Системы накопления энергии как элемент инфраструктуры эко-полиса XXI века
Системы накопления энергии как элемент инфраструктуры эко-полиса XXI века
Краснов Август Геннадьевич, Велицко Владислав Владимирович
ЗАО ДЕЛОВОЙ ПРОФИЛЬ (Краснов А.Г.)
Международный общественный фонд "Фонд содействия экономическому развитию имени Байбакова Н.К.", ООО "ОЦР Технологии" (Велицко В.В.)
РОССИЯ
Доклад, входящий в материалы: «ХI Международная конференция Государственное управление: Российская Федерация в современном мире 30 мая - 1 июня 2013 г.», Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Факультет государственного управления.
В статье раскрывается роль систем накопления энергии для эко-полиса XXI века - как элемент улучшения экономичности и экологичности традиционной энергетики в первой половине века, и как инфраструктурный элемент необходимый для развития альтернативной энергетики. Приводится морфологический ряд систем накопления энергии, а также ряд конкретных перспективных технологий, из этого ряда, позволяющих повысить эффективность традиционной энергетики, стать базой для создания гибридного транспорта и базой для создания систем накопления энергии и тригенерации в доме XXI века.
Какова значимость системы накопления и хранения энергии для эко-полиса в XXI веке? Для более полного ответа на этот имеет смысл поставить его в следующей форме: «Что такое системы накопления и хранения энергии в век, когда ожидается истощение запасов углеводородного сырья и переход на альтернативные источники энергии?»
Для того, чтобы даже приблизительно ответить на эти вопросы надо, как минимум понять значимость систем накопления и хранения энергии для современной электроэнергетики, в привязке к способам получения электрической энергии.
Электрическая энергия, далее по тексту ЭЭ, является базовым и самым универсальным видом энергии, используемым современной человеческой цивилизацией. Любой современный город немыслим без использования ЭЭ, соответственно инфраструктура производства, транспортировки и распределения ЭЭ является неотъемлемой частью и будущего эко-полиса.
На сегодняшний день, основной способ производства ЭЭ в мире - преобразование тепловой энергии, получаемой в результате сжигания углеводородного сырья, в ЭЭ. В сопоставимых объемах производство ЭЭ, в рамках конкретного вида генерации, осуществляется лишь на атомных электростанциях. Несмотря на динамичное развитие альтернативных способов производства энергии, по различным экспертным оценкам ожидается, что в обозримой временной перспективе порядка 40 - 50 лет углеводородная и атомная энергетика будут продолжать доминировать в общем объеме производства энергии.
Потребление ЭЭ, в значительной степени обусловленное циклической активностью деятельности людей и, соответственно, неравномерно во времени. Наиболее проблемными, с точки зрения энергетики, являются суточные колебания потребления энергии. Отклонения минимумов и максимумов потребления ЭЭ могут достигать 50% от среднесуточного потребления. Это существенно превосходит ресурс маневренности по мощности для ТЭЦ (КЭС). Снизить потребление топлива и выработку энергии на ТЭЦ (КЭС) без последствий для экономической эффективности и надежности работы оборудования, можно примерно на 30%. (Тут же стоит отметить, что при снижении вырабатываемой электрической мощности более чем 30%, помимо экономичности, ухудшается и экологичность производства электроэнергии в т.ч. и недожог топлива, приводящий к возникновению продуктов неполного сгорания, являющихся канцерогенами). Атомная же станция, реактор которой вырабатывает тепло фактически в постоянном режиме, в итоге и такого оперативного резерва по маневру мощности практически не имеет, соответственно произведенная избыточная ЭЭ должна бесполезно сбрасываться на балластную нагрузку.
Несогласованность суточного потребления электроэнергии потребителями и возможности эффективно изменять уровень нагрузки генерирующей электростанции, в некоторой степени удается решать переброской энергии в рамках единой территориально распределенной электрической сети, располагающейся в разных часовых поясах.
Таким образом, рассматривая связку эко-полиса с системой существующего производства ЭЭ, имеет смысл поставить техническую задачу по выравниванию суточного потребления ЭЭ внутри эко-полиса. Решение этой задачи позволит повысить, как экономическую эффективность производства ЭЭ, так и повысить экологичность выработки ЭЭ (для производства на ТЭЦ и КЭС).
В условиях низкой маневренности по мощности генерирующих станций, обеспечение пиковых потребностей в ЭЭ возможно только при наличии эффективной системы накопления и хранения ЭЭ, которая бы отдавала ЭЭ в пиковый период потребления, и накапливала бы её в межпиковый период.
По своей структуре система накопления и хранения ЭЭ может быть сочетанием двух видов организации:
- централизованная - аккумулирование всей энергии, потребляемой эко-полисом, в одном или нескольких крупных хранилищах, впоследствии обеспечивающих потребителей энергией по стабильному во времени тарифу.
- децентрализованная (сетевая) - аккумулирование ЭЭ происходит в распределенной сети относительно небольших разнокалиберных хранилищ, расположенных непосредственно у конечных пользователей, или консолидированных групп пользователей, закупающих ЭЭ по изменяющемуся во времени тарифу.
Эти виды будут комбинироваться в зависимости от конкретных экономических условий, и динамики развития внедрения систем хранения энергии.
На Рисунке 1 приведен сводный результат морфологического анализа возможных технических систем, далее по тексту ТС, хранения и накопления ЭЭ.
Рисунок 1
[Читать далее:]
В классе ТС хранения ЭЭ «Как есть», существует два вида ТС:
• ТС электростатического накопления заряда (конденсаторы, ионисторы);
• ТС индукционного накопления энергии магнитного поля (Сверхпроводниковый индукционный накопитель энергии)
В классе ТС хранения ЭЭ с помощью обратимого преобразования электрической энергии , можно выделить тоже два вида ТС:
• ТС с электрохимическим преобразованием во внутреннюю энергию вещества (аккумуляторы, электрохимические суперконденсаторы)
• ТС с электромагнитным преобразованием в импульс тела (инерционные накопители энергии)
В классе ТС хранения ЭЭ с помощью последовательности необратимых преобразований различных видов энергии друг в друга, количество вариантов ТС весьма велико и разнообразно, но может быть систематизировано в рамках матрицы, приведенной в Таблице 1.
Таблица 1
На сегодняшний день в классе ТС хранения ЭЭ с промежуточными преобразованиями энергии для задач аккумулирования ЭЭ промышленно используются гидроаккумулирующие станции и газоаккумулирующие станции, работающие на сжатом воздухе, например, в США, где построена самая мощная действующая станция такого типа мощностью 200 МВт.
Применимость технических решений для создания систем накопления и хранения ЭЭ обусловлена такими требованиями как низкая удельная стоимость хранения ЭЭ за КВтч и масштабируемость решения. Под масштабируемостью решений, подразумевается техническая возможность создавать решения направленные на удовлетворение как единичного бытового пользователя, так и целой городской агломерации, с промышленной инфраструктурой.
Существующие системы хранения ЭЭ, возможные к производству в классах ТС хранения ЭЭ «как есть» и ТС хранения ЭЭ с обратимым преобразованием энергии, даже не смотря на экономические показатели решений, в перспективе ближайших 20-30 лет представляются не готовыми к созданию масштабных систем хранения энергии сопоставимых с потребностями в ЭЭ городов и городских агломераций. (Необходимо многократное увеличение существующих производственных мощностей, обеспечение их необходимыми материалами и др. мероприятия или создание принципиально новых производств и производственных цепочек). Это значит, что в этой перспективе основные направления развития систем хранения ЭЭ лежат в классе ТС хранения ЭЭ с промежуточными необратимыми преобразованиями. В рамках настоящей статьи предлагается рассмотреть несколько перспективных решений из этого класса.
Решение 1. Газоаккумулирующая станция на базе турбопоршневой установки (разработчик ООО "ОЦР Технологии").
Рисунок 2
Новая геометрия рабочего пространства и рабочих органов, отображенная на Рисунке 2, отличающаяся от традиционных турбин и поршневых машин, создает следующие преимущества:
По отношению к турбине: при маневре нагрузки - стабильный КПД на уровне поршневого двигателя;
По отношению к поршневому двигателю: компактность, малое количество деталей, малая потребность в сервисе (отсутствуют клапаны).
Указанные преимущества позволяют реализовать на базе турбопоршневой установки газоаккумулирующие станции экономически более эффективные, чем это возможно на базе известных поршневых машин и турбин.
Турбопоршневая установка позволяет создавать как малые хранилища ЭЭ для бытового потребления, так и крупные хранилища ЭЭ на базе технологии подземных газовых хранилищ. Существующая промышленная инфраструктура позволяет достаточно быстро наладить массовый выпуск необходимого оборудования.
Решение 2. Газогидратные технологии (разработчик ООО "ОЦР Технологии").
Суть решения: преобразование газа (метана) в вид газогидрата для последующего хранения и транспортировки. (1 куб газогидрата = 160 куб газа.)
Газогидрат представляет собой стабильное вещество при -20С, при повышении температуры, медленно разлагается на метан и воду с поглощением тепловой энергии.
Технически возможно обратное извлечение энергии, в виде избыточного давления, затраченной на преобразование метана в газогидрат. Именно этот вариант приемлем для запасания энергии в газогидрате в виде изменение энергии межмолекулярный связей.
Это решение применимо, например, при создании крупного хранилища ЭЭ в привязке к инфраструктуре существующих газовых хранилищ действующей газотранспортной системы ОАО ГАЗПРОМ. (использование существующей инфраструктуры позволяет экономить стартовые затраты, необходимые для создания системы хранения ЭЭ).
Также, данная технология применима для создания хранилищ энергии в виде локальных газовых хранилищ, что может быть важно, например, при сглаживании сезонных неравномерностей потребления энергии эко-полисом, в условиях возможного сезонного дефицита газа. Такое решение будет организовать проще и дешевле, чем по технологии подземного хранилища газа, которое к тому же возможно не везде, а лишь при определенных геологических особенностях местности.
С точки зрения масштабирования, несмотря на нижний предел этой газогидратной технологии лежит в области порядка 100 кВт -200 кВт, ввиду того, что рабочее тело должно возвращаться обратно в газотранспортную систему, газогидратные технологии представляются целесообразными для создания крупных централизованных решений по сбережению ЭЭ.
Существующая промышленная инфраструктура позволяет достаточно быстро наладить массовый выпуск необходимого оборудования.
Решение 3. Тепловая машина на базе жидкой углекислоты (разработчик ООО «Инновации.Новые технологии»)
Суть решения: использование жидкой углекислоты в качестве рабочего тела в тепловой машине, где в течение рабочего цикла углекислота переходит в трехфазовое состояние и обратно. На Рисунок 3 приведена диаграмма фазового состояния диоксида углерода, которая позволяет реализовать этот цикл.
Тепловая машина на базе жидкой углекислоты позволяет утилизировать тепло, с выработкой электроэнергии, в т.ч. и низкопотенциальное, даже в зоне отрицательных, по Цельсию, температур.
Данная технология имеет двойной потенциал. С одной стороны она позволяет хранить энергию в виде тепла, запасенного в рабочем теле. Например, энергию можно запасать в виде тепла в термоизолированных резервуарах с водой, а затем отбирать запасенную энергию, преобразуя тепло в электрическую энергию. С другой стороны, эта технология позволяет утилизировать как высокопотенциальное, так и низкопотенциальное тепло, возникающее как побочный продукт в различных видах деятельности человека. А учитывая, что большая часть солнечной энергии, поступающей на Землю, преобразуется в тепло, данную технологию можно и нужно рассматривать как один из альтернативных источников получения ЭЭ.
Рисунок 3
Применительно к задачам энергетики, тепловая машина на базе жидкой углекислоты может быть эффективно использована в качестве конденсатора и градирни, что позволит не только преобразовать низкопотенциальную тепловую энергию в ЭЭ, но и существенно сократить расход воды, которая в существующих производственных циклах в значительном объеме испаряется в атмосферу. Атомные станции также являются источником большого количества низкопотенциальной тепловой энергии, которая может быть преобразована в ЭЭ на базе жидкой углекислоты.
Нижний предел масштабируемости энергосистемы на базе жидкой углекислоты лежит в области порядка 5 кВт, что позволяет использовать данную систему для децентрализованной системы хранения ЭЭ.
Существующая промышленная инфраструктура позволяет достаточно быстро наладить массовый выпуск необходимого оборудования.
Отдельно необходимо выделить значимость систем хранения и накопления энергии для транспортной системы эко-полиса.
Во первых, необходимо отметить, что все существующие решения по экологически «чистому» электротранспорту являются лишь способом дистанцирования вредных выбросов, образующихся при сжигании топлива, от места полезного использования энергии. Учитывая существующие способы выработки электроэнергии, в глобальном смысле экологический вред, наносимый природе электротранспортом может быть большим, чем вред наносимый современными двигателями внутреннего сгорания, которые достигли более высоких показателй по выбросам, чем существующие электрогенерирующие мощности на базе ТЭЦ (КЭС). Особенно, проблема «экологичности» электротранспорта касается климатической зоны России, т.к. в зимний период транспорт необходимо отапливать, что делает транспорт на базе ДВС в глобальном экологическом плане менее вредным .
Во вторых, электротранспорт, а в частности, электромобиль как массовый вид транспорта пока существовать в обозримом будущем не сможет, ввиду недостаточной электрической мощности современной энергетики. Углеводороды потребляемые для транспортных нужд в мировом балансе превышают углеводороды, потребляемые в энергетике. И эта ситуация в первой половине XXI века вряд ли изменится. Однако, транспортные системы на базе только одного ДВС, в плане эффективности использования энергии, а соответственно и в плане экологичности, существенно уступают системам, позволяющим рекуперировать энергию движения транспортного средства.
Таким образом, следует ожидать, что XXI век станет веком гибридных транспортных средств обладающих эффективными системами рекуперации энергии движения. Соответственно транспортная система эко-полиса XXI века - это система гибридного транспортна.
Современный мейнстрим гибридных приводов - пара ДВС и электропривод, способный рекуперировать энегргию в аккумуляторе при торможении транспортного средства. Однако практическая реализация экономически эффективного решения на сегодняшний день сдерживается целым рядом факторов, основным из которых, пожалуй, будет эффективный и дешевый электрический аккумулятор.
С точки зрения упомянутой выше системы накопления энергии на базе турбопоршневой установки, в рамках возможностей создания системы гибридных приводов для транспортных средств имеет смысл отметить вариант использования накопителей энергии в виде системы, использующей энергию сжатого воздуха. Основным преимуществом данной системы по сравнению с электрическим приводом, привод на сжатом воздухе позволяет эффективно использовать энергию отработанных газов. Дополнительный нагрев рабочего тела отработанными газами ДВС позволит в итоге увеличить на 10% -12% итоговый КПД ДВС в составе гибридного транспортного средства.
Использование турбопоршневой установки в составе гибридного привода транспортного средства на базе пневмоаккумулятора позволит упростить трансмиссию транспортного средства до системы воздуховодов высокого давления, к которым подключены локальные силовые турбопоршневые приводы, работающие как в режиме отдачи энергии, так и в режиме рекуперации. Такая схема, помимо использования энергии отработанных газов ДВС, позволяет стабилизировать ДВС в оптимальном режиме, обеспечивающим режим с минимальными вредными выбросами.
Преимущество турбопоршневой установки в качестве базы для гибридного транспорта заключается в наличии всей производственной инфраструктуры и материалов, необходимых для внедрения данного решения. Что нельзя сказать об электроприводах, где существует высокая потребность в новых материалах, и соответственных производствах.
Технология получения газогидрата также является актуальной в разделе создания гибридных транспортных средств, т.к. газогидрат - удобная и безопасная форма хранения и транспортировки газа, используемого в качестве моторного топлива для ДВС.
Кстати сказать, что развитие электролизных водородных станций, как вариант ТС хранения ЭЭ с необратимыми преобразованиями энергии, для аккумулирования энергии в виде молекулярной энергии чистого водорода, предназначенного для сжигания, сможет обеспечить преемственность перевода парка техники на базе ДВС на альтернативный вид топлива (водород).
Рассматривая системы накопления энергии на базе турбопоршневой установки и на базе тепловой машины, использующей в качестве рабочего тела углекислоту, имеет смысл отметить ещё одну сферу полезного использования данных установок - тригенерация, т.е. производство электричества, тепла и холода. В данном случае имеет смысл сделать акцент на генерации холода. Производство холода актуально как в промышленном сегменте потребления, так и в бытовом.
В современном жилом доме существует как минимум две задачи, требующие генерации холода - для хранения продуктов и для кондиционирования помещений в теплое время года. Обе эти задачи на сегодняшний день решаются энергозатратным способом. Создание бытовых хранилищ энергии, как на базе пневмоаккумулятора с турбопоршневой машиной, так и на базе углекислотной тепловой машины, позволит создать источники холода, в которых холод - побочный продукт. Например, при закачке воздуха в пневмоаккумулятор на компрессоре выделяется тепло, которое может быть направлено, например, на нагрев воды в системе ГВС, а при срабатывании избыточного давления в детандере происходит выработка холода, который может достигать сверхнизих теператур и может быть направлен в систему кондиционирования или в холодильную камеру, предназначенную для охлаждения продуктов. Аналогично в системе хранения энергии на базе углекислотной тепловой машины, тепло - форма накопления энергии, а охлаждение рабочего тела до - 56,6С, побочный результат выработки ЭЭ.
Таким образом, рассматривая концепцию жилища эко-полиса целесообразно ориентироваться на создание жилищ, в которых системы будут присутствовать интегрированные системы хранения и выработки ЭЭ, производства тепла и холода. Тут же следует отметить, что в части применения углекислотной тепловой машины в рамках территории эко-полиса необходимо соблюдать баланс между подводимой в эко-полис энергии, и общей мощностью установок, позволяющих отбирать низкопотенциальную тепловую энергию, если мощность установок будет избыточной это влечет риски локального понижения температуры в пределах экополиса, что может быть приемлемо только во время летних экстремальных повышений температуры (на сегодняшний день мы имеем обратный эффект, когда в городе на несколько градусов теплее, чем в его окрестностях).
С точки зрения системой альтернативных способов производства энергии, которые, преимущественно привязаны к нестабильным во времени природным процессам: наличие ветра, освещенность и т.п. Следует отметить, что системы накопления энергии являются для них важным дополнением, позволяющим обеспечить выдачу ЭЭ в соответствии с потребностью в ней.
Таким образом, следует сделать вывод, что систем накопления энергии для эко-полиса XXI века в его первой половине являются средством повышения эффективности и улучшения экологических показателей традиционной энергетики, а в его второй половине необходимым инфраструктурным элементом для активного развития альтернативной энергетики.