Статьи по видам промышленности
Тэги
озоноразрушающие вещества озоновый слой киотский протокол ХФУ озоновые дыры проекты ЮНИДО профессиональное образование энергоэффективность конференции энергосбережение энергоменеджмент законопроекты экология рыболовство промышленное развитие ГХФУ монреальский протокол передача технологий промышленность технологии переработка мусора ГЭФ обращение с ПХБ международное сотрудничество сертификация энергоаудит социальная ответственность тепловые насосы аммиак промышленная интеграция стран ЕврАзЭс инвестиции парниковый эффект возобновляемые источники энергии зарубежный опыт альтернативные источники энергии цифровизация природоподобные технологии химический лизинг устойчивое развитие инновационные технологии углерод интервью очистка воды стойкие органические загрязнители зеленые стандарты обращение с отходами качество жизни биоэнергетика зеленое строительство биоразнообразие R22 биотопливо гидропоника общественное обсуждение глобальное потепление сточные воды ветроэнергетика гидроэнергетика водородная энергетика саморегулируемые организации нормативы и правила природный газ частное партнерство гранты землепользование мировой океан налоговые льготы морские перевозки уран ядерная энергетика автоматизация зданий АЭС благотворительность
Накопление энергии как способ радикально сократить углеродные выбросы
Даже частичный отказ от использования ископаемого топлива ради сокращения объемов углеродных выбросов полностью изменит облик энергетической отрасли. Причина проста: ископаемое топливо — это не просто энергия, а энергия «накопленная». Чтобы уголь начал отдавать тепло, его нужно поджечь. Если мы собираемся заменить ископаемые виды топлива, например, энергией ветра или Солнца, нам необходимо предусмотреть возможность ее накопления и хранения.
Хранение и использование заранее накопленной энергии весьма распространено: это и пища в желудке, и топливо в автомобиле, и аккумулятор в мобильном телефоне. При этом в одной из крупнейших систем, созданных человеком, — в электросети — практически не предусмотрено сохранение энергии [1]. Работоспособность этой неестественной конструкции объясняется тем, что в ней используется энергия, накопленная в ископаемом топливе, применяются сложные системы управления, позволяющие электросети незамедлительно реагировать на любые изменения в уровне энергопотребления, а также тем, что объемы вырабатываемой электроэнергии существенно превышают потребность в ней. Так, в 2008 году в США был выработан 1 триллион ватт электроэнергии, при этом средний уровень потребления энергии составил менее половины от выработки [4].
По мере развития возобновляемой и атомной энергетики все острее встает вопрос о создании хранилищ, которые позволили бы накапливать энергию и получать ее тогда, когда нужно [2], [3]. Конечно, сама идея не нова. В тысячах проектов, разработанных по всему миру, используются аккумуляторы тепловой энергии (АТЭ) в виде льда или охлажденной воды; изданы сотни статей, в которых описываются преимущества таких систем и обосновывается их применение [6], [7]. Но, несмотря на все эти достижения, средства хранения используются сравнительно редко, если учесть потенциальный размер этого рынка.
Рис. 1. Различные виды накопителей энергии [7]
Виды аккумуляторов энергии
Существует несколько видов аккумуляторов энергии: потенциальные, кинетические, химические и термальные. Одним из примеров аккумуляторов потенциальной энергии может служить гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС). На такой станции ночью вода закачивается наверх, а днем, когда потребность в электроэнергии повышается, стекает, вращая турбины, вырабатывающие электричество. Для хранения кинетической энергии часто применяются маховики, запасти химическую энергию позволяют аккумуляторные батареи.
На рис. 1 [7] показаны различные виды аккумуляторов, их энергоемкость, а также время, в течение которого каждый из них может отдавать энергию. Рисунок разделен на три области: слева внизу собраны устройства, обеспечивающие точное соответствие параметров электропитания заданным значениям, справа вверху — отличающиеся простотой управления и переключения режимов, а между этими областями — источники, подходящие для резервного питания.
Загорская ГАЭС — гидроаккумулирующая станция, способная не только производить, но и «запасать» электроэнергию
Сфера применения
Для каждой области применения лучше всего использовать наиболее подходящие аккумуляторы. Маховики, конденсаторы и специальные химические аккумуляторы могут применяться там, где важно качество подаваемой мощности. Для натрий-серных (NaS) аккумуляторов подходит роль резервных источников питания. Большое количество энергии надолго можно запасти при помощи ГАЭС, пневмоаккумулирующих энергетических установок (ПАЭУ) и АТЭ. Аккумуляторы тепловой энергии отличаются от прочих тем, что могут размещаться как на стороне поставщика энергии, так и на стороне потребителя, имея при этом довольно высокий КПД.
Рис. 2. Стоимость систем хранения энергии [7]
Стоимость
Рис. 2 позволяет сравнить стоимость кВт выходной мощности различных устройств хранения с ценой электричества в сети. Слева внизу на рисунке собраны системы, представляющие собой наиболее экономичное решение. Одна из таких систем — интегрированные аккумуляторы тепловой энергии. Встраивание АТЭ в систему охлаждения здания позволяет использовать менее мощное холодильное оборудование, а то и вовсе отказаться от него, что ведет к снижению общих капитальных расходов. Естественно, что, как и в случае с другими технологиями хранения, АТЭ предназначены для определенной цели: сглаживание пиковых нагрузок на компрессоры холодильного оборудования. Здесь важно отметить, что хранение холода обходится намного дешевле, чем аккумулирование электричества для питания систем охлаждения.
Рис. 3. КПД цикла и ожидаемый срок службы [7]
КПД цикла
Возможно, самым существенным отличием АТЭ является высокий КПД цикла, составляющий от 75 % до 95 %. Как и в случае с любым другим аккумулятором, при сохранении энергии в устройстве и при ее извлечении неизбежны определенные потери (рис. 3). Ежедневные теплопотери ледниковых аккумуляторов составляют менее 1 %; аккумуляторы на пластовой воде имеют схожие показатели (то есть тепловой КПД таких систем составляет около 99 %). Тем не менее КПД цикла использования АТЭ значительно изменяется от случая к случаю.
Водный аккумулятор энергии может иметь высокий КПД, потому что более низкая температура окружающего воздуха повышает эффективность охлаждения в ночное время, позволяя компенсировать расход энергии насоса, обеспечивающего перенос энергии. Такова ситуация с чиллерами воздушного охлаждения, используемыми для производства льда [9], — величина снижения температуры воздуха в ночное время практически соответствует перепаду температур в испарителе при образовании льда.
В случае крупномасштабных систем для получения льда при помощи высокопроизводительных чиллеров водяного охлаждения КПД цикла аккумулятора может быть почти на четверть ниже, чем у безаккумуляторных систем. При этом общий абсолютный КПД водяной холодильной машины с аккумулятором будет выше, чем у оборудованного с аккумулятором воздушного чиллера.
Срок службы
Срок службы систем хранения энергии зависит от двух основных параметров: носителя и оборудования. В настоящее время наиболее распространены химические аккумуляторы: литий-ионные, никель-кадмиевые и свинцово-кислотные. Для всех них характерна постепенная деградация носителя. Кроме того, каждый из них имеет свои особенности: наиболее предпочтительный метод зарядки, число циклов полной разрядки, диапазон рабочих температур, стоимость производства и ограничения на использование, накладываемые применяемыми опасными материалами.
Что касается аккумуляторов тепловой энергии, то в случае использования эвтектических солей на них также накладываются определенные ограничения, связанные с химическим разрушением. АТЭ, использующие явную или скрытую энергию воды, конечно, совершенно стабильны. Срок службы оборудования систем хранения в большинстве случаев превышает срок службы носителя.
Рис. 4. Общая стоимость технологий сохранения энергии за срок службы [7]
Общая оценка
На рис. 4 собраны воедино различные аспекты технологий хранения энергии, определяющие их применение в той или иной сфере. Параметром для сравнения стала стоимость единицы выходной мощности, определяемая как отношение капитальных затрат на установку аккумулятора к числу циклов за срок службы и КПД цикла. Из рисунка видно, что дороже всего обходится обеспечение качества электроснабжения и резервное питание — то есть те приложения, где объем сохраняемой энергии не играет особой роли. В сфере же управления энергопотреблением, где объем сохраняемой энергии, напротив, имеет важное значение, могут использоваться более дешевые технологии.
Аккумулирование холода позволяет снизить выработку электроэнергии
При решении задачи по снижению объемов углеродных выбросов особое внимание следует уделить энергии источника, то есть топлива, используемого для выработки электроэнергии. Именно анализ того, как влияет КПД цикла различных типов аккумулирующих систем на реальное потребление исходной энергии для нужд охлаждения, позволяет определить, где нужно разместить аккумулятор.
На рис. 5 показаны два варианта использования аккумулятора энергии для охлаждения здания: в первом аккумулятор (ГАЭС) размещен на стороне электросети, во втором АТЭ (охлаждение) — в здании. Принимая удельный расход теплоты на 1 кВт•ч на электростанции равным 2,6 кВт/кВт•ч, что является нормой в случае базовой нагрузки, получаем, что КПД электростанции равен 38 % (1/2,6). КПД цикла ГАЭС равен 70 % (это значение получено экспериментальным путем). С учетом потерь на передачу и распределение в дневное время окончательный КПД в здании составит 23,5 %. То есть реально на выработку 1 кВт•ч электроэнергии тратится 4,24 кВт тепла. Таким образом, исходя из показателя 0,9 кВт•ч на одну холодильную тонну-час (3,52 кВт•ч), одна холодильная тонна-час требует расхода тепла в объеме 3,9 кВт•ч (~14 000 кДж).
Рис. 5. Аккумулятор энергии и исходная энергия для охлаждения
Рис. 6. Расчетная неделя для определения выходной мощности ветроэлектростанции
Применив ту же логику к варианту с установкой в здании аккумулятора тепловой энергии, получим КПД выработки 38 % и немного более высокий КПД передачи и распределения в ночное время; суммарный КПД станет равным 35,4 %. При расходе 1,0 кВт на тонну (КПД цикла равен 89 %) АТЭ имеет эффективный расход тепловой энергии 2,82 кВт на 1 кВт•ч, что на 35 % выгоднее варианта с ГАЭС с энергетической точки зрения. Анализ, проведенный для ПАЭУ, даст схожие результаты.
Наконец, свяжем приведенные рассуждения с темой возобновляемых источников энергии — основной предпосылкой возникновения потребности в аккумуляторах энергии. В случае использования ГАЭС ветровая электростанция должна вырабатывать 1,45 кВт•ч для производства на каждую холодильную тонну-час, а при использовании АТЭ в здании — только 1,07 кВт•ч. Таким образом, из технологий сохранения энергии, отвечающих критерию экономичности, наиболее энергоэффективной системой для охлаждения зданий является АТЭ, установленный в здании.
Возобновляемые источники энергии
Двумя основными возобновляемыми источниками энергии, наиболее перспективными с точки зрения экологии, являются солнечное излучение и ветер. Но ни на один из этих источников нельзя рассчитывать постоянно. Данные, полученные в разных уголках США, показывают, что ночью скорость ветра, как правило, выше. Рисунок 6 показывает выработку энергии ветровой электростанцией в Калифорнии в течение самой жаркой недели 2006 г. Следует обратить внимание на то, что, когда электросети столкнулись с пиковой нагрузкой (красные ромбы на графике), ветрогенераторы работали только на 25 % от расчетной мощности. На рис. 7 показаны схожие данные, полученные от других региональных электросетей.
Рис. 7. Аккумуляторы дополняют переменные ветровые ресурсы (Данные по ветровой энергетике предоставлены Северо-Американской корпорацией по обеспечению надежности электроэнергетики. Отражены сведения по шести региональным подразделениям из восьми)
Не только штиль, но и постоянный сильный ветер может стать проблемой. Достаточно представить необходимость безотлагательной утилизации мегаваттов электроэнергии, когда скорость ветра становится слишком высокой. Системы резервного питания — топливные или аккумуляторы на электростанции — должны практически немедленно компенсировать образующуюся разницу. На проводившемся недавно совещании по вопросам хранения энергии диспетчер ISO представил график, который он назвал «днем в аду»: за 24 часа описанная ситуация возникала 4 раза.
Хотя периоды доступности солнечной энергии в целом совпадают с периодами пиковых нагрузок на сети, как правило, пиковая выработка электроэнергии за счет излучения Солнца приходится на полдень, а пиковая нагрузка на электросеть наступает на три-шесть часов позже. Кроме этого, вопрос осложняется непредсказуемой облачностью. Результаты мониторинга фотоэлектрических проектов по всей стране, полученные Лабораторией возобновляемых источников энергии (NREL), показывают: несмотря на то что системы, установленные на зданиях, позволяют существенно снизить потребление электроэнергии из электросети, величина пиковой нагрузки таких зданий не ниже, чем у зданий, не оборудованных такими системами [12]. Таким образом, чтобы подготовиться к непредсказуемым перебоям в выработке солнечной или ветровой энергии, электросети должны иметь наготове больше «оборотных резервов», то есть генераторов, работающих на пониженной мощности (и, соответственно, с меньшей эффективностью), вне зависимости от реальной потребности в них в каждый отдельный момент. Таким образом, без возможности сохранять энергию солнечные и ветровые электростанции опосредованно становятся источниками углеродных выбросов.
Наконец, еще один аргумент в пользу перспективности накопления энергии: огромное количество ветрового электричества, вырабатываемого в неподходящее время (например, в ночные часы, когда его просто некому потреблять). Чтобы как-то справляться с этой ситуацией, электросети поощряют использование электроэнергии во внеурочное время. Так, в западной части штата Техас в течение 12 % от общего времени потребители могут получать энергию ветрогенераторов бесплатно и даже получать доплату за ее использование [13].
Таким образом, общее положение дел указывает домовладельцам на тот факт, что сохранение энергии в ночное время в системах здания — один из наиболее эффективных способов стабилизации расходов на электроэнергию в будущем.
Выводы
Десятки лет «накопительные» свойства ископаемых видов топлива позволяли нам получать электроэнергию в любой момент, покрывая пиковые нагрузки, в два раза превышающие среднее энергопотребление [1]. К счастью, причина самых высоких нагрузок на сеть — охлаждение — одновременно представляет собой и самый дешевый способ хранения энергии. Для модернизации электросетей необходимы все виды аккумуляторов энергии. Ввод в строй накопителей энергии на электростанциях позволит решить вопрос качества подаваемой электроэнергии, доступности резервных мощностей и бесперебойного питания. Вместе с тем хранилища охлажденной воды, заполняемые во время отсутствия пиковых нагрузок в месте потребления, позволяют удовлетворить более 30 % [15] пиковой потребности в электроэнергии, одновременно экономя деньги владельцу.
Литература
- EIA. 2010. «Electric Power Annual 2008», U. S. Energy Information Administration.
- California Independent System Operators Corporation. 2007. Integration of Renewable Resources.
- Berry, G. 2009. «Present and future electricity storage for intermittent renewables.» The 10–50 Solution: Technologies and Policies for a Low-Carbon Future. The Pew Center.
- EIA. 2000. «Electric Power Annual 2000» (with data from 2008), U. S. Energy Information Administration.
- Potter, R.A., D. P. Weitzel, D. J. King, and DD. Boettner. 1995. «ASHRAE RP-766: Study of operational experience with thermal storage systems». ASHRAE Transactions 101 (2) 549–557.
- O’Neal, E. 1996. «Thermal storage systems provide comfort and energy efficiency»). ASHRAE Journal 38 (4).
- Electricity Storage Association (with Thermal Storage data added by author). 2010.) www.electricitystorage.org/ESA/technologies.
- Priore, S. 2002. News Release, «AEP Dedicates First Use of Stationary Sodium Sulfur Battery», American Electric Power Co., Inc.
- MacCracken, M. 2003. «Thermal energy storage myths». ASHRAE Journal 45 (9).
- California ISO. 2007. «2007 Summer Loads and Resources Operations Assessment».
- NERC. 2008 Summer Reliability Assessment. May 2008.
- Crawley, D., S. Pless, P. Torcellini. 2009. «Getting to net zero». ASHRAE Journal 51 (9).
- Fahey, J. 2009. «Wind power’s weird effect». Forbes Magazine, Sept. 7.
- Foster, C. 2008. Personal conversation with EET consultant, Chuck Foster.
- EPRI. Commercial Cool Storage-Reduced Cooling Costs with Off-Peak Electricity.
Автор
Марк МакКракен
Дипломированный инженер, президент и генеральный директор компании Calmac Manufacturing, председатель Совета США по экологическому строительству (U. S. Green Building Council), член Американского общества инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE)
© 2010 - 2024, Вестник «ЮНИДО в России». Все права защищены.