Оптимизация аккумуляторов Карно для хранения возобновляемых источников энергии

Аккумулятор Trojan T105

Основываясь на цикле Ренкина с тепловым насосом, учёные из Португалии создали шесть различных моделей аккумуляторов Карно для стационарного хранения энергии. Они исследовали 16 различных комбинаций рабочих жидкостей и провели многоцелевую оптимизацию для выбора наилучшего кандидата.

Исследователи из Университета Коимбры в Португалии разработали различные версии тепловых насосов на основе органического цикла Ренкина и батарей Карно (КБ).

Батареи Карно - это системы, которые накапливают электроэнергию в виде тепла с помощью накопителей, таких как вода или расплавленная соль, и при необходимости преобразуют тепло обратно в электричество. В эту категорию входят системы жидкостно-воздушного аккумулирования энергии (LAES) и системы перекачиваемых хранилищ тепловой энергии (PTES) на основе Brayton или Rankine, а также системы хранения Lamm-Honigmann, основанные на сорбционной технологии, которые могут заряжаться и разряжаться как теплом, так и электроэнергией, и системы, основанные на интегрированном резистивном нагреве с циклами включения.

Все эти технологии хранения данных позволяют использовать их в широком спектре приложений, таких как арбитражное дело, вспомогательные услуги или сокращение пиковых нагрузок в энергосетях.

Ученые смоделировали несколько систем с помощью одноцелевой и многоцелевой оптимизации для повышения энергетической, эксергетической и экономической эффективности, используя 16 различных комбинаций экологически чистых рабочих жидкостей.

«CB — это технология хранения энергии «мощность-тепло-мощность», которая преобразует избыточную электроэнергию в тепловую энергию путем нагрева или охлаждения системы хранения тепловой энергии (TES). Хранящуюся тепловую энергию можно впоследствии преобразовать обратно в электричество, когда это необходимо, — объяснили ученые. — CB разделен на три тепловых сектора: резервуары TES (для высокой и низкой температуры), источник тепла и теплоотвод».

Команда предложила шесть комбинаций HP-ORC, которые работают как CB. Система 1 — это самая простая система, включающая тепловой насос с паровым сжатием (VCHP) и простой ORC. Система 2 добавляет регенератор к тепловому насосу, система 3 добавляет регенератор к ORC, а система 4 добавляет регенераторы как к тепловому насосу, так и к ORC. В системе 5 используется двухступенчатый тепловой насос с камерой расширения, а в системе 6 — двухступенчатый тепловой насос и регенеративный ORC.

Были протестированы четыре различные рабочие жидкости как для HP, так и для ORC, что в общей сложности дало 16 возможных комбинаций. В частности, это были R1224yd(Z), R1234ze(Z), R1336mzz(Z) и R1233zd(E). Системы были разработаны в MATLAB 2024a с учётом установившегося режима работы VCHP и ORC; отсутствия тепловых потерь и потерь давления в теплообменниках; постоянной эффективности компрессора и расширителя; использования воды в качестве теплоносителя в источнике тепла, накопителе и источнике холода.

Во-первых, была проведена одноцелевая оптимизация для всех возможных комбинаций шести конфигураций системы и 16 пар рабочих жидкостей. Каждая комбинация прошла через три одноцелевые оптимизации — энергетическую, эксергетическую и экономическую. Для систематического определения оптимальной пары рабочих жидкостей была применена новая методология оценки.

Моделирование показало, что регенеративный тепловой насос и конфигурация ORC (система 4) стабильно обеспечивают наилучшие результаты для всех комбинаций жидкостей, демонстрируя свою пригодность для этой технологии по сравнению с другими системами. Наивысшую общую производительность показали R1233zd(E)-R1233zd(E), за которыми следуют R1234ze(Z)-R1224yd(Z). Было установлено, что базовая конфигурация теплового насоса и ORC (система 1) с R1336mzz(Z)-R1336mzz(Z) обеспечивает наименьшую производительность.

После этого анализа группа провела многоцелевую оптимизацию для системы 4, используя R1233zd(E) как на стороне HP, так и на стороне ORC. Согласно их выводам, существует компромисс между эффективностью в обоих направлениях и усреднённой стоимостью хранения (LCOS). Тем не менее, оптимальный проект обеспечил эффективность в обоих направлениях 57,43% и LCOS 0,649 евро (0,73 доллара США) за кВт⋅ч.

«Была достигнута более высокая эффективность — до 81,30% — без существенного снижения общей производительности. Дальнейшие улучшения нецелесообразны из-за быстрого снижения производительности», — заявили в команде. «Оптимальная точка проектирования соответствует стоимости электроэнергии 1,093 евро/кВт⋅ч для маломасштабной экспериментальной установки, но ожидается, что при больших масштабах она снизится».

Их выводы были представлены в статье «Многоцелевая оптимизация и проектирование батареи Карно для хранения энергии», опубликованной в журнале «Преобразование и управление энергией: X.

В исследовании, опубликованном в 2023 году, учёные из Технического университета Дании предложили использовать батареи Карно для перевода угольных электростанций на производство возобновляемой энергии.

Другая группа исследователей из Дании также изучала, как батареи Карно могут использоваться для хранения возобновляемой энергии в их родной стране, и обнаружила, что эти устройства могут внести значительный вклад только при определённых затратах.