапный процесс имеет теоретически более высокую эффективность около 70%.^[54]

Озеро или океанское хранилище

Глубокая вода в озерах и океане может обеспечивать давление без необходимости использования сосудов высокого давления или бурения соляных пещер или водоносных горизонтов.^[55] Воздух поступает в недорогие гибкие контейнеры, такие как полиэтиленовые пакеты, под глубокими озерами или у берегов моря с крутыми обрывами. Препятствия включают ограниченное количество подходящих мест и необходимость трубопроводов высокого давления между поверхностью и контейнерами. Поскольку контейнеры будут очень недорогими, необходимость в большом давлении (и большой глубине) может быть не столь важной. Ключевым преимуществом систем, построенных на этой концепции, является то, что давления заряда и разряда являются постоянной функцией глубины. Карно Таким образом можно снизить неэффективность электростанции. Эффективность Карно можно повысить за счет использования нескольких стадий зарядки и разрядки и использования недорогих источников тепла и стоков, таких как холодная вода из рек или горячая вода из солнечные пруды. В идеале система должна быть очень умной - например, охлаждать воздух перед откачкой в ​​летние дни. Он должен быть спроектирован таким образом, чтобы избежать неэффективности, такой как бесполезные изменения давления, вызванные недостаточным диаметром трубопровода.^[56]

Рано изобарический Решение возможно, если сжатый газ используется для привода гидроэлектрической системы. Однако это решение требует больших резервуаров высокого давления, расположенных на суше (а также подводных подушек безопасности). Кроме того, предпочтительным флюидом является газообразный водород, поскольку другие газы испытывают значительное гидростатическое давление даже на относительно небольших глубинах (например, 500 метров).

E.ON, одна из ведущих энергетических и газовых компаний Европы, предоставила 1,4 миллиона евро (1,1 миллиона фунтов стерлингов) на разработку подводных мешков для хранения воздуха.^[57][58] Компания Hydrostor в Канаде разрабатывает коммерческую систему подводных «аккумуляторов» для хранения энергии сжатым воздухом, начиная с мощности от 1 до 4 МВт.^[59]

В Северной Ирландии есть план по хранению энергии сжатого воздуха в подводных пещерах.^[60]

Почти изотермический

Схематические изображения почти изотермического компрессора и детандера. Вид слева с полностью втянутым поршнем, вид справа с полностью вставленным поршнем.

Разрабатывается ряд методов почти изотермического сжатия. В Fluid Mechanics есть система с теплоотводящей структурой (HARS), прикрепленной к возвратно-поступательному поршню.^[61] Light Sail впрыскивает струю воды в возвратно-поступательный цилиндр.^{[нужна цитата ]} SustainX использует смесь воздушно-водяной пены внутри полуавтоматического компрессора / детандера со скоростью 120 об / мин.^[62] Все эти системы обеспечивают сжатие воздуха с высокой температуропроводность по сравнению со скоростью сжатия. Обычно эти компрессоры могут работать со скоростью до 1000 об / мин. Для обеспечения высокой температуропроводности среднее расстояние между молекулой газа и теплопоглощающей поверхностью составляет около 0,5 мм. Эти почти изотермические компрессоры также могут использоваться как почти изотермические расширители и разрабатываются для повышения эффективности CAES в оба конца.

Смотрите также

• Энергетический портал

• Автомобиль на альтернативном топливе
• Беспожарный локомотив
• Хранение энергии в сети
• Гидроаккумулятор
• Список проектов накопителей энергии
• Пневматика
• Автомобиль с нулевым уровнем выбросов
• Криогенный накопитель энергии

Рекомендации

1. Уайлд, Мэтью, Л. Ветряные двигатели все больше используют батареи, Нью-Йорк Таймс, 28 июля 2010 г., стр. B1.
2. Кротогино, Фриц, Клаус-Уве Мохмейер и Роланд Шарф. «Huntorf CAES: более 20 лет успешной работы». Весенняя встреча SMRI. Vol. 2001. 2001.
3. Лунд, Хенрик; Салги, Жорж (1 мая 2009 г.). «Роль сжатого воздуха для хранения энергии (CAES) в будущих устойчивых энергетических системах». Преобразование энергии и управление. 50 (5): 1172–1179. Дои:10.1016 / j.enconman.2009.01.032. ISSN  0196-8904.
4. Лунд, Хенрик. Роль сжатого воздуха для хранения энергии (CAES) в будущих устойчивых энергетических системах. Преобразование энергии и управление.
5. Гис, Эрика. Глобальная чистая энергия: решение для хранения витает в воздухе, International Herald Tribune, 1 октября 2012 г. Получено с веб-сайта NYTimes.com, 19 марта 2013 г.
6. «ADELE - Адиабатический аккумулятор сжатого воздуха (CAES) для электроснабжения». Получено 29 декабря, 2015.
7. "Информация о немецком проекте AACAES" (PDF). Получено 22 февраля, 2008.
8. Барбур, Эдвард. Адиабатический накопитель сжатого воздуха с накопителем тепловой энергии в уплотненном слое. Прикладная энергия
9. "EPRI | Реферат о продукте". My.epri.com. Архивировано из оригинал 16 октября 2012 г.. Получено 11 мая, 2014.
10. «Архивная копия» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) 11 апреля 2008 г.. Получено 2008-01-04.
11. Хейдари, Махбод; Мортазави, Мехди; Руфер, Альфред (1 декабря 2017 г.). «Разработка, моделирование и экспериментальная проверка нового поршневого компрессора с оребрением для изотермических аккумуляторов энергии сжатого воздуха». Энергия. 140: 1252–1266. Дои:10.1016 / j.energy.2017.09.031. ISSN  0360-5442.
12. Мохаммади-Амин, Мейсам; Джахангири, Али Реза; Бустанчи, Мохсен (2020). «Термодинамическое моделирование, CFD-анализ и параметрическое исследование почти изотермического поршневого компрессора». Тепловая наука и инженерный прогресс. 19: 100624. Дои:10.1016 / j.tsep.2020.100624.
13. Гуаньвэй, Цзя; Вэйцин, Сюй; Маолин, Цай; Ян, Ши (1 сентября 2018 г.). «Квазиизотермическое сжатие с водяным охлаждением до микронного размера для хранения энергии сжатого воздуха». Экспериментальная термическая и жидкостная наука. 96: 470–481. Дои:10.1016 / j.expthermflusci.2018.03.032. ISSN  0894-1777.
14. «Расчет изотермической эффективности» (PDF). www.fluidmechanics.co.uk. 2015.
15. Дуглас Селф. «Пневматическая двигательная установка». Получено 11 мая, 2014.
16. «Трехступенчатая силовая установка с промежуточным подогревом». Архивировано из оригинал 31 октября 2015 г.. Получено 11 мая, 2014.
17. «Программа распределенной энергетики: хранение энергии на сжатом воздухе». Министерство энергетики США. Получено 27 августа, 2006.
18. «Хранение энергии сжатым воздухом: теория, ресурсы и применение в ветроэнергетике» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) 19 января 2012 г.. Получено 6 июня, 2015.
19. http://www.answers.com/topic/solution-mining?cat=technology  ; «Архивная копия». Архивировано из оригинал 17 октября 2007 г.. Получено 26 октября, 2007.
20. «Хранение энергии сжатым воздухом». Тихоокеанская Северо-Западная национальная лаборатория. апрель 2013. Получено 20 мая, 2013.
21. «Океанское хранилище энергии сжатого воздуха (OCAES), интегрированное с морскими возобновляемыми источниками энергии» (PDF). Получено 6 июня, 2015.
22. "Данск проект виль лагре виндэнерги под 25 м песком". Ingeniøren. 25 сентября 2009 г.
23. Энциклопедия Чемберса: Словарь универсальных знаний. W. & R. Chambers, LTD. 1896. С.252 –253. Получено 7 января, 2009.
24. Technische Mislukkingen, Автор: Лекс Вельдхоэн и Ян ван ден Энде, 1995/2013
25. Хранение сжатого воздуха (CAES) (PDF), Dresser-Rand Corporation, 2010, форма брошюры № 85230, архивировано с оригинал (PDF) 7 сентября 2012 г.
26. Уолд, Мэтью (29 сентября 1991 г.), «Использование сжатого воздуха для накопления электроэнергии», Нью-Йорк Таймс
27. CAES: Электростанция Макинтоша, Энергетический кооператив PowerSouth, 2010 г., архивировано с оригинал 18 октября 2011 г., получено 15 апреля, 2012
28. General Compression, Inc. "Чем мы занимаемся - Texas Dispatachable [sic] Wind 1, LLC". Архивировано из оригинал 23 мая 2013 г.. Получено 2 марта, 2013.
29. IRENA (2017). "Хранение электроэнергии и возобновляемые источники энергии: затраты и рынки до 2030 года ", стр. 55. Международное агентство по возобновляемой энергии, Абу Даби.
30. Демонстрации ARRA по хранению энергии (PDF), Сандианские национальные лаборатории, получено 13 апреля, 2012
31. NYSEG рассматривает возможность хранения энергии на сжатом воздухе, Публикация обзоров энергетики, заархивировано оригинал 29 июля 2018 г., получено 13 апреля, 2012
32. «Пилотный проект Adele CAES: место выбрано, но проект отложен: консорциум под руководством RWE / GE, разрабатывающий адиабатическую форму хранения энергии сжатого воздуха, должен создать свой испытательный завод промышленного масштаба в Штассфурте. Этап испытаний, первоначально намеченный на 2073 год, еще не наступил. Теперь ожидается, что начнется до 2016 г. ". Современные энергосистемы. Архивировано из оригинал 9 марта 2016 г.
33. Сайт Storelectric
34. Центр энергетики округа Андерсон, получено 15 июля, 2012
35. "Проект". APEX CAES. 8 октября 2013 г.. Получено 6 июля, 2017.
36. «Планировка и экология». проект-кесларна. Архивировано из оригинал 22 февраля 2017 г.. Получено 21 февраля, 2017.
37. «Европа инвестирует 470 млн долларов в энергетическую инфраструктуру». PEI. 17 февраля 2017 г.. Получено 21 февраля, 2017.
38. Изображения Ларна: Местная карта В архиве 22 февраля 2017 г. Wayback Machine Схема работы Пробное бурение
39. «ЕС инвестирует 444 миллиона евро в ключевую энергетическую инфраструктуру». Европейская комиссия. 17 февраля 2017 г.. Получено 26 февраля, 2017.
40. Проекты общего интереса (PCI) стр. 5
41. Ли, Лиза-Энн (29 марта 2017 г.). «Создание накопителя возобновляемой энергии из горячего воздуха». newatlas.com. Получено 11 апреля, 2017.
42. "Toronto A-CAES Facility - Hydrostor". Получено 6 сентября, 2020.
43. Подводные энергетические мешки для тестирования в 2011 году (сайт Cleantechnica). См. Разделы ниже.
44. Тепловые потери практических систем объясняются в # Термодинамика аккумулирования тепла раздел.
45. Воздух - плотность и удельный вес, The Engineering Toolbox
46. «Газовые баллоны - баллоны высокого давления для бортового хранения природного газа в качестве топлива для автомобильной техники». Iso.org. 27 мая 2013 г.. Получено 11 мая, 2014.
47. "История первых дней торпеды". Archive.is. 18 сентября 1999 г. Архивировано с оригинал 30 мая 2012 г.. Получено 2014-05-11.
48. «PSA Peugeot Citroën и Bosch разрабатывают гидравлическую гибридную трансмиссию для легковых автомобилей; снижение расхода топлива на 30% в NEDC, до 45% в городах; применение в сегменте B в 2016 году». Конгресс зеленых автомобилей. 22 января 2013 г.. Получено 11 мая, 2014.
49. «Схема PHEV-системы Energine». Energine.com. Архивировано из оригинал 13 мая 2014 г.. Получено 11 мая, 2014.
50. Пендик, Дэниел (17 ноября 2007 г.). «Сдавите ветерок: хотите получить больше электричества от ветра? Ключ лежит у нас под ногами». Новый ученый. 195 (2623): 4. Получено 17 ноября, 2007.
51. "FirstEnergy Corp. Home" (PDF). Firstenergycorp.com. 20 марта 2014 г.. Получено 11 мая, 2014.
52. "Цели проекта". РИКАС. Получено 20 февраля, 2017.
53. "FORSKNING: Luft kan bli verdens neste" batteri"". Текниск Укеблад. Получено 20 февраля, 2017.
54. Ван, Цзидай; Лу, Кунпэн; Ма, Лан; Ван, Цзихун; Dooner, Марк; Мяо, Шихун; Ли, Цзянь; Ван, Дан (13 июля 2017 г.). «Обзор развития технологий хранения энергии сжатого воздуха». Энергии. 10 (7): 991. Дои:10.3390 / en10070991.
55. «Ветер плюс сжатый воздух равны эффективному хранению энергии в предложении Айовы». Веб-сайт Бюллетеня энергетических услуг. Западное энергетическое управление. Архивировано из оригинал 9 мая 2008 г.. Получено 29 апреля, 2008.
56. Уровень техники. Оливер Лэнг и др. Накопитель энергии для непикового потребления электроэнергии. Патент США № 4873828.
57. «Энергетические пакеты и супер батареи». Ноттингемский университет. 18 июня 2008 г. Архивировано с оригинал 3 февраля 2011 г.
58. "Человек, делающий мешки для ветра"'". BBC. 26 марта 2008 г.
59. «Как Hydrostor стремится изменить правила игры за электроэнергию, храня энергию под водой». TechCrunch. 9 июля 2011 г.
60. «Можно ли хранить энергию в пещерах, заполненных воздухом?». 11 октября 2015 г.. Получено 29 июля, 2018 - через www.bbc.co.uk.
61. «Почти изотермическое сжатие и расширение». 28 мая 2015 года. Получено 29 июля, 2018.
62. Б. Р. Боллинджер (1 апреля 2015 г.). «Отчет о технологических показателях, программа SustainX Smart Grid» (PDF). SustainX Inc.

внешняя ссылка

• Система сжатого воздуха в Париже - технические примечания Часть 1 Часть 2 Часть 3 Часть 4 Часть 5 Часть 6 (Специальное приложение, Scientific American, 1921 г.)
• Решение некоторых энергетических проблем страны может быть не более чем горячим воздухом (Национальная лаборатория Сандии, DoE ).
• Статья MSNBC, Города для хранения энергии ветра для дальнейшего использования, 4 января 2006 г.
• Накопление энергии: пойманный ветер
• Ловить ветер в бутылке Группа коммунальных предприятий Среднего Запада строит завод, который будет хранить излишки энергии ветра под землей.
• Статья в New York Times: Технология; Использование сжатого воздуха для накопления электроэнергии
• Хранение энергии сжатого воздуха, энтропия и эффективность