Исследование, проведенное Инженерным колледжем Университета штата Орегон, выявило способ повышения эффективности сетевого хранилища, имеющего решающее значение для глобального перехода к возобновляемым источникам энергии.
Движение к нулевому выбросу углерода означает работу с прерывистым, непредсказуемым характером экологически чистых источников энергии, таких как ветер и солнечная энергия, а также преодоление несоответствия спроса и предложения, сказал Ник АуЙанг из OSU, который руководил исследованием вместе с доктором философии. Д. студент Фуцюн Лэй.
Эти проблемы, отмечает Ау Юнг, требуют хранения энергии с помощью средств, помимо насосных гидроэлектростанций, которые оснащены турбиной между двумя водохранилищами на разных высотах и огромными литий-ионными батареями.
Исследование компьютерного моделирования, проведенное под руководством Ау Юнга, доцента химического машиностроения, и Лея, показало, что одну из этих дополнительных технологий накопления энергии, сжатый воздух, можно улучшить с помощью химических реакций.
Обратимые реакции могут поглощать энергию в виде тепла и впоследствии сохранять энергию, которая в противном случае была бы потеряна.
Выводы, опубликованные в журнале Energy Conversion and Management, также применимы к родственной технологии - хранению энергии в жидком воздухе, - сказал Ау Йенг.
Как следует из их названий, методы работы с жидкостью и сжатым воздухом используют энергию, доступ к которой можно получить, когда это необходимо, позволяя хранящемуся воздуху - либо сжатому, либо охлажденному до жидкой формы - расширяться и проходить через электрогенерирующие турбины.
Однако и CAES, как обычно выражается накопление энергии сжатым воздухом, и LAES (жидкий воздух) имеют несколько низкие баллы в категории, известной как эффективность приема-передачи, объясняет AuYeung. В обоих случаях можно вывести только около половины вложенной энергии - подумайте об этом, как о внесении банковского депозита в размере 1000 долларов, но из-за различных комиссий для вывода доступно только около 500 долларов.
«Преимущество CAES заключается в том, что он позволяет хранить энергию в больших масштабах, что является препятствием для технологий электрохимических батарей», - сказал он. «Но главная проблема для традиционных систем CAES - достижение высокой эффективности приема-передачи».
В обычном процессе CAES электричество используется для сжатия воздуха, а сжатый воздух хранится под землей в пещере или в сосуде высокого давления, сказал Ау Йенг. Когда воздух сжимается, его температура повышается, но это тепло обычно рассматривается как отходы и, таким образом, остается невосстановленным и неиспользованным.
«Чтобы выпустить воздух для производства энергии, его обычно нагревают природным газом, чтобы увеличить энтальпию питания турбины, общую энергию системы», - сказал он. «Учитывая потери тепла при хранении, получается, что общий КПД в оба конца - отношение работы на выходе турбины к работе, затрачиваемой на сжатие, - составляет всего от 40% до 50%."
AuYeung и его сотрудники из Университета штата Миссисипи, Университета штата Миссисипи и Университета штата Мичиган разработали схему хранения для повышения этой эффективности - термохимическое восстановление потерянного тепла - и разработали математическую модель для его конструкции и работы. По его словам, преимуществом термохимического накопления энергии, или TCES, по сравнению с другими методами является более высокая плотность энергии, которая стала возможной благодаря улавливанию тепла в форме химических связей.
Используя свою модель, исследователи проанализировали производительность TCES, включенных в аккумулирование тепловой энергии через «набивные слои» - сосуды, заполненные какой-либо твердой насадочной средой, где энергия достигает твердого тела с помощью жидкого теплоносителя, такого как как воздух. В качестве наполнителя обычно используется глинозем, керамика или щебень.
Упакованные кровати классифицируются как «разумное» хранение, потому что энергия используется благодаря изменяющейся температуре материала наполнителя.
«Мы посмотрели на TCES с плотными слоями, заполненными горными породами и оксидами бария», - сказал Ау Йенг.«Наши результаты показали одинаковую эффективность полного цикла между слоями с TCES и слоями без него из-за относительно низкой теплоемкости и теплоты реакции для оксидов бария. время хранения после зарядки. Другие средства хранения тепла не могут хранить тепло в течение длительного периода времени, так как они остывают."
Важно, отметил он, при размещении материала TCES поверх уплотненных слоев температура воздуха на входе в турбину была более стабильной - выше и дольше - что является ключом к оптимальной выработке электроэнергии и, следовательно, желательно для коммунальных служб. Кроме того, AuYeung сказал, что модель показывает, что с будущими усовершенствованными материалами эффективность доставки туда и обратно и время хранения также могут улучшиться.
"Чтобы лучше проиллюстрировать потенциал этой концепции, мы придумали гипотетический материал с той же теплоемкостью, что и у горных пород, но термохимической емкостью в три раза больше, чем у оксидов бария, и мы рассмотрели этот гипотетический материал в нашем исследовании. модель", - сказал он.«Результаты показали, что можно получить потенциальное повышение эффективности цикла туда и обратно более чем на 5%, а также увеличить продолжительность хранения. Кроме того, потребуется на 45% меньше объема наполнителя для достижения емкости хранения, аналогичной каменным пластам».
AuYeung сказал, что химический состав бария, на котором основывалась первоначальная модель, был наиболее очевидным, что пришло на ум исследователям, но у него есть обратная сторона, поскольку его теплоемкость довольно низкая.
Существуют бескислородные химические вещества, такие как гидраты и карбонаты, которые обладают гипотетическими свойствами - высокой теплоемкостью, высокой теплотой реакции - мы рассмотрели, но прямо сейчас мы не определили ни одного окислительно-восстановительного материала, который работает на кислородных качелях», - сказал он. «Возможно, следующим шагом для нас или для тех, кто имеет больше знаний о материалах, будет попытка открыть новые материалы».
Университет штата Орегон поддержал это исследование через программу OSU Advantage, которая помогает работе, связанной с предпринимательством, интеллектуальной собственностью и передачей технологий.
В сотрудничестве участвовали Дэвид Корба, Лайк Ли и Вей Хуанг из Университета штата Миссисипи, которые сыграли важную роль в построении математической модели, и Кельвин Рандхир из Университета штата Мичиган, который помог в разработке концепции.