Хранение возобновляемых источников энергии с помощью сжатого воздуха в городском теплопроводе

Аккумулятор FIAMM 12FGH23

Исследователи из Китая разработали концепцию аккумулирования энергии сжатого воздуха в теплопроводе (HP-CAES), которая позволяет использовать городские теплоцентрали в качестве крупномасштабных накопителей избыточной возобновляемой электроэнергии. Система аккумулирует сжатый воздух и отработанное тепло в существующих трубопроводах, обеспечивая функции хранения энергии и отопления с более высокой эффективностью и меньшими требованиями к инфраструктуре по сравнению с традиционными системами аккумулирования энергии сжатого воздуха в резервуарах.

Схема системы HP-CAES

Исследователи из Китая предложили новый метод хранения избыточной возобновляемой энергии путем преобразования ее в сжатый воздух и интеграции в городские системы централизованного теплоснабжения. Согласно этой концепции, существующая инфраструктура, используемая для циркуляции горячей воды или пара для отопления зданий, перепрофилируется в систему хранения энергии. Система работает по адиабатическому принципу, при котором тепло, выделяемое при сжатии воздуха, улавливается и используется повторно, а не рассеивается, что повышает общую эффективность.

«Этот метод не требует сложных конструктивных изменений и не влияет на изначальную функциональность системы отопления, — заявили исследователи. — Кроме того, он позволяет накапливать газ в периоды, когда система отопления не используется, тем самым преодолевая географические ограничения и обеспечивая широкое применение в различных городских системах отопления. Более того, поскольку система может одновременно выполнять функции отопления и накопления энергии, нет необходимости демонтировать отопительный трубопровод».

Система аккумулирования энергии сжатого воздуха в теплопроводе (HP-CAES) была разработана с использованием термодинамического моделирования на основе инфраструктуры центрального теплоснабжения города Чжумадянь в провинции Хэнань, Китай.

Предлагаемая система HP-CAES позволяет хранить сжатый воздух в сети теплопроводов в периоды, когда отопление не требуется, и использовать существующую инфраструктуру в качестве накопителя энергии. В периоды низкого спроса на электроэнергию избыток электроэнергии подается на многоступенчатые компрессоры, которые сжимают окружающий воздух. Тепло, выделяющееся при сжатии, отводится через теплообменники и накапливается в баках с горячей водой, а сжатый воздух подается в теплопроводы.

В отличие от обычных металлических резервуаров, изолированные стальные стенки трубопровода обладают значительной тепловой инерцией и поглощают часть тепла сжатия, помогая стабилизировать температуру и давление воздуха во время хранения. При росте спроса на электроэнергию сжатый воздух выпускается из трубопроводов, нагревается за счет накопленной тепловой энергии и расширяется в турбинах для выработки электроэнергии.

Согласно результатам моделирования, общий объем хранилища сжатого воздуха в системе HP-CAES составляет 38 334,69 м³ и включает в себя три участка трубопровода: 7792 м трубы диаметром 1400 мм, 13 622 м трубы диаметром 1200 мм и 13 946 м трубы диаметром 1000 мм. Все они имели базовую толщину стенок 15 мм и слой изоляции толщиной 50 мм. Система работала при давлении нагнетания 10 МПа и давлении разряжения 4 МПа. В ходе дальнейшего анализа чувствительности к давлению эти значения были расширены до конечного давления нагнетания 5–11 МПа (EPC) и конечного давления разряжения 1–6,5 МПа (EPD).

В модели использовались трехступенчатые компрессоры и трехступенчатые детандеры с номинальным изоэнтропийным КПД 0,88 и 0,92 соответственно. Массовый расход компрессора и детандера составлял 120 кг/с, а расход охлаждающей и подогревающей воды — 36 кг/с. Теплоаккумулирующая система состояла из 2178 м³ резервуаров для хранения горячей воды и воды с температурой окружающей среды. Базовая система обеспечивала входную мощность 72,32 МВт, выходную мощность 43,68 МВт и емкость хранения энергии 229,33 МВт·ч.

Эта система была сравнена с системой аккумулирования энергии сжатого воздуха в металлических резервуарах (MT-CAES), которая служила в качестве эталонного образца. В системе MT-CAES сжатый воздух хранился в обычных металлических сосудах под давлением. При этом все остальные основные компоненты системы и условия эксплуатации были идентичны тем, что использовались в предлагаемой системе, чтобы исключить влияние самого метода хранения.

Анализ показал, что температура воздуха в системе хранения меняется в течение рабочих циклов из-за сжатия, теплопотерь и последующего расширения. В системе, работающей в диапазоне от 10,00 МПа до 4,00 МПа, металлический резервуар для хранения испытывает максимальные колебания температуры в 75,18 К. В то же время в сети трубопроводов для отопления наблюдаются лишь незначительные колебания температуры — 14,52 К, что объясняется более высокой тепловой инерцией и эффективной изоляцией. При эквивалентном объеме хранения 38 334,46 м³ плотность хранения энергии в конфигурации с теплопроводом составила 5,98 кВт·ч/м³, что на 34,68 % выше, чем в системе с металлическим резервуаром.

Ученые также обнаружили, что использование режима скользящего давления (СП) вместо режима постоянного давления (КП) повысило эффективность работы в обоих направлениях на 4,77 % для системы HP-CAES и на 3,29 % для системы MT-CAES, главным образом за счет снижения потерь при дросселировании. При работе в режиме СП система HP-CAES обеспечивала более высокое начальное давление расширения и была на 2,64 % эффективнее, чем MT-CAES. Анализ также показал, что для оптимизации диапазонов давления и количества ступеней необходимо найти баланс между энергоэффективностью, плотностью хранения энергии и экологическими показателями. При работе в режиме SP система HP-CAES обеспечила более высокое начальное давление расширения — 9,91 МПа, что привело к более высокому коэффициенту расширения при разрядке и повышению эффективности цикла на 2,64 % (RTE) по сравнению с системой MT-CAES. Исследовательская группа также пришла к выводу, что для оптимизации диапазонов давления и количества ступеней необходимо найти баланс между энергоэффективностью, плотностью хранения энергии и экологическими показателями.

«При условии, что давление на входе составляет 10 МПа, а давление на выходе — 4 МПа, инвестиционные затраты на систему HP-CAES составляют 29,61 млн долларов, что составляет всего 56,58 % от затрат на систему MT-CAES. Статический срок окупаемости (SPP) составляет 4324 дня, что составляет всего 40,65 % от срока окупаемости системы MT-CAES», — заявили в компании. «Дальнейший экономический анализ при различных комбинациях EPC и EPD показал, что система HP-CAES обеспечивает наименьший срок окупаемости — 3524 дня — при значениях EPC и EPD, равных 5,0 МПа и 3,0 МПа соответственно. При значениях EPC, равных 5,0 МПа, и EPD, равных 3,0 МПа, система HP-CAES мощностью 1 МВт может быть установлена на 2,90 км2 городской теплоцентрали, что указывает на ее перспективность для городских тепловых сетей».

Система была представлена в статье «Исследование системы аккумулирования энергии сжатого воздуха с использованием городского отопительного трубопровода в качестве накопителя», опубликованной в журнале Applied Thermal Engineering. В исследовании приняли участие ученые из Сианьского университета Цзяотун, Университета Чжэнчжоу и Китайской академии наук.