Накопленная энергия в море - Stored Energy at Sea - Wikipedia
 | Эта статья может содержать чрезмерное количество сложных деталей, которые могут заинтересовать только определенную аудиторию. (Август 2018 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения) |
В Накопленная энергия в море (StEnSEA) Проект представляет собой новую насосную систему хранения, предназначенную для хранения значительного количества электроэнергии на море. После исследований и разработок он был протестирован в масштабе модели в ноябре 2016 года. Он предназначен для соединения скважин с морскими ветряными платформами и их проблемами, вызванными колебаниями производства электроэнергии. Он работает за счет воды, втекающей в контейнер под значительным давлением, приводя в движение турбину. Если есть лишнее электричество, воду можно откачивать, что позволяет вырабатывать электроэнергию во время повышенной потребности.
История развития
В 2011 году профессор физики д-р Хорст Шмидт-Бёкинг (Университет Гете во Франкфурте ) и д-р Герхард Лютер (Саарский университет ) возникла идея новой насосной системы хранения, которая должна быть размещена на морском дне. Эта система будет использовать высокое давление воды на большой глубине для хранения энергии в полых телах.
Вскоре после того, как их идея была опубликована 1 апреля 2011 года в газете Frankfurter Allgemeine Zeitung, консорциум Институт экономики энергетики и технологий энергосистем им. Фраунгофера и строительная компания Hochtief AG был создан. В сотрудничестве они сделали первый предварительный эскиз, который доказал осуществимость концепции хранения насосов. Впоследствии Федеральное министерство экономики и энергетики Германии поддержало разработку и тестирование новой концепции.[1]
| Исполнительное агентство | Поддерживаемый период | Всего предоставлено | |
|---|---|---|---|
| А | Hochtief Solutions AG | С 1 января 2013 г. по 10 февраля 2014 г. | 63.572,50 EUR |
| B | Институт экономики энергетики им. Фраунгофера и технологии энергосистем | С 01.01.2013 по 30.06.2017 | 2.131.715,89 EUR |
Физический принцип
Функционал гидроаккумулирующей электростанции забортной воды основан на обычном гидроаккумуляторы. Полый бетонный шар с интегрированным насос-турбина будет установлен на дне моря. По сравнению с хорошо известными гидроаккумулирующими установками, море, окружающее сферу, представляет собой верхний водный бассейн. Полая сфера представляет собой нижний водоем. В концепции StEnSea используется высокий перепад давления воды между полой сферой и окружающим морем, который составляет около 75 бар (≈1 бар на 10 метров).[3]
В случае перепроизводства соседних источников энергии, таких как Ветряные турбины или же фотоэлектрический систем, насос-турбина будет иметь возможность откачивать воду из полости против давления в окружающее море.[4] Пустая полая сфера означает полностью заряженную систему хранения. Когда требуется электричество, вода из окружающего моря направляется через турбина в полость, генерируя электричество. Чем выше разница давлений между полой сферой и окружающим морем, тем выше выход энергии во время разряда. При разряде полого шара внутри будет создаваться вакуум. Избежать кавитация, турбины насосов и все другие электрические компоненты размещены в центральном цилиндре. An вспомогательный питательный насос в нижней части цилиндра требуется для заполнения цилиндра водой и создает внутреннее давление.[5]
«Оба насоса требуют входного давления выше чистого положительного напора всасывания, чтобы избежать кавитации при перекачивании воды из внутреннего объема в цилиндр или из цилиндра за пределы сферы. Поскольку перепад давления для дополнительного насоса намного ниже, чем для насоса. Для турбины необходимое входное давление также ниже. Входное давление обоих насосов определяется водяным столбом над ними. Для дополнительного насоса это столб воды в сфере, а для турбины насоса - это столб воды в цилиндре. . "[6]
Максимальная производительность полой бетонной сферы зависит от общего КПД турбины насоса, глубины установки и внутреннего объема.
Запасенная энергия пропорциональна атмосферному давлению в морских глубинах. При конструировании полой сферы учитывались проблемы, связанные с выбором конструкции, которая выдерживает высокое давление воды и достаточно тяжелой, чтобы выдерживать плавучесть сила ниже, чем сила гравитации.[3] В результате получилась сферическая конструкция с внутренним диаметром 28,6 метра и стеной толщиной 2,72 метра из обычных водонепроницаемых материалов. конкретный.
| Параметр | Ценить | Единица измерения |
|---|---|---|
| Строительная глубина | 750 | м |
| Внутренний диаметр полой сферы | 28.6 | м |
| Полая сфера volumina | 12,200 | м³ / шт. |
| Емкость электрического накопителя | 18.3 | МВтч / ед. |
| Установленная электрическая мощность | 5 | МВт / блок |
| Удельная емкость хранилища | 0.715 | кВтч / м³ |
| Единиц на ферму хранения | 5-140 | единицы |
| КПД турбины | 0.82 | |
| КПД насоса | 0.89 | |
| Общая эффективность | 0.73 |
Пилотный тест
Для подтверждения осуществимости в реальных условиях и получения данных измерений инженеры Fraunhofer приступили к реализации пилотного проекта. Поэтому Hochtief Solutions AG построила необходимую пилотную полую сферу в масштабе 1:10, с внешним диаметром три метра и внутренним объемом восемь метров.3 и сделан из бетона.[5] 9 ноября 2016 года он был установлен в Боденское озеро на глубине 100 метров и тестировался четыре недели.[4]
На этапе испытаний инженеры смогли успешно накапливать энергию и управлять системой в различных режимах работы. Другой важный вопрос, который был исследован, заключается в том, требуется ли линия выравнивания давления на поверхность. В случае применения без компенсирующего кабеля возможно снижение затрат и затрат. Пилотное испытание показало, что оба варианта работы работают и можно будет запустить.[8]
На следующем этапе необходимо тщательно изучить возможное место проведения испытаний в море для проведения демонстрационного проекта. Затем необходимо построить сферу планируемого демонстрационного диаметра 30 метров и установить ее в подходящем месте на море. Возможные места установки, расположенные недалеко от берега, например, Норвежская траншея или некоторые районы испанского моря.[9]
Кроме того, необходимо найти партнеров из отрасли, финансирующих половину проекта, чтобы получить дополнительное государственное финансирование от BMWi. Потому что общие затраты на демонстрационный проект оцениваются в два миллиона евро.[10]
Возможные места установки
Определение потенциальных мест для установки проводилось в три последовательных этапа. Сначала было определено обозначение нескольких аргументов, отражающих качество потенциального местоположения. Помимо глубины установки, которая является основным фактором, учитывались такие переменные, как уклон, геоморфология, расстояние до возможной точки подключения к сети, а также до баз для обслуживания и настройки, морских запасов и требований к хранению энергии в окрестностях. в учетную запись.
На следующем этапе жестким параметрам, которые требуются для использования технологии, были присвоены конкретные значения. Многие из этих значений были определены в предыдущем технико-экономическом анализе, некоторые пришлось оценить с помощью сопоставимых приложений из различных оффшорных отраслей. Глубина установки бетонной сферы должна быть на 600-800 м ниже уровня моря и иметь угол наклона не более 1 °. Кроме того, требуется добраться до следующей точки подключения к сети в пределах ста километров, а также базы, с которой можно будет проводить техническое обслуживание и ремонт. Кроме того, основание для установки не должно располагаться на расстоянии более 500 км, а участки с несоответствующей геоморфологией, например каньоны, были исключены.
Наконец, глобальный анализ местоположения, основанный на наборах геоданных и указанных выше ограничениях, был проведен с Географическая информационная система (ГИС). Чтобы заявить о потенциальных возможностях хранения, полученные площади были отнесены к Исключительные экономические зоны (ИЭЗ) пострадавших государств.[5] Эти и соответствующие емкости для хранения электроэнергии показаны в таблице ниже.
| Страна | Площадь [км2] | Доля от общей площади | Емкость [ГВт / ч] |
|---|---|---|---|
| Общая площадь | 111.659 | 100% | 817.344 |
| ТОП 10 | 85.925 | 77% | 628.971 |
| Соединенные Штаты | 85.925 | 9% | 74.854 |
| Япония | 9.511 | 9% | 69.621 |
| Саудовская Аравия | 8.535 | 8% | 62.476 |
| Индонезия | 8.002 | 7% | 58.575 |
| Багамы | 6.201 | 6% | 45.391 |
| Ливия | 5.836 | 5% | 42.720 |
| Италия | 5.572 | 5% | 40.787 |
| Испания | 4.299 | 4% | 31.469 |
| Греция | 3.476 | 3% | 25.444 |
| Кения | 3.307 | 3% | 24.207 |
Экономическая оценка StEnSea
StEnSea - это модульная технология хранения энергии большой емкости. Его рентабельность зависит от установленных блоков (бетонных пустот) на каждом объекте масштабные эффекты ), на реализованном арбитражи на энергетическом рынке и зависит от часов работы в год.[7] А также по инвестиционной и эксплуатационной стоимости.
На следующей диаграмме изображены соответствующие экономические параметры для экономической оценки. Требуется от 800 до 1000 полных рабочих циклов в год.
Для эксплуатации и управления складской фермой личные расходы основаны на 0,5–2 сотрудниках на складскую ферму, в зависимости от ее мощности. Для расчета используются затраты на рабочую силу в размере 70 тыс. Евро в год и на одного сотрудника. Ценовой арбитраж установлен на уровне 6 евро центов за кВтч для экономической оценки, исходя из средней закупочной цены на электроэнергию в размере 2 евро центов за кВтч и средней цены продажи 8 евро центов за кВтч. Этот ценовой арбитраж включает в себя покупку других услуг, таких как предоставление мощности с положительным или отрицательным балансом, регулировка частоты или реактивной мощности, все из которых отдельно не учитываются в расчетах. Затраты на планирование и утверждение включают затраты на оценку площадки (как предварительное условие для получения разрешения), сертификацию электростанции, а также разработку и управление проектом.[7]
| Единицы | ||
| Экономический полезный срок службы | ||
| Строительство | 20 | а |
| Машинное оборудование | 7-20 | а |
| Ремонт и обслуживание | ||
| Строительство | 1,5 | % инвестиций |
| Машинное оборудование | 3 | % инвестиций |
| Страхование | 0,5 | % инвестиций |
| Расчетная процентная ставка | 7 | % |
| Затраты на оплату труда | 70 | тыс. € / шт. |
| Требования к рабочей силе | 0.5-2 | персонал / ферма |
| Средняя цена покупки электроэнергии | 2 | € цент / кВтч |
| Средняя цена продажи электроэнергии | 8 | € цент / кВтч |
| Годовые рабочие циклы | 800-1000 | |
| Скорость увеличения цены прочие расходы | 2 | % / а |
| Скорость увеличения стоимости капитальных затрат | 2 | % / а |
| Планирование и согласование | 1070-1040 | k € / шт. |
| Затраты на подключение к сети | 15 | % инвест. |
В зависимости от количества единиц хранения на ферме, удельные затраты на единицу для планирования и утверждения варьируются в диапазоне от 1070 млн евро при 120 единицах до 1,74 млн евро при 5 единицах. Также аннуитеты напрямую зависят от количества установленных единиц.[7] С 120 единицами годового дохода можно достичь 544 тыс. Евро, тогда как годовой доход в размере 232 тыс. Евро возможен только с 5 установленными модулями.
| Количество единиц на ферму хранения | 120 | 80 | 40 | 20 | 5 |
| Инвестиции [в 1000 €] | |||||
| Бетонная сфера (включая установку) | 2,470 | 2,670 | 2,720 | 2,770 | 2,870 |
| Насос турбинный | 2,340 | 2,600 | 2,730 | 2,860 | 3,120 |
| Система экрана | 119 | 132 | 139 | 145 | 158 |
| Установка для измерения и контроля | 50 | 50 | 50 | 50 | 50 |
| Подключение к сети | 1,785 | 1,800 | 1,845 | 1,865 | 1,910 |
| Планирование и согласование | 1,069 | 1,154 | 1,221 | 1,313 | 1,742 |
| Всего инвестиций | 7,832 | 8,406 | 8,704 | 9,003 | 9,850 |
| Годовые затраты и доходы [1000 € / год] | |||||
| Затраты, связанные с капиталом | 956 | 1,034 | 1,074 | 1,115 | 1,218 |
| Операционные расходы | 130 | 144 | 152 | 157 | 173 |
| Затраты, связанные со спросом | 191 | 191 | 191 | 191 | 191 |
| Другие расходы | 39 | 42 | 44 | 45 | 47 |
| Суммарные затраты | 1,317 | 1,411 | 1,460 | 1,507 | 1,629 |
| Общая выручка | 1,861 | 1,861 | 1,861 | 1,861 | 1,861 |
| Аннуитет | 544 | 450 | 401 | 354 | 232 |
Экологические эффекты
Это решение по хранению энергии - это не только шанс решить проблему ветроэнергетики, связанную с хранением энергии, но и экологически безвредно. Благодаря основным компонентам конструкции (в первую очередь, стали, бетону для полости и кабелям для соединения) риски для экосистемы минимальны. Во избежание засасывания морских животных в турбину установлена мелкоячеистая сетка. Кроме того, скорость потока воды, устремившейся в полость, остается низкой.[8]
Освещение в СМИ
В видеопосте на общественном телевидении ZDF полые бетонные шары были названы «возможным решением для хранения солнечной и ветровой энергии». Полученные данные помогли лучше понять проект. Для дальнейших более масштабных испытаний Кристиан Дик, также член группы Fraunhofer IEE, думает о строительстве большой бетонной котловины в море.[11]
Телеканал ZDF nano выпустил документальный фильм о полевых исследованиях СтэнСи вБоденское озеро (Немецкий: Bodensee). Кристиан Дик был процитирован, что «мяч работал так, как должен был». Самым важным открытием было то, что воздушное соединение с поверхностью не требуется, что значительно сокращает технические затраты. Руководитель проекта Маттиас Пухта из Fraunhofer IEE сказал: «Выкачивая воду, мы создали почти полный вакуум. Демонстрация этого была очень захватывающей, потому что раньше никто не мог этого сделать с помощью этой технологии. Мы показали, что это работает ». Для обслуживания и возможных технических проблем технология будет размещена в цилиндре, который будет легко восстанавливать и обслуживать с помощью роботизированной подводной лодки. Ведь эта технология могла бы стать «мозаикой нашего будущего энергоснабжения».[12]
Такого мнения придерживается швейцарский радиоканал SRF, который сообщил о проекте как о «потенциально новаторском эксперименте». Благодаря успешному проекту на озере, где энергия подавалась в тестовую сеть и забиралась из нее, команда с нетерпением ждет следующего шага: установки бетонного шара диаметром в 10 раз больше, чем в пилотном проекте (30 метров). ). Из-за слишком мелкой береговой линии Германии страна не подходит для дальнейших проектов.[10] Взамен испанское побережье предлагает хорошие условия для долгосрочного проекта. Этот долгосрочный проект должен длиться от трех до пяти лет в реальных условиях и должен собрать данные для последующей коммерциализации. Это решение по хранению энергии - это не только шанс решить проблему ветроэнергетики, связанную с хранением энергии, но и экологически безвредно.[13]
Der Spiegel сообщил, что технология StEnSea может быть интересна и для Offshore-Wind-Parks. Экономически эффективное хранение избыточной энергии является одной из ключевых задач для сети и энергетического рынка, поскольку в систему включается все больше и больше возобновляемых источников энергии. Следовательно, роль технологии в реорганизации энергетической системы может иметь решающее значение.[14]
Рекомендации
- ^ "Energiespeicher von morgen wird erstmals im Bodensee getestet" (на немецком). 2016-11-08. Получено 2018-06-14.
- ^ "Verbundvorhaben: STENSEA". EnArgus (на немецком). Projektträger Jülich, Forschungszentrum Jülich GmbH. Получено 2018-06-14.
- ^ а б Гарг, А .; Гловенко, С .; Мейер, Дж. (Июль – август 2013 г.). "StEnSea - Die bauliche Konzeption eines Tiefsee-Energiespeichers". Bauingenieur. 88: 291–293.
- ^ а б «STENSEA - Хранение энергии в море». Институт экономики энергетики и технологий энергосистем им. Фраунгофера (на немецком). Получено 2018-06-14.
- ^ а б c d Пухта, М .; Bard, J .; Dick, C .; Hau, D .; Krautkremer, B .; Thalemann, F .; Хан, Х. (декабрь 2017 г.). «Разработка и тестирование новой концепции морского гидроаккумулятора для хранения энергии в море - Stensea». Журнал хранения энергии. Elsevier Ltd. 14: 271–273. Дои:10.1016 / j.est.2017.06.004.
- ^ Пухта, М .; Bard, J .; Dick, C .; Hau, D .; Krautkremer, B .; Thalemann, F .; Хан, Х. (декабрь 2017 г.). «Разработка и тестирование новой концепции морского гидроаккумулятора для хранения энергии в море - СтэнМоре». Журнал хранения энергии. Elsevier Ltd. 14: 271. Дои:10.1016 / j.est.2017.06.004.
- ^ а б c d е ж грамм Hahn, H .; Hau, D .; Dick, C .; Пухта, М. (24.05.2017). «Технико-экономическая оценка технологии подводного накопления энергии для услуг по балансировке мощности». Энергия. Elsevier Ltd. 133: 122–125. Дои:10.1016 / j.energy.2017.05.116.
- ^ а б "Das System lässt sich flexibel einsetzen". Energiespeicher - Forschungsinitiative der Bundesregierung (на немецком). FIZ Karlsruhe - Leibniz-Institut für Informationsinfrastruktur GmbH. 2017-01-09. Получено 2018-06-19.
- ^ Кюффнер, Георг (18 ноября 2016 г.). "Speicher-Versuchsanlage: Forscher geben dem Bodensee die Kugel". Франкфуртер Альгемайне (на немецком). Получено 2018-06-18.
- ^ а б Прейс, Сюзанна (2017-03-04). "Das Geheimnis der hohlen Betonkugel". Франкфуртер Альгемайне (на немецком). Получено 2018-06-19.
- ^ "Betonkugeln als Stromspeicher" (на немецком). ZDF heute. 2017-03-27. Получено 2018-06-21.
- ^ "nano vom 27. März 2017" (на немецком). ZDF nano. 2017-03-27. Получено 2018-06-21.
- ^ "Betonkugel als Zwischenspeicher für Windenergie?". Schweizer Radio und Fernsehen (SRF) (на немецком). 2017-03-03. Получено 2018-06-21.
- ^ "Test im Bodensee geglückt: Riesige Betonkugel speichert Energie". Spiegel Online. 2017-03-03. Получено 2018-06-21.