Вопросы аккумулирования энергии

Механические накопители

Аккумуляторы

Обратимые топливные элементы, водородная энергетика

Тепловые аккумуляторы

Стабильность работы сети• Атомные станции годами работают на одной и той же мощности, тепловые станции

могут маневрировать мощностью, но это требует достаточно длительного времени.

• ВИЭ имеют совершенно непредсказуемый уровень генерации.

• Потребление имеет ярко выраженные суточные и другие циклы, но в целом плохо предсказуемо и имеет неожиданные скачки и спады мощности потребления

• В целом сеть устроена таким образом, что вся производимая электроэнергия должна немедленно потребляться. Если потребление и генерация не соответствуют, то это вызывает изменение параметров сети, особенно частоты генерации. Изменение частоты сильно влияет и на генерацию, и на потребление. Согласно нормативам, частота в ЕЭС РФ должна поддерживаться на уровне 50.0±0.1 Гц.

• Особенно сильно влияние на параметры сети источников ВИЭ, если их суммарная мощность генерации превышает 10%, это уже очень сильно сказывается на стабильности работы сети. В данном случае в понятие ВИЭ не включаются гидростанции, так как они являются очень хорошим высокоманевренным источником. В мире возобладала тенденция ускоренного развития ВИЭ, прежде всего ветрогенерации и СЭС, но без возможности аккумуляции электроэнергии в больших масштабах переход на ВИЭ невозможен, так как сети не смогут работать с такими нестабильными источниками.

Задачи систем аккумуляции энергии:

• Демпфирование колебаний мощности в системе (требуется большой запас энергии с возможностью работы часами. Особенно это важно для ВИЭ.

• Регулирование частоты в системе (поглощение или выдача энергии), требуется устройство с быстрой реакцией и быстрым переключением режимов работы (поглощение/выдача мощности в сеть)

• Поддержка при перерывах питания до старта резервного дизеля – обычно достаточно иметь запас энергии на несколько минут работы системы

ГАЭС (гидроаккумулирующая

станция)

• В часы, провальные по энергопотреблению (обычно ночью), ГАЭС закачивают воду в водоёмы-накопители, создавая запас потенциальной энергии.

• В пиковые часы покрывают повышенную потребность в электроэнергии. Перепад высот должен быть не менее 100м.

Экономика ГАЭС

• Экономика таких объектов складывается из того, что они потребляют дешёвую ночную энергию и продают дорогую дневную. При этом цена может отличаться в три раза и даже более. КПД с учётом всех потерь составляет, например для Загорской ГАЭС 73%, что в целом неплохо, учитывая масштаб сооружения. Средний КПД для таких объектов около 66%

• Загорская ГАЭС имеет мощность генерации 1200МВт. Запас воды позволяет работать на такой мощности 4.5 часа. Самая крупная в мире ГАЭС Бас-Каунти (США) имеет мощность 3000МВт.

Воздушные аккумуляторы

• При избытке мощности в подземные герметичные полости закачивается сжатый воздух до давлений в сотни атмосфер.

• При необходимости генерации сжатый воздух подаётся в обычную турбину для выработки электроэнергии, при этом в такой турбине не требуется ставить компрессор, что значительно повышает КПД турбины.

• Характерные мощности существующих турбин – сотни МВт, характерное время разряда аккумулятора 4-10 часов.

• Самая крупная в мире такая установка имеет мощность 290МВт и установлена в Германии.

• Имеют низкий средний КПД порядка 30-40%, но при этом и низкие капитальные затраты.

• Довольно сложно находить герметичные полости требуемого объёма.

Маховик• Оценим запас энергии маховика диаметром 2м и весом

1т:

• Вначале вычислим момент инерции цилиндра: J=MR2/2=500 кг*м2

• Вычислим запас энергии такого маховика при частоте вращения 16000об/мин: E=Jꙍ2/2=1.4*109Дж=390КВт*ч

• При расчете на массу маховика получается 390КВт*ч на тонну, но если учесть полную массу агрегата, то будет не более 200КВт*ч/т, что тоже неплохо.

• Практический КПД такого аккумулятора составляет до 85%

• При объединении сотен маховиков можно получать мощности в десятки МВт.

• Требуется защита от разлёта осколков в случае аварии

Маховик в источниках резервного питания

• Также маховик используют в источниках резервного питания ответственных потребителей (например, резервный блок питания ядерного реактора).

• Это существенно повышает надёжность пуска, так как мощный дизель не сразу выходит на номинальный режим работы, ему требуется для этого 30-60 сек.

• Генератор непрерывно вращает маховик в режиме электродвигателя, при этом двигатель выведен из зацепления, но подогревается до оптимальной температуры.

• В случае аварии маховик продолжает вращаться и приводит в движение генератор, пока двигатель набирает обороты. Когда обороты набраны, двигатель автоматически входит в зацепление с маховиком за счет специальной муфты.

• Для реактора обычно используют три таких агрегата, два из которых непрерывно вращаются, а один просто прогрет (тройной резерв). При этом для слаботочных потребителей (приборы) используются аккумуляторные залы (тоже три).

Сверхпроводниковые индукционные накопители энергии (СПИНЭ)

• без потерь запасают и отдают электроэнергию с высокой скоростью и при неограниченном числе циклов «заряд-разряд».

• Могут иметь мощность в 500 МВт и более. КПД свыше 90%

• Обычно используются низкотемпературные сверхпроводники, так как при сильных магнитных полях сверхпроводимость легко разрушается, поэтому нужны низкие температуры, чтобы стабилизировать сверхпроводимость (4.2К, жидкий гелий).

• СПИНЭ рассматривается как эффективное средство повышения устойчивости электроэнергетической системы

Использование СПИНЭ на транспорте

• Наличие СПИНЭ, например, на борту тепловоза позволит:

• Оптимизировать режим работы дизеля(турбины), приблизив его к номинальному, т.е наиболее экономичному с точки зрения расхода топлива и износа машины.

• Утилизировать энергию рекуперативного торможения тяговых электродвигателей, тем самым экономить топливо на тягу и уменьшить вредные выбросы в атмосферу.

• Снизить установленную мощность дизель–генератора.

• Осуществить в ряде случаев движение тепловоза при неработающем первичном двигателе, что существенно улучшает экологическую обстановку на станции или ее участке.

ХИТ (химические источники тока)

• Если реакции в элементе обратимые – то его называют аккумулятором, тогда при протекании прямой реакции идёт разряд аккумулятора, а при обратной – зарядка.

Электрод в растворе своей

соли

• Сами процессы на границе металла и раствора очень сложные

• Но составлены таблицы, в которых содержатся данные о разности потенциалов, который устанавливается между металлом и электродом сравнения.

• В качестве электрода сравнения выбран водородный электрод (стандартный потенциал 0В).

Элемент Даниэля-Якоби• Если известны табличные

потенциалы металлов в растворе своей соли, тогда можно в первом приближении вычислить ЭДС химического источника тока как разность потенциалов электродов

• Для более точного расчета необходиму учесть концентрации растворов (так как табличные потенциалы даются для концентраций электролита 1моль/литр). Эту цифру можно получить с помощью уравнения Нернста.

• Обычно это даёт небольшую коррекцию в несколько десятых долей вольта.

Уравнение Нернста

• Напряжение элемента можно найти с помощью таблиц стандартных окислительно-восстановительных потенциалов.

• Напряжение на клеммах немного зависит также от концентрации электролита, это можно вычислить с помощью уравнения Нернста:

• В нем Ео взято из таблицы, n – количество переданных электронов в реакции, ам –активная концентрация электролита

Свинцовый аккумулятор• Самые старые, но и самые массовые аккумуляторы – свинцово-кислотные.

Суть процесса в том, что в раствор серной кислоты (35%) погружены электроды из свинеца (Pb) и оксида свинца (PbO). При работе (разрядке) на поверхности пластин образуется тонкий слой плохо проводящего сульфата свинца (PbSO4), при зарядке он растворяется и тем самым аккумулирует энергию.

работа

Pbтв. + PbO2тв. + 2H2SO4 2PbSO4тв. + 2H2O.зарядка

• При значительной разрядке (напряжение ниже 1.85В) слой PbSO4становится слишком толстым и аккумулятор может выйти из строя, так как зарядка при отсутствии проводимости будет невозможной.

• Вторая проблема – выделение водорода при перезарядке, что для больших батарей может привести к взрыву. Чтобы уменьшить риски, в верхней части аккумулятора размещают катализатор, который каталитически окисляет кислород/водородную смесь, превращая её в воду.

• Современные кислотные аккумуляторы герметически закрытые, панцирные (тип электродов), герметизированные, гелевые. Выдерживают до 1500 полных циклов заряд/разряд, что позволяет их использовать до 20 лет в зависимости от режима работы с потерей 20% ёмкости в конце срока службы.

• КПД свинцовых аккумуляторов заряд/разряд – около 80%

Литий-ионные аккумуляторы

• Потенциалы обычных элементов составляют 1-1.5В, но литий-ионный аккумулятор имеет потенциал около 3.5В, что обуславливает высокую плотность энергии

• Он обладает рекордной энергоплотностью, до 250 кВт*ч/т, до 450 Втч/л

• Недостатки - быстро разряжается при использовании на морозе и

Безопасность литий-ионных аккумуляторов

• Такой аккумулятор может быть взрывоопасен при перезаряде выше 4,2 В а также при перегреве (например при зарядке).

• Механическое повреждение вызывает возгорание (при аварии например)

• Такой аккумулятор нельзя легко потушить с помощью обычного огнетушителя, так как Liгорюч и реагирует в том числе и с водой.

• После тушения нужно выждать не менее 2 суток, чтобы была гарантия безопасности• Аккумуляторы большой ёмкости, например «Тесла» набирают из отдельных пальчиковых

аккумуляторов, причём батарея охлаждается. Тем не менее иногда бывают пожары даже в этой конфигурации.

Электромобили

• В настоящее время электромобили имеют запас хода как правило более 400 км и высокие параметры

• Время зарядки длительное, даже ускоренная зарядка не менее часа

• Для полного перехода на электротягу требуется строительство дополнительных электростанций

• Экологичность электромобилей мало отличается от бензиновых, если учесть полный цикл производства и доставки электроэнергии

Типы литий-ионных аккумуляторов

• Под литий-ионными батареями подразумевают целый класс батарей.

• Наиболее распространенные сейчас: LiCoO2, LiMn2O4, LiFePO4, LiNMC. Литиевые аккумуляторы не имеют эффекта памяти. Также абсолютно все литиевые аккумуляторы нуждаются в системе контроля заряда и разряда. Каждый конкретный элемент обладает минимальной и максимальной границей напряжения, пересекать которые категорически запрещается.

• LiFePO4: Литий-железо-фосфатные

• Обладают самым большим ресурсом среди литиевых аккумуляторов – от 1500 до 7000 циклов или 10-25 лет. В то же время имеют самую низкую удельную энергоемкость среди литиевых аккумуляторов. Способны разряжаться и заряжаться очень большими токами. Литий-фосфатные батареи наиболее безопасны среди литиевых аккумуляторов, что крайне важно при использовании в электротранспорте. Могут разряжаться на сильном (до –30 градусов) морозе при небольшой потере емкости и единственные из литиевых аккумуляторов могут заряжаться при отрицательных температурах.

• LiNMC: Литий-никель-марганец-кобальтовые

• Высокая удельная энергоемкость, химическая стабильность, морозоустойчивость, большой ресурс, большая токоотдача – достоинства LiNMC. Серийно устанавливаются в электромобили компании Tesla. Очень дорогие.

Литий-полимерный аккумулятор

• Литий-полимерные аккумуляторы - это не отдельный тип литиевой химии аккумуляторов, а лишь способ изготовления, когда электролит представляет собой густой гель (или даже сухой полимерный материал), а корпус – тонкую оболочку. При этом тип используемой литиевой химии может быть любым.

• Могут быть очень компактными, служат существенно дольше обычных, имеют высокие токи заряда и разряда. Существенно дороже стоят.

Устройство литиевого

аккумулятора

• состоит из электродов (катода из алюминиевой фольги и анода из медной), разделенных пористым сепаратором, пропитанным жидким электролитом. Пакет электродов помещен в герметичный корпус, катоды и аноды подсоединены к клеммам-токосъемникам.

• Существенная причина высокой плотности энергии – высокое напряжение, получаемое в реакциях с литием, до 3.7В, в то время как остальные электрохимические процессы имеют напряжение порядка 1-1.5В.

Добыча лития

• Крупнейший источник лития находится в Боливии — это солончак Уюни, расположен на высоте 3650 м над уровнем моря.

• Имеет площадь 10 588 км². Содержит от 50 до 70% мировых запасов Li.

• Соляные растворы сначала перекачивают на поверхность в специальные пруды, где под воздействием солнца в течение нескольких месяцев происходит медленное испарение.

Получение лития

• Хлорид лития смешивается с хлоридом калия в соотношении 55% к 45% для того, чтобы произвести расплавленный эвтектический электролит в электролитической ячейке.

• Далее электролизом расплава при температуре 600 °C получают расплавленный литий, который поднимается на поверхность электролита.

Промышленное применение

• В промышленности литий-ионные аккумуляторы уже несколько лет активно применяют на транспорте и уже есть примеры использования для аккумуляции энергии, получаемой с помощью ВИЭ.

• В целом значительный рост применения этой технологии в промышленности маловероятен по следующим причинам:

• Высокая стоимость• Недостаточное количество источников лития• Высокая опасность технологии. Загоревшийся

аккумулятор скорее всего потушить не удастся. При попытках тушения водой, пожар значительно усиливается, так как литий при реакции с водой выделяет водород.

Аккумулятор для стабилизации работы ветрогенераторов в Австралии ёмкостью 100МВт*ч; аккумулятор автомобиля «Тесла» 85кВт*ч, 540кг.

Натрий-серный аккумулятор

• В разряженном состоянии натрий образует с серой полисульфид натрия Na2S4, в заряженном – сера и натрий представлены в виде чистых веществ, разделённых керамической мембраной.

• Рабочая температура 290-360оС, она может поддерживаться за счёт частичного саморазряда батареи.

• Воздух из батареи откачивается.

• КПД может составить до 80%

Натрий-серный аккумулятор –потенциально очень

привлекательная технология сохранения энергии.

• Практически достигнуты параметры 150кВт*ч/т, ресурс до 4000 циклов разряда до 90%. Теоретически можно получить до 925кВт*ч/т.

• Все материалы достаточно дешёвые и легкодоступные, в отличие от литий-ионных.

• Самый крупный натрий-серный аккумулятор находится в Техасе (Big Old Battery), его мощность 4МВт, время работы 8 часов (т.е. 32 МВт*ч).

Ванадиевые проточные редокс-накопители

• Система состоит из ёмкостей с электролитами (растворы солей с разными степенями окисления), вспомогательных узлов (насосы для прокачки) и обратимых электрохимических ячеек (аналог топливных элементов).

• В качестве электролитов часто используют сернокислые соли ванадия.

Ванадиевые проточные редокс-накопители

• Энергоёмкость такой системы определяется запасом солей ванадия.

• Мощность определяется количеством и площадью электрохимических ячеек. Понятно, что несложно создать требуемые параметры накопителя под требования заказчика.

• Достигнутая электроплотность на сегодня составляет 20кВт*ч/т, что сравнимо со свинцовыми накопителями.

• КПД до 80%.

Редокс - аккумуляторы• В целом батарея имеет уникальные возможности, так как и запас энергии и

выдаваемая мощность в принципе могут быть чрезвычайно большими, а себестоимость кВт*ч очень низкой. Фактически ёмкость зависит только от объёма резервуара, который можно сделать очень большим.

• В Китае сейчас строят накопитель мощностью 10МВт и проектируют накопитель на 100МВт. Проверено, что технология выдерживает более 14000 циклов заряд/разряд без снижения параметров. В планах производить батареи суммарно на 3000МВт в год.

• Батареи не пожароопасны, электролит не ядовит

• Также возможно использовать другие материалы, не только ванадий. Работы в этом направлении ведутся.

• Пожалуй на сегодня это самая перспективная технология для массового применения в энергетике и промышленности.

Суперконденсаторы

• Суперконденсатор (ионистор) – это гибрид химической аккумуляторной батареи и обычного конденсатора

• Главное отличие от привычного конденсатора — в наличии не просто диэлектрика между электродами, а двойного электрического слоя. В результате между электродами образуется очень маленькое расстояние, а его возможность накапливать электрическую энергию (электрическая емкость) получается намного выше.

• По сравнению с аккумуляторами плотность энергии довольно низкая.

Суперконденсаторы• От аккумуляторной батареи отличается скоростью

накапливания, а также степенью отдачи электрического заряда. Благодаря применению двойного электрического слоя повышается площадь поверхности электродов при тех же общих габаритах.

• В устройстве сочетаются – существенная емкость аккумулятора и скорость конденсатора.

• Суперконденсаторы производят накопление энергии электростатическим способом, поляризуя раствор электролита.

• При накоплении энергии в суперконденсаторехимические реакции не задействуются, хотя суперконденсатор является электрохимическим устройством.

• В силу высокой обратимости механизма накопления энергии конденсаторы способны тысячи раз заряжаться и разряжаться.

Суперконденсаторы на нанотрубках

• С помощью нанотрубок можно набрать колоссальную удельную поверхность, что в принципе позволяет создать суперконденсаторы очень высокой удельной ёмкости.

• Для прецизионного формирования дополнительных слоёв можно использовать технологии АСО. Это позволит нанести комформное покрытие на всю поверхность нанотрубок.

Группа учёных при участии Андрей Вятских, бывшего студента Сколковского института,

создали линию непрерывного производства графена. Это может принципиально изменить

ситуацию с электрохимическими накопителями энергии

• нанопоры необходимого размера, сделанные в листе графена, позволят пропустить через него конкретные молекулы. Это необходимо в том числе для аккумуляторов и топливных элементов.

• за основу взяли длинную полосу медной фольги шириной около 1см.

• Вначале происходит нагревание до необходимой температуры в 1000 градусов Цельсия. Во второй трубе на ленту воздействуют соотношением метана и водорода, которые осаждаются на нагретой фольге для получения графена. После выхода из печи графенполностью покрывает фольгу в один слой, словно это длинный лист пиццы.

• Затем медную фольгу вытравливают и заменяют полимерной подложкой с порами большего размера, чем поры графена, чтобы материал не свернулся и не потерял форму.

Сводная таблица по накопителям энергии

Название технологии Срок службы Максимальная мощность Запас энергии Плотность энергии КПД

лет МВт МВт*ч КВт*ч/т %

ГАЭС 100 3000 12000 0,5 73%

Воздушный аккумулятор 100 290 500 300 35%

Маховик 30 30 30 200 85%

СПИНЭ 50 500 50 500 90%

Свинцовый аккумулятор 20 20 100 35 80%

Литий-ионный аккумулятор 20 50 100 250 90%

Натрий-серный аккумулятор 30 4 32 150 80%

Редокс-накопители 40 100 500 20 80%

Суперконденсаторы 20 1 0,1 30 95%