Как использовать накопители сжатого воздуха в затопленных угольных шахтах
Аккумулятор FIAMM FG 20451
Исследователи из Китая разработали новую систему хранения энергии сжатого воздуха, которая использует затопленные дороги в заброшенных угольных шахтах для хранения сжатого воздуха и тепла для выработки электроэнергии в ночное время. Моделирование показало, что такая конструкция может обеспечить тепловой КПД 71,5 %, стабильную работу и более высокую плотность энергии на больших глубинах при минимальном долгосрочном воздействии утечки воздуха.
Система FM-CAES
Международная группа исследователей под руководством учёных из Чунцинского университета в Китае разработала и провела термодинамическую оценку новой системы хранения энергии сжатого воздуха (CAES), которая использует проезды в заброшенных угольных шахтах для подземного хранения.
Система, получившая название «Накопитель энергии сжатого воздуха в затопленных угольных шахтах» (FM-CAES), накапливает энергию в течение дня и высвобождает ее ночью. Когда в дневное время наблюдается избыток электроэнергии, избыточная энергия от ветряных и солнечных источников используется в многоступенчатом процессе сжатия воздуха. Затем сжатый воздух хранится в заброшенных угольных шахтах. В то же время тепло, выделяющееся при сжатии, улавливается промежуточными охладителями и передается в резервуар для хранения тепла. Ночью сжатый воздух нагревается и расширяется с помощью турбины, вырабатывая электроэнергию. Сохранённая тепловая энергия используется для нагрева воздуха во время процесса разрядки, в то время как теплоноситель остывает до температуры окружающей среды.
Система состоит из трёх этапов: на этапе закачки охлаждённый сжатый воздух поступает в воздуховодную штольню через канал для закачки воздуха. По мере поступления воздуха уровень воды в штольне постепенно снижается, а вытесненная вода поступает в другие, более глубокие штольни. На этапе хранения воздуха сжатый воздух под высоким давлением удерживается при постоянном давлении за счёт совместного воздействия геологических формаций и гидростатического давления окружающей воды. На заключительном этапе, этапе выпуска, открывается канал для выпуска воздуха, что позволяет высвободить сжатый воздух. Гидростатическое давление воды поддерживает практически постоянное давление воздуха, сводя к минимуму колебания во время слива.
Система FM-CAES также использует давление воды для поддержания постоянного давления воздуха, что позволяет повысить эффективность и уменьшить утечки. Она работает в режиме зарядки и разрядки по 8 часов, при этом сжатый воздух хранится в течение 4 часов, а вода заливается на 4 часа. При моделировании в программном обеспечении COMSOL 6.0 температура окружающей среды составляла 292,65 К, массовый расход воздуха — 26,91 кг/с, а давление воздуха — 6,2 МПа. Номинальная мощность разряда составляла 10 МВт. Радиус проезжей части составлял 2,1 м, а толщина покрытия — 0,3 м.
Термодинамическое моделирование
В ходе моделирования учёные выяснили, что тепловой КПД системы FM-CAES может достигать 71,5 %, а плотность накопления энергии (ESD) — 29,72 МДж/м3. Они также обнаружили, что эффективность системы остаётся стабильной и «в значительной степени» не зависит от скорости воздушного потока. «Повышение давления воды в дорожном покрытии с 4 до 12 МПа привело к увеличению времени хранения на 38,2 % и снижению скорости воздушного потока на 27,6 %, а также к незначительному повышению эффективности системы», — подчеркнули они.
Анализ также показал, что эффективная изоляция воздушного пространства достигается за счёт низкой проницаемости окружающих пород и обделки. Для окружающих пород был определён критический порог проницаемости в 1 × 10⁻¹⁷ м², ниже которого колебания утечки воздуха были минимальными. Для бетонной обделки проницаемость ниже 1 × 10⁻¹⁹ м² эффективно стабилизировала работу системы. На более глубоких участках дорог средняя скорость утечки воздуха (AALR) и ESD были выше, хотя после 30-летнего периода моделирования эффективность системы оставалась неизменной на разных глубинах. Это указывает на то, что влияние скорости утечек на эффективность приближается к насыщению в долгосрочной перспективе.
«С увеличением глубины удельный энергетический показатель возрастал, увеличиваясь с 4,3 МДж/м3 до 6,7 МДж/м3 на каждые дополнительные 100 м глубины захоронения», — заключили учёные. «Разрушение экзергии в системе происходило в основном на этапах сжатия и расширения, что привело к потерям экзергии на 9% и 10,5% соответственно. На других этапах потери экзергии составили менее 4,3%».
Система была представлена в статье «Исследование возможностей хранения энергии сжатого воздуха в заброшенных затопленных угольных шахтах: термодинамический анализ и исследование применимости», опубликованной в журнале Energy. В исследовании приняли участие учёные из Чунцинского университета в Китае, Лулеоского технологического университета в Швеции и Французского национального центра научных исследований.