В глобалния преход към чиста енергия променливите възобновяеми източници като слънчева и вятърна енергия предлагат огромен потенциал, но представляват и големи предизвикателства. Тяхната периодичност-обусловена от времето, дневните-нощни цикли и сезонните вариации-често води до ограничаване (загубена енергия) или нестабилност на мрежата. Съхраняване на енергия под сгъстен въздух (CAES) е зряло,-мащабно решение, което преобразува излишното електричество в сгъстен въздух за съхранение и го освобождава при поискване за генериране на енергия, като ефективно абсорбира и използва вятърна и слънчева енергия, като същевременно осигурява стабилност и баланс на мрежата.
CAES съхранява електрическата енергия като механичен потенциал чрез компресиране на въздух, позволявайки продължителност на съхранение от часове до седмици с минимални загуби. Когато е необходимо, сгъстеният въздух се освобождава за задвижване на турбини и генериране на електричество. Тази технология е особено-подходяща за широко-мащабно,-продължително-съхраняване, трансформиране на периодични възобновяеми източници в надеждно захранване с възможност за изпращане, което отговаря на-денонощните-изисквания на мрежата.
Основна технология и принципи
Ядрото на CAES се крие в термодинамиката на компресията и разширението на газа. Въздухът се нагрява по време на компресия и се охлажда по време на разширение. Високата ефективност зависи от ефективното управление на топлината:
Конвенционален (диабатичен) CAES: Топлината от компресията се разсейва чрез междинни охладители, а горивото (обикновено природен газ) се използва за повторно загряване на въздуха преди разширяване. Ефективността-на отиване и връщане обикновено е 40–55%.
Разширено адиабатично CAES (AA-CAES): Компресионната топлина се улавя и съхранява в системи за съхранение на топлинна енергия (TES)-като опаковани каменни легла, разтопена сол или термално масло-за повторна употреба по време на разширяване. Ефективността достига 70% или повече без консумация на изкопаеми горива.
Изотермални/почти{0}}изотермични CAES: Усъвършенстваните топлообменници или водни спрейове поддържат почти-постоянни температури по време на компресия и разширение, с теоретична ефективност от 80–95% в системи за разработване.
Съвременните CAES инсталации работят при налягания от 4–7 MPa (40–70 бара) и разчитат на закона за идеалния газ за съхранение на енергия. За разлика от батериите, CAES се отличава с дълги-продължителни приложения с гигаватов-мащаб с незначително влошаване в продължение на десетилетия.
Ключово оборудване и компоненти
Типично CAES съоръжение се състои от:
Компресори: Много{0}}стъпални електрически турбо-компресори, задвижвани от излишък от електричество, които нагнетяват околния въздух с помощта на ниско- и високо-налягане с междинно охлаждане.
Въздушно съхранение: Подземни пещери (солни куполи, изчерпани газови находища или водоносни хоризонти) или-изкуствени съдове с висока{1}}наземна плътност (като тръбни решетки). Солните пещери са предпочитани поради тяхната непропускливост и устойчивост-на цикличност на налягане на дълбочини от 300–1500 метра.
Система за управление на топлината(в усъвършенствани дизайни): Топлообменници и TES единици, които улавят и съхраняват топлината на компресията.
Разширители/турбини и генератори: Турбо{2}}разширители с високо{0}} и ниско{1}}налягане, свързани с генератори. Конвенционалните системи използват горивна камера за повторно нагряване; усъвършенстваните адиабатни системи използват повторно TES топлина.
Спомагателни системи: Контроли на налягането, двупосочни двигатели/генератори и оборудване за взаимно свързване на мрежата.
|
не |
Име на оборудването |
Основна функция |
Технически характеристики и принципи |
Поддържащо описание на илюстрация |
|
1 |
Компресори |
Електрическа-фаза на зареждане: преобразува излишното електричество в-потенциална енергия на сгъстен въздух |
Много{0}}стъпални електрически турбо{1}}компресори (аксиални или центробежни), работещи при 4–7 MPa (40–70 бара), оборудвани с междинни охладители и системи за-рекуперация на топлина; задвижванията с променлива-скорост позволяват бърза реакция на възобновяеми колебания |
Цялостно оформление на системата, подчертаващо компресорната линия |
|
2 |
Системи за съхранение на въздух |
Дълго{0}}продължително съхранение на сгъстен въздух (часове до седмици) |
Подземни солни пещери (300–1500 m дълбочина) или високо{3}}гъстота над-наземни тръбопроводни-съдове; проектирани за повтарящи се цикли на налягане с почти-нулево изтичане |
Диаграма на напречно-сечение, показваща както подземна пещера, така и повърхностен термичен{1}}интерфейс за управление |
|
3 |
Системи за управление на топлината и съхранение на топлинна енергия (TES). |
Улавяне, съхраняване и повторно използване на компресираната топлина за висока{0}}ефективност,-без гориво работа |
Топлообменници (HX1/HX2), съчетани с TES среда (керамични легла, разтопена сол или термално масло), съхраняващи топлина до 600 градуса; възстановяването по затворен-контур постига-ефективност на отиване и връщане над 70 % |
Схема на -фазата на топлинния-поток на зареждане + пълна диаграма за интегриране на системата |
|
4 |
Разширители, турбини и генератори |
Електрическа централа в-фаза на разреждане: преобразува съхранения сгъстен въздух в електричество |
Много{0}}стъпални турбо{1}}разширители (високо- и ниско-налягане), директно свързани към синхронни генератори; пълното натоварване се достига за по-малко от 10 минути с нулеви горивни емисии при усъвършенствани конструкции |
Снимка на-разширител-генератор в реалния свят |
|
5 |
Спомагателни системи |
Осигурете безопасна, ефективна работа на инсталацията и интеграция в мрежата |
Клапани-за контрол на налягането, двупосочни двигатели-генератори, SCADA мониторинг, разпределителна апаратура на мрежата, охладителни кули и обширни тръбопроводни мрежи |
Вътрешен изглед на турбинна зала, показващ интегрирани тръбопроводи и електрически системи |
Модулният дизайн на CAES позволява независимо оптимизиране на капацитета за компресиране, съхранение и разширяване, осигурявайки оперативна гъвкавост, несравнима с много други технологии за съхранение.
Оперативни процеси
CAES работи в две основни фази:
Фаза на зареждане (компресия).: По време на периоди на висока мощност от възобновяеми източници или ниско търсене, излишъкът от електроенергия задвижва компресорите. Въздухът се компресира на няколко етапа (нагряване), охлажда се и се инжектира в хранилището. При усъвършенстваните адиабатни системи извлечената топлина се съхранява в ТЕС.
Фаза на разреждане (разширяване/генериране).: Когато пиковете на търсенето или възобновяемите източници са недостатъчни, сгъстеният въздух се освобождава, предварително се загрява (използвайки топлина от TES или допълнително гориво), разширява се през турбини, за да задвижва генератори, и се изпуска като по-хладен въздух. Системата може да достигне пълно натоварване за по-малко от 10 минути, което я прави идеална за балансиране на мрежата, регулиране на честотата и въртящи се резерви.
Растенията могат да се движат ежедневно или сезонно с много ниски -скорости на саморазреждане. Утвърдени примери за-мащаб на полезност включват централата Huntorf в Германия (321 MW, работеща от 1978 г.) и централата McIntosh в Съединените щати (110 MW, от 1991 г.).
Казус от реален-свят: 100 MW усъвършенстван демонстрационен проект за съхранение на енергия със сгъстен въздух
Като водещ пример за успешно изпълнение на проект CAES, 100 MW усъвършенстван национален демонстрационен проект за съхранение на енергия със сгъстен въздух в Китай демонстрира зрелостта на технологията и широкомащабния-потенциал за приложение. Разработена под ръководството на Института по инженерна термофизика, Китайската академия на науките, това е първата в света усъвършенствана CAES станция от клас 100 MW-и в момента най-голямата и най-високо{5}}ефективна усъвършенствана CAES инсталация в експлоатация.
Подробности за системната конфигурация:
Капацитет: 100 MW изходна мощност / 400 MWh съхранение на енергия.
Тип технология: Усъвършенстван адиабатен CAES (AA-CAES), включващ суперкритично съхранение на топлина, свръхкритичен топлообмен, високо-компресиране/разширяване при натоварване и пълна системна интеграция-напълно елиминираща зависимостта от изкопаеми горива.
Метод на съхранение: Съдове за-изкуствено съхранение на въздух с висока плътност (дизайн с-тръбна решетка), увеличаване на енергийната плътност и намаляване на зависимостта от големи подземни пещери.
Ефективност: Двупосочна{0}}ефективност от 70,4%.
Параметри на производителност: Годишното производство надхвърля 132 милиона kWh, достатъчно за задоволяване на пиковото търсене на електроенергия за приблизително 50 000 домакинства; спестява 42 000 тона стандартни въглища и намалява емисиите на CO₂ с около 109 000 тона годишно.
Ключово оборудване: Много{0}}стъпални компресори, турбинни разширители/генераторни комплекти, суперкритична TES система за термално съхранение и-тръби под високо{2}}налягане резервоари за съхранение.
Местоположение: окръг Guyuan, град, провинция Хъбей, в рамките на индустриалния парк за облачни изчисления Miaotan; заема приблизително 5,7 хектара. Проектът беше свързан-с мрежата през 2022 г. и влезе в подготовка за търговска експлоатация.
Този проект демонстрира способността ни да изпълняваме успешно широко{0}}мащабни CAES инициативи чрез възстановяване на топлината от компресия, оптимизиране на управлението на топлината и използване на модулен дизайн за преодоляване на традиционните ограничения в ефективността, зависимостта от гориво и избора на място. Той предоставя ценно инженерно валидиране-в реалния свят и мащабируем модел за глобална интеграция на възобновяема енергия.
Как CAES улеснява ефективното усвояване и използване на вятърна и слънчева енергия
Променливостта на вятърната и слънчевата енергия често води до излишък на електроенергия, който не може да бъде напълно усвоен от мрежата. CAES служи като "амортисьор" за мрежата, адресирайки директно този проблем:
Поглъщане на излишната мощност: По време на силни ветрове или пикова слънчева радиация, излишната енергия се използва за компресиране и съхраняване на въздух под земята, предотвратявайки ограничаване.
Изглаждане на изхода: CAES отделя генерирането от потреблението, освобождавайки съхранената енергия по време на спокойни периоди или след залез слънце, за да достави стабилна, предвидима мощност.
Стабилност и интеграция на мрежата: Неговата бърза реакция поддържа регулиране на честотата, контрол на напрежението и услуги за-старт в черно. Вятър-слънчеви-хибридни системи CAES създават инсталации с „виртуално базово натоварване“, като намаляват зависимостта от пиковите-изкопаеми горива.
Икономически и екологични ползи: CAES значително намалява разходите за съхранение, подобрява степента на използване на възобновяеми източници и намалява въглеродните емисии (особено в усъвършенствани адиабатични конфигурации). Той е особено конкурентен за широко{1}}мащабна, дългосрочна-интеграция с възобновяема енергия.
Съвместното -локиране на CAES с вятърни паркове или слънчеви станции оптимизира преносната инфраструктура и отключва допълнителни приходи чрез енергиен арбитраж, пазари на капацитет и спомагателни услуги.
С поглед напред: CAES като крайъгълен камък на електроцентралите за възобновяема енергия
CAES еволюира от началото си през 70-те години на миналия век в гъвкава, дълготрайна-технология за съхранение с гигават-час-потенциал. Усъвършенстваните адиабатични и изотермични варианти елиминират изцяло използването на изкопаеми горива, съгласувайки се перфектно с нетните-цели за нула. Неговата мащабируемост и географска адаптивност (където съществува подходяща геология) позволяват преобразуването на периодични вятърни и слънчеви ресурси в надеждно електричество с висока -стойност.
Успешни проекти като потвърждават, че CAES технологията е напълно готова за-разгръщане в комерсиален мащаб. Чрез приемането на CAES секторът на възобновяемата енергия може да преодолее най-голямото си предизвикателство-променливост-като ускори прехода към чиста енергия и осигури икономическа устойчивост и енергийна сигурност на комуналните услуги, индустриите и общностите по целия свят. Текущите проекти в Китай и в международен план сигнализират, че интегрираните вятърни-слънчеви-електрически централи CAES вече не са визия, а настояща реалност-доставяща чиста електроенергия с възможност за изпращане, когато и където е необходима.
