У глобальному переході до чистої енергії змінні відновлювані джерела, такі як сонце та вітер, пропонують величезний потенціал, але також створюють серйозні проблеми. Їх переривчастість-зумовлена погодою, денними-нічними циклами та сезонними коливаннями-часто призводить до скорочення (витрати енергії) або нестабільності мережі. Акумуляція енергії стисненого повітря (CAES) — це зріле великомасштабне-рішення, яке перетворює надлишкову електроенергію в стиснене повітря для зберігання та вивільняє його за потреби для виробництва електроенергії, ефективно поглинаючи та використовуючи вітрову та сонячну енергію, забезпечуючи стабільність і збалансованість мережі.
CAES зберігає електричну енергію як механічний потенціал шляхом стиснення повітря, що забезпечує тривалість зберігання від годин до тижнів з мінімальними втратами. За потреби стиснене повітря випускається для приводу турбін і виробництва електроенергії. Ця технологія особливо добре-підходить для великомасштабного-довготривалого-зберігання, перетворюючи періодично відновлювані джерела енергії в диспетчеризоване надійне джерело енергії, яке відповідає--цілодобовим вимогам мережі.
Базові технології та принципи
Суть CAES лежить в термодинаміці стиснення та розширення газу. При стисненні повітря нагрівається, а при розширенні охолоджується. Висока ефективність залежить від ефективного управління теплом:
Звичайний (діабатичний) CAES: тепло від стиснення розсіюється через проміжні охолоджувачі, а паливо (зазвичай природний газ) використовується для повторного нагріву повітря перед розширенням. Ефективність -туди й назад зазвичай становить 40–55%.
Розширений адіабатичний CAES (AA-CAES): тепло від стиснення вловлюється та зберігається в системах накопичення теплової енергії (TES)-таких як набиті кам’яні шари, розплавлена сіль або термальне масло-для повторного використання під час розширення. Ефективність досягає 70% або вище без використання викопного палива.
Ізотермічний/майже{0}}ізотермічний CAES: Удосконалені теплообмінники або розпилювачі води підтримують майже{0}}постійну температуру під час стиснення та розширення з теоретичною ефективністю 80–95% у системах розробки.
Сучасні установки CAES працюють під тиском 4–7 МПа (40–70 бар) і покладаються на закон ідеального газу для зберігання енергії. На відміну від батарей, CAES чудово працює в -застосунках із гігаватним-масштабом роботи з незначним погіршенням протягом десятиліть.
Ключове обладнання та компоненти
Типова установка CAES складається з:
Компресори: багато{0}}ступеневі електричні турбо{1}}компресори, що працюють від надлишкової електроенергії, які створюють тиск навколишнього повітря за допомогою ступенів низького- та високого-тиску з проміжним охолодженням.
Зберігання повітря: підземні печери (соляні куполи, виснажені газові родовища або водоносні горизонти) або надземні-штучні судини високої{1}}щільності (наприклад, масиви труб). Соляні печери користуються перевагою через їхню водонепроникність і -стійкість до зміни тиску на глибині 300–1500 метрів.
Система теплового менеджменту(у вдосконалених конструкціях): теплообмінники та блоки TES, які вловлюють і зберігають тепло стиснення.
Детандери/турбіни та генератори: турборозширювачі високого{0}} та низького{1}}тиску-, з’єднані з генераторами. Звичайні системи використовують камеру згоряння для повторного нагріву; передові адіабатичні системи повторно використовують тепло ТЕС.
Допоміжні системи: регулятори тиску, двонаправлені двигуни/генератори та обладнання для підключення до мережі.
|
немає |
Назва обладнання |
Основна функція |
Технічні особливості та принципи |
Опис допоміжної ілюстрації |
|
1 |
Компресори |
Електростанція-фази заряджання: перетворює надлишкову електроенергію в-потенційну енергію стисненого повітря |
Багатоступінчасті-електричні турбо{1}}компресори (осьові чи відцентрові), що працюють при 4–7 МПа (40–70 бар), обладнані проміжними охолоджувачами та системами-рекуперації тепла; Приводи зі змінною-швидкістю дозволяють швидко реагувати на поновлювані коливання |
Повна компоновка системи з виділенням компресорної лінії |
|
2 |
Системи зберігання повітря |
Тривале-зберігання стисненого повітря (від годин до тижнів) |
Підземні соляні печери (глибина 300–1500 м) або високо{3}}щільні над-наземні труби-посудини; призначений для багаторазових змін тиску з майже{6}}нульовим витоком |
Діаграма поперечного-розрізу, що показує інтерфейс керування термічним-підземним печерним середовищем і поверхнею |
|
3 |
Системи управління температурою та зберігання теплової енергії (TES). |
Збирайте, зберігайте та повторно використовуйте тепло стиснення для високо-ефективності-безпаливної роботи |
Теплообмінники (HX1/HX2) у поєднанні з середовищем TES (керамічні шари, розплавлена сіль або термальне масло), що зберігають тепло до 600 градусів; рекуперація із замкнутим-контуром досягає-ефективності зворотного зв’язку вище 70 % |
Схема-нагрівання-фази заряджання + схема повної інтеграції системи |
|
4 |
Детандери, турбіни та генератори |
Електростанція-фази розряду: перетворює накопичене стиснене повітря на електроенергію |
Багато{0}}ступінчасті турбо{1}}детандери (високого- та низького-тиску), безпосередньо з’єднані з синхронними генераторами; повне навантаження досягається менш ніж за 10 хвилин із нульовими викидами при згорянні в передових конструкціях |
Фотографія встановлення генератора-розширювача-реального світу |
|
5 |
Допоміжні системи |
Забезпечте безпечну та ефективну роботу заводу та інтеграцію в мережу |
Клапани-регулювання тиску, двонаправлені двигуни-генератори, моніторинг SCADA, мережеві розподільні пристрої, градирні та розгалужені мережі трубопроводів |
Внутрішній вигляд машинного залу з інтегрованими трубопроводами та електричними системами |
Модульна конструкція CAES дозволяє незалежно оптимізувати ємності стиснення, зберігання та розширення, забезпечуючи операційну гнучкість, незрівнянну багатьом іншим технологіям зберігання.
Операційні процеси
CAES працює у два основних етапи:
Фаза зарядки (стиснення).: У періоди високої потужності відновлюваної енергії або низького попиту надлишок електроенергії приводить в дію компресори. Повітря стискається в кілька етапів (нагрівається), охолоджується і впорскується в сховище. У вдосконалених адіабатичних системах вилучене тепло зберігається в ТЕС.
Фаза розрядки (розширення/генерації).: Коли піки попиту або відновлюваних джерел недостатні, стиснене повітря випускається, попередньо нагрівається (за допомогою тепла TES або додаткового палива), розширюється через турбіни для приводу генераторів і випускається у вигляді більш холодного повітря. Система може досягти повного навантаження менш ніж за 10 хвилин, що робить її ідеальною для балансування мережі, регулювання частоти та спінінгових резервів.
Рослини можуть щоденно або сезонно змінювати цикл із дуже низькими-швидкостями саморозряду. Приклади відомих-масштабів комунального господарства включають завод Huntorf у Німеччині (321 МВт, працює з 1978 року) та завод McIntosh у Сполучених Штатах (110 МВт, з 1991 року).
Реальний приклад-світу: демонстраційний проект удосконаленого накопичувача енергії на стисненому повітрі потужністю 100 МВт
Як провідний приклад успішного виконання проекту CAES, китайський національний демонстраційний проект удосконаленого накопичувача енергії стисненого повітря потужністю 100 МВт демонструє зрілість технології та широкомасштабний -потенціал застосування. Розроблена під керівництвом Інституту технічної теплофізики Академії наук Китаю, це перша в світі 100 МВт-станція вдосконаленого CAES класу та наразі найбільша та найефективніша-станція вдосконаленого CAES, що діє.
Деталі конфігурації системи:
Ємність: вихідна потужність 100 МВт / накопичення енергії 400 МВт-год.
Тип технології: Розширений адіабатичний CAES (AA-CAES), що включає надкритичне накопичення тепла, надкритичний теплообмін, високе-стиснення/розширення під високим навантаженням і повну системну інтеграцію-повністю усуваючи залежність від викопного палива.
Спосіб зберігання: -штучні резервуари для зберігання повітря високої щільності (конструкція труб-матриці), що збільшує щільність енергії та зменшує залежність від великих підземних печер.
Ефективність: Ефективність -туди й назад 70,4%.
Параметри продуктивності: Річна генерація перевищує 132 мільйони кВт-год, що достатньо для задоволення пікового попиту на електроенергію для приблизно 50 000 домогосподарств; економить 42 000 тонн умовного вугілля та скорочує викиди CO₂ приблизно на 109 000 тонн на рік.
Ключове обладнання: багато{0}}ступінчасті компресори, турборозширювачі/генераторні установки, надкритична система теплового накопичення TES і-труби високого тиску-резервуари для зберігання.
Розташування: місто округу Гуюань провінції Хебей у межах індустріального парку хмарних обчислень Miaotan; займає приблизно 5,7 га. Проект підключено до мережі-у 2022 році та розпочато підготовку до комерційної експлуатації.
Цей проект демонструє нашу здатність успішно впроваджувати широкомасштабні-ініціативи CAES шляхом рекуперації тепла від стиснення, оптимізації керування температурою та використання модульної конструкції для подолання традиційних обмежень ефективності, залежності від палива та вибору місця. Він надає цінну реальну-технічну перевірку та масштабовану модель для глобальної інтеграції відновлюваної енергії.
Як CAES сприяє ефективному поглинанню та використанню енергії вітру та сонця
Змінність вітрової та сонячної енергії часто призводить до надлишку електроенергії, який не може бути повністю поглинений мережею. CAES служить «амортизатором» для мережі, безпосередньо вирішуючи цю проблему:
Поглинання надлишкової енергії: під час сильного вітру або пікового сонячного випромінювання надлишок енергії використовується для стиснення та зберігання повітря під землею, запобігаючи скороченню.
Вихід згладжування: CAES відокремлює виробництво від споживання, вивільняючи накопичену енергію в спокійні періоди або після заходу сонця для забезпечення стабільної, передбачуваної електроенергії.
Стабільність мережі та інтеграція: його швидка реакція підтримує послуги регулювання частоти, контролю напруги та-запуску в автономному режимі. Вітро-сонячні-гібридні системи CAES створюють «віртуальне базове навантаження», зменшуючи залежність від викопного-палива.
Економічні та екологічні вигоди: CAES значно знижує витрати на зберігання, покращує рівень використання відновлюваних джерел енергії та скорочує викиди вуглецю (особливо в розширених адіабатичних конфігураціях). Він особливо конкурентоспроможний для велико-масштабної довготривалої-інтеграції поновлюваних джерел.
Спільне-розміщення CAES із вітряними електростанціями чи сонячними станціями оптимізує інфраструктуру передачі та відкриває додатковий прибуток за рахунок енергетичного арбітражу, ринків потужності та допоміжних послуг.
Погляд у майбутнє: CAES як наріжний камінь електростанцій з відновлюваної енергетики
Починаючи з 1970-х років, CAES перетворилася на гнучку довгострокову-технологію зберігання з потенціалом у гігават-годину-. Удосконалені адіабатичні та ізотермічні варіанти повністю виключають використання викопного палива, ідеально відповідаючи-нульовим цілям. Його масштабованість і географічна адаптованість (за наявності відповідної геології) дозволяють перетворювати періодичні вітрові та сонячні ресурси в надійну високо-вартісну електроенергію.
Успішні проекти, наприклад, підтверджують, що технологія CAES повністю готова до-розгортання в комерційних масштабах. Прийнявши CAES, сектор відновлюваної енергетики може подолати найбільшу проблему-мінливості-прискорення переходу на чисту енергію та забезпечення економічної стійкості та енергетичної безпеки для комунальних підприємств, промисловості та громад у всьому світі. Поточні проекти в Китаї та за кордоном свідчать про те, що інтегровані вітрові-сонячні-електростанції CAES більше не є баченням, а реальною реальністю-, яка постачає чисту електроенергію з можливістю диспетчеризації будь-де та будь-де.
