Наиболее эффективные способы аккумулирования энергии

Размещено на http://allbest.ru/

Наиболее эффективные способы аккумулирования энергии

Нуждин В.Н., Просвирнов А.А., ВНИИАЭС

В последнее время в энергетике все большее внимание уделяется вопросам аккумулирования энергии. РАО ЕЭС России ввело отдельные тарифы на электроэнергию при пиковых нагрузках и в остальное время. По сути, речь идет о качестве вырабатываемой электроэнергии. АЭС не могут конкурировать в этом вопросе с тепловыми и газовыми электростанциями, так как для АЭС имеются ограничения маневренных характеристик, в основном, связанные с требованиями сохранения целостности твэл. С сентября 2006 года вводится понижающий коэффициент от стоимости электроэнергии для электростанций, не участвующих в режиме общего первичного регулирования частоты (ОПРЧ) сети. Потери в несколько процентов (до 5% от стоимости вырабатываемой электроэнергии) очень существенны, если учесть, что станции борются за каждый процент повышения эффективности выработки электроэнергии.

По мнению гендиректора концерна Росэнергоатом С.Обозова [15], «неудачная работа за одну неделю может списать все дополнительные доходы, накопленные за полгода. …Если мы не выполняем регулируемый договор и недопоставляем энергию, то автоматически покупаем ее на рынке на сутки вперед, а там цены в 4-5 раз выше, а на балансирующем рынке цена может быть больше в 12 раз».

Единственным выходом может служить установка аккумуляторов энергии, которые будут выдавать энергию при пиковых нагрузках и аккумулировать электроэнергию в другое время суток при спаде нагрузки, а также участвовать в режиме регулирования частоты в сети. До последнего времени приемлемым единственным типом аккумулирования считалась гидроаккумулирующая электростанция. Однако в последнее время многие фирмы, такие как Сименс, Urenco Power Technologies (Великобритания), американская компания Beacon Power проводят исследования супермаховиков для этих целей. При этом эти фирмы используют накопленный опыт в области высокооборотных центрифуг для ообгащения урана. По такому показателю, как удельная емкость энергии (кВт*час/кг) супермаховики вышли на первое место. При этом их срок службы намного больше, чем, например, у батарей. Например, в Исследовательском центре имени Гленна и Космическом центре Джонсона создана маховичная энергетическая установка для международной космической станции (МКС), заметно превосходящая использовавшиеся ранее никель-водородные аккумуляторы. Маховики могут запасать 5,5 кВт*ч энергии против 4,6 кВт*ч у электрохимических аккумуляторов, при этом срок их службы оценивается в 15 лет, а батарей - в 5-6 лет [1].

С июля 2000 г. Siemens испытывает на одной из действующих линий трамвая в Кёльне длиной 20 км опытный высокооборотный инерционный аккумулятор энергии мощностью 600 кВт [1].

Супермаховик способен запасать больше энергии на единицу массы (5-15 MДж/кг или 1.4-4.17кВт*час/кг), чем все известные накопители энергии - электрохимические аккумуляторы, конденсаторы, пружины... Это объясняется тем, что супермаховик можно разогнать до огромных скоростей, причём "зарядка" такого накопителя происходит очень быстро [2].

Cупермаховик, изготовленный еще лет десять назад из обычного углеродного волокна в Ливерморской лаборатории в США имеет удельную энергоемкость 0,5 кВт·ч/кг, что недостижимо пока для других накопителей энергии [12].

Компания Active Power выпускает накопители CleanSource, в которых маховики объединены с мотором/генератором в один агрегат [2]. Компания Active Power подписала OEM соглашение с GE в декабре 2005 года на внедрению маховиков в источники бесперебойного питания, выпускаемые GE. Накопители энергии на базе маховиков обладают рядом существенных преимуществ перед химическими аккумуляторами: они более компактны, могут работать в широком диапазоне температур, чрезвычайно надежны и не требуют ремонта в течение 15…20-летнего срока эксплуатации, имеют более высокий КПД [13].

Существуют следующие виды аккумулирующих систем [10,14]:

Pumped hydropower - гидроаккумулирующие станции;

Тепловые аккумуляторы;

Compressed air energy storage (CAES) - аккумулирование энергии с помощью сжатого воздуха;

Batteries - батареи;

Flywheels - маховики;

Superconducting magnetic energy storage (SMES) - аккумуляторы на сверхпроводниках;

Supercapacitors - суперконденсаторы.

Плазмоидные аккумуляторы

Гидроаккумулирующие станции (ГАС) используются с 1929 г. ГАС состоит из 2 больших резервуаров, разнесенных по высоте. Для аккумулирования энергии вода закачивается в верхний резервуар. Для выдачи энергии вода сливается в нижний через гидротурбину с генератором.

Аккумулирование энергии с помощью ГАС:

Требует, как минимум, 100 м подъема воды (разность высот резервуаров);

Требует искусственного водохранилища значительного объема на высоте или подземного водохранилища;

КПД гидроподъема и выработки электроэнергии относительно низкое.

Пневматические аккумуляторы. Compressed Air Energy Storage (caes) - аккумулирование энергии с помощью сжатого воздуха: Caes использует непиковую энергию для сжатия и хранения воздуха в воздухонепроницаемом подземном резервуаре или пещере. При пиковой нагрузке запасенный воздух выпускается из пещеры и пропускается через турбину с генератором. В 1991 г., первый в США CAES мощностью 110 МВТ был построен в Mclntosh, Штате Алабама, Алабамским Электрическим Обществом и EPRI. В настоящее время, изготовители могут создать CAES системы в пределах от 5-350 МВТ. EPRI оценил, что больше чем 85% пещер США имеют геологические характеристики, которые можно приспособить для CAES.

Пневмоаккумуляторы - устройства, накапливающие газ и отдающие ее в моменты наибольшего расходования с преобразованием в другие виды энергии или без этого преобразования. В ракетной технике есть почти забытый (из-за того, что само устройство давно уже не применяется) термин воздушный аккумулятор давления (ВАД) [14].

Химические аккумуляторы - устройства для получения электрического тока и напряжений в результате химической реакции, как правило, в группе из однотипных батарей (многоразовых гальванических элементов), соединенных электрически и конструктивно. В настоящее время широко используются в аэрокосмической технике. Попытки улучшения энергомассовых характеристик этого типа аккумуляторов ведут многие электрические, электронные и автомобильные компании мира [14].

Маховики в настоящее время используются для множества побочных применений. Для хранения энергии исследования начаты сравнительно недавно. Маховик состоит из махового колеса, которое вращается с очень высокой скоростью и имеет связь с электрическим аппаратом, который может работать или как двигатель или как генератор. Использование магнитных подшипников и вакуумной камеры позволяет уменьшить потери энергии (потери не более 2%). Основные проблемы в прочности материала колеса, способного выдержать сверхвысокие скорости вращения.

В развитых странах (США, Англия, Германия, Япония) развернуты обширные исследования различных устройств аккумулирования энергии с использованием супермаховиков, однако приоритет в разработках супермаховиков и вариаторов принадлежит профессору, доктору технических наук Нурбею Гулиа, заведующему кафедрой Московского государственного индустриального университета МГИА (бывший автомобилестроительный ВТУЗ ЗИЛ - МАСИ), которому принадлежат десятки патентов в этой области.

На практике маховики, как аккумуляторы, уже неоднократно применялись. В 1860 году российский изобретатель, инженер-порутчик З.Шуберский опубликовал идею использования мощных маховиков на железнодорожном транспорте, новый вид транспорта назвали "маховозом" ["Современная летопись" 1862, июль] [14].

В 1918 году изобретатель-самоучка Анатолий Уфимцев получил патент на идею маховикового аккумулятора, в 1920-х годах предложил использовать инерционные аккумуляторы для приведения в движение трамваев в г. Курске, но проект не был воплощен в жизнь. По неподтвержденным данным, маховик Уфимцева, возможно, испытывали на Кольском полуострове [14].

Американский ученый, изобретатель Дэвид Рабенхорст сумел даже построить и испытать 2-местный махомобиль. В 1990-х годах западные автомобилестроительные фирмы испытали, по крайней мере, еще одну модель, но на серийный выпуск никто не решился [14].

Так или иначе, если не считать создания нескольких экспериментальных моделей маховичных автомобилей, работа по созданию и испытанию супермаховиков в России, практически не ведется, хотя это направление и обещает большие открывающиеся перед конструкторами перспективы [14].

Сверхпроводящие аккумуляторы - электронакопительные системы, состоящие из бесконечно длинного (замкнутого) проводника с нулевым сопротивлением. Очевидный плюс этой системы - компактность, энергоемкость, способность хранить энергию без потерь на протяжении сколь угодно долгого времени, пока в проводнике будет сохраняться состояние сверхпроводимости. Учитывая, что в настоящее время широко производятся только холодные и теплые сверхпроводники (с хладагентами гелием и азотом соответственно), надо добавить, что при длительном использовании такого аккумулятора понадобятся дополнительные расходы энергии на охлаждение сверхпроводников. Наилучшим вариантом, конечно же, было бы создание сверхпроводящего аккумулятора из горячих сверхпроводников, сохраняющих свои свойства при температурах +100-200 и выше градусов С. Работы по созданию таких материалов в настоящее время усиленно ведутся во всем мире [14].

Конденсаторные аккумуляторы - системы, накапливающие электрические заряды, состоящие из двух и более подвижных или неподвижных электродов (обкладок), разделенных диэлектриком (бумагой, слюдой, воздухом и др.); самые старые из известных электрических аккумуляторов (впервые "лейденскую банку" изготовили в середине XVIII века в голландском городе Лейдене).

Один из несомненных "плюсов" конденсаторов - способность выдать всю или часть запасенной энергии в самые короткие сроки, один из "минусов" - опасность непредвиденного пробоя, который при мгновенном выделении всей запасенной энергии будет сравним с взрывом. В перспективе конденсаторные батареи вполне могут значительно повысить свои энергомассовые характеристики - настолько, что станут вполне конкурентоспособными с любыми применяющимися аккумуляторами или даже превзойти их. Все зависит от того - сумеют ли современные ученые значительно повысить емкость конденсаторов за счет применения новых технологий, материалов и конструкций [14].

Суперконденсаторы находятся на самой ранней стадии развития в качестве технологии хранения энергии. Электрохимический конденсатор состоит из двух противоположно заряженных электродов, сепаратора, электролита и сборки. В настоящее время только маленькие суперконденсаторы в диапазоне семи - десяти ватт широко доступны для домашних электрических устройств. Развитие конденсаторов большего масштаба было сосредоточено на электрических транспортных средствах [24]. В настоящее время, для мощностей smal-масштаба (<250 kW), суперконденсатор является одним из самых многообещающих аккумуляторов.

Теплоаккумуляторы - устройства, накапливающие тепло, предназначенное для покрытия пиков тепловой нагрузки или для получения других видов энергии. Устройства такого типа эффективны в прямой зависимости от существующей в агрегате и вокруг его разницы температур. Тепловые аккумуляторы уже использовались на спускаемых аппаратах АМС "Венера-9" и других автоматических зондах для охлаждения аппаратуры [14].

В рамках Инновационного форума Росатома предлагался проект теплового аккумулятора для блока АЭС с ВВЭР-1000. В настоящее время предлагается схема отбора пара турбины на нагрев аккумулирующего вещества в период низкого энергопотребления и производство дополнительного пара на турбину от саккумулированного тепла в период пиковых нагрузок.

Плазмоидные аккумуляторы для хранения большого количества энергии используют, по мнению авторов разработок, свойства и способность плазмы создавать долгоживущие сгустки энергии в виде шаровой молнии [14].

В 1991 году физик В.П.Яковлев совместно с В.И.Андриановым, основываясь на собственных исследованиях природы шаровой молнии, подал заявку и получил патент СССР N 1831977 на "безотказный способ синтеза шаровых плазмоидов". Как явствует из документов, в 1994 году они также подали заявку и на "Способ аккумуляции энергии в шаровом плазмоиде и плазменном аккумуляторе" номинальной энергией 85 МДж (около 23 кВт/ч), габаритами 50х50х80 см, массой 50 кг. Несмотря на возможно многообещающие перспективы этого способа аккумуляции, до сих пор не было выделено финансирования для широкомасштабных исследований в этом направлении.

Последнее пятилетие происходят значительные изменения в автомобильной промышленности. Год от года растут продажи гибридных автомобилей. По оценкам специалистов, через 10 лет на гибридные автомобили будет приходиться 37% мировых продаж автомобилей. Автомобильные гиганты тратят громадные средства для разработок электромобилей и водородных топливных ячеек. General Motors обещает переворот в автомобильной индустрии уже совсем скоро. Перевод парка автомобилей на электрический привод ограничивается на сегодняшний день только низкими удельными параметрами аккумуляторов энергии, в качестве которых на сегодняшний день используются только электрохимические батареи. Однако, если представить на секунду, что все водители авто пересядут на электромобили, это потребует примерно удвоения существующих на сегодня электрогенерирующих мощностей ТЭС и АЭС. Таким образом, атомная энергетика, заинтересована в этом процессе, так как дефицит электроэнергии подхлестнет развитие и атомной энергетики. Прямые разработки высокотехнологичными предприятиями атомной промышленности перспективных аккумуляторов энергии для электромобилей может качественно ускорить этот процесс и подстегнуть строительство новых блоков АЭС. Необходима также будет сеть заправочных станций, закачивающих электроэнергию в аккумуляторы электромобилей и гибридных автомобилей. Наиболее перспективными могут быть разработки супермаховиков, как наиболее эффективных аккумуляторов по удельным параметрам. В атомной промышленности накоплен большой опыт по производству высокооборотных центрифуг для обогащения урана, который может быть использован и для разработки перспективных супермаховиков. В этом отношении атомная отрасль имеет некоторое технологическое опережение и высокий интеллектуальный потенциал персонала по сравнению с другими отраслями, что может положительно сказаться на конкурентной способности изделий на базе супермаховиков.

Аккумуляторы энергии на базе супермаховиков могут быть использованы для:

Аварийного электропитания систем безопасности АЭС и других промышленных объектов, требующих надежного резервирования электропитания;

покрытия пиковых нагрузок электросетей, участия в общем, первичном регулировании частоты (ОПРЧ) сети;

источника электропитания электромобилей;

источника электропитания электропоездов;

источника электропитания водных судов и других транспортных средств;

источников бесперебойного электропитания в быту и промышленности.

Американская компания Beacon Power, основанная в 1997 году, создала целую линейку тяжёлых стационарных супермаховиков, предназначенных для включения в промышленные энергосети [12].

Расчётный срок службы этой конструкции - 20 лет, диапазон рабочих температур - от минус 40 до плюс 50 градусов по Цельсию. Заявленная устойчивость системы к землетрясениям - 40 секунд без повреждений при силе толчков до 7,6 по шкале Рихтера.

Beacon Power сообщает, что потеря энергии, закачанной и позднее забранной из этих накопителей, составляет 2%, что заметно лучше, чем у систем хранения энергии, основанных на иных принципах (химические аккумуляторы, гидроаккумулирующие станции). Аккумуляторы предназначены для работы в качестве буфера, компенсирующего резкие пики и спады потребления в течение суток. В США, например, уже действует многомиллионный рынок регулирования частоты тока в сети. Специализированные компании предлагают генерирующим компаниям услуги по регулированию частоты в сети. Энергокомпании, испытывающие проблемы с наличием и мгновенным подключением резервных мощностей в пики нагрузки и с проблемой "лишней" энергии в моменты спада потребления, заключают контракты с небольшими компаниями на услугу "регулирование частоты". Для АЭС и ТЭС гонять то "вверх", то "вниз" мощности энергетически невыгодно, а если говорить буквально о секундной оперативности в изменении мощности, то и попросту - невозможно. Для таких услуг Beacon Power предлагает применять целые кластеры маховичных накопителей с соответствующей управляющей электроникой, которые обладают высокой пиковой мощностью и могут очень быстро реагировать на скачки частоты в подключённой к ним сети. Этот проект Beacon Power называется Smart Energy Matrix. В конечном виде он будет представлять собой 18-тонный контейнер (морской, 30-футовый), содержащий 10 маховичных накопителей Smart Energy 25, с продолжительной суммарной мощностью в 1 мегаватт (на короткое время, в несколько минут, и до 2 мегаватт), и с накапливаемой энергией - до 250 киловатт-часов. Время реакции всей этой системы на уход частоты в подшефной сети - порядка 5 миллисекунд. Уже в следующем году компания намерена построить полноразмерный образец Smart Energy Matrix. В планах компании - строительство целых стационарных комплексов по регулированию частоты сети (и поставке мощностей в пик нагрузки сети). Причём фирма намерена не только предложить такой продукт клиентам, но сначала построить в разных частях страны такие заводы для собственного владения. Beacon Power станет не только поставщиком оборудования, но и сама выйдет на рынок регулирования частоты сети. 20-мегаваттный (по максимальной мощности, выдаваемой или, наоборот, впитываемой в течение 15 минут) регулирующий завод будет состоять из 200 супермаховиков. Их суммарный запас энергии составит 5 мегаватт-часов. Поглощая или выдавая по первому требованию эти самые 20 мегаватт мощности, такое сооружение (занимающее, к слову, площадь всего в 20 соток, включая всё сопутствующее оборудование) способно обеспечивать 40-мегаваттную "вилку" в реагировании той или иной электрической сети на колебания в потреблении энергии. При этом время полной реакции, то есть, время, требуемое на подключение в сеть всей своей пиковой мощности, у данного завода составит менее 4 секунд.

Не надо также забывать, что в случае использования подобных аккумуляторов для ОПРЧ блок АЭС будет работать в базовом режиме, а, следовательно, с наивысшим коэффициентом использования установленной мощности (КИУМ). Установка 500 МВт аккумулирующих мощностей эквивалентна строительству нового блока АЭС в 1000МВт, а стоимость одного блока колеблется в диапазоне 1.5-1.6 млрд. долларов США [15]. Стоимость аккумуляторов оценивается на уровне 400-500 $/кВт установленной мощности [17], и это при сроке монтажа не более 3-4 месяцев.

С экономической точки зрения разработка кластеров массивных супермаховиков, подобных разработкам Beacon Power, в нашей энергетике может принести значительную прибыль с учетом вводимого ограничения по тарифам для АЭС и ТЭС, не участвующих в регулировании частоты сети. Не надо забывать и о повышении надежности и безопасности оборудования АЭС и ТЭС, при условии постоянной работы в базовом режиме без колебаний мощности. Перспективы для подобных разработок у нас есть: это приоритет по патентам профессора Н.Гулиа и реальный опыт атомпрома при создании высокооборотных центрифуг для обогащения урана. По заказу фирмы Сименс Н.Гулиа испытаны магнитные подшипники для ротора весом 1.5 тоны. Российские разработки в области высокооборотных центрифуг считаются одними из лучших в мире. В ЦНИИ «Дельфин», специализирующемся на разработке гироскопов с быстровращающимся ротором для ВМФ, разработан виброустойчивый специальный гидростатический подшипник скольжения, выдерживающий 300 000 оборотов в минуту. Соединение этих составляющих при соответствующем финансировании может создать условия для разработки в России супермаховика промышленного использования. Подобные разработки находятся на стыке сразу нескольких направлений техники, поэтому для решения проблемы требуется аналитическое руководство и планирование НИОКР на уровне отрасли.

Не надо забывать и о других приложениях подобных систем аккумулирования, о которых говорилось выше (источники бесперебойного питания, источники аварийного питания, транспорт и т.д.). Так как количество аккумулированной энергии в маховике пропорционально квадрату скорости, то выгоднее использовать легкий материал с высоким удельным сопротивлением на разрыв. Идеальным материалом может быть паутина, как самый прочный известный в природе материал (наматывать маховик, как шпульку ниток). На базе нанотехологии разработано углеродное волокно невероятной прочности -- на несколько порядков прочнее стали. Подобные разработки открывают неограниченные возможности для кольцевых супермаховиков с концентрацией энергии до 50 кВт·ч/кг и выше, что превышает показатели, например, водорода, как самого энергоемкого на сегодняшний день материала. Доведение до подобных параметров плотности энергии совершит переворот в энергетике и транспорте. Вполне возможно, что в будущем супермаховики будут основным конкурентом водородной энергетики, которой все прочат большие перспективы. При плотности энергии, сопоставимой с энергетическими источниками (бензин, пропан и даже водород) супермаховики можно перевозить, например, на транспорте, как перевозится нефть или бензин в цистернах, или использовать, как мотор в транспорте или как резервный источник электропитания.

ВВС США выделили деньги на разработку стартового комплекса запуска спутника с помощью магнитной пушки и систем магнитной подвески. Предполагается построить масштабный прототип системы с кольцом диаметром около 50 метров. А в окончательном виде система должна представлять собой кольцо диаметром 2 километра с комплексом сверхпроводящих электромагнитов для удержания и разгона контейнера со спутником до скорости 10км/с [16]. Разгонное кольцо в этой системе, по сути, может служить прототипом кольцевого супермаховика, подтверждающим фактором технической возможности создания кольцевого супермаховика. Применение больших кольцевых супермаховиков для нужд аккумулирования энергии, вырабатываемой на АЭС и ТЭС, позволит перевести весь парк АЭС на работу исключительно в базовом режиме, что, в свою очередь, позволит увеличить коэффициент использования установленной мощности (КИУМ), повысить надежность и устойчивость работы АЭС, исключить потери на балансирующем рынке и потери в виде штрафных санкций (до 5% от тарифа отпускаемой электроэнергии) за неучастие в ОПРЧ, выйти на рынок услуг по регулированию частоты сети не только в России, но и за рубежом. В настоящее время приложены большие усилия для подтверждения возможности топлива и другого оборудования АЭС работать в маневренном режиме. Однако, при комплексном и системном подходе к этой проблеме, возможны другие более изящные и экономичные решения.

аккумулирование энергия атомный ток

Литература

1. «Аккумуляторы энергии в тяговом электроснабжении», International Railway Journal, 2001, №4, р. 42- 43.

2. Б.Гармаев. Электрические мельницы прогресса, или С мечтой о вечных аккумуляторах/ Компьютерра, 9 июня 2004 года.

3. Flywheel Energy Matrix Systems - Today's Technology, Tomorrow's Energy Storage Solution. Alex Rojas, Group Leader, Applications Engineering, Beacon Power Corp. Wilmington, MA 01887.

4. Megawatt-Level Energy Storage for Distributed Generation/ Beacon POWER, Smart Energy ™Matrix, http://www.beaconpower.com/

5. «Design and Testing of a Flywheel Battery for a Transit Bus», R.J. Hayes, J.P. Kajs, R.C. Thompson, J.H. Beno Center for Electromechanics The University of Texas at Austin.

6. Flywheels for Renewable Energy and Power Quality Applications, Energy Storage Association 2000 Annual Meeting, April 6, 2000 Donald A. Bender, Trinity Flywheel Power.

7. Energy storage as an essential part of sustainable energy systems A review on applied energy storage technologies, Marco Semadeni, Centre for Energy Policy and Economics Swiss Federal Institutes of Technology, CEPE Working Paper No. 24 May 2003.

8. K. Halbach. Design of Permanent Multipole Magnets with Oriented Rare Earth Cobalt Material/ Nuclear Instruments and Methods 169 (1980), pp. 1-10. Science & Technology Review April 1996.

9. Advances In Flywheel Energy Storage Systems. CleanSource™ system.

10. Overview of energy storage technologies, http://zebu.uoregon.edu/2001/ph162/append_overview.pdf#search=%22%22OVERVIEW%20OF%20ENERGY%20STORAGE%20TECHNOLOGIES%22%22

11. DOE Superconductivity Program.

12. Н.Гулиа. Супермаховики -- из суперкарбона! ИР 12(672), 2005 г.

13. http://www.lantree.ru/our_news/piece_of_news.html?id=2404&year=2006&vendorid

14. http://kosmopoisk.org/superideas/show1.html?id=178

15. С.Обозов. От масштабов задач откровенно захватывает дух/ «Ведомости», 27.09.2006.

16. http://www.membrana.ru/articles/technic/2006/10/04/160900.html

17. Ali Nourai, “Comparison of the Cost of Energy Storage Technologies for T&D Applications”, Based on EPRI-DOE Handbook of Energy Storage for T&D Applications, 2004, www.electricitystorage.org.

Размещено на Allbest.ru