Интернет журныл о промышленности в Украине

Холодильник для електрики

  1. Вати в термосі
  2. З вогню та в полум'я
  3. Історія льодовикового періоду
  4. крижані батарейки
  5. Арктика під капотом

Вже майже рік в промисловій зоні Слау недалеко від лондонського аеропорту Хітроу добові перепади в навантаженні регіональних енергомереж успішно компенсує перший в світі холодильник для електрики - 300-кіловатна кріогенна акумулююча електростанція Highview Power Storage.

Авторство ідеї про утилізацію надлишкової генерації енергії шляхом зрідження атмосферного повітря (а фактично - азоту) в промислових кріогенних установках для мереж з високою часткою нестабільних джерел (на зразок вітрових і сонячних електростанцій) приписують професору Університету Лідс китайцеві Юлон Діну. Але нічого нового йому придумувати не довелося. Всі компоненти криогенного акумулятора (CES) - Турбодетандери, судини Дьюара і двигуни генератори- відомі вже більше ста років. Дивно, що за цей час ніхто, крім Діна і його колег, не здогадався скласти докупи ці ідеально збігаються шматочки різних «пазлів».

Вати в термосі

Все геніальне просто, і CES не виняток з правил. Щоб «засвоїти» тимчасово непотрібне електрику, повітря в CES охолоджується до -196 ° C, а отримана при цьому рідка суміш азоту і кисню закачується в закрите сховище-термос, де з мінімальними втратами (менш 0,5% на добу) і при атмосферному тиску може зберігатися тижнями. У моменти, коли мережі починають «просідати» під навантаженням, рідке повітря надходить на випарник і, розширюючись в 700 і більше разів, розкручує турбіну. Попередній нагрів випарника необов'язковий - різниці в 210-230 градусів між буквально космічним холодом і звичайної «температурою за бортом» цілком достатньо для вибухового викиду прихованої енергії суміші. Що зробив роботу крижаної повітря практично повністю повертається в робочий цикл.

Схема кріогенної акумулюючої електростанції Схема кріогенної акумулюючої електростанції. Енергія в повсякденному житті асоціюється у нас з теплом. Однак в разі кріогенної акумулюючої електростанції ключ до збереження енергії - це холод. Незатребувана протягом дня електроенергія перетворюється в світло-сіру рідину з температурою -196 ° C, і це не що інше, як скраплений атмосферне повітря.

Працездатність концепції Діна була доведена на першій же експериментальній установці потужністю 5 кВт, побудованої в 2010 році компанією Highview Power Storage на найбільшій в Британії 100-мегаватної ТЕЦ Слау, яка працює на деревних відходах. Протягом дев'яти місяців установка справно «відвантажувала» в мережу запасені вночі дешеві кіловати з ефективністю більше 50%, а в режимі примусового прогріву рідкого повітря за допомогою відпрацьованого теплоносія з температурою 110-115 ° C ККД установки досягав солідних 70%, впритул наближаючись до ККД ГАЕС (гідроаккумуляціонних електростанцій) - «золотого стандарту» великої енергетики.

Успіх проекту був закріплений негайно. На грант в? 1,1 млн, виділений урядом країни, ініціативна група в складі Highview, регіональних електромереж Scottish & Southern Energy і виробника кріогенної техніки BOC / Linde навесні минулого року запустила в Слау пілотну акумулюючі станцію потужністю 350 кВт з ємністю сховища 2,5 МВт / год (4-8 годин роботи мережі з повним навантаженням).

Незважаючи на чудовий ККД в 83%, станція в Слау викидає в атмосферу величезну кількість відпрацьованого пара з температурою в межах 110-115 ° C Незважаючи на чудовий ККД в 83%, станція в Слау викидає в атмосферу величезну кількість відпрацьованого пара з температурою в межах 110-115 ° C. Існуючі технології рекуперації теплової енергії з такими температурами не працюють, і ефективні лише в діапазоні 120-370 ° C. Щоб перетворити відходи в доходи, компанія Scottish & Southern Energy використовує дармове тепло для прогріву випарників CES, піднімаючи ККД акумулятора з 50 до 70%.

З вогню та в полум'я

Збірка станції на місці зайняла всього два місяці, так як абсолютно все що використовується в ній обладнання випускається серійно і не вимагає додаткової сертифікації. За словами головного технолога Highview Роба Моргана, подібні системи можна збирати з готових модулів, як конструктор Lego, і масштабувати їх електричні характеристики в залежності від вимог мережі. Ємність модуля, в свою чергу, визначається обсягом енергоносія: термос на 10 т рідкого повітря щільністю 873 кг / м3 здатний видавати в мережу один мегават потужності в годину, на 100 т - 10 МВт / год, і т. Д. У періоди вимушеної бездіяльності CES-станції можуть виробляти на продаж зріджені технічні гази або виробляти холод для харчових, хімічних і металургійних комбінатів.

Зберігання рідкого повітря набагато безпечніше, ніж природного газу, мазуту або дизпалива, а сама технологія кріогенної акумуляції енергії відносно проста, доступна і компактна Зберігання рідкого повітря набагато безпечніше, ніж природного газу, мазуту або дизпалива, а сама технологія кріогенної акумуляції енергії відносно проста, доступна і компактна.

Процеси, що відбуваються в надрах пілотної кріогенної станції в Слау, діляться на три етапи: скраплення повітря в циклі середнього тиску (заряд акумулятора), зберігання «зрідженого» електрики і відновлення енергії з високим тиском (розряд). На першому етапі атмосферне повітря, що нагнітається в систему за допомогою гвинтових компресорів, піддається ретельному очищенню від домішок: пил і тверді частинки осідають на фільтрах, а волога, вуглеводні і СО2 відокремлюються за допомогою двошарового адсорбера з алюмогель і синтетичних цеолітів. Цеоліт - це група мінералів, відомих своїми вбираючими якостями і здатністю до іонного обміну. Періодично адсорбер «забиваються» і для їх відновлення, а також для відводу «сміття» застосовується стандартна процедура скидання тиску, нагрівання і наступного охолодження.

Підготовлений таким чином і стислий до 40 атм сухий і гарячий повітря проходить через двоступеневий турбодетандер - холодильну машину, в якій він двічі розширюється і втрачає велику частину своєї теплової енергії (охолоджується), розкручуючи лопатки турбін до 50 000 об / хв. Додаткове охолодження відбувається також при дроселюванні за рахунок ефекту Джоуля-Томпсона: перебуваючи ще під тиском, газ повільно проходить в камеру розширення через пористу перегородку - дросель. В результаті левова частка закачаного в систему повітря перетворюється в світло-сіру текучу рідину з температурою -196 ° C, а залишки охолодженого газу, які не встигли втратити всю теплову енергію, закачуються в турбодетандер повторно. Зберігання рідкої суміші азоту і кисню здійснюється при атмосферному тиску в двох стандартних 10-тонних кріогенних ємностях-термосах з подвійною вакуумно-порошкової термоізоляцією.

Історія льодовикового періоду

Історія льодовикового періоду

Автомобілі, які брали участь у якості палива рідкий азот, з'явилися задовго до Дірмена. Перші з них були випущені в 1899 році в бостонської майстерні Liquid Air Power & Automobile Co. на шасі серійного паровика Locomobile Steamer за технологією, купленої у якогось Томаса Джексона з Небраски. Коли компанія переїхала в Лондон, на одній з таких машин роз'їжджав відомий в ті роки датський винахідник Ханс Кнудсен. В інтерв'ю The Times Кнудсен стверджував, що на швидкості 20 км / год і при повному 68-літровому баку рідкого повітря запас ходу його кріомобіля досягав 64 км.
Якщо це правда, то експериментальний карт CooLN2Car на рідкому азоті з поршневим Пневмомотор і баком об'ємом 180 л, який в 1998 році зібрали студенти з Університету Північного Техасу, виявився в чотири рази прожорливее примітивної конструкції XIX століття, незважаючи на сучасні високотехнологічні матеріали. У 2000 році ще один подібний автомобіль був побудований в Вашингтонському Університеті. 15-сильний Пневмомотор моделі LN2000, переробленої з поштового фургона Grumman Kubvan, з'їдав майже 20 л крижаного «палива» на милю (1,6 км) шляху і з працею розганявся до 35 км / ч. Витративши на цей курйозний проект $ 360 000, виділених Департаментом енергетики, студенти пообіцяли, що наступне покоління LN2000 буде більш економічним.
На фото - установка зі скраплення повітря фірми Linde на Всесвітній виставці в Парижі, 1900 рік.

Відновлення енергії в CES відбувається за рахунок регазифікації повітря. Вихід станції з нульовою генерації на повну потужність займає не більше 20 хвилин. Отже, коли мережі потребують додаткового електриці, рідке повітря відкачується з термоса і за допомогою потужних поршневих насосів, що створюють в трубопроводі тиск порядку 70 атм, подається на розігрітий до 110 ° C теплообмінник-випарник. Потрапляючи на цю «сковорідку», повітря розширюється і з величезною швидкістю рухається на лопатки 4-ступінчастою турбіни. Крутний момент турбіни через понижуючий редуктор передається на генератор змінного струму, а «вичавлений до нитки» відпрацьоване повітря з тиском 0,5 атм і температурою близько -40 ° C повертається на вторинну переробку, проходячи по шляху через резервний тепловий акумулятор з твердої засипанням з гравію і піску.

У 1900 році інженер Паулюс Хейландт побудував першу пересувну цистерну для рідкого кисню на прізвисько «Деревна жаба» У 1900 році інженер Паулюс Хейландт побудував першу пересувну цистерну для рідкого кисню на прізвисько «Деревна жаба».

З метою економії в Слау використовується серійна парова турбіна Concepts Nrec з робочим діапазоном від 40 до 84 000 об / хв, однак для майбутніх станцій планується створення спеціальних кріогенних турбін, здатних ефективно працювати в сухому середовищі при температурі від -196 до -30 ° C і тиску 100-150 атм.

крижані батарейки

Президент Highview Power Storage Гарет Бретт переконаний, що технологія зберігання енергії у вигляді рідкого повітря має блискучі перспективи, і з ним важко не погодитися. «На відміну від ГАЕС, що вимагають величезних площ і ландшафту з великим перепадом висот, компактні криогенні станції можна зводити де завгодно і з мінімальними витратами, а при необхідності - розбирати і перевозити з місця на місце, - зазначає Бретт. - Зберігання рідкого азоту набагато безпечніше, ніж зберігання природного газу, мазуту, дизпалива, а самий екзотичний матеріал для виготовлення криогенного обладнання - нержавіюча сталь ».

За допомогою модульних CES потужністю 10-40 МВт, легко витримують більше 13 000 циклів розряду, можна покрити весь діапазон потреб мереж будь-якого масштабу. Рідке повітря має відмінні шанси стати надійним буфером для нестабільних вітрових плантацій і геліостанцій, оперативно гасити добові пікові навантаження і перетравлювати скиди реактивної потужності незалежно від наявності водних ресурсів і геології в точці розташування.

Крім того, у Highview є оригінальне рішення проблеми енергетичної незалежності для окремих підприємств і невеликих населених пунктів. Компактний генерує модуль Cryo GenSet складається лише з стандартної 10-тонної ємності і турбогенератора, а рідкий азот для нього можна доставляти в автомобільних цистернах або змінних ємностях з найближчого заводу з виробництва технічних газів. За розрахунками Бретта, експлуатація модуля Cryo GenSet (який можна взяти в оренду) обійдеться споживачам вдвічі дешевше, ніж обслуговування автономної дизельної установки.

За розрахунками Бретта, експлуатація модуля Cryo GenSet (який можна взяти в оренду) обійдеться споживачам вдвічі дешевше, ніж обслуговування автономної дизельної установки

Арктика під капотом

Гарет Бретт і його колеги не збираються обмежувати сферу своєї діяльності великої і малої енергетикою. У лютому 2011 року від Highview Power Storage отпочковался стартап Dearman Engine, що замахнувся на «святе»: винахідник Пітер Дірмен намір очистити від двигунів внутрішнього згоряння промислові об'єкти, міські будмайданчика і складські термінали.

Екологічно чистий вакуумний двигун Дірмена (КДД) чекав свого часу аж десять років. Перша версія агрегату, зібрана Пітером в 2001 році, до цих пір пихкає під капотом його старенького Ford Fiesta, легко розганяючи машину до 50 км / ч.

Перша версія агрегату, зібрана Пітером в 2001 році, до цих пір пихкає під капотом його старенького Ford Fiesta, легко розганяючи машину до 50 км / ч

Дірмен не став повторювати помилку своїх попередників, переносили процес розширення повітря в окремий теплообмінник. У поршневому двотактному КДД кульмінаційний дійство здійснюється безпосередньо в циліндрах двигуна. Хитромудра система уприскування забезпечує утворення пошарового заряду з двох робочих рідин. В камеру вводиться порція рідкого теплоносія (антифризу), слідом - рідкий азот. У камері відбувається швидке ізотермічний розширення газу, і поршень здійснює механічну роботу з максимальним ККД розширення. В кінці робочого такту антифриз конденсується, скидає надлишок «холоду» на радіаторі і повертається в теплової цикл.

За оцінкою технолога Dearman Engine Генрі Кларка, який захистив по КДД докторську дисертацію, ефективність двигуна Дірмена може досягати 35-50%. Так це чи ні, буде ясно лише через півтора року, коли незалежні експерти з компанії Ricardo, лабораторії Резерфорда і п'яти британських університетів закінчать аналіз термодинаміки КДД і проведуть випробування прототипу. Сам винахідник вважає, що ідеальним застосуванням для криогенного двигуна можуть стати складські навантажувачі, допоміжні транспортні засоби та легка будівельна техніка.

Стаття «Продавці повітря» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №6, червень 2012 ).

На грант в?