Уже почти год в промышленной зоне Слау недалеко от лондонского аэропорта Хитроу суточные перепады в нагрузке региональных энергосетей успешно компенсирует первый в мире холодильник для электричества – 300-киловаттная криогенная аккумулирующая электростанция Highview Power Storage.
Авторство идеи об утилизации избыточной генерации энергии путем сжижения атмосферного воздуха (а фактически — азота) в промышленных криогенных установках для сетей с высокой долей нестабильных источников (вроде ветровых и солнечных электростанций) приписывают профессору Университета Лидс китайцу Юлон Дину. Но ничего нового ему придумывать не пришлось. Все компоненты криогенного аккумулятора (CES) — турбодетандеры, сосуды Дьюара и паротурбинные генераторы- известны уже более ста лет. Удивительно, что за это время никто, кроме Дина и его коллег, не догадался сложить вместе эти идеально совпадающие кусочки разных «пазлов».
Ватты в термосе
Все гениальное просто, и CES не исключение из правил. Чтобы «усвоить» временно ненужное электричество, воздух в CES охлаждается до -196°C, а полученная при этом жидкая смесь азота и кислорода закачивается в закрытое хранилище-термос, где с минимальными потерями (менее 0,5% в сутки) и при атмосферном давлении может храниться неделями. В моменты, когда сети начинают «проседать» под нагрузкой, жидкий воздух поступает на испаритель и, расширяясь в 700 и более раз, раскручивает турбину. Предварительный нагрев испарителя необязателен — разницы в 210−230 градусов между буквально космическим холодом и обычной «температурой за бортом» вполне достаточно для взрывного выброса скрытой энергии смеси. Совершивший работу ледяной воздух практически полностью возвращается в рабочий цикл.
Схема криогенной аккумулирующей электростанции. Энергия в повседневной жизни ассоциируется у нас с теплом. Однако в случае криогенной аккумулирующей электростанции ключ к сохранению энергии – это холод. Невостребованная в течение дня электроэнергия превращается в светло-серую жидкость с температурой -196°C, и это не что иное, как сжиженный атмосферный воздух.
Работоспособность концепции Дина была доказана на первой же экспериментальной установке мощностью 5 кВт, построенной в 2010 году компанией Highview Power Storage на крупнейшей в Британии 100-мегаваттной ТЭЦ Слау, которая работает на древесных отходах. В течение девяти месяцев установка исправно «отгружала» в сеть запасенные ночью дешевые киловатты с эффективностью более 50%, а в режиме принудительного прогрева жидкого воздуха при помощи отработанного теплоносителя с температурой 110−115°C КПД установки достигал солидных 70%, вплотную приближаясь к КПД ГАЭС (гидроаккумуляционных электростанций) — «золотого стандарта» большой энергетики.
Успех проекта был закреплен незамедлительно. На грант в ?1,1 млн, выделенный правительством страны, инициативная группа в составе Highview, региональных электросетей Scottish & Southern Energy и производителя криогенной техники BOC/Linde весной прошлого года запустила в Слау пилотную аккумулирующую станцию мощностью 350 кВт с емкостью хранилища 2,5 МВт/ч (4−8 часов работы сети с полной нагрузкой).
Несмотря на великолепный КПД в 83%, станция в Слау выбрасывает в атмосферу огромное количество отработанного пара с температурой в пределах 110-115°C. Существующие технологии рекуперации тепловой энергии с такими температурами не работают, и эффективны лишь в диапазоне 120-370°C. Чтобы превратить отходы в доходы, компания Scottish&Southern Energy использует бросовое тепло для прогрева испарителей CES, поднимая КПД аккумулятора с 50 до 70%.
Из огня да в полымя
Сборка станции на месте заняла всего два месяца, так как абсолютно все используемое в ней оборудование выпускается серийно и не требует дополнительной сертификации. По словам главного технолога Highview Роба Моргана, подобные системы можно собирать из готовых модулей, как конструктор Lego, и масштабировать их электрические характеристики в зависимости от требований сети. Емкость модуля, в свою очередь, определяется объемом энергоносителя: термос на 10 т жидкого воздуха плотностью 873 кг/м3 способен выдавать в сеть один мегаватт мощности в час, на 100 т — 10 МВт/ч, и т. д. В периоды вынужденного бездействия CES-станции могут вырабатывать на продажу сжиженные технические газы или производить холод для пищевых, химических и металлургических комбинатов.
Хранение жидкого воздуха намного безопаснее, чем природного газа, мазута или дизтоплива, а сама технология криогенной аккумуляции энергии относительно проста, доступна и компактна.
Процессы, происходящие в недрах пилотной криогенной станции в Слау, делятся на три этапа: сжижение воздуха в цикле среднего давления (заряд аккумулятора), хранение «сжиженного» электричества и восстановление энергии с высоким давлением (разряд). На первом этапе атмосферный воздух, нагнетаемый в систему при помощи винтовых компрессоров, подвергается тщательной очистке от примесей: пыль и твердые частицы оседают на фильтрах, а влага, углеводороды и СО2 отделяются при помощи двухслойного адсорбера из алюмогеля и синтетических цеолитов. Цеолиты — это группа минералов, известных своими впитывающими качествами и способностью к ионному обмену. Периодически адсорберы «забиваются» и для их восстановления, а также для отвода «мусора» применяется стандартная процедура сброса давления, нагрева и последующего охлаждения.
<"