СПГ и солнечные коллекторы повышают эффективность систем LAES в обоих направлениях

Аккумулятор FIAMM FG 21803

Ученые смоделировали несколько систем хранения энергии в жидком воздухе, сравнив эффективность их работы в конфигурациях, включающих сжиженный природный газ (СПГ), солнечные батареи и двигатели Стирлинга, а затем оптимизировали их работу с помощью методов роя частиц.

Исследовательская группа под руководством учёных из Китая изучила возможность интеграции двигателя Стирлинга, сжиженного природного газа и солнечной энергии в систему хранения энергии в жидком воздухе (LAES). С помощью Aspen HYSYS и MATLAB группа смоделировала и оптимизировала различные комбинации этих компонентов.

«В качестве базового варианта для исследования в данной статье взята система LAES с 3 компрессорами и 3 ступенями расширителей. Для рекуперации избыточной теплоты сжатия в системе LAES 3C+3E используется органический цикл Ренкина (ОЦР). Оптимизированный коэффициент полезного действия (КПД) базового варианта составляет 65%, — сообщили в группе. — На основе этого для повышения КПД системы LAES были интегрированы различные системы рекуперации тепловой энергии, а также внешние источники и поглотители тепла».

С помощью Aspen HYSYS команда объединила систему LAES с двигателем Стирлинга, чтобы использовать избыточное тепло сжатия при выпуске газа. В системе LAES, интегрированной с регазификацией СПГ, для охлаждения при сжатии и сжижении воздуха используется холодная энергия СПГ. Температура на входе составляла −151,1 °C, а на выходе — −141 °C.

Команда также провела оценку литий-железо-фосфатных аккумуляторов, интегрированных с солнечной энергетикой, которые используют солнечную тепловую энергию для увеличения выходной мощности во время разрядки. Они исходили из того, что интенсивность солнечного излучения составляет 850 Вт/м².

«Алгоритм оптимизации роя частиц (PSO) используется для получения оптимальных показателей RTE или экономической эффективности различных систем хранения энергии на основе расплавленных солей», — пояснили в группе. «Есть два способа найти оптимальные условия для этой системы: (1) учитывать солнечную энергию как источник тепла при расчёте RTE или (2) учитывать экономическую выгоду от системы хранения солнечной энергии. Хотя энергоэффективность можно повысить за счёт большого количества поступающей солнечной энергии, инвестиционные затраты на расплавленную соль и резервуар для хранения также возрастут. Таким образом, будет найдено оптимальное значение стоимости инвестиций».

Согласно результатам, оптимизированная традиционная эффективность цикла (RTE) автономной системы LAES-SE составляет 68,20 %, что на 3,20 процентных пункта выше, чем у базовой системы LAES-ORC. Когда регазификация СПГ заменяет воду в качестве теплоотвода, оптимизированная традиционная эффективность цикла RTE возрастает с 68,20 % до 73,79 %. Среди всех изученных систем LAES система Solar-LAES-SE обеспечивает самый высокий традиционный коэффициент использования энергии — 173,5 % — при оптимизации энергопотребления.

«Более эффективно использовать процесс регазификации СПГ напрямую, способствуя сжижению воздуха в холодильной камере и снижая температуру воздуха перед компрессорами в нагнетательной части (102,80 %), чем ограничиваться использованием СПГ в качестве теплоотвода для двигателя Стирлинга, используя избыточное тепло сжатия (73,79 %), при условии подачи одинакового количества холодной энергии СПГ», — заявили исследователи. «Для систем LAES, интегрированных с солнечной энергией, у Solar-LAES-SE самый высокий оптимальный пересмотренный показатель RTE (69,18 %), за ним следует LAES с прямым солнечным нагревом (59,93 %), а у Solar-LAES-ORC самый низкий оптимальный пересмотренный показатель RTE (58,49 %)».

Они представили свои результаты в статье «Повышение эффективности двустороннего преобразования (RTE) в системах хранения энергии на основе жидкого воздуха за счет интеграции с внешними источниками тепловой энергии», которая была недавно опубликована в журнале Computers & Chemical Engineering. Исследование было проведено учеными из китайского Сианьского университета науки и технологий, Sinopec Engineering Incorporation (SEI), Юго-Западного нефтяного университета, Сианьского университета Цзяотун и Норвежского университета науки и технологии (NTNU).