Накопление энергии сжатого воздуха с использованием гравитации

Аккумулятор FIAMM 12FGL120

Китайские учёные смоделировали усовершенствованное адиабатическое хранилище энергии сжатого воздуха, в которое они добавили эластичную воздушную подушку с расположенным над ней тяжёлым грузом. Энергетический, эксергетический и экономический анализ системы показал, что из-за постоянного веса тяжёлого груза уровень давления в воздушной подушке остаётся неизменным во время работы.

Исследовательская группа из Северо-Восточного энергетического университета Китая предложила новую усовершенствованную систему хранения энергии в сжатом воздухе (AA-CAES).

В предлагаемой системе используется тяжёлый груз, эластичная подушка безопасности и заброшенная вертикальная шахта, что превращает AA-CAES в изобарическую систему с гравитационной поддержкой, в которой давление остаётся постоянным.

«Благодаря разработке нового изобарического резервуара для хранения воздуха система обеспечивает изобарическую работу, — объяснили исследователи. — В качестве резервуара для хранения воздуха используется заброшенная вертикальная шахта, что позволяет максимально эффективно использовать территорию. Кроме того, после завершения фазы разрядки можно полностью выпустить накопленный воздух, что повысит плотность хранения энергии».

Система была смоделирована с помощью программного обеспечения MATLAB для энергетического, эксергетического и экономического анализа. Она использует избыточную энергию от фотоэлектрических, ветряных или сетевых источников для привода компрессора. Компрессор, в свою очередь, преобразует окружающую атмосферу в воздух под высоким давлением, который затем хранится в резервуаре для хранения воздуха (ASR). Процесс включает в себя пять стадий последовательного сжатия для снижения энергопотребления, а также пять промежуточных охладителей, которые улавливают тепло, выделяющееся при сжатии. Резервуар для хранения воздуха представляет собой заброшенную вертикальную шахту, в которой находится тяжёлый груз и эластичная воздушная подушка.

Эластичная пневматическая подушка была размещена в нижней части шахты, а тяжёлый груз — над пневматической подушкой. На этапе зарядки клапан V1 открывается, а клапан V2 закрывается, и воздух под высоким давлением поступает в пневматическую подушку, увеличивая её объём и высоту. Однако благодаря постоянному весу тяжёлого груза и постоянной площади контакта между тяжёлым грузом и пневмоподушкой уровень давления в пневмоподушке остаётся неизменным во время зарядки, что обеспечивает изобарическую зарядку воздухом.

«После завершения процедуры зарядки и достижения заданного максимального объёма подушка безопасности полностью заряжается, что свидетельствует о достижении её расчётной максимальной ёмкости. На этапе разрядки клапан V2 открывается, а клапан V1 закрывается. Под действием гравитационной потенциальной энергии тяжёлого груза воздух выдавливается из подушки безопасности. По тому же принципу, о котором говорилось выше, можно добиться изобарической разрядки воздуха. Подушка безопасности полностью разряжается, когда её объём достигает заданного минимального значения и процесс разрядки завершается», — объяснили учёные.

При моделировании учитывались температура окружающей среды 25 °C и атмосферное давление 0,1 МПа. Плотность тяжёлого груза была установлена на уровне 7870 кг/м3, а потребляемая компрессором мощность составила 5880,82 кВт. Цены на систему были основаны на индексе стоимости химического машиностроения (CEPCI): цена на электроэнергию в период разрядки составляла 0,18 доллара за кВт·ч, цена на тяжёлую нагрузку — 0,1 доллара за кг, цена на горячую воду — 0,018 доллара за кВт·ч, а цена на электроэнергию в период зарядки — 0,04 доллара за кВт·ч. Предполагалось, что система будет работать 350 дней в году, а срок её службы составит 25 лет.

Анализ показал, что энергоэффективность (ЭЭ) составила 87,1 %, эксергетическая эффективность — 70,07 %, плотность хранения энергии в воздухе — 2,68 кВт·ч/м³, а плотность хранения энергии в занимаемом пространстве — 2,29 кВт·ч/м³. Наибольшие потери эксергии наблюдаются в турбине и компрессоре, на которые приходится 35,21 % и 30,98 % от общих потерь эксергии в системе соответственно. При этом промежуточный охладитель и промежуточный нагреватель имеют более низкий коэффициент эксергии — 63,54 % и 50,60 % соответственно.

Кроме того, результаты экономического анализа показали, что удельная стоимость энергии (LCOE) составляет 0,0804 доллара США за кВт·ч. Чистая приведённая стоимость (NPV) составила 1,6 миллиона долларов США, внутренняя норма доходности (IRR) — 17,93 %, а динамический срок окупаемости (DPP) — 8,36 года.