Исследования по увеличению эффективности хранилищ возобновляемой энергии

Сотрудники Университета штата Орегон (Oregon State University – OSU) провели исследование, в результате которого обнаружили способ увеличения эффективности сетевых хранилищ возобновляемой энергии. Как известно, такие экологически чистые источники энергии, как солнечная энергия и ветер, имеют непредсказуемый характер. Поэтому нужно выстроить работу с такими источниками, а также преодолеть несоответствие спроса и предложения во времени. Для этого предусмотрены аккумуляторные хранилища в электросетях. Исследование, направленное на повышение эффективности их работы, возглавил Ник Ау Юнг (Nick AuYeung) из OSU.

Изображение: oregonstate.edu

Ау Юнг и студент Фуцюн Лэй (Fuqiong Lei), который работал под его руководством, провели компьютерное моделирование. Оно показало, что одну из технологий хранения энергии можно улучшить с помощью химических реакций. Имеется в виду обратимые реакции, которые поглощают энергию в виде тепла и сохраняют её, чтобы отдать в дальнейшем.

Исследователи говорят, что результаты их работы применимы к технологии, которая заключается в хранении энергии с помощью сжатого воздуха. Метод использует энергию сжатого воздуха, доступ к которой можно получить в результате его расширения и прохождения через электрогенерирующие турбины. Воздух при этом может быть сжат или охлажден до жидкого состояния.

Вышеописанные технология называются CAES (накопление энергии с помощью сжатого воздуха) или LAES (накопление энергии с помощью сжижения воздуха). Учёные говорят, что эти технологии имеют низкую эффективность. В обоих этих вариантах удаётся извлечь лишь половину затраченной энергии. Однако плюсом CAES является возможность хранить электроэнергию в больших масштабах, чего не могут предложить обычные аккумуляторные хранилища с использованием электрохимических элементов. Для успеха этой технологии требуется повышение эффективности приёма и отдачи энергии. Над этим и работали исследователи.

Ау Юнг поясняет, что в стандартной технологии CAES для сжатия воздуха используется электричество, а сжатый воздух хранится под землей в пещере или в сосуде высокого давления. Когда воздух сжимается, его температура увеличивается. Эта тепловая энергия обычно считается невосполнимыми потерями.

В дальнейшем, когда требуется высвободить энергию сжатого воздуха, его нагревают с помощью природного газа. Это увеличивает энергию воздействия на электрическую турбину и выработку электроэнергии. Как подсчитали учёные, общий КПД процесса (отношение работы на выходе турбины к работе, затраченной на сжатие) составляет всего 40-50%.

Совместно с сотрудниками Университета штата Миссисипи и Университета штата Мичиган Ау Юнг разработал схему, позволяющую повысить эффективность данной технологии. Это термохимическое восстановление потерянного тепла. Ученые разработали математическую модель для создания такой конструкции и её функционирования. Сообщается, что преимуществом термохимического накопления энергии (TCES) по сравнению с прочими методами является более высокая плотность энергии. Её достижение стало возможным благодаря улавливанию тепла в форме химических связей.

Используя созданную модель, исследователи провели анализ производительности TCES. В качестве системы хранения тепловой энергии они предложили сосуды, наполненные какой-либо твёрдой средой, где энергия достигает твердого тела с помощью теплоносителя (воздуха). В качестве материала наполнителя они предложили использовать керамику, глинозем, щебень. Энергия в такой системе используется за счёт изменения температуры материала наполнителя.

По словам Ау Юнг, они тестировали систему TCES с сосудами, заполненными камнями и оксидом бария. Результаты исследования показали одинаковую эффективность полного цикла между слоями с TCES из-за относительно низкой теплоёмкости и теплоты реакции для оксидов бария. Другие средства не могут долго сохранять тепло, поскольку быстро остывают.

При размещении материала TCES поверх уплотненных слоев температура воздуха на входе в турбину была более стабильной. Они была выше и держалась дольше. По мнению учёных, это является ключом к оптимальному сохранению и извлечению электроэнергии. В таком варианте технология хранения может быть востребована у коммунальных предприятий. Отмечается также, что существует возможность повышения эффективности процесса, если будут найдены более совершенные материалы для хранения тепла.

В своей концепции исследователи предположили, что есть гипотетический материал с теплоёмкостью, как у горной породы, и термохимической ёмкостью в 3 раза больше, чем у оксидов бария. Этот материал они и использовали в построенной модели. Полученные результаты показывают, что потенциальное увеличение эффективности цикла накопления и извлечения энергии составляет 5%. Технология также позволяет увеличить продолжительность хранения. Помимо прочего, потребуется на 45% меньший объём наполнителя для достижения той же ёмкости хранения.

Ау Юнг отметил, химический состав бария, на котором была основана первоначальная модель, был первым, что пришло в голову учёным. Он признаёт, что недостатком этого материала является его низкая теплоёмкость. Следующим шагом в данном исследовании будет попытка найти более подходящие материалы. Исследователи называют, к примеру, бескислородные химические вещества, такие как гидраты и карбонаты. Гипотетически они обладают более высокой теплоёмкостью и теплотой реакции.

Университет штата Орегон поддержал проведённое исследование через OSU Advantage. Этот механизм позволяет помогать проведение работ, связанных с предпринимательством, разработкой технологий и интеллектуальной собственностью. Из Университета штата Миссисипи в исследовании принимали участие Дэвид Корба (David Korba), Лайк Ли (Like Li), Вей Хуанг (Wei Huang). Они внесли важный вклад в построение предложенной математической модели. В разработке концепции помогал Келвин Рандхир (Kelvin Randhir) из Университета штата Мичиган. Результаты своей работы учёные опубликовали здесь.