Ветер и солнце, два непредсказуемых ресурса, становятся все более важными источниками энергии в Европе. Это означает, что мы сталкиваемся с растущей потребностью в хранилищах энергии, потому что, если энергия не может быть использована сразу после ее выработки, ее необходимо хранить до тех пор, пока она не понадобится.
Наименее дорогой метод заключается в использовании водохранилищ гидроэлектростанций в качестве «батарей»: т. е. выработка электроэнергии с использованием хранимой воды, когда ее не хватает, а затем перекачка воды обратно в гору, когда доступны излишки возобновляемой энергии. Однако это практичное решение только в горных районах, таких как Норвегия и некоторые другие страны.
Что, если менее удачливые страны и регионы могли бы использовать воздух вместо воды в качестве способа хранения энергии? Под эгидой Европейского Союза ученые со всей Европы пытаются превратить эту концепцию в жизнеспособную перспективу посредством исследовательского проекта (RICAS 2020), участником которого является SINTEF. Участники проекта имеют в виду все уголки мира, где закрытые заброшенные пещеры могут быть использованы в качестве хранилищ.
Как горячий насос для велосипедных шин
Общий принцип, который уже был принят на нескольких объектах по всему миру, по существу заключается в использовании избыточной электроэнергии для сжатия воздуха, который затем хранится в подземной пещере. Когда необходимо обеспечить электроэнергию, воздух выпускается через газовую турбину, которая вырабатывает электричество. Существующие электростанции этого типа часто используются для удовлетворения пикового спроса в качестве дополнения к классическим электростанциям, обеспечивая нужное количество электроэнергии, необходимое в разное время в течение дня.
Физика, управляющая хранением энергии в виде сжатого воздуха, является результатом закона природы, знакомого каждому пользователю велосипедного насоса: процесс сжатия воздуха нагревает его. Велосипедные насосы сжимают воздух, чтобы увеличить давление в шинах, и при этом нагревают насос.
Чем больше теплоты сжатия сохранил воздух при выпуске из хранилища, тем большую работу он может совершить при прохождении через газовую турбину. И мы думаем, что сможем сохранить больше этого тепла, чем позволяют современные технологии хранения, что повышает чистую эффективность хранилищ», - говорит Джованни Перилло, руководитель проекта SINTEF по вкладу в RICAS 2020.
Подземные пещеры как хранилища тепла
Два крупнейших хранилища сжатого воздуха в мире находятся в Германии и США. Это подземные камеры, созданные в соляных образованиях. Но эти установки теряют большую часть потенциальной энергии сжатого воздуха, потому что они не включают систему для хранения тепла, произведенного на этапе сжатия воздуха.
У участников RICAS 2020 есть рецепт снижения этих потерь в будущих подземных хранилищах. В основе рецепта лежит дополнительная станция, которую они включили в свое решение.
- На пути в подземную пещеру горячий сжатый воздух проходит через отдельную пещеру, заполненную щебнем.
- Горячий воздух нагревает скалу, которая сохраняет большую часть тепла.
- Холодный воздух хранится в главной пещере
- Когда воздух впоследствии возвращается через щебень на пути к использованию для выработки электроэнергии, поток воздуха повторно нагревается камнями.
- Горячий воздух затем расширяется через турбину, вырабатывающую электроэнергию
Дешевле батареек
Руководитель проекта SINTEF объясняет, что, по оценкам, эта технология может повысить эффективность системы до 70-80%. Соответствующие цифры для большинства существующих хранилищ не превышают 45-55 процентов, а это означает, что произведенная энергия составляет лишь половину того, что первоначально использовалось для сжатия воздуха в пещере.
Проект основан на убеждении, что наше решение обеспечит лучшее хранение энергии, чем когда-либо могли обеспечить батареи, благодаря более длительному сроку службы и более низким капитальным затратам на киловатт-час накопленной энергии. Мы также ожидаем, что его можно будет использовать. практически независимо от типа имеющейся геологической формации», - говорит Перилло.
Заброшенные пещеры были бы как нельзя кстати
По словам Perillo, существует только одно требование в отношении выбора места. Большие полые пространства должны уже существовать, так как было бы слишком дорого выкапывать новые пещеры и делать их безопасными.
Поэтому участники проекта предполагают, что существующие неиспользуемые подземные пространства могут быть вновь открыты для размещения сжатого воздуха.
«Мы рассматриваем заброшенные туннели и шахты как потенциальные места хранения, а в Норвегии их предостаточно», - говорит Перилло.
Мембрана для герметизации стен пещеры
Исследователь SINTEF сам является материаловедом. В этом проекте ЕС он отвечает за исследования и разработки SINTEF в отношении герметизирующей мембраны, которая будет необходима для сохранения воздухонепроницаемости хранилищ сжатого воздуха.
Ученые SINTEF также вносят свой вклад в разработку подземных технологий, проводя расчеты, которые гарантируют, что их решения, включая герметизирующие материалы, будут способны выдерживать давление, которому они будут подвергаться.
Проект приведет к набору технических спецификаций и подробному анализу затрат. Будет ли запущена пилотная установка, будет зависеть от результатов этих исследований.
«Если окажется, что наше решение работает хорошо, появятся новые захватывающие возможности не только для самого хранения энергии, но и для промышленного применения сжатого воздуха», - говорит Перилло.
Отказались от многих предыдущих планов
Посреди альпийских ландшафтов на юге Германии доктор Матиас Финкенрат, профессор энергетики Кемптенского университета прикладных наук в Баварии, много лет занимается исследованиями использования сжатого воздуха для хранения энергии.
Он объясняет, что низкая энергоэффективность снизила интерес к тем немногим заводам, которые уже находятся в эксплуатации, и что в течение последних 15 лет было вложено много денег в разработку более энергоэффективных версий концепции накопления энергии на сжатом воздухе.
Однако, по словам профессора, сочетание серьезных технологических проблем, низких цен на энергоносители и неопределенности на энергетическом рынке послужило препятствием, которое привело к отсрочке всех планов крупномасштабных демонстрационных электростанций. или заброшенный. Поэтому ничто не порадует профессора больше, чем то, что проект ЕС достигает своих целей.
Считает, что накопление горячей энергии может привести к прорыву
Хранилища сжатого воздуха, на которые направлен этот проект, могли бы обеспечить значительно более низкие затраты и значительно увеличить емкость по сравнению, например, с батареями. Если этот проект приведет к созданию хранилищ в широком диапазоне геологических условиях, что само по себе было бы важным шагом вперед.
«Если партнеры по проекту также преуспеют в своих планах по эффективному хранению тепла, использование сжатого воздуха для хранения энергии может оказаться на грани прорыва», - говорит профессор Финкенрат.