Хранение рекуперированной энергии таким образом, чтобы ее можно было легко использовать по мере необходимости, является одной из основных задач энергоснабжения будущего.
Многочисленные проекты, в рамках которых уже проходят испытания различные типы аккумуляторов, открывают многообещающие перспективы сохранения больших объёмов экологически чистая энергия и мгновенного её использования при необходимости. Недостаток ветряных и солнечных электростанций состоит в том, что их производительность зависит от погоды. Эту нестабильность в производстве электричества можно компенсировать с помощью систем хранения энергии, что дает дополнительный импульс глобальному расширению использования регенеративных электростанций. При этом криогенные системы хранения могут оказаться настоящим прорывом. В них в качестве энергоносителя используется низкотемпературный жидкий воздух, и они отвечают самым важным требованиям с точки зрения эффективности, то есть по соотношению полезной и поставляемой энергии.
В вопросе хранения энергии основное внимание уделяется нескольким проблемам, которые влияют на КПД системы хранения энергии:
• Для преобразования рекуперированной энергии в энергоноситель требуется дополнительная энергия. Эта потребность должна быть как можно меньше.
• Потери энергии, возникающие в процессе преобразования и обратного преобразования энергоносителя, также должны быть минимальными.
• Сами системы должны быть экономичными в производстве, установке и эксплуатации.
• Следует избегать транспортных потерь из-за слишком длинный магистралей энергоснабжения. Сами хранилища должны быть максимально компактными, чтобы население воспринимало их как можно более позитивно. В целом, эффективность систем хранения энергии зависит от того, насколько они близки к своим потребителям.
Как работает криогенное хранилище?
Вырабатываемая энергия, например энергия ветра или солнца, используется для охлаждения воздушного энергоносителя до чрезвычайно низких температур. При этом воздух сжижается, что сопровождается значительным уменьшением его объема. В таком агрегатном состоянии воздух может храниться в чрезвычайно холодных криогенных резервуарах.
Когда жидкий воздух снова нагревается, он при достижении первоначального газообразного агрегатного состояния, расширяется с большой силой. Эта энергия может использоваться для привода турбин, вырабатывающих электричество.
Конструкция криогенного хранилища
Система состоит из трех основных компонентов:
1. загрузочная установка, в которой воздух сжимается и сжижается путем охлаждения до минус 190 градусов Цельсия,
2. холодильная камера и
3. разгрузочная установка с турбинами.
Когда требуется электричество, насос воздействует давлением на жидкий воздух, делая его теплым, а сила расширения приводит в движение подключенные электрические турбины.
Простота представленной технологической процедуры обуславливается тем, что сама конструкция системы действительно не слишком сложная. Более того, она работает с использованием материалов и компонентов, которые уже были испытаны в других промышленных областях. Поскольку для активации накопителя энергии требуется только тепло, эффективность криогенной системы накопления энергии может быть значительно оптимизирована. В частности, в качестве источника тепловой энергии, необходимой для преобразования жидкого воздуха обратно в газ, можно использовать, например, отработанное тепло промышленных предприятий.
Кроме того, аккумулирующие резервуары различных объёмов можно без труда устанавливать именно там, где есть потребность в хранении энергии и существуют оптимальные условия для использования существующего отработанного тепла из других систем.
Криогенное хранение как дальнейшее развитие технологии насосного аккумулирования
Криогенное хранение энергии основано на процессе, аналогичном технологии насосного аккумулирования, которая, однако, успешно используется в значительно более сложной форме только в двух местах по всему миру. В Германии насосно-аккумулирующая станция была введена в эксплуатацию в Хунторфе (Нижняя Саксония) в конце 1970-х годов, и она работает до сих пор в качестве промежуточного накопителя энергии, чтобы компенсировать колебания спроса. Примечательно, что в качестве резервуаров для сжатого воздуха там служат две соляные пещеры, простирающиеся на глубину до 800 метров. Аналогичная насосно-аккумулирующая электростанция находится в американском Макинтоше, штат Алабама. Обе электростанции отличаются от криогенного процесса тем, что сжимают воздух в значительно меньшей степени, а это значит, что мощность, рекуперируемая для электрических турбин, соответственно меньше. Тем не менее, в подземных пещерах вполне достаточно места, чтобы достигать высокой номинальной производительности. В Хунторфе этот параметр составляет не менее 300 мегаватт.
Однако криогенный процесс имеет решающее преимущество по сравнению с "традиционной" технологией насосного аккумулирования, а именно: он не зависит от места, где могут быть обнаружены естественные условия аккумулирования энергии.
В принципе, криогенное хранение вполне перспективно и для приводных устройств в транспортных средствах, если они, конечно, по-прежнему будут играть роль в будущем. Криогенные системы хранения энергии, безусловно, могут заменить и водородную технологию для топливных элементов. Впрочем, в Германии многие эксперты видят будущее автомобиля в электродвигателе. Электромобили уже сегодня имеют вполне впечатляющий запас хода, и в конечном итоге они могут заявить о себе как о победителе в гонке за технологиями двигателей будущего, тем более, что классические аккумуляторы тоже развиваются.
Как бы то ни было, по мере роста глобального энергопотребления всё более остро встаёт вопрос в развитии технологии хранения электроэнергии. И в этой области криогенные технологии могут оказаться совершенно незаменимыми.