Гигантские аккумуляторые электростанции

Пост опубликован: 3 июля, 2020

Промышленные способы хранения альтернативной энергии

Содержание статьи

Цикличность генерации – вот главная характеристика электричества из альтернативных источников. И хуже всего, что эти циклы не совпадают с пиками потребности. Например, днём солнечные панели генерируют больше всего энергии, но нужна она именно ночью. Для выравнивания перепадов между потреблением и генерацией, существуют огромные промышленные аккумуляторные станции.

Как сохраняют энергию

Незыблемый закон термодинамики гласит, что энергия не исчезает и не появляется, она только переходит из одной формы в другую. Некоторые из этих форм удобны в хранении, а другие удобны в транспортировке. Но за всем этим стоит эффективность в преобразовании и сбережении, которая и описывается как КПД системы.

То, что годится для частного дома, совсем не подходит при увеличении до мегамасштабов. В обратном приближении, при интеграции промышленных технологий в частный сектор, не все способы могут быть реализованы малыми средствами. Например, груз массой 8 тонн, поднятый на высоту 500 м, запасает всего около 10 КВт*ч электроэнергии. Но стоимость строительства будет колоссальной! Если массу груза увеличить в 1000 раз, то во столько же возрастёт и энергоёмкость, но стоимость проекта претерпит меньшие изменения (вырастет в 50-70 раз).

Поэтому есть несколько уже опробованных методик сохранения энергии, которые получили наибольшее распространение:

Гидроаккумулирующие станции;
Хранилища сжатого воздуха;
Аккумуляторные накопители;
Супермаховики;
Теплоаккумуляторы.

Отсутствие, или слабое развитие аккумуляторов энергии промышленного масштаба иногда приводит к парадоксальным эффектам. Например, в Германии, при особо сильных ветрах осенью 2008 и 2011 годов, выработка электричества на ветрогенераторах была насколько огромной, что консорциум принял решение сначала на бесплатную поставку электроэнергии в некоторые страны Европы, а затем даже начал доплачивать! И всё только для того, чтобы у них забрали часть уже полученной энергии.

Систематизацию всех мегахранилищ энергии удобнее всего провести по типу технологии. А так как в каждом сегменте будет множество разных площадок, то остановимся только на самых крупных.

1. Гидроаккумулирующие подстанции

Система ГАЭС (ГидроАккумулирующей ЭлектроСтанции) чрезвычайно проста и надёжна. Это две ёмкости с водой, расположенные на разной высоте. При избытке энергии, вода закачивается в верхнее хранилище, при её недостатке, она сливается и крутит лопасти генераторов. У первых таких проектов КПД не превышало 40%. Современные ГАЭС поддерживают КПД на уровне 75%. На 2018 год, в мире насчитывается более 500 таких аккумуляторов.

В России самой большой ГАЭС является Загорская Гидроаккумулирующая Станция. При полном заполнении верхнего водохранилища, Загорская ГАЭС может произвести около 5 миллионов КВт/ч электроэнергии.

Самой большой батареей в мире считается ГАЭС Бат Каунти, расположенная в штате Вирджиния, США. Перепад высот между верхним и нижним водоразделом 381 м, объём перекачиваемой воды почти 35 кубических километров! По расчётам, ГАЭС Бат Каунти хранит 24 ГигаВатт*ч энергии.

Интересно отметить, что избыток энергии для закачки воды в верхний бьеф получает не из альтернативных источников, а от ядерной электростанции. Ведь атомные электростанции чрезвычайно тяжело переводятся на режим уменьшения генерации.

2. Хранилища сжатого воздуха

Это самые первые варианты хранения избыточной энергии, и получили они своё распространение ещё в конце 19-го века. Правда, до второй половины 20-го века, сжатый воздух в основном использовался для передачи энергии. Например, в Париже, к началу 20-го века, было проложено более 50 км стальных труб, в которых воздух под давлением 5,5 Ат, передавал энергию для заводов, фабрик и небольших частных предприятий.

Но уже тогда были выпущены и работали даже паровозы на сжатом воздухе! Они до сих пор используются на пожароопасных участках.

В 1978 году, в Германии построили аккумулирующую воздушную установку в Хунторф. На ней, в две подземные полости, находящиеся на глубине 600 м, закачивают под давлением 100 ат. воздух. Общий объём двух подземных каверн оставшихся после добычи полезных ископаемых более 0,3 кубических километров! Таким образом, здесь запасено около 870 МВт*ч электроэнергии.

В США тоже имеется такая система сбережения энергии McIntosh. В ней одна подземная полость на глубине 450-750 метров, объёмом более 0,5 км³, в которой под давлением около 70 ат закачан воздух. Энергоёмкость системы McIntosh около 2860 МВт*ч.

Эффективность хранилищ сжатого воздуха достаточно сложно рассчитывается. Дело в том, что при сжатии газ нагревается, и для этого требуется энергия. А при расширении наоборот охлаждается, и его требуется согреть. Поэтому есть три типа таких хранилищ:

Адиабатическое – тепло сохраняется в подземных теплоаккумуляторах и потом используется для нагрева расширяющегося воздуха;
Диабатическое – тепло утилизируется на поверхности, сразу во время сжатия, а при расширении, для нагрева используют альтернативные источники энергии;
Изотермический – тепло сохраняется в рабочем теле.

Но на практике, реализованы только два крупномасштабных проекта, и оба работают по адиабатической схеме.

3. Аккумуляторные электростанции

В этой категории находятся электростанции, работающие на химических аккумуляторах всех типов. Учитывая, что их разновидностей достаточно много, просто остановимся на самых крупных из них:

Свинцово-кислотные АКБ – 52 МВт*ч, расположена в Австралии, возле поля ветрогенераторов озера Бонни;
Ультрабатареи – 3,7 МВт*ч, США, Пенсильвания. Это новая разновидность свинцово-кислотных аккумуляторов, в которых один корпус и один электролит совмещает и свинцовые пластины обычных АКБ, и электроды суперконденсаторов. При этом у них один общий катод и два анода. Ультрааккумуляторы почти не подвержены риску сульфатирования пластин при эксплуатации в жёстком режиме;
Литий-ионные аккумуляторы – 185 МВт*ч, Австралия, недалеко от Аделаиды. Проект Hornsdale Power Reserve прославился тем, что при подписании контракта, Илон Маск пообещал, если он не укомплектует 100% проектной мощности в течении 100 дней, то поставки будут бесплатными.

Илон Маск уложился в 63 дня.

Натрий-серные аккумуляторы – 648 МВт*ч, ОАЭ, Абу-Даби. В этих аккумуляторах очень высокая плотность энергии, но нормальная рабочая температура для них около 450˚C. Это делает их чрезвычайно пожароопасными.
Никель-кадмиевые батареи – 6,7 МВт*ч, Аляска, обслуживает город Форнбенкс.
Ванадиевая проточная батарея – более 800 МВт*ч, Китай, Далянь. Это самая большая химическая батарея в мире. Эксплуатируется с 2017 года. На этой же площадке, фирма производит эти аккумуляторы, как модульные блоки. Уникальность проточных накопителей энергии в том, что для их масштабирования достаточно просто увеличивать ёмкости с растворами, а при ежедневном разряде до 0%, срок службы составляет не менее 20 лет;
Натрий-никель-хлоридная батарея – 20 МВт*ч, Канада, о-в Принца Эдуарда. Этот аккумулятор, родственный натрий-серной батарее. Но он может храниться в заряженном состоянии, и в остывшем виде, т.е. при окружающей температуре. У них тоже очень высокая плотность энергии, поэтому такие батареи используют в американских ракетах Томагавк и Патриот;
Литий-железо-фосфатный АКБ – 36 МВт*ч, Китай, Хэбэй. Проект демонстрационный, но эффективно обслуживает солнечную электростанцию уже 4 года;
Литий-титанатный АКБ – 1 МВт*ч, Гавайи. Этот комплекс полностью запитан от солнечных электростанций;
Цинково-хлорная проточная батарея – 75 МВт*ч, США, Калифорния. Эти батареи, по принципу работы аналогичны ванадиевым, но у них более дешёвые реактивы. Проект называется Primus Power. Одним из ведущих инвесторов – РосНАНО (Российская Госкорпорация);

Есть ещё с десяток разных проектов, но их мощности не превышают 1 МВт*ч, и они считаются демонстрационными, или учебными, например как система никель-марганцево-кобальтовых АКБ, в университете Британской Колумбии, Ванкувер, Канада. Хотя его суммарная энергоёмкость чуть более 1 МВт*ч.

4. Супермаховики

Самые большие системы управляются фирмой Beacon Power, находятся в США, одна около Нью-Йорка, другая в Пенсильвании. Ёмкость каждой из них по 20 МВт*ч.

5. Тепловой аккумулятор

Эту хитрую комбинацию воплотили в Испании, район Андалусии. Огромное поле параболоцилиндрических концентраторов нагревают смесь нитратов калия и натрия до 500-550˚C. В расплавленном виде, эта соль храниться в огромных термоизолированных резервуарах. После захода Солнца, расплав нагревает воду, и перегретый пар вращает турбину. Общая энергоёмкость всех теплоаккумуляторов проекта Анадасол, составляет 1031 МВт*ч.

Аналогичный проект есть недалеко от Феникса, в штате Аризона. По проекту, после выхода на полную мощность, он сможет в виде тепла, аккумулировать около 1600 МВт*ч энергии.

А в Южно-Африканской Республике, таких хранилищ несколько, но их мощность варьируется от 100 до 450 МВт*ч.

Вероятно, Вам также понравятся следующие материалы:

Топливный элемент -Домашний топливный элемент – идеальное дополнение к альтернативному источнику энергии

Накопители водорода — Хранение водорода в бытовых условиях – опасная задача и хитрые решения

Энергия с отрицательным знаком и последние разработки

Есть ещё несколько масштабных проектов по хранению охлаждённой воды. Она используется для кондиционирования помещений в правительственных зданиях или учебных корпусах университетов в США. Например, в университете Орландо (Флорида) в виде охлаждённой воды сохраняют 24 МВт*ч энергии, а для административного комплекса в г. Роли (Северная Каролина), сберегают 20 МВт*ч энергии.

В Новосибирском Академгородке, разработали Твердотельный Гравитационный Накопитель Энергии. По внешнему виду это огромная башня, высотой около 300 м. Внутри неё находятся несколько платформ с грузом. При избытке электроэнергии, они поднимаются вверх. В период высокой потребности, платформы с грузом спускаются вниз, и приводят в движение генераторы.

Кроме башенного типа, есть ещё и подземный вариант. Такой проект разработали немцы, и уже начали его реализацию в Саудовской Аравии. Схематично такой комплекс можно представить в виде гигантского шприца. Вот только поршень его будет выточен целиком из гранита, диаметром и высотой 130 метров! При движении в шахте глубиной 600 м, энергоёмкость такой системы составит около 500 МВт*ч.