ruen

Консервированная электроэнергия

17.08.2012

С развитием альтернативной энергетики резко возрастает значение технологий "хранения" энергии.

Электроэнергию в энергосистеме, как известно, невозможно положить на склад. Она должна быть потреблена тогда же, когда и произведена. Однако суточные колебания нагрузки на сети можно сглаживать, аккумулируя энергию в то время, когда образуются ее излишки, и используя ее в пиковые периоды потребления. Чаще всего для этой цели используются гидроаккумулирующие станции. До недавнего времени роль таких станций в мировой электроэнергетике была относительно скромной. Однако в связи с повсеместным развитием альтернативной энергетики, отличающейся непостоянством, значение технологий "хранения" энергии (bulk energy storage) резко возрастает.

Стабилизатор напряжения

Потребление электроэнергии нестабильно и непостоянно. В течение суток оно может колебаться на десятки процентов, достигая максимального уровня в утренние и вечерние часы и падая ночью. При этом в любой момент времени оно должно быть сбалансировано с производством, которое зачастую не обладает такой гибкостью. Атомные и тепловые энергоблоки работают с относительно постоянной нагрузкой, регулировать которую в течение дня сложно и дорого.

Для выравнивания суточных колебаний графика электрической нагрузки энергосистемы обычно используются гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС). Ночью они получают из сети дешевую э/э, которую расходуют на закачку воды в верхний бьеф. Во время утренних и вечерних пиков энергопотребления ГАЭС работают в режиме обычной гидроэлектростанции, сбрасывая накопленную воду из верхнего бьефа в нижний, вырабатывая э/э. Конечно, часть энергии при этом теряется, однако порядка 70-75% э/э, затраченной на работу насосов, все-таки можно вернуть обратно в сеть.

Первая такая станция была построена на итальянско-швейцарской границе еще в 1890 г. На сегодняшний день совокупная мощность ГАЭС по всему миру составляет 127 ГВт (по другим данным — 104 ГВт), что соответствует около 2-2.5% от глобальных генерирующих мощностей. Более трети от этого объема приходится на страны Евросоюза, около 25% — на Японию и 20% — на США.

В Украине в настоящее время действуют две ГАЭС — Ташлыкская и Киевская суммарной мощностью (в генераторном режиме) более 2.1 ГВт и еще две — Днестровская и Каневская на 3.3 ГВт — находятся в процессе строительства.

При этом эксперты признают, что существующие мощности аккумулирующих станций совершенно недостаточны. В США и Европе жарким летом, когда в сети создается повышенная нагрузка за счет кондиционеров, энергетическим компаниям довольно часто приходится докупать недостающую э/э на спотовом рынке, где пиковые цены могут превышать средний уровень в 20-30 раз. Их основная проблема заключается именно в недостатке резервных мощностей, которые можно оперативно использовать в периоды максимальной нагрузки на сети.

Так, например, американская компания The Electric Reliability Council of Texas (ERCOT), летом 2011 г. установившая общенациональный рекорд дороговизны приобретаемой спотовой э/э, обладает возможностью выработки 740 млн МВтч в год, в то время как реальный объем потребления составил в прошлом году немногим более 320 млн МВтч. Однако действующие мощности ERCOT оказываются избыточными во время ночных спадов и недостаточными при пиковых нагрузках.

В связи со стремительным развитием альтернативной энергетики, эта проблема обостряется до предела. Энергия солнца и ветра очень непостоянна. Так, ветроэлектростанции, как правило, вырабатывают максимум э/э именно ночью, когда она не слишком нужна, и часто простаивают жарким днем. Солнечные батареи в жаркие дни могут выдавать массу энергии, но стоит солнцу уйти за тучу, как их выработка падает в разы.

Страны, где ветровая и солнечная энергия составляет заметную долю в общем энергобалансе, уже столкнулись с этими трудностями. В Германии, где солнечная энергетика интенсивно поддерживается государством, в этом году уже были дни, когда имеющиеся в стране солнечные батареи выдавали больше энергии, чем требовалось. В то же время Германия одновременно является крупнейшим в Европе импортером э/э.

В Дании недавно введен в строй интерконнектор, который позволяет сбрасывать в сети соседних стран более 20% вырабатываемой в стране ветроэнергии. Однако время от времени стране приходится импортировать э/э, чтобы компенсировать падение мощности генерации в безветренные дни.

Естественным выходом из создавшегося положения становится строительство ГАЭС, которые могут использовать образующиеся излишки ветровой и солнечной э/э и компенсировать падение ее выработки в неудачные дни. Поэтому тема "хранения" энергии в последнее время вызывает значительный интерес в США и Европе. По оценкам американского Pike Research Institute, в разработку новых энергоаккумулирующих технологий до 2020 г. будет инвестировано около $120 млрд.

Нужда в новых технологиях "хранения" э/э возникает вследствие наличия у ГАЭС определенных недостатков. Действующие гидроаккумулирующие станции используются, главным образом, для регулирования суточных колебаний нагрузки. Они работают по определенному графику: сначала в насосном режиме, а затем — в генераторном. Первый период обычно продолжается 4-5 часов, хотя может достигать и 10 часов (например, у немецкой станции Goldisthal, имевшей до недавнего времени долгосрочный контракт на приобретение дешевой ночной э/э АЭС), а второй — от 4 до 8 часов.

Кроме того, ГАЭС приспособлены для совместной работы с тепловыми или атомными блоками с их относительно постоянной нагрузкой. Использовать ГАЭС для регулирования поставок нестабильной ветровой и солнечной э/э сложнее. Еще один недостаток ГАЭС заключается в сложности выбора площадки. Особенно, если учитывать, что в настоящее время в западных странах очень трудно получить разрешение на строительство подобного объекта на обычно густонаселенных берегах рек и водохранилищ.

Альтернативное "хранение" энергии

Впрочем, в ряде стран разрабатываются проекты возведения ГАЭС на морском побережье. Экспериментальная установка Yanbaru мощностью 30 МВт была введена в строй в 2009 г. на японском острове Окинава. В качестве резервуара там используется котловина в прибрежных горах на высоте около 150 м над уровнем моря, куда можно закачивать до 564 тыс куб м морской воды. Существует проект строительства подобной станции мощностью 300 МВт на Гавайях.

Technical University of Denmark предложил использовать в равнинной Дании подземные резервуары на искусственных островах. Размещенные там ветроустановки будут питать насосы, которые откачивают воду из этих резервуаров, а при нужде в дополнительной э/э туда по трубам будет запускаться с поверхности морская вода, вращающая турбины.

В настоящее время около 99% мировой мощности аккумулирующих станций приходится на ГАЭС, а оставшийся 1% представлен пневмоаккумулирующими энергетическими установками (ПАЭС или, по-английски, CAES). Суть этой технологии заключается в том, что избыточная э/э приводит в действие компрессоры, закачивающие воздух внутрь подземных резервуаров, например, выработанных соляных пластов. Во время пика нагрузки сжатый воздух выходит обратно, приводя в движение турбину.

Сегодня в мире есть две действующие ПАЭС. Первая из них введена в строй в 1978 г. в Германии и имеет мощность в 290 МВт. Вторая (110 МВт) была построена в США в 1991 г. По данным немецкой компании RWE, которой принадлежит ПАЭС Huntorf, соотношение между затраченной и полученной э/э составляет у нее всего 42%, у американской установки этот показатель ненамного лучше.

Основная проблема заключается в том, что воздух во время сжатия разогревается, из-за чего безвозвратно теряется часть э/э. А при повторном использовании сжатого воздуха в турбинах его надо снова разогревать, для чего применяются газовые горелки.

Тем не менее, использование ПАЭС для сглаживания поставок ветровой и солнечной энергии выглядит более перспективным, чем ГАЭС, из-за большей гибкости работы пневмоаккумулирующих установок. Поэтому в этом направлении ведутся достаточно активные исследования. Наибольшие надежды возлагаются на адиабатические установки, в которых тепло, образующееся от сжатия воздуха, "запасается впрок", а затем используется для его разогрева при выпуске.

Наиболее известный проект такого рода в 2010 г. анонсировала RWE. Она планирует после 2013 г. начать строительство пилотной установки ADELE, в которой может быть "запасено" до 360 МВтч э/э (максимальная выработка 50 современных ветроустановок за 4 часа работы).

В проекте RWE предлагается сжимать воздух до 70 атмосфер, в результате чего он нагревается до 600 градусов. Перед закачкой в подземный резервуар воздух будет проходить через теплообменник, где станет отдавать тепло керамическим элементам, масляным радиаторам или солевому расплаву. Так как в этой установке не будет использоваться природный газ, ее эффективность должна составить около 70%.

В похожем проекте американской компании Iberdrola в штате Нью-Йорк предусматривается подключение ПАЭС мощностью 150 МВт, использующей в качестве резервуара соляную каверну, к интеллектуальной сети (smart grid). Предполагается, что установка будет использовать э/э, вырабатываемую ветроэлектростанциями в ночное время, и выдавать ее во время дневных пиков нагрузки. Ее ввод в эксплуатацию запланирован на 2014 г.

В проекте американской фирмы SustainX, образованной при поддержке Dartmouth University и Министерства энергетики США, в качестве теплоносителя используется водяной пар, а вместо подземного резервуара — стандартные стальные трубы. Пилотная установка, созданная компанией General Electric, тоже принимающей участие в этом проекте, имеет мощность всего в 40 кВт, но в дальнейшем SustainX планирует создать коммерческие системы на 1-2 МВт. Преимуществом таких установок является их компактность, позволяющая размещать их практически где угодно, а малая мощность подразумевает использование в качестве резервных источников энергии непосредственно у потребителей.

Наконец, довольно оригинальный проект разрабатывает американская Advanced Rail Energy Storage (ARES). Она предлагает использовать дешевую "ночную" э/э для поднятия в гору модифицированных железнодорожных тележек. Когда возникает нужда в э/э, тележки пускаются вниз с горки, а их колеса приводят в движение генератор. Как заверяет глава ARES Уильям Пайцке, его система, которая должна быть готова в демонстрационном режиме в 2013 г., дает очень высокое соотношение между затраченной и полученной энергией — более 85%. Правда, подобные установки, как и ГАЭС, требуют наличия определенного рельефа.

Так или иначе, в проектах строительства новых аккумулирующих энергоустановок сегодня в мире нет недостатка. Однако их масштабное внедрение сдерживается тем, что они не вписываются в современный либерализированный рынок э/э.

Полную версию статьи читайте на сайте журнала ЭнергоБизнес www.e-b.com.ua

Источник: http://www.uaenergy.com.ua"