Термодинамический накопитель энергии

Domik.ua писал о том, как можно обогреть помещение с помощью одной свечи и глиняного горшка . Но это — лишь маленькая частика того, как действительно можно «добывать» энергию.

Энергия не бывает лишней — особенно в условиях перманентного энергетического кризиса и непрекращающегося роста цен на нефть, газ и прочие природные ресурсы. При этом во всем мире системы накопления и оптимизации энергетических расходов находятся, как ни странно, на довольно низком уровне. Значительная часть энергии расходуется впустую из-за неоднородности графика электрической нагрузки и других факторов.

Нередки случаи, когда в моменты переизбытка электроэнергии электростанции вынуждены продавать ее по нулевой (или даже «отрицательной») цене, лишь бы избежать дорогостоящей остановки и последующего пуска.

Сегодня используется несколько способов оптимизации энергосистем. Это и принудительное снижение выработки, и управление потреблением, и, конечно, аккумуляция электроэнергии. Самый распространенный способ накопления — это ГАЭС, гидроаккумулирующая электростанция (доля ГАЭС в мировых электроаккумулирующих мощностях — 99%).

Принцип ее функционирования прост: ночью, в отсутствие пиковых нагрузок, система использует недорогую, избыточную электроэнергию для перекачки воды в верхнюю емкость (так называемый бьеф), а днем сливает ее в нижний бьеф, вырабатывая пиковую электроэнергию. ГАЭС надежны, хорошо отработаны и позволяют избежать перегрузок, но при этом имеют серьезный недостаток. Суть в том, что гидроаккумулирующая электростанция — это массивная структура, которую можно возвести только в определенных географических зонах, при обязательном наличии воды и перепада высот.

Читайте также: Все гениальное сложно — самые интересные изобретения для дома

Довольно давно используются накопители другого вида энергии — тепловой. Это устройства, функционирующие по принципу термоса, то есть емкости, заполненные теплоносителем и окруженные теплоизоляцией. Термоаккумуляторы, в частности, применяются для хранения энергии, полученной из возобновляемых источников, — солнечной, ветряной, приливной. Например, паровой аккумулятор накапливает энергию путем нагрева воды с последующим хранением ее под давлением.

Используют в качестве хранилищ и твердые рабочие тела — скажем, бетон. Весьма распространенная разновидность теплоносителей в термоаккумуляторах — это солевые расплавы (про устройство подобных ТА мы вкратце рассказывали в майском номере за 2012 год). Теплоносителем служит расплав смеси нитрата натрия и нитрата калия («солнечная соль», 60% NaNO3 и 40% KNO3).

Расплав хранится в «холодной» камере, прокачивается через солнечные концентраторы и поступает в «горячую» камеру-термос, уже набрав рабочую температуру. При «разрядке» расплав отдает тепло теплообменникам и поступает обратно в «холодную» камеру. Такие системы, будучи впервые представленными в 1970-х, широко используются в США, Испании и т. д.Главное их преимущество заключается в том, что «солнечная соль» хранится при обычном атмосферном давлении практически без каких-либо изменений, при этом являясь весьма недорогим теплоносителем.

Но тепло, накапливаемое в теплоаккумуляторах, — это еще не энергия. Для превращения тепла в электричество на солнечных электростанциях применяется традиционный принцип: расплав нагревает воду и преобразует ее в пар, который крутит турбину, вращающую генератор. Эффективность системы — всего около 42−44%. Казалось бы, идеальной системы не существует. Но несколько лет назад специалисты «Каспийской энергии» задали себе простой вопрос: можно ли существенно повысить КПД термонакопителя, да еще и не привязывая его к рельефу и воде?

Введение в термодинамику

С самого начала было понятно, что подобная система не может быть простой. Группа инженеров во главе с Александром Самойловым шла к результату методом проб и ошибок в течение нескольких лет, и в 2012 году проект впервые был представлен общественности. Причем, как показалось нам при беседе с инженерами, наиболее интересное — это даже не сама идея, а сопровождающие ее дебаты и заблуждения. Впрочем, обо всем по порядку.

Устройство, разработанное «Каспийской энергией», называется термодинамическим накопителем электроэнергии (ТНЭ), и в его конструкции имеется тот самый, давно известный нитратный «термос» с расплавом солей. Но если в случае с солнечными электростанциями расплав служит сердцем конструкции, то в ТНЭ он лишь один из множества элементов, причем вполне заменимый при необходимости.

Если искать в термодинамическом накопителе «сердце», то можно условно назвать им машинную часть — сочетание теплового насоса и «зеркального» ему теплового двигателя, работающих по циклу Брайтона. В 1872 году американский инженер Джордж Брайтон создал оригинальный поршневой двигатель, работавший по новому, неизвестному дотоле циклу (ранее существовали циклы Ренкина, Карно, Ленуара и Стирлинга). Цикл состоит из четырех последовательных процессов:

изоэнтропическое сжатие (объем смеси уменьшается, давление возрастает); изобарический подвод теплоты (при постоянном давлении); изоэнтропическое расширение (объем смеси растет, давление падает) — рабочий такт; изобарический отвод теплоты (при постоянном давлении).

Сегодня цикл Брайтона хорошо изучен и широко используется. В частности, по нему работают газотурбинные, турбореактивные, воздушно-реактивные ДВС, а на обратном цикле Брайтона основана работа многих низкотемпературных установок. Именно обратимость стала основной причиной использования цикла в ТНЭ. При описанной выше последовательности он становится частью теплового двигателя; если же «проиграть» такты в обратном направлении, получается тепловой насос, то есть устройство, позволяющее отобрать тепло у холодного носителя и передать его теплому.

Читайте также: Как нитки и гвозди превращаются в произведение искусства

Все гениальное сложно

Обычный нитратный накопитель в качестве входящей энергии принимает тепло, которое можно собрать, например, с помощью солнечного концентратора (батареи). Задачей же инженеров «Каспийской энергии» было создание устройства, способного принимать и отдавать любую энергию. Проще всего было воспользоваться механической энергией в качестве «посредника».

Собственно, вся разработка носит название «Установка накопления, сохранения и возврата механической энергии» — именно потому, что механическую энергию проще всего преобразовать в любую другую (и наоборот). Вход в систему может осуществляться с помощью электродвигателя, турбины или даже ДВС — главное, чтобы был крутящий момент. Аналогично осуществляется и выход.

А вот дальше начинается интересное. Мотор, приводимый в движение внешним источником, вращает расположенные на одном валу компрессор и турбину, то есть приводит в действие компрессионный тепловой насос, работающий по обратному замкнутому циклу Брайтона. Газовым рабочим телом в насосе может служить воздух, или азот, или аргон, или иные газы и их смеси.

С одной стороны накопителя находятся две емкости «холодного» теплоносителя, с другой — две емкости «горячего». Казалось бы, обычный принцип: перенос энергии от холодного к горячему с последующим ее хранением. Но дело в том, что «горячий» теплоноситель сам по себе представляет тот самый нитратный накопитель, который является основным для сохранения солнечной энергии!

То есть «горячая» часть — это две емкости: «горячая-холодная» (примерно +280°С) и «горячая-горячая» (порядка +580°С), между которыми переносится тепло через собственный теплообменник. Аналогично и «холодный» теплоноситель состоит из двух емкостей — «холодной-горячей» (примерно +20°С) и «холодной-холодной» (примерно -60°С). Это напоминает фрактальную структуру: два независимых накопителя становятся симметричными частями более сложной системы.

При накоплении энергии компрессор сжимает газ, соответственно, повышается температура последнего — таким образом, внешняя механическая энергия преобразовывается в тепловую. Полученное тепло отдается «горячему» теплоносителю, газ охлаждается примерно до первоначальной температуры и поступает в рекуператор, где отдает еще часть тепла встречному потоку газа, уже отобравшему часть тепла от «холодного» теплоносителя.

Затем газ попадает в турбодетандер (расширитель в виде обычной турбины), где расширяется и еще сильнее охлаждается, становясь практически «ледяным» (при этом часть мощности турбины идет на компрессор). Далее газ подводится к холодному теплоносителю и охлаждает его, отбирая некоторую часть энергии, снова проходит через рекуператор, нагреваясь от встречного потока газа, — и идет в компрессор. Цикл повторяется. Когда весь «холодный» теплоноситель станет очень холодным, а «горячий» — очень горячим, накопитель можно считать заряженным.

Возникает естественный вопрос — зачем такие сложности? Неужели нельзя накапливать энергию, нагревая и перекачивая из «холодной» емкости в «горячую» солнечную соль или какое-то другое вещество? Во-первых, таким способом значительно сложнее получить механическую энергию на выходе. А во-вторых, простым нагреванием невозможно достигнуть КПД аккумуляции, сравнимого хотя бы с эффективностью ГАЭС (до 70%).

Перед разработчиками стояло несколько инженерных задач: подобрать доступные и стабильные теплоносители, обеспечить максимальное изменение их температуры (чем больше это изменение, тем меньше надо расплава) и максимальную разницу температур между «холодным» и «горячим» концами (для повышения эффективности теплового двигателя).

Наконец, надо было наладить передачу тепла от одного вещества (спирта, водно-солевой или водно-спиртовой смеси с температурой замерзания ниже -55°С) к другому (собственно «солнечной соли»), несмотря на то что их рабочие диапазоны температур вообще не пересекаются. Для этого и используется теплообменник-рекуператор. Внутри него движутся близкие или равные по расходу противотоковые потоки газа, которые обмениваются своей температурой таким образом, что почти все тепло передается от одного потока к другому (естественно, с некоторой потерей на теплообмен).

Аналогично, только в обратном порядке, происходит процесс отдачи энергии — тут как раз и используется обратимость цикла Брайтона. При отдаче энергии, теперь уже по прямому циклу, газ, предварительно охлажденный «ледяным» теплоносителем, сжимается в компрессоре, затем нагревается от горячего теплоносителя, после чего вращает турбину, а через нее компрессор и выходной вал. Та же часть накопленной энергии, которая не может быть превращена в полезную работу в силу неидеальности процессов в накопителе, отводится через аппарат воздушного охлаждения (АВО).

Взгляд в будущее

Цикл работы ТНЭ можно разложить на три составляющих: получение механической энергии; преобразование этой энергии в высокотемпературную и низкотемпературную тепловую посредством теплового насоса; передача тепла от газового рабочего тела жидким теплоносителям и сохранение его в «термосах». Возврат энергии происходит в обратном порядке.

При всей сложности системы преимущества серьезны. Это и значительная компактность (1 м3 теплоносителей в ТНЭ равен по энергоемкости 220 м³ воды в Загорской ГАЭС), и независимость от ландшафта. Возвести комплекс ТНЭ можно в любой точке планеты, подключив его к действующей или строящейся электростанции. Кроме того, никаких революционных узлов или технических решений в ТНЭ нет — инженеры сумели собрать этот хитроумный пазл из технологий, которые давно известны и по отдельности используются в различных отраслях.

Что же мешает ТНЭ занять место ГАЭС и повсеместно принять функции экономии и перераспределения энергии? В первую очередь это молодость проекта — будучи представленным около года назад, он еще не набрал достаточной авторитетности для немедленного строительства. Во-вторых, российское энергетическое законодательство на данный момент делает оказание услуг по аккумуляции энергии невыгодным экономически.

Даже действующих ГАЭС в России всего две — Кубанская и Загорская, хотя проектируется на данный момент еще ряд подобных систем. Несмотря на бесприбыльность (строящаяся в настоящее время Загорская ГАЭС-2 практически неокупаема, просто крайне нужна энергосистеме), можно предположить, что законодательство и правила рынка так или иначе будут изменяться в сторону поддержки энергонакопления.

Мир очень медленно переходит на принципы экономии: в Китае работает 13 ГАЭС, в США — 11, в Японии — 7, в остальных развитых странах — по одной-две (всего около полусотни). «Непривязанность» ТНЭ к воде открывает перед ним достаточно широкие перспективы. Плюс к тому по сравнению с различными системами запасания энергии ТНЭ достаточно компактен, а удельная стоимость его емкости ниже, чем у конкурентов.

Будет ли реализован подобный проект? Скорее всего, да. По крайней мере, разработчики из «Каспийской энергии» — искренние энтузиасты своей работы — не сомневаются в его реализации в ближайшие 4−5 лет. Пожелаем им удачи — все-таки это значительный прорыв в области энергетики, и первый шаг сделан у нас, в России. Что не может не радовать.

Принципиальная схема термодинамического накопителя

В процессе накопления (зарядки) работает часть контура, соответствующая тепловому насосу. Внешняя энергия подводится к клеммам двигателя. Турбодетандер, расположенный на одном валу с компрессором, частично покрывает потребление последним энергии. «Горячий» теплоноситель нагревается, а «холодный» охлаждается.

Тепловой насос

электродвигатель

компрессор

турбодетандер

рекуператор энергии

теплообменники

емкости «холодного» теплоносителя

емкости «горячего» теплоносителя

В процессе возврата (разрядки) работает часть контура, соответствующая тепловому двигателю. Энергия отбирается от клемм генератора, вращаемого турбиной. От нее же необходимую для работы энергию получает компрессор. «Горячий» теплоноситель остывает, а «холодный» нагревается.

Тепловой двигатель

турбина

аппарат воздушного охлаждения

генератор

Солнечная электростанция

Солнечная электростанция как таковая не имеет прямого отношения к термодинамическому накопителю энергии. Но по крайней мере один важный элемент их объединяет — нитратный накопитель с «солнечной солью» внутри (на иллюстрации — две «бочки» на переднем плане). Здесь они служат основным накопителем системы.

В ТНЭ таких «бочек» четыре — две симметрично расположенные емкости «горячего» накопителя (аналог тех, что на снимке) и две емкости «холодного» накопителя.

ТНЭ против Li-ion

Сравнение площадей термодинамического накопителя и аналогичного накопителя на Li-ion-аккумуляторах емкостью 2 ГВт•ч (при глубине разрядки-зарядки последнего от 20 до 90%). Параметры модульных литий-ионных накопителей взяты из презентации разработчика подобных систем — американской компании AES Energy Storage.

Танки с солевым раствором — достаточно распространенный способ хранения энергии. Разработчики из «Каспийской энергии» взяли данную методику на вооружение.

Читайте также: Рисуем прямо на стенах: как мел и доска сделают ваш дом уютнее

Анекдот про КПД

Расчетный КПД термодинамического накопителя — порядка 62−64%, что несколько уступает ГАЭС (около 70%). Но в любом случае это очень высокий КПД — особенно с учетом того, что ТНЭ можно построить в любой точке планеты и накапливать огромные объемы энергии. Но вот с расчетом этого КПД происходят иногда анекдотические случаи.

Разработчики неоднократно демонстрировали систему различным специалистам. Представленное число 62−64% кажется завышенным — и собеседники не раз уже просили пересчитать «для верности» по методике для цикла Карно (хотя цикл Карно в ТНЭ не используется физически). Александр Самойлов, менеджер проекта и автор идеи, сперва пытался спорить, но затем нашел правильную методику презентации. Он демонстративно считает КПД по циклу Карно и получает… 76%, то есть практически невозможное число. «Ладно, — соглашаются собеседники (порой, кстати, видные ученые и инженеры), - видимо, вы правы. Рассказывайте, как это работает на самом деле».

На самом деле КПД теплового двигателя в данном случае действительно равен примерно 44−46%. Но есть одна хитрость. Предположим, мы подводим к системе некоторое количество (N) кВт•ч энергии. Она преобразуется в тепловую и поступает к «горячему» теплоносителю. Но еще некоторую часть, скажем, 0,35N кВт•ч, мы отбираем благодаря подведенной энергии от «холодного» теплоносителя! Таким образом, суммарный КПД системы приблизительно равен не 0,46N, а 0,46 (N + 0,35N) = 0,62N. Вот откуда берутся 62%. Они обеспечиваются совместной (последовательной работой) теплового насоса и теплового двигателя.

Экстремальный вариант

При использовании в качестве «горячего» теплоносителя смеси 60% NaNO3 и 40% KNO3, а в качестве холодного — водно-спиртовой смеси удельная энергоемкость системы (массовая) равна примерно 37 Вт•ч/кг, а КПД аккумуляции — 62−66%. Но допускается использование и других теплоносителей.

Например, при реализации по «экстремальному варианту» в качестве «горячего» теплоносителя можно применить металлический натрий, или калий, или их сплав, а в качестве «холодного» — пропан, бутан или пентан. Таким образом, можно довести разницу температур до 850 °C, удельную энергоемкость — до 100 Вт•ч/кг, а КПД аккумуляции — до 70%. Другое дело, что экстремальный вариант может быть чрезмерно дорог или опасен — он описывается сугубо для демонстрации потенциальных возможностей системы.