Globālajā pārejā uz tīru enerģiju mainīgi atjaunojamie avoti, piemēram, saule un vējš, piedāvā milzīgu potenciālu, taču arī rada lielas problēmas. To periodiskums-, ko nosaka laikapstākļi, dienas-nakts cikli un sezonālās izmaiņas-, bieži vien izraisa samazinājumu (enerģijas izšķērdēšanu) vai tīkla nestabilitāti. Saspiestā gaisa enerģijas uzglabāšana (CAES) ir nobriedis, liela mēroga risinājums, kas elektroenerģijas pārpalikumu pārvērš saspiestā gaisā uzglabāšanai un pēc pieprasījuma izdala to, lai ražotu enerģiju, efektīvi absorbējot un izmantojot vēja un saules enerģiju, vienlaikus nodrošinot tīkla stabilitāti un līdzsvaru.
CAES uzglabā elektrisko enerģiju kā mehānisku potenciālu, saspiežot gaisu, nodrošinot uzglabāšanas ilgumu no stundām līdz nedēļām ar minimāliem zudumiem. Ja nepieciešams, saspiestais gaiss tiek atbrīvots, lai darbinātu turbīnas un ražotu elektroenerģiju. Šī tehnoloģija ir īpaši labi-piemērota liela mēroga-ilglaicīgai-uzglabāšanai, pārveidojot periodiski atjaunojamos enerģijas avotus nosūtāmā, uzticamā elektroenerģijā, kas atbilst visu diennakts--tīkla prasībām.
Pamattehnoloģija un principi
CAES kodols ir gāzes saspiešanas un izplešanās termodinamikā. Saspiešanas laikā gaiss uzsilst un izplešanās laikā atdziest. Augsta efektivitāte ir atkarīga no efektīvas siltuma pārvaldības:
Parastā (diabātiskā) CAES: Kompresijas siltums tiek izkliedēts caur starpdzesētājiem, un degviela (parasti dabasgāze) tiek izmantota, lai sildītu gaisu pirms izplešanās. Brauciena turp un atpakaļ efektivitāte parasti ir 40–55%.
Uzlabotā adiabātiskā CAES (AA-CAES): Kompresijas siltums tiek uztverts un uzglabāts siltumenerģijas uzglabāšanas (TES) sistēmās,{0}}piemēram, iesaiņotā akmens gultnēs, izkausētā sālī vai termālajā eļļā-, lai to atkārtoti izmantotu izplešanās laikā. Efektivitāte sasniedz 70% vai augstāku bez fosilā kurināmā patēriņa.
Izotermisks/tuvs{0}}izotermisks CAES: uzlaboti siltummaiņi vai ūdens aerosoli saglabā gandrīz nemainīgu temperatūru saspiešanas un izplešanās laikā, un teorētiskā efektivitāte attīstības sistēmās ir 80–95%.
Mūsdienu CAES iekārtas darbojas ar spiedienu 4–7 MPa (40–70 bāri) un paļaujas uz ideālo gāzes likumu enerģijas uzglabāšanai. Atšķirībā no akumulatoriem, CAES izceļas ar ilgstošas darbības, gigavatu-mēroga lietojumiem ar nenozīmīgu degradāciju gadu desmitu laikā.
Galvenās iekārtas un sastāvdaļas
Tipiska CAES iekārta sastāv no:
Kompresori: daudzpakāpju elektriskie turbo-kompresori, kas tiek darbināti ar elektrības pārpalikumu, kas rada spiedienu apkārtējā gaisā, izmantojot zema- un augsta-spiediena posmus ar starpdzesēšanu.
Gaisa uzglabāšana: pazemes dobumi (sāls kupoli, izsmelti gāzes lauki vai ūdens nesējslāņi) vai virs-zemes augsta-blīvuma mākslīgie kuģi (piemēram, cauruļu bloki). Sāls dobumi ir iecienīti to necaurlaidības un spiediena-izturības dēļ 300–1500 metru dziļumā.
Siltuma vadības sistēma(uzlabotās konstrukcijās): siltummaiņi un TES vienības, kas uztver un uzglabā kompresijas siltumu.
Paplašinātāji/turbīnas un ģeneratori: augsta- un zema-spiediena turbo-paplašinātāji, kas savienoti ar ģeneratoriem. Parastās sistēmās atkārtotai sildīšanai izmanto degšanas kameru; uzlabotas adiabātiskās sistēmas atkārtoti izmanto TES siltumu.
Palīgsistēmas: spiediena vadības ierīces, divvirzienu motors/ģeneratori un tīkla starpsavienojuma aprīkojums.
|
Nē. |
Iekārtas nosaukums |
Galvenā funkcija |
Tehniskās īpašības un principi |
Atbalsta ilustrācijas apraksts |
|
1 |
Kompresori |
Uzlādes-fāzes spēkstacija: pārvērš elektroenerģijas pārpalikumu saspiestā-gaisa potenciālajā enerģijā |
Daudzpakāpju elektriskie turbo-kompresori (aksiālie vai centrbēdzes), kas darbojas pie 4–7 MPa (40–70 bar), aprīkoti ar starpdzesētājiem un siltuma-rekuperācijas sistēmām; Mainīga-ātruma piedziņas nodrošina ātru reakciju uz atjaunojamās enerģijas svārstībām |
Pilnīgs sistēmas izkārtojums, izceļot kompresoru vilcienu |
|
2 |
Gaisa uzglabāšanas sistēmas |
Ilgstoša{0}}saspiesta gaisa uzglabāšana (no stundām līdz nedēļām) |
pazemes sāls dobumi (dziļums 300–1500 m) vai augsts{3}blīvums virs-zemes cauruļu-masīvu kuģiem; paredzēts atkārtotai spiediena cikliskumam ar gandrīz -nulles noplūdi |
Šķērsgriezuma diagramma |
|
3 |
Siltuma pārvaldības un siltumenerģijas uzglabāšanas (TES) sistēmas |
Uztveriet, uzglabājiet un atkārtoti izmantojiet kompresijas siltumu, lai nodrošinātu augstu{0}}efektivitāti, bez degvielas{1}} |
Siltummaiņi (HX1/HX2), kas savienoti pārī ar TES vidēm (keramikas gultām, kausētu sāli vai termālo eļļu), kas uzglabā siltumu līdz 600 grādiem; slēgtā-cikla atkopšana nodrošina turp un atpakaļ braucienu efektivitāti virs 70 % |
Uzlādes-fāzes siltuma-plūsmas shēma + pilna sistēmas integrācijas diagramma |
|
4 |
Paplašinātāji, turbīnas un ģeneratori |
Izlādes{0}}fāzes spēkstacija: pārvērš uzglabāto saspiesto gaisu elektroenerģijā |
Daudzpakāpju turbo-paplašinātāji (augsts- un zems-spiediens), kas tieši savienoti ar sinhronajiem ģeneratoriem; pilna slodze sasniegta mazāk nekā 10 minūtēs ar nulles degšanas emisijām uzlabotajās konstrukcijās |
Reālas-pasaules paplašinātāja-ģeneratora uzstādīšanas fotogrāfija |
|
5 |
Palīgsistēmas |
Nodrošināt drošu, efektīvu iekārtas darbību un tīkla integrāciju |
Spiediena{0}}vadības vārsti, divvirzienu motora-ģeneratori, SCADA uzraudzība, tīkla sadales iekārtas, dzesēšanas torņi un plaši cauruļvadu tīkli |
Turbīnu zāles iekšskats, kurā redzami integrētie cauruļvadi un elektriskās sistēmas |
CAES modulārais dizains ļauj neatkarīgi optimizēt saspiešanas, uzglabāšanas un paplašināšanas iespējas, nodrošinot darbības elastību, kas nav līdzvērtīga daudzām citām uzglabāšanas tehnoloģijām.
Darbības procesi
CAES darbojas divās galvenajās fāzēs:
Uzlādes (saspiešanas) fāze: periodos ar lielu atjaunojamo energoresursu jaudu vai zemu pieprasījumu elektroenerģijas pārpalikums darbina kompresorus. Gaiss tiek saspiests vairākos posmos (uzsildīts), atdzesēts un ievadīts noliktavā. Uzlabotās adiabātiskajās sistēmās iegūtais siltums tiek uzglabāts TES.
Izlādes (paplašināšanas/ģenerācijas) fāze: Ja pieprasījums ir visaugstākais vai atjaunojamie energoresursi ir nepietiekami, saspiestais gaiss tiek atbrīvots, iepriekš uzsildīts (izmantojot TES siltumu vai papildu degvielu), izplešas caur turbīnām, lai darbinātu ģeneratorus, un tiek izvadīts kā vēsāks gaiss. Sistēma var sasniegt pilnu slodzi mazāk nekā 10 minūtēs, padarot to ideāli piemērotu tīkla balansēšanai, frekvences regulēšanai un vērpšanas rezervēm.
Augi var pārvietoties katru dienu vai sezonāli ar ļoti zemu pašizlādes līmeni{0}}. Iedibināti lietderības{2} mēroga piemēri ir Hantorfas rūpnīca Vācijā (321 MW, darbojas kopš 1978. gada) un McIntosh rūpnīca Amerikas Savienotajās Valstīs (110 MW, kopš 1991. gada).
Reāls-Pasaules gadījuma pētījums: 100 MW uzlabotas saspiestā gaisa enerģijas uzglabāšanas demonstrācijas projekts
Ķīnas 100 MW uzlabotas saspiestā gaisa enerģijas uzglabāšanas nacionālais demonstrācijas projekts ir veiksmīgas CAES projekta izpildes paraugs, kas demonstrē tehnoloģijas briedumu un liela mēroga pielietojuma potenciālu. Tā ir izstrādāta Ķīnas Zinātņu akadēmijas Inženiertermofizikas institūta vadībā, un tā ir pasaulē pirmā 100 MW{4}}klases uzlabotā CAES stacija un pašlaik lielākā un visefektīvākā CAES ražotne, kas darbojas.
Sistēmas konfigurācijas informācija:
Jauda: 100 MW jauda / 400 MWh enerģijas uzglabāšana.
Tehnoloģijas veids: uzlabots adiabātiskais CAES (AA-CAES), kas ietver superkritisku siltuma uzglabāšanu, superkritisko siltuma apmaiņu, lielu-slodzes saspiešanu/izplešanos un pilnīgu sistēmas integrāciju-, pilnībā novēršot atkarību no fosilā kurināmā.
Uzglabāšanas metode: augsta{0}}blīvuma mākslīgā gaisa uzglabāšanas tvertnes (cauruļu-masīva dizains), palielinot enerģijas blīvumu un samazinot atkarību no lielām pazemes dobumiem.
Efektivitāte: turp un atpakaļ{0}}reisa efektivitāte 70,4%.
Veiktspējas parametri: Ikgadējā ražošana pārsniedz 132 miljonus kWh, kas ir pietiekami, lai apmierinātu maksimālo elektroenerģijas pieprasījumu aptuveni 50 000 mājsaimniecību; ietaupa 42 000 tonnu standarta ogļu un samazina CO₂ emisijas par aptuveni 109 000 tonnām gadā.
Galvenais aprīkojums: daudzpakāpju kompresori, turbīnu paplašinātāji/ģeneratoru komplekti, superkritiskā TES termiskās uzglabāšanas sistēma un augstspiediena cauruļu-bloku uzglabāšanas tvertnes.
Atrašanās vieta: Gujuanas apgabals, pilsēta Hebei provincē, Miaotan Cloud Computing Industrial Park ietvaros; aizņem aptuveni 5,7 hektārus. Projekts tika pieslēgts-tīklam 2022. gadā un ir uzsākts komerciālās darbības sagatavošanas stadijā.
Šis projekts parāda mūsu spēju veiksmīgi īstenot liela mēroga -CAES iniciatīvas, atgūstot kompresijas siltumu, optimizējot siltuma pārvaldību un izmantojot modulāru dizainu, lai pārvarētu tradicionālos ierobežojumus efektivitātes, atkarības no degvielas un vietas izvēles jomā. Tas nodrošina vērtīgu reālās pasaules inženiertehnisko apstiprinājumu un mērogojamu modeli globālai atjaunojamās enerģijas integrācijai.
Kā CAES veicina vēja un saules enerģijas efektīvu absorbciju un izmantošanu
Vēja un saules enerģijas mainīgums bieži rada elektroenerģijas pārpalikumu, ko tīkls nevar pilnībā absorbēt. CAES kalpo kā režģa "amortizators", tieši risinot šo problēmu:
Pārpalikuma jaudas absorbcija: Spēcīga vēja vai maksimālā saules starojuma laikā pārmērīga enerģija tiek izmantota, lai saspiestu un uzglabātu gaisu pazemē, novēršot ierobežošanu.
Izlīdzināšanas izvade: CAES atdala ģenerāciju no patēriņa, atbrīvojot uzkrāto enerģiju mierīgā laikā vai pēc saulrieta, lai nodrošinātu stabilu, paredzamu jaudu.
Tīkla stabilitāte un integrācija: tā ātrā reakcija atbalsta frekvences regulēšanu, sprieguma kontroli un melnās{0}}startēšanas pakalpojumus. Vēja-saules-hibrīdsistēmas CAES rada "virtuālās bāzes slodzes" iekārtas, samazinot atkarību no fosilās-kurināmās.
Ekonomiskie un vides ieguvumi: CAES ievērojami samazina uzglabāšanas izmaksas, uzlabo atjaunojamās enerģijas izmantošanas līmeni un samazina oglekļa emisijas (īpaši uzlabotās adiabātiskās konfigurācijās). Tas ir īpaši konkurētspējīgs liela mēroga-ilgas{2}}atjaunojamās enerģijas integrācijas gadījumā.
CAES atrašanās vieta kopā ar vēja parkiem vai saules stacijām optimizē pārvades infrastruktūru un gūst papildu ieņēmumus, izmantojot enerģijas arbitrāžu, jaudas tirgus un palīgpakalpojumus.
Raugoties uz priekšu: CAES kā atjaunojamās enerģijas spēkstaciju stūrakmens
CAES, sākot no 20. gadsimta 70. gadiem, ir attīstījusies par elastīgu,-ilgtermiņa uzglabāšanas tehnoloģiju ar gigavatu-stundu-mēroga potenciālu. Uzlabotie adiabātiskie un izotermiskie varianti pilnībā novērš fosilā kurināmā izmantošanu, lieliski saskaņojot to ar neto-nulles mērķiem. Tā mērogojamība un ģeogrāfiskā pielāgošanās spēja (ja ir piemērota ģeoloģija) ļauj pārveidot vēja un saules resursus, kas periodiski tiek izmantoti uzticamā, augstvērtīgā{7}}elektrībā.
Veiksmīgi projekti, piemēram, apstiprina, ka CAES tehnoloģija ir pilnībā gatava komerciālai{0}}izvēršanai. Ieviešot CAES, atjaunojamās enerģijas nozare var pārvarēt savu lielāko izaicinājumu-mainība-paātrinot pāreju uz tīru enerģiju un nodrošinot komunālo pakalpojumu, nozaru un kopienu ekonomikas noturību un energoapgādes drošību visā pasaulē. Pašlaik notiekošie projekti Ķīnā un starptautiski liecina, ka integrētās vēja -saules-CAES spēkstacijas vairs nav vīzija, bet gan pašreizējā realitāte,-piegādājot tīru, nosūtāmu elektroenerģiju, kad un kur tas ir nepieciešams.
