Аккумулирование энергии на основе сжатого воздуха

Резервуар со сжатым воздухом, используемый для запуска дизель-генераторной установки в парижском метро.

Хранение энергии на сжатом воздухе (CAES) — это способ хранения энергии для последующего использования с использованием сжатого воздуха . В масштабах коммунальных предприятий энергия, вырабатываемая в периоды низкого спроса, может высвобождаться в периоды пиковой нагрузки .

Первый проект CAES промышленного масштаба был реализован на электростанции Ханторф в Эльсфлете, Германия , и до сих пор работает. . Электростанция Ханторф изначально разрабатывалась как балансировщик нагрузки для электроэнергии, вырабатываемой из ископаемого топлива , но глобальный переход к возобновляемым источникам энергии возобновил интерес к системам CAES. чтобы помочь источникам энергии с высокой прерывистостью, таким как фотогальваника и ветер , удовлетворить колеблющиеся потребности в электроэнергии.

Одной из постоянных проблем крупномасштабного проектирования является управление тепловой энергией, поскольку сжатие воздуха приводит к нежелательному повышению температуры , что не только снижает эксплуатационную эффективность, но также может привести к повреждению. Основное различие между различными архитектурами заключается в теплотехнике. С другой стороны, малогабаритные системы уже давно используются для приведения в движение шахтных локомотивов . По сравнению с традиционными батареями, системы могут хранить энергию в течение более длительных периодов времени и требуют меньше обслуживания.

Типы

Сжатие воздуха создает тепло; воздух после сжатия становится теплее. Расширение отводит тепло. Если не добавлять дополнительное тепло, воздух после расширения будет намного холоднее. Если тепло, выделяемое при сжатии, можно аккумулировать и использовать при расширении, то эффективность аккумулирования значительно повышается. Существует несколько способов, с помощью которых система CAES может бороться с нагревом. Хранение воздуха может быть адиабатическим , диабатическим, изотермическим или почти изотермическим.

Адиабатический

Адиабатическое хранилище продолжает хранить энергию, полученную в результате сжатия, и возвращает ее в воздух по мере его расширения для выработки энергии. Это предмет текущего исследования, и по состоянию на 2015 год никаких промышленных предприятий не было. Теоретическая эффективность адиабатического хранения приближается к 100% при идеальной изоляции, но на практике ожидается, что эффективность туда и обратно составит 70%. Тепло может храниться в твердом теле, таком как бетон или камень, или в жидкости, такой как горячее масло (до 300 °C) или растворы расплавленных солей (600 °C). Сохранение тепла в горячей воде может обеспечить эффективность около 65%.

Уплотненные слои были предложены в качестве накопителей тепла для адиабатических систем. Исследование численно смоделировал адиабатическую систему хранения энергии сжатого воздуха с использованием насадочного слоя хранения тепловой энергии . По расчетам, эффективность моделируемой системы в непрерывном режиме работы составляет от 70,5% до 71%.

Диабатический

Диабатический аккумулятор рассеивает большую часть тепла сжатия с помощью промежуточных охладителей (таким образом приближаясь к изотермическому сжатию) в атмосферу в виде отходов, по существу тратя энергию, используемую для выполнения работы сжатия. После извлечения из хранилища температура этого сжатого воздуха является единственным показателем количества запасенной энергии, которая остается в этом воздухе. Следовательно, если температура воздуха слишком низка для процесса рекуперации энергии , то воздух необходимо существенно повторно нагреть перед расширением в турбине для питания генератора . Этот повторный нагрев может быть осуществлен с помощью горелки, работающей на природном газе, для хранения бытовых отходов или с помощью нагретой металлической массы. Поскольку рекуперация часто наиболее необходима, когда возобновляемые источники энергии не работают, топливо необходимо сжигать, чтобы компенсировать потраченное впустую тепло. Это снижает эффективность цикла хранения-восстановления. Хотя этот подход относительно прост, сжигание топлива увеличивает стоимость рекуперируемой электроэнергии и ставит под угрозу экологические выгоды, связанные с большинством возобновляемые источники энергии . Тем не менее, это пока единственная система, которая была реализована на коммерческой основе.

Заводу CAES в Макинтоше , штат Алабама , требуется 2,5 МДж электроэнергии и 1,2 МДж газа с низшей теплотворной способностью (LHV) на каждый МДж произведенной энергии, что соответствует эффективности рекуперации энергии около 27%. Электростанция General Electric 7FA 2x1 комбинированного цикла , одна из самых эффективных действующих газовых установок, потребляет 1,85 МДж (LHV) газа на каждый произведенный МДж. 54% тепловой КПД .

изотермический

Подходы к изотермическому сжатию и расширению направлены на поддержание рабочей температуры за счет постоянного теплообмена с окружающей средой. В поршневом компрессоре этого можно добиться за счет использования оребренного поршня. и низкие скорости цикла. Текущий Проблемы с эффективными теплообменниками означают, что они практичны только при низких уровнях мощности. Теоретическая эффективность изотермического хранения энергии приближается к 100% для идеальной передачи тепла в окружающую среду. На практике ни один из этих идеальных термодинамических циклов недостижим, поскольку неизбежны некоторые потери тепла, приводящие к почти изотермическому процессу.

Почти изотермический

Почти изотермическое сжатие (и расширение) — это процесс, при котором газ сжимается в непосредственной близости от большой несжимаемой тепловой массы, такой как теплопоглощающая и выделяющая тепло структура (HARS) или водяной распылитель. HARS обычно состоит из ряда параллельных ребер. По мере сжатия газа тепло сжатия быстро передается тепловой массе, поэтому температура газа стабилизируется. Затем используется внешний контур охлаждения для поддержания температуры тепловой массы. Изотермический КПД (Z) является мерой того, где процесс находится между адиабатическим и изотермическим процессом. Если КПД равен 0%, то он полностью адиабатический; при КПД 100% он полностью изотермичен. Обычно при почти изотермическом процессе можно ожидать изотермического КПД 90–95%.

Другой

В одной реализации изотермического CAES используются последовательно расположенные поршни высокого, среднего и низкого давления. За каждой ступенью следует насос Вентури с продувкой воздухом , который всасывает окружающий воздух через теплообменник «воздух-воздух» (или «воздух-морская вода») между каждой ступенью расширения. на сжатом воздухе В ранних конструкциях торпед использовался аналогичный подход, заменявший воздух морской водой. Вентури нагревает выхлопные газы предыдущей ступени и пропускает предварительно нагретый воздух на следующую ступень. Этот подход получил широкое распространение в различных транспортных средствах, работающих на сжатом воздухе, таких как компании HK Porter, Inc. горные локомотивы и трамваи. Здесь тепло сжатия эффективно сохраняется в атмосфере (или море) и возвращается позже.

Компрессоры и расширители

Сжатие может осуществляться турбокомпрессорами с электрическим приводом , а расширение - турбодетандерами. или воздушные двигатели, приводящие в движение электрические генераторы для производства электроэнергии.

Хранилище

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

1. Хранение постоянного объема ( каверны, добываемые раствором , наземные резервуары, водоносные горизонты, автомобильные применения и т. д.)
2. Хранилище постоянного давления (подводные сосуды под давлением, гибридные гидроаккумуляторы и хранилища сжатого воздуха)

Хранилище постоянного объема

В этой системе хранения используется камера 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, поэтому колебания давления должны поддерживаться ниже определенного предела, как и напряжения, возникающие в резервуарах для хранения.

Сосуд для хранения часто представляет собой пещеру, созданную в результате добычи раствором (для добычи соль растворяется в воде). или используя заброшенную шахту ; Также изучалось использование пористых и проницаемых горных пород (пород, имеющих взаимосвязанные отверстия, через которые может проходить жидкость или воздух), например тех, в которых обнаружены резервуары природного газа.

В некоторых случаях в качестве системы хранения был протестирован наземный трубопровод, давший хорошие результаты. Очевидно, что стоимость системы выше, но ее можно разместить там, где пожелает проектировщик, тогда как для подземной системы необходимы определенные геологические образования (соляные купола, водоносные горизонты, истощенные газовые месторождения и т. д.).

Хранение постоянного давления

В этом случае в резервуаре для хранения поддерживается постоянное давление, а газ содержится в резервуаре переменного объема. Было предложено множество типов емкостей для хранения, обычно основанных на вытеснении жидкостью для достижения изобарической работы. В таких случаях резервуар для хранения располагается на сотни метров ниже уровня земли, а гидростатическое давление (напор) столба воды над резервуаром для хранения поддерживает давление на желаемом уровне.

Эта конфигурация позволяет:

• Улучшение плотности энергии системы хранения, поскольку можно использовать весь содержащийся в нем воздух (давление постоянно при всех состояниях заправки, полной или пустой, поэтому у турбины нет проблем с ее эксплуатацией, тогда как в системах постоянного объема, если давление опускается ниже предела безопасности, тогда систему необходимо остановить).
• Удаление требования регулирования перед расширением.
• Избежание смешивания тепла разной температуры в системе хранения тепловой энергии, что приводит к необратимости.
• Повышение эффективности турбомашины, которая будет работать в условиях постоянного впуска.
• Использование различных географических локаций для размещения установки САЭС (береговые линии, плавучие платформы и т.п.).

С другой стороны, стоимость такой системы хранения выше из-за необходимости размещения емкости для хранения на дне выбранного водоема (часто океана) и из-за стоимости самой емкости.

Другой подход заключается в том, чтобы закопать большой мешок под несколько метров песка вместо воды.

Установки работают по суточному циклу с минимальными пиковыми нагрузками : заряжаются ночью и разряжаются в течение дня. Нагревание сжатого воздуха с использованием природного газа или геотермального тепла для увеличения количества извлекаемой энергии изучалось Тихоокеанской северо-западной национальной лабораторией .

Хранение энергии на сжатом воздухе также может использоваться в меньших масштабах, например, в воздушных автомобилях и пневматических локомотивах , и может использовать высокопрочные (например, из углеродного волокна ) резервуары для хранения воздуха. Чтобы сохранить энергию, запасенную в сжатом воздухе, этот резервуар должен быть термически изолирован от окружающей среды; в противном случае накопленная энергия уйдет в виде тепла, поскольку сжатие воздуха повышает его температуру.

История

Городские энергетические системы сжатого воздуха для передачи механической энергии непосредственно через сжатый воздух строятся с 1870 года. Такие города, как Париж , Франция; Бирмингем , Англия; Дрезден , Риксдорф и Оффенбах , Германия; и Буэнос-Айресе , Аргентина, установлены такие системы. Виктор Попп сконструировал первые системы для питания часов, каждую минуту посылая импульс воздуха для смены стрелок. Они быстро эволюционировали, чтобы доставлять электроэнергию в дома и на предприятия. По состоянию на 1896 год в Парижской системе было произведено 2,2 МВт электроэнергии, распределенной при 550 кПа по воздушным трубам протяженностью 50 км для двигателей легкой и тяжелой промышленности. Расход измерялся в кубических метрах. В те дни эти системы были основным источником энергии, подаваемой в дом, а также приводили в действие машины стоматологов , швей , типографий и пекарен .

Первым проектом по диабатическому мощностью 290 мегаватт, хранению энергии на сжатом воздухе промышленного масштаба была установка Huntorf открытая в 1978 году в Германии с использованием пещеры соляного купола с энергией 580 МВтч и эффективностью 42%.

Электростанция мощностью 110 мегаватт и мощностью 26 часов (энергия 2860 МВтч) была построена в Макинтош, штат Алабама, в 1991 году. Стоимость установки в Алабаме в 65 миллионов долларов равняется 590 долларам за кВт мощности и примерно 23 долларам за киловатт-час аккумулирующей мощности. Он использует соляную пещеру объемом 19 миллионов кубических футов , добытую раствором, для хранения воздуха под давлением до 1100 фунтов на квадратный дюйм. Хотя эффективность фазы сжатия составляет примерно 82%, фаза расширения требует сгорания природного газа со скоростью, составляющей одну треть от скорости газовой турбины, производящей такое же количество электроэнергии с эффективностью 54%.

В 2012 году компания General Compression завершила строительство почти изотермического проекта мощностью 2 МВт в округе Гейнс, штат Техас , который стал третьим подобным проектом в мире. Проект не использует топливо. Судя по всему, он прекратил работу в 2016 году.

, Китай, открылась установка мощностью 60 МВт / 300 МВтч с эффективностью 60% В Цзянсу с использованием соляной пещеры (2022 г.).

мощностью 2,5 МВт / 4 МВтч _{Установка по сжатию CO2} введена в эксплуатацию на Сардинии , Италия (2022 г.).

В 2022 году Чжанцзякоу подключил первую в мире «продвинутую» систему мощностью 100 МВт к энергосистеме на севере Китая. Он не использует ископаемое топливо , вместо этого применяя сверхкритическое тепловое хранение, сверхкритический теплообмен и технологии сжатия и расширения при высоких нагрузках. Завод может хранить 400 МВтч с КПД 70,4%. началось строительство подземной соляной пещеры мощностью 350 МВт / 1,4 ГВтч. В Шаньдуне стоимостью $208 млн, работающий в 2024 году с КПД 64%.

Проекты

В 2009 году Министерство энергетики США мощностью 300 МВт и стоимостью 356 миллионов долларов США выделило 24,9 миллиона долларов в качестве дополнительных средств для первой фазы установки Pacific Gas and Electric Company с использованием соляной пористой породы, разрабатываемой недалеко от Бейкерсфилда в округе Керн, Калифорния . Целью проекта было создание и проверка усовершенствованной конструкции.

В 2010 году Министерство энергетики США предоставило финансирование в размере 29,4 миллиона долларов для проведения предварительных работ по проекту на основе соли мощностью 150 МВт, разрабатываемому компанией Iberdrola USA в Уоткинс-Глене, штат Нью-Йорк . Цель состоит в том, чтобы внедрить технологию интеллектуальных сетей для балансировки возобновляемых источников прерывистой энергии .

Первый адиабатический проект, установку ADELE мощностью 200 мегаватт, планировалось построить в Германии (2013 г.) с целью достижения эффективности 70% за счет использования воздуха с температурой 600 ° C (1112 ° F) и давлением 100 бар. Этот проект был отложен по неизвестным причинам как минимум до 2016 года.

Storelectric Ltd планировала построить , Великобритания, пилотную установку мощностью 40 МВт , работающую на 100% возобновляемой энергии в Чешире , с накопительной мощностью 800 МВт (2017 г.).

Компания Hydrostor завершила строительство первой коммерческой системы A-CAES в Годерихе, Онтарио , предоставив услуги хранения данных мощностью 2,2 МВт / 10 МВтч в энергосистему Онтарио (2019 г.). Это была первая система A-CAES, вышедшая в коммерческую эксплуатацию за последние десятилетия.

Финансируемый Европейским Союзом проект RICAS (адиабатический) в Австрии должен был использовать щебень для хранения тепла от процесса сжатия для повышения эффективности (2020 г.). Ожидалось, что система достигнет эффективности 70–80%.

завод в округе Андерсон, штат Техас , в 2016 году. Apex планировала запустить Этот проект отложен как минимум до 2020 года.

Канадская компания Hydrostor планировала построить четыре завода Advance в Торонто , Годерихе, Ангасе и Розамонде (2020 г.). Некоторые включали частичное сохранение тепла в воде, повышая эффективность до 65%.

По состоянию на 2022 год планировалось, что проект Gem в Розамонде в округе Керн, Калифорния , обеспечит хранилище мощностью 500 МВт / 4000 МВт-ч. Проект Печо в Сан-Луис-Обиспо, Калифорния , планировался мощностью 400 МВт / 3200 МВт-ч. Проект Брокен-Хилл в Новом Южном Уэльсе , Австралия, имел мощность 200 МВт / 1600 МВтч.

В 2023 году Alliant Energy объявила о планах построить установку по производству сжатого CO2 мощностью 200 МВтч _на базе завода на Сардинии в округе Колумбия, штат Висконсин . Это будет первое мероприятие такого рода в США.

Энергетический запас сжатого воздуха может храниться в подводных пещерах Северной Ирландии .

Термодинамика хранения

Для достижения почти термодинамически обратимого процесса , при котором большая часть энергии сохраняется в системе и может быть восстановлена, а потери остаются незначительными, почти обратимый изотермический процесс или изоэнтропический процесс . желателен

Изотермическое хранилище

В процессе изотермического сжатия газ в системе поддерживается при постоянной температуре. Для этого обязательно требуется обмен теплотой с газом; в противном случае температура будет повышаться во время зарядки и падать во время разрядки. Этот теплообмен может быть достигнут с помощью теплообменников (промежуточного охлаждения) между последующими ступенями компрессора, регулятора и бака. Чтобы избежать потерь энергии, промежуточные охладители должны быть оптимизированы для обеспечения высокой теплопередачи и низкого перепада давления. Компрессоры меньшего размера могут приближаться к изотермическому сжатию даже без промежуточного охлаждения из-за относительно высокого отношения площади поверхности к объему камеры сжатия и, как следствие, улучшения отвода тепла от самого корпуса компрессора.

Когда достигается идеальное изотермическое хранение (и разгрузка), процесс называется «обратимым». Для этого необходимо, чтобы теплообмен между окружающей средой и газом происходил при бесконечно малой разнице температур. отсутствуют В этом случае потери эксергии в процессе теплопередачи , и поэтому работа сжатия может быть полностью восстановлена ​​как работа расширения: 100% эффективность хранения. Однако на практике в любом процессе теплопередачи всегда существует разница температур, поэтому эффективность любого практического хранения энергии составляет менее 100%.

Для оценки работы сжатия/расширения в изотермическом процессе можно предположить, что сжатый воздух подчиняется закону идеального газа :

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

Для процесса от начального состояния A до конечного состояния B с абсолютной температурой $T=T_{A}=T_{B}$ константа, можно найти, что работа, необходимая для сжатия (отрицательная) или совершаемая при расширении (положительная), равна

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

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

Здесь $p$ абсолютное давление , $V_{A}$ - (неизвестный) объем сжатого газа, $V_{B}$ - объем сосуда, $n$ - количество вещества газа (моль), а $R$ — идеальная газовая постоянная .

Если снаружи сосуда имеется постоянное давление, равное пусковому давлению $p_{A}$, положительная работа внешнего давления уменьшает полезную энергию (отрицательное значение). Это добавляет член к приведенному выше уравнению:

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

Пример

Сколько энергии может храниться на расстоянии 1 м? ³ резервуар для хранения под давлением 70 бар (7,0 МПа), если давление окружающей среды 1 бар (0,10 МПа)? В этом случае процесс работы

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

= 7,0 МПа × 1 м ³ × ln(0,1 МПа/7,0 МПа) + (7,0 МПа − 0,1 МПа) × 1 м ³ = −22,8 МДж.

Знак минус означает, что работа над газом совершается окружающей средой. Необратимость процесса (например, при теплопередаче) приведет к тому, что в процессе расширения будет восстановлено меньше энергии, чем требуется для процесса сжатия. Например, если окружающая среда имеет постоянную температуру, то термическое сопротивление в промежуточных охладителях будет означать, что сжатие происходит при температуре несколько выше температуры окружающей среды, а расширение будет происходить при температуре несколько ниже температуры окружающей среды. Таким образом, идеальную изотермическую систему хранения невозможно создать.

Адиабатическое (изоэнтропическое) хранение

Адиабатический процесс – это процесс, при котором отсутствует теплообмен между жидкостью и окружающей средой: система изолирована от теплопередачи. Если процесс, кроме того, внутренне обратим (без трения, в идеальном пределе), то он дополнительно будет изэнтропическим .

Адиабатическая система хранения исключает промежуточное охлаждение во время процесса сжатия и позволяет газу просто нагреваться во время сжатия и охлаждаться во время расширения. Это привлекательно, поскольку можно избежать потерь энергии, связанных с передачей тепла, но недостатком является то, что резервуар для хранения должен быть изолирован от потерь тепла. Следует также отметить, что реальные компрессоры и турбины не являются изоэнтропическими, а имеют изоэнтропический КПД около 85%. В результате эффективность хранения энергии в обоих направлениях для адиабатических систем также значительно ниже идеальной.

Термодинамика большой системы хранения

В системах хранения энергии часто используются большие пещеры. Это предпочтительная конструкция системы из-за очень большого объема и, следовательно, большого количества энергии, которую можно сохранить при лишь небольшом изменении давления. Газ сжимается адиабатически с небольшим изменением температуры (приближаясь к обратимой изотермической системе) и потерями тепла (приближаясь к изэнтропической системе). Это преимущество сочетается с низкой стоимостью строительства системы хранения газа и использованием подземных стен для сдерживания давления. Пространство пещеры можно изолировать для повышения эффективности.

Были предложены подводные изолированные подушки безопасности, термодинамические свойства которых аналогичны термодинамическим свойствам большого хранилища в пещере.

Применение в транспортных средствах

Основная статья: Пневматический автомобиль

Практические ограничения в транспортировке

Чтобы использовать накопление воздуха в транспортных средствах или самолетах для практического наземного или воздушного транспорта, система хранения энергии должна быть компактной и легкой. Плотность энергии и удельная энергия — это технические термины, которые определяют эти желаемые качества.

Удельная энергия, плотность энергии и эффективность

Как объяснялось выше в разделе термодинамики хранилища газа, сжатый воздух нагревает его, а расширение охлаждает. Таким образом, практические воздушные двигатели требуют теплообменников, чтобы избежать чрезмерно высоких или низких температур, и даже в этом случае они не достигают идеальных условий постоянной температуры или идеальной теплоизоляции.

Тем не менее, как указано выше, полезно описать максимальную сохраняемую энергию в изотермическом случае, которая составляет около 100 кДж/м. ³ ( PA _{[ ln} / PB ₎ ].

Таким образом, если 1,0 м ³ воздуха из атмосферы очень медленно сжимается в бутыль емкостью 5 л при давлении 20 МПа (200 бар), тогда запасенная потенциальная энергия составляет 530 кДж. Высокоэффективный пневматический двигатель может преобразовать это в кинетическую энергию, если он работает очень медленно и ему удается расширить воздух от первоначального давления 20 МПа до 100 кПа (бутылка полностью «пустая» при атмосферном давлении). Достижение высокого КПД является технической задачей как из-за потерь тепла в окружающую среду, так и из-за невосстановимого внутреннего тепла газа. Если бутылку, указанную выше, опорожнить до давления 1 МПа, то извлекаемая энергия на валу двигателя составит около 300 кДж.

Стандартная стальная бутыль объемом 5 л, рассчитанная на давление 20 МПа, имеет массу 7,5 кг, а улучшенная — 5 кг. Высокопрочные волокна , такие как углеродное волокно или кевлар, могут весить менее 2 кг в этом размере, что соответствует законодательным нормам безопасности. Один кубический метр воздуха при 20 °C имеет массу 1,204 кг при стандартных температуре и давлении . Таким образом, теоретическая удельная энергия составляет примерно от 70 кДж/кг на валу двигателя для простой стальной бутылки до 180 кДж/кг для усовершенствованной бутылки с волоконной обмоткой, тогда как практически достижимая удельная энергия для тех же контейнеров будет составлять от 40 до 100 кДж. /кг.

Безопасность

Как и большинство технологий, сжатый воздух имеет проблемы с безопасностью, главным образом, катастрофический разрыв резервуара. Правила безопасности делают это редким явлением за счет большего веса и дополнительных функций безопасности, таких как предохранительные клапаны. Нормативные акты могут ограничивать допустимое рабочее давление до менее 40 % давления разрыва для стальных бутылок (при коэффициенте безопасности 2,5) и менее 20 % для бутылок с волокнистой обмоткой ( коэффициент безопасности 5). Коммерческие проекты соответствуют стандарту ISO 11439 . Баллоны высокого давления достаточно прочны и обычно не разрываются при авариях транспортных средств.

Сравнение с аккумуляторами

сравнимы с перезаряжаемой свинцово-кислотной батареей Усовершенствованные армированные волокном бутылки по плотности энергии . Аккумуляторы обеспечивают почти постоянное напряжение на всем уровне заряда, тогда как давление сильно варьируется при использовании сосуда под давлением от полного до пустого. Технически сложно спроектировать воздушные двигатели, обеспечивающие высокую эффективность и достаточную мощность в широком диапазоне давлений. Сжатый воздух может передавать мощность с очень высокими скоростями потока, что отвечает основным задачам ускорения и замедления транспортных систем, особенно для гибридных транспортных средств .

Системы сжатого воздуха имеют преимущества перед обычными батареями, включая более длительный срок службы сосудов под давлением и меньшую токсичность материалов. Новые конструкции аккумуляторов, например, основанные на литий-железо-фосфатном химическом составе, не страдают ни от 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 стоят дороже, чем аккумуляторы массового производства.

Как и в случае с технологией хранения электроэнергии, сжатый воздух настолько «чист», насколько «чист» источник энергии, которую он хранит. Оценка жизненного цикла рассматривает вопрос общих выбросов от данной технологии хранения энергии в сочетании с данным сочетанием выработки в энергосистеме.

Двигатель

Основная статья: Пневматический двигатель

Пневматический двигатель или двигатель на сжатом воздухе использует расширение сжатого воздуха для приведения в движение поршней двигателя, вращения оси или вращения турбины .

Следующие методы могут повысить эффективность:

• Турбина непрерывного расширения с высоким КПД
• Несколько этапов расширения
• Использование отработанного тепла, особенно в гибридного теплового двигателя. конструкции
• Использование тепла окружающей среды

В высокоэффективной конструкции последовательно используются поршни высокого, среднего и низкого давления, причем за каждой ступенью следует трубка Вентури с продувкой воздухом, которая всасывает окружающий воздух через воздухо-воздушный теплообменник . Это нагревает выхлоп предыдущей ступени и пропускает предварительно нагретый воздух на следующую ступень. Единственным выхлопным газом каждой ступени является холодный воздух, температура которого может достигать -15 °C (5 °F); холодный воздух можно использовать для кондиционирования воздуха в автомобиле.

Дополнительное тепло можно получить за счет сжигания топлива, как это было в 1904 году для торпеды Уайтхеда . Это увеличивает дальность полета и скорость, доступную для данного объема бака, за счет дополнительного топлива.

Автомобили

Основные статьи: Пневматический автомобиль и Пневматический автомобиль.

Примерно с 1990 года несколько компаний заявили, что разрабатывают автомобили на сжатом воздухе, но ни одна из них не доступна. Как правило, основными заявленными преимуществами являются отсутствие загрязнения обочин, низкая стоимость, использование растительного масла для смазки и встроенное кондиционирование воздуха.

Время, необходимое для заправки пустого бака, важно для транспортных средств. «Передача объема» практически мгновенно перемещает предварительно сжатый воздух из стационарного бака в бак автомобиля. Альтернативно, стационарный или бортовой компрессор может сжимать воздух по требованию, на что может потребоваться несколько часов.

Корабли

Большие судовые дизельные двигатели начали использовать сжатый воздух, обычно хранящийся в больших баллонах под давлением от 20 до 30 бар, который воздействует непосредственно на поршни через специальные пусковые клапаны, поворачивая коленчатый вал перед началом впрыска топлива. Эта конструкция более компактна и дешева, чем электростартер в таких масштабах, и способна обеспечить необходимый импульс чрезвычайно высокой мощности, не создавая непомерно высокой нагрузки на электрические генераторы и систему распределения корабля. Сжатый воздух при более низком давлении также обычно используется 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 от запасенного сжатого воздуха, могут продолжать работать бесперебойно, а генераторы могут быть перезапущены без электропитания. Во-вторых, пневматические инструменты можно использовать в обычно влажных средах без риска поражения электрическим током.

Гибридные автомобили

Основная статья: Гидравлический гибридный автомобиль

Хотя система хранения воздуха обеспечивает относительно низкую удельную мощность и запас хода, ее высокая эффективность привлекательна для гибридных автомобилей, которые используют обычный двигатель внутреннего сгорания в качестве основного источника энергии. Хранение воздуха можно использовать для рекуперативного торможения и для оптимизации цикла поршневого двигателя, который не одинаково эффективен на всех уровнях мощности/об/мин.

Bosch и PSA Peugeot Citroën разработали гибридную систему, в которой гидравлика используется для передачи энергии в бак со сжатым азотом и обратно. Заявлено снижение расхода топлива до 45%, что соответствует 2,9 л/100 км (81 миль на галлон, 69 г CO ₂ /км) в новом европейском ездовом цикле (NEDC) для такого компактного автомобиля, как Peugeot 208 . Утверждается, что эта система гораздо более доступна по цене, чем конкурирующие электрические системы KERS и маховики , и ожидается, что к 2016 году она появится на дорожных автомобилях.

История воздушных двигателей

Локомотив со сжатым воздухом производства HK Porter, Inc. , использовавшийся на шахте Хоумстейк с 1928 по 1961 год.

Пневматические двигатели использовались с 19-го века для приведения в действие шахтных локомотивов , насосов, буровых установок и трамваев посредством централизованного распределения на уровне города. Гоночные автомобили используют сжатый воздух для запуска двигателя внутреннего сгорания (ДВС), а большие дизельные двигатели могут иметь пусковые пневматические двигатели .

Типы систем

Гибридные системы

Двигатели с циклом Брайтона сжимают и нагревают воздух с помощью топлива, подходящего для двигателя внутреннего сгорания . Например, сжигание природного газа или биогаза нагревает сжатый воздух, а затем обычный газотурбинный двигатель или задняя часть реактивного двигателя расширяет его для производства работы.

Пневматические двигатели могут заряжать электрическую батарею . Очевидно несуществующая компания Energine продвигала свою систему Pne-PHEV или пневматическую подключаемую гибридную электромобильную систему.

Существующие гибридные системы

Ханторф, Германия, в 1978 году, и Макинтош, Алабама , США, в 1991 году ввели в эксплуатацию гибридные электростанции. Обе системы используют внепиковую энергию для сжатия воздуха и сжигают природный газ в сжатом воздухе на этапе выработки электроэнергии.

Будущие гибридные системы

Парк хранимой энергии Айовы (ISEP) использовал бы хранилище водоносного горизонта , а не хранилище пещер. ISEP представлял собой инновационный проект по хранению энергии на сжатом воздухе (CAES) мощностью 270 мегаватт и стоимостью 400 миллионов долларов США, предложенный к вводу в эксплуатацию недалеко от Де-Мойна, штат Айова, в 2015 году. По данным компании, проект был прекращен после восьми лет разработки из-за геологических ограничений площадки. в Министерство энергетики США.

Дополнительные объекты находятся в стадии разработки в Нортоне, штат Огайо . FirstEnergy , электроэнергетическая компания из Акрона, штат Огайо , получила права на разработку проекта Norton мощностью 2700 МВт в ноябре 2009 года.

Проект RICAS2020 пытается использовать заброшенную шахту для адиабатической CAES с рекуперацией тепла. Тепло сжатия сохраняется в секции туннеля, заполненной сыпучими камнями, поэтому сжатый воздух при входе в основную камеру хранения давления практически охлаждается. Холодный сжатый воздух возвращает тепло, накопленное в камнях, при выпуске обратно через наземную турбину, что приводит к повышению общей эффективности. Двухэтапный процесс имеет теоретически более высокий КПД около 70%.

Подводное хранилище

Сумка/бак

Глубокие воды в озерах и океане могут обеспечить давление без необходимости использования сосудов высокого давления или бурения. Воздух поступает в недорогие гибкие контейнеры, такие как пластиковые пакеты. К препятствиям относятся ограниченное количество подходящих мест и необходимость прокладки трубопроводов высокого давления между поверхностью и контейнерами. Учитывая низкую стоимость контейнеров, большое давление (и большая глубина) может быть не таким важным. Ключевым преимуществом таких систем является то, что давление загрузки и нагнетания является постоянной функцией глубины. Неэффективность Карно можно повысить за счет использования нескольких ступеней зарядки и сброса, а также использования недорогих источников и поглотителей тепла, таких как холодная вода из рек или горячая вода из солнечных прудов .

гидроэлектростанция

Почти изобарное решение возможно при использовании сжатого газа для привода гидроэлектростанции . Для этого решения требуются большие резервуары под давлением на суше (а также подводные подушки безопасности). Газообразный водород является предпочтительной жидкостью, поскольку другие газы страдают от значительного гидростатического давления даже на относительно небольших глубинах (~ 500 метров).

Европейская электроэнергетическая компания E.ON выделила 1,4 миллиона евро (1,1 миллиона фунтов стерлингов) на разработку подводных мешков для хранения воздуха. Компания Hydrostor в Канаде разрабатывает коммерческую систему подводных аккумуляторов для хранения энергии сжатого воздуха мощностью от 1 до 4 МВт.

Буй

поступает избыточная энергия ветра Когда из морских ветряных турбин , привязанный к катушке буй можно опустить под поверхность. Когда потребность в электроэнергии возрастает, бую позволяют подняться к поверхности, вырабатывая энергию.

Почти изотермическое сжатие

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

Разрабатывается ряд методов близкоизотермического сжатия. В компании Fluid Mechanics имеется система с теплопоглощающей и отводящей структурой (HARS), прикрепленной к поршню, совершающему возвратно-поступательное движение. Light Sail впрыскивает водяную струю в возвратно-поступательный цилиндр. SustainX использует смесь воздушно-водной пены внутри полуиндивидуального компрессора/расширителя со скоростью 120 об/мин. Все эти системы обеспечивают сжатие воздуха с высокой температуропроводностью по сравнению со скоростью сжатия. Обычно эти компрессоры могут работать со скоростью до 1000 об/мин. Для обеспечения высокой температуропроводности среднее расстояние молекулы газа от теплопоглощающей поверхности составляет около 0,5 мм. Эти почти изотермические компрессоры также могут использоваться в качестве почти изотермических детандеров и разрабатываются для повышения эффективности работы CAES.

См. также

• Альтернативный топливный автомобиль
• Беспожарные локомотивы
• Сетевое хранилище энергии
• Гидравлический аккумулятор
• Список энергоаккумулирующих электростанций
• Пневматика
• Автомобиль с нулевым уровнем выбросов
• Криогенное хранилище энергии
• Пневматический двигатель

Внешние ссылки

• Система сжатого воздуха Парижа - 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 оказаться не чем иным, как пустым звуком ( Сандийские национальные лаборатории , Министерство энергетики ).
• Статья MSNBC « Города будут хранить энергию ветра для дальнейшего использования» , 4 января 2006 г.
• Хранение энергии: захваченный ветер
• Ловля ветра в бутылке Группа коммунальных предприятий Среднего Запада строит электростанцию, которая будет хранить излишки энергии ветра под землей.
• Статья в New York Times: Технология; Использование сжатого воздуха для хранения электроэнергии
• Хранение энергии сжатого воздуха, энтропия и эффективность