Установка зберігання енергії на стисненому повітрі — виріб, призначений для зберігання енергії за рахунок стисненого повітря.
Загальний опис Установка зберігання енергії на стисненому повітрі зазвичай використовується у електромережах для відбору надлишків енергії з електромережі у період низького навантаження та живлення споживачів у період пікового навантаження.Wild, Matthew, L. Wind Drives Growing Use of Batteries , New York Times, July 28, 2010, pp.B1. Завод працює у добовому циклі, закачуючи повітря вночі та випускаючи вдень. Підігрівання стисненого повітря з використанням природного газу або геотермального тепла для збільшення кількості енергії вивчалось Pacific Northwest National Laboratory Маломасштабні системи сховищ енергії на стисненому повітрі також використовуються для руху транспорту або запуску двигунів внутрішнього згорання. Сховище енергії на стисненому повітрі також можуть бути використані у меншому масштабі для автомобілів та локомотивів з пневмодвигунами з використанням міцних балонів з вуглеволокна. Тим не менше для збереження енергії балон повинен бути ізольований від оточуючого середовища для уникнення втрат енергії з теплом, яке виділяється при стисненні повітря.
Типи При стисканні повітря у відповідності до рівняння стану ідеального газу нагрівається, а при розширенні стиснене повітря відповідно охолоджується. Якщо тепло, яке виділяється при стисканні зберігати певним чином і використати для підігріву повітря, яке розширюється, то коефіцієнт корисної дії установки зберігання енергії на стисненому повітрі значно збільшиться.Gies, Erica. Global Clean Energy: A Storage Solution Is in the Air , International Herald Tribune, October 1, 2012. Retrieved from NYTimes.com website, March 19, 2013. За способом поводження з теплом, яке виділяється/споживається, установки зберігання енергії на стисненому повітрі поділяються на адіабатичні, діабатичні та ізотермічні.
Адіабатична Адіабатична установка зберігає тепло, вироблене при стисненні повітря, і використовує його для підігрівання повітря, яке розширюється для вироблення енергії. Сховища цього типу знаходяться на стадії дослідження і не перебувають у комерційній експлуатації. Але у ході проекта ADELE у Німеччині планується побудувати дослідний завод (ємність 360 МВт*год). Теоретичний ККД адіабатичної установки зберігання енергії наближається до 100 % при повній теплоізоляції, однак на практичному циклі очікується близько 70 %. Тепло може зберігатись у твердому тілі (камінь) або рідкому (гаряча мінеральна олія — до 300 °C, розплавлена сіль — до 600 °C).
Діабатичне Діабатична установка зберігання енергії розсіює тепло, отримане в результаті стиснення повітря, в атмосферу через проміжні охолоджувачі між ступенями компресорів (наближаючись таким чином до ізотермічного стиснення). При виході повітря з установки температура повітря є індикатором кількості енергії, яка залишається в установці. Якщо температура повітря в установці занадто низька, його підігрівають перед розширенням у турбіні, яка обертає генератор. Це підігрівання здійснюється за рахунок спалювання природного газу. Таким чином, тепло, «викинуте» в атмосферу, компенсується теплом, отриманим при спалюванні природного газу, що робить такий вид установок зберігання енергії неефективним і перекреслює екологічні вигоди від його використання разом з відновлюваними джерелами енергії. Тим не менше, це єдиний тип установок зберігання енергії, який вироблено для комерційної експлуатації. Установка на заводі McIntosh у Алабамі, США споживає 2,5 МДж електроенергії та 1,2 МДж теплової енергії від спалювання природного газу на 1 МДж, який повертається у електромережу. Таким чином ККД становить приблизно 27 %. Завод General Electric є одним з найефективніших і споживає 6,6 МДж тепла від спалювання природного газу на 1 КВт*год (3,6 МДж), яка повертається у електромережу. Тепловий ККД складає 54 %.
Ізотермічна Підхід ізотермічного стискання та розширення полягає у підтримці робочої температури постійною за рахунок обміну з оточуючим середовищем. Ізотермічна установка практична лише для малої кількості енергії без ефективних теплообмінників. Теоретичний ККД ізотермічної установки 100 % при ідеальному теплообміні. На практиці ідеальний цикл є недосяжним, оскільки втрат тепла уникнути неможливо.
Майже-ізотермічна Майже-ізотермічне стиснення (та розширення) — це процес, у якому повітря стискається у близькості до великої нестискаємої теплоємної маси, такої як акумулятор тепла або розпилена водаСжатый воздух лучше хранит энергию при смешивании с водой . Акумулятор тепла зазвичай складається з паралельних ребер. При проходженні стисненого повітря через акумулятор тепла тепло передається від повітря у акумулятор тепла, і температура повітря підтримується постійною. При розширенні відбувається зворотний процес. Ізотермічна ефективність (Z) це міра того наскільки процес лежить між адіабатичним (0 %) та ізотермічним (100 %) процесами. Типова ізотермічна ефективність майже-ізотермічної установки очікується на рівні 90-95 %.
Інші Одна з реалізацій ізотермічної установки використовує циліндри високого, середнього та низького тиску з теплообмінниками повітря-повітря або повітря-морська вода після кожного етапу розширення. Цей підхід використовується у транспортних засобах на стисненому повітрі, наприклад гірничих локомотивах та трамваях. У цьому випадку тепло від стискання повітря зберігається у атмосфері або морській воді і повертається пізніше при розширенні повітря.
Компресори та двигуни Стиснення здійснюється турбокомпресором з електричним живленням. Розширення здійснюється у турбінному пневмодвигуні, який обертає електричний генератор для вироблення електроенергії.
Сховище стисненого повітря Сховище стисненого повітря — одна з найважливіших характеристик, яка визначає економічну ефективність, щільність енергії та гнучкість. У залежності від термодинамічних умов сховища поділяються на: Сховища з постійним об'ємом (печери, надземні споруди, підземні водоносні горизонти, балони суден, автомобільних додатків, тощо); Сховища з постійним тиском (підводні контейнери тощо).
Сховище з постійним об'ємом Сховище цього типу використовує камеру з жорсткими стінами. З точки зору термодинаміки це система з постійним об'ємом і змінним тиском. Це створює деякі проблеми у роботі компресорів та турбін. Коливання тиску не повинні перевищувати певної межі щоб не утворювати перенапруження у стінках сховища.
Сховище часто є підземною печерою, створеною внаслідок видобутку солі розчиненнямhttp://www.answers.com/topic/solution-mining?cat=technology ; http://www.saltinstitute.org/12.html , або використанням закинутих підземних виробок, або пористих геологічних структур, таких, як резервуари нафти і газу.
У деяких випадках наземні трубопроводи були випробувані як сховища з непоганими результатами. Вартість цих систем вища, хоча вони можуть бути розміщені де потрібно, тоді як підземні сховища потребують особливих геологічних формацій (соляних печер, водоносних горизонтів, вичерпаних газових родовищ).
Сховище з постійним тиском У сховищі цього типу ємність знаходиться під постійним тиском, тоді як об'єм повітря, яке зберігається у ній, змінюється. Створено багато різновидів даних сховищ, але вони використовують єдиний принцип, який полягає у розміщенні ємності на глибині сотень метрів під водою, де гідростатичний тиск водяного стовпа підтримує тиск на ємність на бажаному рівні.
Сховище цього типу дозволяє: Збільшити щільність енергії за рахунок того, що використовується усе повітря, яке зберігається у ємності (тиск не залежить від заповненості ємності, тоді як у системах з постійним об'ємом турбіни вимикаються при досягненні нижнього рівня тиску з міркувань безпеки). Збільшити ефективність турбінних установок, які працюють під постійним вхідним тиском. Використовувати у різних географічних умовах (берегова лінія, плавучі платформи тощо)
З іншого боку вартість таких систем вища через необхідність розміщення ємності сховища під водою (часто моря або океану) та вартості самої ємності.
Термодинаміка установок Для отримання оборотності процесів, коли з установки отримується стільки ж енергії, скільки було вкладено, а втратами можна знехтувати, процеси повинні бути майже оборотними ізотермічними або ізоентропійними.
Ізотермічна установка У процесі ізотермічного стиснення повітря у системі температура повітря залишається незмінною на всьому шляху. Це потребує відведення тепла від повітря, бо у іншому випадку зросте його температура за рахунок енергії, доданої компресором. Відведення тепла може бути досягнуто за рахунок теплообмінників (інтеркулерів) між послідовними стадіями стиснення. Для уникнення втрат енергії інтеркулери повинні бути оптимізовані для швидкого теплообміну та низького падіння тиску при проходженні. Природно, що це тільки наближення до ізотермічного процесу, оскільки стадії стискання та охолодження дискретні. У деяких маленьких компресорах може бути досягнуто майже ізотермічне стиснення без проміжного охолодження за рахунок відносно високого співвідношення поверхні до об'єму і, як результат, покращення розсіювання тепла через сам компресор.
Для того, щоб процес був ізотермічним, він повинен бути оборотним. Для цього потрібно, щоб передача тепла між середовищем і повітрям відбувалась за нескінченно малої різниці температур. У цьому випадку не відбувається втрат енергії у процесі теплообміну, і вся енергія, витрачена на стиснення, буде повернута при розширенні, тобто ефективність установки є 100 %. Однак на практиці завжди існує різниця температур у процесі теплообміну, тому у практичної установки ефективність завжди менше 100 %.
Щоб оцінити роботу стиснення / розширення в ізотермічному процесі, можна припустити, що стиснене повітря підпорядковується рівнянню ідеального газу, .
Для процесу з початковим станом «А» та кінцевим «Б» з постійною абсолютною температурою , робота, яка потрібна для стиснення (негативна) або виконується при розширенні (позитивна), складає:,
де ,
отже, .
Тут, — абсолютний тиск, — об'єм ємності, — кількість повітря (моль) та — універсальна газова стала.
Приклад
Кількість енергії, яка може зберігатися у сховищі ємністю 1 м3 при тиску 70 атм. (7,0 МПа), якщо навколишній тиск становить 1 атм. (0,1 МПа):
= 7,0 МПа × 1 м3 × ln(0,1 МПа/7,0 МПа) = -29.7 МДж (еквівалентно 8,25 КВт*год).
Знак «мінус» означає, що робота виконується повітрям.
Адіабатична (ізоентропійна) установка Адіабатичний процес — це процес, у якому не відбувається теплообміну між робочим тілом (повітрям у сховищі) і навколишнім середовищем, тобто система теплоізольована. Якщо процес до того ж оборотний (в ідеалі гладкий, повільний і без тертя), то він ще є ізоентропійним. У адіабатичній установці відсутнє проміжне охолодження, а повітрю просто дозволяють нагріватись при стисненні і охолодитись при розширенні. Цей підхід є цікавим, тому що зникають втрати енергії на теплообмін, але з іншого боку сховище повітря повинне бути теплоізольоване. Також слід зазначити, що реальні компресори та турбіни не є ізоентропійними, їх ізоентропійна ефективність близько 85 %, наслідком чого є те, що ККД адіабатичної установки значно нижчий ідеального.
Термодинаміка великих сховищ Як сховища енергії на стисненому повітрі часто використовують підземні пустоти. Це найзручніша конструкція, оскільки завдяки великому об'єму дозволяє зберігати велику кількість енергії при незначній зміні тиску. Внутрішній простір підземних порожнин легко ізолювати, що дозволяє адіабатичне стиснення з малою зміною температури (наближення до оборотного ізотермічного процесу) і малими втратами тепла (наближення до ізоентропійного процесу). Ці переваги є додатковими до низької вартості спорудження системи зберігання повітря з використання підземних пустот.