Съхранение на енергия от сгъстен въздух: чист и ефективен начин за съхраняване на възобновяема енергия

Възобновяемите енергийни източници, като вятърна и слънчева, стават все по-популярни и достъпни, тъй като могат да намалят емисиите на парникови газове и зависимостта от изкопаемите горива. Възобновяемата енергия обаче има и голям недостатък: тя е периодична и променлива, което означава, че не винаги е налична, когато и където е необходима. Например слънчевата енергия се генерира само през деня, а вятърната енергия зависи от метеорологичните условия. Това представлява предизвикателство за стабилността и надеждността на електрическата мрежа, тъй като предлагането и търсенето на електроенергия трябва да бъдат балансирани по всяко време.

За да преодолеете това предизвикателство, енергиен запас необходими са технологии, които могат да съхраняват излишната възобновяема енергия, когато е в изобилие, и да я освобождават, когато е оскъдна. Съхраняването на енергия може да осигури и други предимства, като намаляване на пиковете, регулиране на честотата, поддръжка на напрежението и подобряване на качеството на захранването. Сред различните дългосрочно съхранение на енергия технологии, съхранението на енергия под сгъстен въздух (CAES) е една от най-обещаващите и рентабилни опции, тъй като може да съхранява големи количества енергия за дълги периоди от време и има висока ефективност на двупосочно пътуване.

В тази публикация в блога ще представим концепцията и принципа на работа на CAES, различните видове и опции за съхранение на CAES, сравнението на CAES с други технологии за съхранение на енергия и бъдещите перспективи на CAES. Надяваме се, че тази публикация в блога може да ви помогне да разберете потенциала и стойността на CAES и да ви вдъхнови да проучите повече за тази завладяваща технология.

Въведение

Какво представлява съхранението на енергия със сгъстен въздух (CAES)?

Съхраняването на енергия със сгъстен въздух (CAES) е вид механично съхранение на енергия, което преобразува електрическата енергия в сгъстен въздух и след това я преобразува обратно в електрическа енергия, когато е необходимо. Основният процес на CAES може да бъде описан по следния начин:

- По време на фазата на зареждане електрически мотор задвижва компресор, който компресира околния въздух и го съхранява в резервоар, като например подземна пещера, надземен резервоар или подводен балон.
- По време на фазата на изпразване сгъстеният въздух се освобождава от резервоара и се разширява през турбина, която задвижва генератор, който произвежда електричество.

Схематичната диаграма на CAES е показана по-долу:

Защо CAES е важен за интегрирането на възобновяема енергия?

CAES е важна технология за интегриране на възобновяема енергия, тъй като може:

- Осигуряване на обемно съхранение на енергия, което може да съхранява големи количества възобновяема енергия за дълги периоди от време и да я освобождава, когато търсенето е високо или предлагането е ниско. Това може да изглади колебанията и несъответствията на възобновяемата енергия и да увеличи нейното използване и навлизане.
- Осигуряване на спомагателни услуги, които могат да поддържат работата и стабилността на електрическата мрежа, като регулиране на честотата, поддръжка на напрежението, пиково бръснене и резерв при въртене. Това може да подобри надеждността и устойчивостта на електрическата мрежа и да намали необходимостта от конвенционални електроцентрали.
- Намаляване на емисиите на парникови газове чрез замяна на изкопаемите горива с възобновяема енергия и чрез подобряване на ефективността и работата на електроенергийната система. Това може да смекчи въздействието на изменението на климата и да подобри качеството на околната среда.

Какви са основните предизвикателства и възможности на CAES?

CAES не е перфектна технология и също така е изправена пред някои предизвикателства и ограничения, като например:

- Високи капиталови разходи, които се дължат главно на изграждането и поддръжката на резервоара и компресора. Капиталовите разходи за CAES зависят от специфичните за обекта условия, като геологията, наличието на земя и вода и разстоянието до електрическата мрежа. Капиталовите разходи за CAES могат да бъдат намалени чрез използване на съществуваща инфраструктура, като изчерпани нефтени и газови полета, солни пещери или тръбопроводи, или чрез разработване на нови и иновативни възможности за съхранение, като подводни балони или модулни резервоари.
- Ниска енергийна плътност, което е количеството енергия, което може да се съхранява на единица обем. Енергийната плътност на CAES е ограничена от термодинамичните свойства на въздуха и налягането и температурата на резервоара. Енергийната плътност на CAES може да се увеличи чрез използване на по-високи налягания и температури или чрез използване на различни работни течности, като водород или хелий.
- Топлинни загуби, които възникват по време на компресията и разширяването на въздуха и водят до намаляване на ефективността и производителността на CAES. Топлинните загуби на CAES могат да бъдат сведени до минимум чрез използване на системи за оползотворяване на топлина, като съхранение на топлинна енергия или топлообменници, или чрез използване на изотермични или почти изотермични процеси, които поддържат постоянна температура по време на компресията и разширяването на въздуха.

Въпреки тези предизвикателства, CAES има и някои уникални предимства и възможности, като например:

- Висока мащабируемост, което означава, че CAES може лесно да се мащабира нагоре или надолу, за да отговори на различни нужди и приложения за съхранение на енергия. CAES може да варира от дребномащабни системи за жилищна или търговска употреба до широкомащабни системи за комунални услуги или използване в мрежа. CAES може да се интегрира и с други енергийни системи, като вятърни паркове, съхранение на слънчева енергия инсталации или съоръжения за производство на водород, за създаване на хибридни и синергични решения.
- Дълъг живот, което означава, че CAES може да работи дълго време без значителна деградация или влошаване. CAES има ниски разходи за поддръжка и експлоатация и висока издръжливост и надеждност. CAES може също да бъде преоборудван и надграждан, за да подобри своята производителност и ефективност.
- Широка наличност, което означава, че CAES може да бъде разположен на много места и региони, където има подходящ резервоар и връзка с електрическата мрежа. CAES може да се използва и в отдалечени и изолирани райони, където липсва надеждно и достъпно електроснабдяване.

Видове CAES

Има три основни вида CAES, които се различават по начина, по който се справят с топлината по време на компресията и разширяването на въздуха, а именно диабатични CAES, адиабатични CAES и изотермични CAES. Всеки тип CAES има своите предимства и недостатъци и е подходящ за различни приложения и сценарии.

Диабатичен CAES

Диабатичният CAES е най-често срещаният и зрял тип CAES, който се използва от 1970-те години на миналия век. Диабатичният CAES е известен също като конвенционален CAES или CAES от първо поколение. При диабатични CAES топлината, генерирана по време на компресирането на въздуха, се разсейва в околната среда, а топлината, необходима по време на разширяването на въздуха, се доставя от външен източник, като природен газ или биогаз. Процесът на диабатичен CAES може да бъде описан, както следва:

- По време на фазата на зареждане електрически мотор задвижва многостепенен компресор, който компресира околния въздух и го съхранява в резервоар. Топлината, генерирана по време на компресията, се отстранява от междинен охладител и охладител и се освобождава в околната среда.
- По време на фазата на изпразване сгъстеният въздух се освобождава от резервоара и се смесва с гориво в горивна камера, където се нагрява и се поставя под налягане. След това горещият въздух под високо налягане се разширява през турбина, която задвижва генератор, който произвежда електричество.

Схематичната диаграма на диабатичния CAES е показана по-долу:

Как работи?

Diabatic CAES работи на принципа на цикъла на Брайтън, който е термодинамичен цикъл, който описва работата на газовите турбини. Цикълът на Брайтън се състои от четири процеса: компресия, нагряване, разширяване и охлаждане. Диаграмата по-долу показва диаграмите налягане-обем и температура-ентропия на цикъла на Брайтън:

Ефективността на цикъла на Брайтън зависи от степента на компресия, която е съотношението на налягането в края на компресията към налягането в началото на компресията, и температурното съотношение, което е съотношението на температурата в края на нагряване до температурата в началото на нагряването. Колкото по-високо е съотношението на компресия и температурното съотношение, толкова по-висока е ефективността на цикъла на Брайтън.

Какви са предимствата и недостатъците?

Diabatic CAES има някои предимства, като например:

• Висока двупосочен коефициент на полезно действие, което е съотношението на изходната енергия към входящата енергия. Двустранната ефективност на диабатичния CAES може да достигне до 70%, което е по-високо от повечето други технологии за съхранение на енергия.
• Ниски капиталови разходи, които се дължат главно на използването на съществуваща технология и инфраструктура за газови турбини. Капиталовите разходи за диабатични CAES могат да бъдат толкова ниски, колкото $100/kWh, което е по-ниско от повечето други технологии за съхранение на енергия.

• Висока гъвкавост и отзивчивост, което означава, че diabatic CAES може бързо и лесно да регулира своята изходна мощност и честота, за да отговори на променящото се търсене и предлагане на електроенергия. Diabatic CAES също може да стартира и спира бързо и да работи в широк диапазон от условия на натоварване.
• Висока съвместимост и оперативна съвместимост, което означава, че диабатичният CAES може да бъде интегриран със съществуващата технология и инфраструктура за газови турбини и да използва същото гориво и горивна система. Diabatic CAES може също да използва възобновяеми горива, като биогаз или водород, за да намали своя въглероден отпечатък и въздействието върху околната среда.

Диабатният CAES обаче има и някои недостатъци, като например:

• Висок разход на гориво и емисии, които се дължат главно на използването на външно горене по време на разширяването на въздуха. Diabatic CAES консумира около 0.4 kg природен газ на kWh генерирана електроенергия и отделя около 200 g CO2 на kWh генерирана електроенергия. Тези стойности са по-ниски от конвенционалните газови турбини, но по-високи от други технологии за съхранение на енергия или възобновяеми енергийни източници.
• Ниска ексергийна ефективност, която е съотношението на полезната работна мощност към максимално възможната работна мощност. Ексергийната ефективност на диабатични CAES е около 40%, което е по-ниско в сравнение с други технологии за съхранение на енергия или възобновяеми енергийни източници. Това е така, защото диабатичният CAES губи много топлина по време на компресията и разширяването на въздуха и не използва напълно термодинамичния потенциал на въздуха.
• Висока сложност и поддръжка, които се дължат главно на използването на множество компоненти и етапи, като компресори, турбини, междинни охладители, охладители, горивни камери и топлообменници. Тези компоненти и етапи увеличават капиталовите разходи, оперативните разходи и разходите за поддръжка на диабатични CAES, а също така въвеждат повече загуби и неефективност.

Къде са съществуващите и планираните проекти?

Има само две действащи диабатични CAES инсталации в света, които са:

• Заводът Huntorf CAES в Германия, който е построен през 1978 г. и има мощност от 321 MW, енергиен капацитет от 600 MWh и двупосочен коефициент на полезно действие от 42%.
• Заводът McIntosh CAES в Алабама, САЩ, който е построен през 1991 г. и има мощност от 110 MW, енергиен капацитет от 2600 MWh и двупосочен коефициент на полезно действие от 54%.

Има и няколко планирани или предложени проекта за диабатични CAES, като например:

• Съхраненият енергиен парк на Айова в Айова, САЩ, който беше планиран да има мощност от 268 MW, енергиен капацитет от 5360 MWh и двупосочен коефициент на полезно действие от 54%, но беше отменен през 2011 г. поради геоложки и финансови проблеми .
• Проектът Norton CAES в Охайо, САЩ, който се предлага да има мощност от 2700 MW, енергиен капацитет от 40000 60 MWh и двупосочен коефициент на полезно действие от XNUMX%, и да използва изоставена варовикова мина като резервоар.
• Проектът Dresser-Rand CAES в Тексас, САЩ, който се предлага да има мощност от 317 MW, енергиен капацитет от 9500 MWh и двупосочен коефициент на полезно действие от 68%, и да използва солна пещера като резервоар.

Адиабатен CAES

Адиабатният CAES е по-усъвършенстван и ефективен тип CAES, който все още е в процес на разработка и демонстрация. Адиабатичният CAES е известен също като напреднал CAES или CAES от второ поколение. При адиабатните CAES топлината, генерирана по време на компресирането на въздуха, се съхранява в система за съхранение на топлинна енергия, като например разтопена сол или керамични тухли, а топлината, необходима по време на разширяването на въздуха, се доставя от същата система за съхранение на топлинна енергия. Процесът на адиабатен CAES може да бъде описан, както следва:

• По време на фазата на зареждане електрически мотор задвижва многостепенен компресор, който компресира околния въздух и го съхранява в резервоар. Топлината, генерирана по време на компресията, се прехвърля към система за съхранение на топлинна енергия, където се съхранява като чувствителна или латентна топлина.
• По време на фазата на изпускане сгъстеният въздух се изпуска от резервоара и се нагрява от системата за съхранение на топлинна енергия, където възстановява съхранената топлина. След това горещият въздух под високо налягане се разширява през турбина, която задвижва генератор, който произвежда електричество.

Схематичната диаграма на адиабатния CAES е показана по-долу:

Тази диаграма илюстрира основните компоненти и процеси на адиабатния CAES, като компресора, турбината, генератора, двигателя, резервоара и системата за съхранение на топлинна енергия. Той също така показва потока въздух и топлина по време на фазите на зареждане и разреждане. Както можете да видите, адиабатният CAES не използва външно гориво или горене, за разлика от диабатичния CAES. Вместо това, той съхранява и възстановява топлината, генерирана и необходима съответно от компресията и разширяването на въздуха. Това прави адиабатните CAES по-ефективни и екологични от диабатните CAES.

Къде са съществуващите и планираните проекти?

В света няма работещи адиабатични CAES инсталации, но има няколко демонстрационни и пилотни проекта, като например:

• Проектът ADELE в Германия, който е демонстрационен проект на адиабатен CAES с мощност от 90 MW, енергиен капацитет от 360 MWh и двупосочен коефициент на полезно действие от 70%. Проектът използва солна пещера като резервоар и разтопена сол като система за съхранение на топлинна енергия. Проектът стартира през 2008 г. и се очаква да бъде завършен до 2024 г.
• Проектът AA-CAES в Холандия, който е пилотен проект на адиабатичен CAES с мощност от 1.5 MW, енергиен капацитет от 6 MWh и двупосочен коефициент на полезно действие от 80%. Проектът използва стоманен резервоар като резервоар и керамични тухли като система за съхранение на топлинна енергия. Проектът стартира през 2012 г. и се очаква да бъде завършен до 2023 г.
• Проектът RICAS 2020 в Европа, който е научноизследователски и иновационен проект на адиабатен CAES с мощност от 10 MW, енергиен капацитет от 40 MWh и двупосочен коефициент на полезно действие от 85%. Проектът използва модулен и мащабируем дизайн и има за цел да разработи и тества различни компоненти и конфигурации на адиабатни CAES. Проектът стартира през 2016 г. и се очаква да бъде завършен до 2020 г.

Изотермичен CAES

Изотермичният CAES е нов и идеален тип CAES, който все още е в концептуален и експериментален етап. Изотермичният CAES е известен също като почти изотермичен CAES или CAES от трето поколение. При изотермичните CAES топлината, генерирана по време на компресирането на въздуха, и топлината, необходима по време на разширяването на въздуха, се обменят с външен източник на топлина или поглъщател, като вода или въздух, за да се поддържа постоянна температура по време на целия процес. Процесът на изотермичен CAES може да бъде описан, както следва:

• По време на фазата на зареждане електрически мотор задвижва бутален компресор, който компресира околния въздух и го съхранява в резервоар. Топлината, генерирана по време на компресията, се прехвърля към външен радиатор, като вода или въздух, за да поддържа температурата на въздуха постоянна.
• По време на фазата на изпразване сгъстеният въздух се изпуска от резервоара и се нагрява от външен източник на топлина, като вода или въздух, за да поддържа температурата на въздуха постоянна. След това горещият въздух под високо налягане се разширява през бутален разширител, който задвижва генератор, който произвежда електричество.

Схематичната диаграма на изотермични CAES е показана по-долу:

!Изотермична CAES диаграма

Как работи?

Изотермичният CAES работи на принципа на изотермичния процес, който е термодинамичен процес, протичащ при постоянна температура. Изотермичният процес е идеален и обратим процес, който има максимална възможна ефективност и производителност. Диаграмата по-долу показва диаграмите налягане-обем и температура-ентропия на изотермичния процес:

!Диаграма на изотермичен процес

Ефективността на изотермичния процес зависи от съотношението на налягането, което е отношението на налягането в края на процеса към налягането в началото на процеса. Колкото по-високо е съотношението на налягането, толкова по-висока е ефективността на изотермичния процес.

Какви са предимствата и недостатъците?

Изотермичният CAES има някои предимства, като например:

• Най-висока двупосочна ефективност, която е съотношението на изходната енергия към входящата енергия. Двустранната ефективност на изотермичните CAES може да достигне до 100%, което е по-високо от адиабатните CAES и диабатните CAES и повечето други технологии за съхранение на енергия.
• Най-нисък разход на гориво и емисии, които се дължат главно на липсата на изгаряне или загуба на топлина по време на процеса. Isothermal CAES не консумира гориво и не отделя никакви парникови газове по време на работа, което го прави най-чистата и екологична технология за съхранение на енергия.
• Най-висока ексергийна ефективност, която е съотношението на полезната работна мощност към максимално възможната работна мощност. Ексергийната ефективност на изотермичните CAES е около 100%, което е по-високо от адиабатните CAES и диабатните CAES и повечето други технологии за съхранение на енергия. Това е така, защото изотермичният CAES не губи или разсейва никаква топлина по време на процеса и напълно използва термодинамичния потенциал на въздуха.

Изотермичните CAES обаче имат и някои недостатъци, като например:

• Най-голяма техническа трудност, която се дължи главно на предизвикателството да се поддържа постоянна температура по време на компресията и разширяването на въздуха. Изотермичният CAES изисква много бърза и ефективна система за пренос на топлина, която може да обменя топлина с въздуха с висока скорост и ниска температурна разлика. Изотермичните CAES също изискват много прецизна и динамична система за управление, която може да регулира налягането и потока на въздуха според натоварването и температурата.
• Най-високи капиталови разходи, които се дължат главно на използването на нови и сложни компоненти и технологии, като бутални компресори, бутални разширители, система за пренос на топлина и система за управление. Капиталовите разходи за изотермични CAES могат да достигнат до $4000/kWh, което е по-високо от адиабатните CAES и диабатните CAES и повечето други технологии за съхранение на енергия.
• Най-ниска енергийна плътност, което е количеството енергия, което може да се съхранява на единица обем. Енергийната плътност на изотермичните CAES е ограничена от термодинамичните свойства на въздуха и налягането и температурата на резервоара и топлопреносната система. Енергийната плътност на изотермичните CAES може да се увеличи чрез използване на по-високи налягания и температури или чрез използване на различни работни течности, като водород или хелий.

Къде са съществуващите и планираните проекти?

В света няма действащи изотермични CAES инсталации, но има някои експериментални и теоретични проекти, като например:

• Проектът SustainX в Ню Хемпшир, САЩ, който беше експериментален проект на изотермични CAES с мощност от 1.5 MW, енергиен капацитет от 6 MWh и двупосочен коефициент на полезно действие от 80%. Проектът използва стоманен резервоар като резервоар и вода като топлоносител. Проектът стартира през 2010 г. и е прекратен през 2014 г. поради технически и финансови проблеми.
• Проектът LightSail в Калифорния, САЩ, който беше теоретичен проект на изотермичен CAES с мощност от 1 MW, енергиен капацитет от 4 MWh и ефективност на двупосочно пътуване от 90%. Проектът използва стоманен резервоар като резервоар и водна мъгла като топлоносител. Проектът стартира през 2011 г. и беше отменен през 2016 г. поради технически и финансови проблеми.
• Проектът Isothermal CAES в Китай, който е теоретичен проект на изотермичен CAES с мощност от 10 MW, енергиен капацитет от 40 MWh и двупосочен коефициент на полезно действие от 95%. Проектът използва солна пещера като резервоар и въздух като топлопреносна среда. Проектът стартира през 2017 г. и се очаква да бъде завършен до 2025 г.

Опции за съхранение на сгъстен въздух

Има три основни опции за съхранение на сгъстен въздух, които се различават по начина, по който съхраняват сгъстения въздух, а именно подземни пещери, надземни резервоари и подводни балони. Всяка опция за съхранение има своите предимства и недостатъци и е подходяща за различни видове CAES и местоположения.

Подземни пещери

Подземните пещери са най-често срещаният и зрял вариант за съхранение на CAES, които се използват от 1970-те години на миналия век. Подземните пещери са естествени или изкуствени кухини под повърхността, които могат да съхраняват големи количества сгъстен въздух при високо налягане и ниски температури. Най-подходящите образувания за подземни пещери са солни, скални или изчерпани нефтени и газови находища. Процесът на образуване на подземни пещери може да се опише по следния начин:

• По време на фазата на зареждане сгъстеният въздух се инжектира в каверната през кладенец и измества солевия разтвор или газа, който изпълва каверната. Налягането и температурата на пещерата се увеличават с натрупването на въздух.
• По време на фазата на изпускане сгъстеният въздух се извлича от пещерата през същия кладенец и освобождава солевия разтвор или газа, който е бил изместен. Налягането и температурата в пещерата намаляват с изчерпването на въздуха.

Схематичната диаграма на подземните пещери е показана по-долу:

Как се формират и използват?

Подземните пещери могат да бъдат образувани по различни методи, в зависимост от вида на формацията, като например:

• Солни пещери, които се образуват чрез добив на разтвор, който включва инжектиране на вода в солно находище, разтваряне на солта и изпомпване на саламура. Солните пещери имат висока механична якост, висока пропускливост и висока способност за самозапечатване, което ги прави идеални за CAES.
• Скални пещери, които се образуват чрез механично изкопаване, което включва пробиване, взривяване или вкопаване в твърда скална формация, като гранит, варовик или пясъчник. Скалните каверни имат висока механична якост, ниска пропускливост и ниска способност за самозапечатване, което ги прави подходящи за CAES.
• Изчерпани нефтени и газови находища, които се образуват от естествени процеси, които включват натрупване и извличане на въглеводороди в порести и пропускливи скални образувания, като пясъчник, шисти или карбонат. Изчерпаните нефтени и газови находища имат ниска механична якост
• , висока пропускливост и висока способност за самозапечатване, което ги прави приложими за CAES.

Подземните пещери могат да се използват за различни видове CAES, в зависимост от налягането и температурата на въздуха, като например:

• CAES с постоянно налягане, който поддържа постоянно налягане в каверната и променя обема на въздуха. CAES с постоянно налягане е подходящ за диабатичен CAES, тъй като не изисква система за възстановяване на топлината и може да използва едностъпален компресор и турбина.
• CAES с променливо налягане, който променя налягането в пещерата и поддържа постоянен обем на въздуха. CAES с променливо налягане е подходящ за адиабатичен CAES, тъй като изисква система за възстановяване на топлината и може да използва многостепенен компресор и турбина.
• CAES с почти постоянна температура, който поддържа почти постоянна температура в пещерата и променя налягането и обема на въздуха. CAES с почти постоянна температура е подходящ за изотермичен CAES, тъй като изисква бърза и ефективна система за пренос на топлина и може да използва бутален компресор и разширител.

Какви са предимствата и недостатъците?

Подземните пещери имат някои предимства, като например:

• Голям енергиен капацитет, което е количеството енергия, което може да се съхранява в пещерата. Енергийният капацитет на подземните пещери може да варира от стотици до хиляди MWh, в зависимост от размера и формата на пещерата, както и от налягането и температурата на въздуха.
• Дълга продължителност на съхранение, което е времето, през което енергията може да се съхранява в пещерата. Продължителността на съхранение на подземни пещери може да варира от часове до дни, в зависимост от изтичането и топлинните загуби на пещерата, както и натоварването и честотата на CAES системата.
• Ниско въздействие върху околната среда, което е количеството смущения и щети, които пещерата причинява на околностите. Въздействието върху околната среда на подземните пещери е слабо, тъй като те се намират дълбоко под земята и не засягат повърхността или подземните води. Подземните пещери могат също да използват съществуваща инфраструктура, като изчерпани петролни и газови полета, за да намалят използването на земята и разходите за строителство.

Подземните пещери обаче имат и някои недостатъци, като например:

• Силна зависимост от мястото, което е степента на зависимост и ограничение, което пещерата има върху геоложките и географските условия. Зависимостта на подземните пещери от мястото е голяма, тъй като те изискват подходяща формация, като сол, скала или изчерпани нефтени и газови находища, които не са налични или достъпни навсякъде. Подземните пещери също изискват връзка с електрическата мрежа, което може да не е близо или удобно.
• Висок риск за безопасността, който представлява степента на опасност и несигурност, които пещерата представлява за работата и поддръжката на системата CAES. Рискът за безопасността на подземните пещери е висок, тъй като те могат да претърпят неочаквани събития, като изтичане, разкъсване, срутване или експлозия, което може да причини сериозни щети и наранявания. Подземните пещери също изискват внимателно и редовно наблюдение и проверка, което може да бъде скъпо и трудно.
• Високи топлинни загуби, които са количеството топлина, което се губи или получава от въздуха по време на съхранението в пещерата. Топлинните загуби на подземните пещери са големи, тъй като зависят от температурната разлика между въздуха и пласта, както и от топлопроводимостта и капацитета на пласта. Топлинните загуби на подземни пещери могат да намалят ефективността и производителността на CAES системата, особено за адиабатични и изотермични CAES.

Кои са някои примери за CAES проекти, използващи подземни пещери?

Има няколко примера за CAES проекти, използващи подземни пещери, като например:

• Заводът Huntorf CAES в Германия, който използва солна пещера като резервоар и има мощност от 321 MW, енергиен капацитет от 600 MWh и двупосочен коефициент на полезно действие от 42%. Централата е диабатична CAES система и е в експлоатация от 1978 г.
• Заводът McIntosh CAES в Алабама, САЩ, който използва солна пещера като резервоар и има мощност от 110 MW, енергиен капацитет от 2600 MWh и двупосочен коефициент на полезно действие от 54%. Централата е диабатична CAES система и е в експлоатация от 1991 г.
• Проектът ADELE в Германия, който използва солна пещера като резервоар и има мощност от 90 MW, енергиен капацитет от 360 MWh и двупосочен коефициент на полезно действие от 70%. Проектът е адиабатна CAES система и се очаква да бъде завършен до 2024 г.
• Проектът Norton CAES в Охайо, САЩ, който използва изчерпана варовикова мина като резервоар и има мощност от 2700 MW, енергиен капацитет от 40000 60 MWh и двупосочен коефициент на полезно действие от 2025%. Проектът е диабатична CAES система и се предлага да бъде завършен до XNUMX г.

Надземни резервоари

Надземните резервоари са нова и иновативна опция за съхранение на CAES, която беше предложена и тествана през последните години. Надземните резервоари са изкуствени контейнери, които могат да съхраняват сгъстен въздух при високо налягане и ниски температури. Най-подходящите материали за надземни резервоари са стомана, бетон или композит. Процесът на надземни резервоари може да бъде описан, както следва:

• По време на фазата на зареждане сгъстеният въздух се впръсква в резервоара през клапан и повишава налягането и температурата на резервоара. Топлината, генерирана по време на компресията, се отстранява от охладител и се освобождава в околната среда.
• По време на фазата на изпразване сгъстеният въздух се извлича от резервоара през същия клапан и намалява налягането и температурата на резервоара. Топлината, необходима по време на разширяването, се доставя от нагревател, който използва електричество или гориво.

Схематичната диаграма на надземните резервоари е показана по-долу:

Как са проектирани и експлоатирани?

Надземните резервоари могат да бъдат проектирани и експлоатирани по различни методи, в зависимост от вида и размера на резервоара, като например:

• Цилиндрични резервоари, които имат форма на цилиндри и имат кръгло напречно сечение. Цилиндричните резервоари могат да бъдат хоризонтални или вертикални и могат да бъдат единични или многократни. Цилиндричните резервоари имат висока механична якост, висока стабилност и висока мащабируемост, което ги прави подходящи за CAES.
• Сферични резервоари, които имат формата на сфери и имат сферична повърхност. Сферичните резервоари могат да бъдат единични или множество и могат да бъдат поддържани от крака или колони. Сферичните резервоари имат висока механична якост, ниска повърхност и ниски топлинни загуби, което ги прави подходящи за CAES.
• Модулни резервоари, които са съставени от множество малки и еднакви единици и могат да бъдат подредени и свързани по различни начини. Модулните резервоари могат да бъдат с цилиндрична, сферична или друга форма и могат да бъдат гъвкави и адаптивни, което ги прави подходящи за CAES.

Надземните резервоари могат да работят в различни режими, в зависимост от налягането и температурата на въздуха, като например:

• CAES с постоянен обем, който поддържа постоянен обем в резервоара и променя налягането на въздуха. CAES с постоянен обем е подходящ за диабатични CAES, тъй като не изисква система за възстановяване на топлината и може да използва едностъпален компресор и турбина.
• CAES с променлив обем, който променя обема в резервоара и поддържа постоянно налягане на въздуха. CAES с променлив обем е подходящ за адиабатичен CAES, тъй като изисква система за възстановяване на топлината и може да използва многостепенен компресор и турбина.
• CAES с почти постоянна температура, който поддържа почти постоянна температура в резервоара и променя налягането и обема на въздуха. CAES с почти постоянна температура е подходящ за изотермичен CAES, тъй като изисква бърза и ефективна система за пренос на топлина и може да използва бутален компресор и разширител.

Какви са предимствата и недостатъците?

Надземните резервоари имат някои предимства, като например:

• Ниска зависимост от обекта, което е степента на зависимост и ограничение, което резервоарът има върху геоложките и географските условия. Зависимостта от място на надземните резервоари е ниска, тъй като те могат да бъдат инсталирани и транспортирани навсякъде, където има подходящ терен и връзка с електрическата мрежа. Надземните резервоари могат да се използват и в отдалечени и изолирани райони, където липсва надеждно и достъпно електроснабдяване.
• Нисък риск за безопасността, който представлява нивото на опасност и несигурност, които резервоарът представлява за работата и поддръжката на системата CAES. Рискът за безопасността на надземните резервоари е нисък, тъй като те могат лесно да бъдат наблюдавани и инспектирани и могат да бъдат оборудвани с предпазни устройства, като клапани за освобождаване на налягането, разкъсващи се дискове или пожарогасители. Надземните резервоари също могат да бъдат изолирани и защитени от външни опасности, като земетресения, наводнения или свлачища.
• Ниски топлинни загуби, които са количеството топлина, което се губи или получава от въздуха по време на съхранението в резервоара. Топлинните загуби на надземните резервоари са ниски, тъй като зависят от повърхността и изолацията на резервоара, както и от температурата на околната среда и скоростта на вятъра. Топлинните загуби на надземните резервоари могат да бъдат намалени чрез използване на по-малък и по-дебел резервоар, както и чрез използване на по-добър изолационен материал и по-ниска температура на околната среда.

Надземните резервоари обаче имат и някои недостатъци, като например:

• Малък енергиен капацитет, което е количеството енергия, което може да се съхранява в резервоара. Енергийният капацитет на земята
• резервоарите е малък, тъй като е ограничен от размера и теглото на резервоара, както и от налягането и температурата на въздуха. Енергийният капацитет на надземните резервоари може да варира от десетки до стотици kWh, в зависимост от вида и размера на резервоара, както и от налягането и температурата на въздуха.
• Кратка продължителност на съхранение, което е времето, през което енергията може да се съхранява в резервоара. Продължителността на съхранение на надземните резервоари е кратка, тъй като се влияе от теча и топлинните загуби на резервоара, както и от натоварването и честотата на CAES системата. Продължителността на съхранение на надземните резервоари може да варира от минути до часове, в зависимост от вида и размера на резервоара, както и от теча и топлинните загуби на резервоара.
• Силно въздействие върху околната среда, което представлява количеството смущения и щети, които резервоарът причинява на околната среда. Въздействието върху околната среда на надземните резервоари е високо, тъй като те заемат голяма площ и създават визуално и шумово замърсяване. Надземните резервоари също могат да представляват опасност от пожар и експлозия, ако резервоарът е повреден или прегрят.

Какви са някои примери за проекти на CAES, използващи надземни резервоари?

Има малко примери за проекти на CAES, използващи надземни резервоари, тъй като те все още са в експериментален и прототипен етап, като например:

• Проектът SustainX в Ню Хемпшир, САЩ, който използва стоманен резервоар като резервоар и има мощност от 1.5 MW, енергиен капацитет от 6 MWh и двупосочен коефициент на полезно действие от 80%. Проектът беше изотермална CAES система и беше прекратен през 2014 г. поради технически и финансови проблеми.
• Проектът LightSail в Калифорния, САЩ, който използва стоманен резервоар като резервоар и има мощност от 1 MW, енергиен капацитет от 4 MWh и двупосочен коефициент на полезно действие от 90%. Проектът беше изотермална CAES система и беше отменен през 2016 г. поради технически и финансови проблеми.
• Проектът AA-CAES в Холандия, който използва стоманен резервоар като резервоар и има мощност от 1.5 MW, енергиен капацитет от 6 MWh и двупосочен коефициент на полезно действие от 80%. Проектът беше адиабатна CAES система и се очаква да бъде завършен до 2023 г.

Подводни балони

Подводните балони са нова и иновативна опция за съхранение на CAES, която беше предложена и тествана през последните години. Подводните балони са гъвкави и надуваеми конструкции, които могат да съхраняват сгъстен въздух при високо налягане и ниски температури. Най-подходящите материали за подводни балони са гума, пластмаса или текстил. Процесът на подводни балони може да се опише по следния начин:

• По време на фазата на зареждане сгъстеният въздух се инжектира в балона през маркуч и увеличава обема и налягането на балона. Топлината, генерирана по време на компресията, се прехвърля във водата и се разсейва в околната среда.
• По време на фазата на изпразване сгъстеният въздух се извлича от балона през същия маркуч и намалява обема и налягането на балона. Топлината, необходима по време на разширението, се доставя от водата, която загрява въздуха.

Схематичната диаграма на подводните балони е показана по-долу:

Как се разполагат и контролират?

Подводните балони могат да се разгръщат и контролират по различни методи, в зависимост от дълбочината и местоположението на водата, като например:

• Плаващи балони, които са прикрепени към плаваща платформа и могат да бъдат разположени в плитки и спокойни води, като езера или реки. Плаващите балони могат да бъдат лесно достъпни и наблюдавани и могат да използват проста и евтина система от маркучи.
• Закотвени балони, които са закотвени към морското дъно и могат да бъдат разположени в дълбоки и бурни води, като океани или морета. Закотвените балони могат да бъдат скрити и защитени и могат да използват сложна и скъпа система от маркучи.
• Потопени балони, които се потапят във водата и могат да се разположат във всяка дълбочина и местоположение на водата. Потопените балони могат да бъдат гъвкави и адаптивни и могат да използват хибридна и модулна система от маркучи.

Подводните балони могат да се управляват в различни режими, в зависимост от налягането и температурата на въздуха, като например:

• CAES с постоянно налягане, който поддържа постоянно налягане в балона и променя обема на въздуха. CAES с постоянно налягане е подходящ за диабатичен CAES, тъй като не изисква система за възстановяване на топлината и може да използва едностъпален компресор и турбина.
• CAES с променливо налягане, който променя налягането в балона и поддържа постоянен обем на въздуха. CAES с променливо налягане е подходящ за адиабатичен CAES, тъй като изисква система за възстановяване на топлината и може да използва многостепенен компресор и турбина.
• CAES с почти постоянна температура, който поддържа почти постоянна температура в балона и променя налягането и обема на въздуха. CAES с почти постоянна температура е подходящ за изотермичен CAES, тъй като изисква бърза и ефективна система за пренос на топлина и може да използва бутален компресор и разширител.

Какви са предимствата и недостатъците?

Подводните балони имат някои предимства, като например:

• Висок енергиен капацитет, което е количеството енергия, което може да се съхранява в балона. Енергийният капацитет на подводните балони може да варира от стотици до хиляди kWh, в зависимост от размера и формата на балона, както и от налягането и температурата на въздуха.
• Дълга продължителност на съхранение, което е времето, през което енергията може да се съхранява в балона. Продължителността на съхранение на подводните балони може да варира от часове до дни, в зависимост от изтичането и топлинните загуби на балона, както и от натоварването и честотата на CAES системата.
• Ниско въздействие върху околната среда, което е количеството смущения и щети, които балонът причинява на околната среда. Въздействието върху околната среда на подводните балони е ниско, тъй като те се намират под водата и не засягат повърхността или дивата природа. Подводните балони могат също да използват възобновяеми енергийни източници, като енергия от вълни или приливи, за да зареждат и разреждат въздуха.

Подводните балони обаче имат и някои недостатъци, като например:

• Силна зависимост от обекта, което е степента на зависимост и ограничение, което балонът има върху геоложките и географските условия. Зависимостта на подводните балони от мястото е голяма, тъй като те изискват подходящо водно тяло, като езеро, река, океан или море, които не са налични или достъпни навсякъде. Подводните балони също изискват връзка с електрическата мрежа, което може да не е близо или удобно.
• Висок риск за безопасността, който представлява степента на опасност и несигурност, които балонът представлява за работата и поддръжката на системата CAES. Рискът за безопасността на подводните балони е висок, тъй като те могат да претърпят неочаквани събития, като изтичане, разкъсване, срутване или експлозия, което може да причини сериозни щети и наранявания. Подводните балони също изискват внимателно и редовно наблюдение и проверка, което може да бъде скъпо и трудно.
• Високи топлинни загуби, които са количеството топлина, което се губи или получава от въздуха по време на съхранението в балона. Топлинните загуби на подводните балони са големи, тъй като зависят от температурната разлика между въздуха и водата, топлопроводимостта и капацитета на водата. Топлинните загуби на подводни балони могат да намалят ефективността и производителността на CAES системата, особено за адиабатни и изотермични CAES.

Кои са някои примери за CAES проекти, използващи подводни балони?

Има няколко примера за CAES проекти, използващи подводни балони, тъй като те все още са в експериментален и прототипен етап, като например:

• Проектът Hydrostor в Торонто, Канада, който използва потопен балон като резервоар и има мощност от 0.7 MW, енергиен капацитет от 2.8 MWh и двупосочен коефициент на полезно действие от 60%. Проектът беше диабатична CAES система и беше завършен през 2015 г.
• Проектът StEnSea в Германия, който използва потопен балон като резервоар и има мощност от 0.5 MW, енергиен капацитет от 4 MWh и двупосочен коефициент на полезно действие от 80%. Проектът беше адиабатна CAES система и беше завършен през 2017 г.
• Проектът Seaflex в Швеция, който използва плаващ балон като резервоар и има мощност от 0.1 MW, енергиен капацитет от 0.4 MWh и двупосочен коефициент на полезно действие от 70%. Проектът беше изотермална CAES система и беше завършен през 2018 г.

Сравнение на CAES с други технологии за съхранение на енергия

Има много други технологии за съхранение на енергия, освен CAES, които могат да съхраняват и освобождават енергия под различни форми и начини. Някои от най-разпространените и популярни технологии за съхранение на енергия са помпено водно съхранение, батерии, маховици, термично съхранение и съхранение на водород. Всяка технология за съхранение на енергия има своите предимства и недостатъци и е подходяща за различни приложения и сценарии.

Помпено водно съхранение

Помпено водно съхранение (PHS) е вид механично съхранение на енергия, което преобразува електрическата енергия в гравитационна потенциална енергия и след това я преобразува обратно в електрическа енергия, когато е необходимо. Основният процес на PHS може да бъде описан по следния начин:

• По време на фазата на зареждане електрически мотор задвижва помпа, която изпомпва вода от по-нисък резервоар към по-висок резервоар и я съхранява като гравитационна потенциална енергия.
• По време на фазата на изпускане водата се освобождава от по-високия резервоар и протича през турбина, която задвижва генератор, който произвежда електричество.

Схематичната диаграма на PHS е показана по-долу:

Как работи?

PHS работи на принципа за запазване на енергията, който гласи, че енергията не може нито да бъде създадена, нито унищожена, а само трансформирана от една форма в друга. Диаграмата по-долу показва преобразуването и загубата на енергия в PHS:

!PHS енергийна диаграма

Ефективността на PHS зависи от разликата във височината между двата резервоара, която определя гравитационната потенциална енергия и триенето и турбулентността на водата, които причиняват загубата на енергия. Колкото по-висока е разликата във височината и колкото по-ниска е загубата на енергия, толкова по-висока е ефективността на PHS.

Какви са предимствата и недостатъците?

PHS има някои предимства, като например:

• Висока двупосочен коефициент на полезно действие, което е съотношението на изходната енергия към входящата енергия. Двустранната ефективност на PHS може да достигне до 80%, което е по-високо от повечето други технологии за съхранение на енергия.
• Голям енергиен капацитет, което е количеството енергия, което може да се съхранява в резервоарите. Енергийният капацитет на PHS може да варира от хиляди до милиони MWh, в зависимост от размера и формата на резервоарите и разликата във височината между тях.
• Дълга продължителност на съхранение, което е времето, през което енергията може да се съхранява в резервоарите. Продължителността на съхранение на PHS може да варира от часове до месеци, в зависимост от изтичането и изпарението на водата, както и от натоварването и честотата на системата PHS.
• Висока гъвкавост и отзивчивост, което означава, че PHS може бързо и лесно да регулира своята изходна мощност и честота, за да отговори на променящото се търсене и предлагане на електроенергия. PHS може също да стартира и спира бързо и да работи в широк диапазон от условия на натоварване.

PHS обаче има и някои недостатъци, като например:

• Високи капиталови разходи, които се дължат основно на изграждането и поддръжката на резервоарите и помпено-турбинната система. Капиталовите разходи за PHS зависят от специфичните за обекта условия, като геологията, наличието на земя и вода и разстоянието до електрическата мрежа. Капиталовите разходи за PHS могат да достигнат до $3000/kWh, което е по-високо от повечето други технологии за съхранение на енергия.
• Силна зависимост от обекта, което е степента на зависимост и ограничение, което PHS системата има върху геоложките и географските условия. Зависимостта на PHS от площадката е голяма, тъй като изисква подходящо местоположение, където има два резервоара с голяма разлика във височината и връзка с електрическата мрежа. PHS може също така да повлияе на естествената среда и дивата природа, като качеството на водата, водния живот и пейзажа.
• Силно въздействие върху околната среда, което представлява количеството смущения и щети, които PHS системата причинява на околната среда. Въздействието върху околната среда на PHS е голямо, тъй като включва промяна и наводняване на земята, разселване и презаселване на хората, както и емисиите и шума от системата помпа-турбина. PHS също може да представлява риск за безопасността, ако резервоарите са повредени или пробити, което може да причини наводнения и свлачища.

Кои са някои примери за PHS проекти?

Има много примери за PHS проекти по света, които се различават по размер, вид и дизайн, като например:

• Заводът за PHS в окръг Бат във Вирджиния, САЩ, който е най-големият завод за PHS в света, с мощност от 3000 MW, енергиен капацитет от 24000 75 MWh и двупосочен коефициент на полезно действие от 1985%. Предприятието използва две естествени езера като резервоари и е в експлоатация от XNUMX г.
• Заводът Dinorwig PHS в Уелс, Обединеното кралство, който е най-големият завод за PHS в Европа, с мощност от 1728 MW, енергиен капацитет от 9600 MWh и двупосочен коефициент на полезно действие от 75%. Заводът използва изкуствено езеро и бивша кариера за шисти като резервоари и е в експлоатация от 1984 г.
• Заводът Jinping-I PHS в Съчуан, Китай, който е най-големият завод за PHS в Азия, с мощност от 3600 MW, енергиен капацитет от 14400 MWh и двупосочен коефициент на полезно действие от 80%. Централата използва два естествени резервоара като резервоари и е в експлоатация от 2014 г.

Батерии

Батериите са вид електрохимично съхранение на енергия, което преобразува електрическата енергия в химическа енергия и след това я преобразува обратно в електрическа енергия, когато е необходимо. Основният процес на батериите може да бъде описан, както следва:

• По време на фазата на зареждане външен източник на захранване прилага напрежение към батерията, което предизвиква преминаване на електрически ток през батерията и предизвиква химическа реакция, която съхранява енергия в батерията.
• По време на фазата на разреждане батерията осигурява напрежение към товара, което предизвиква изтичане на електрически ток от батерията и предизвиква химическа реакция, която освобождава енергия от батерията.

Схематичната диаграма на батериите е показана по-долу:

Как работи?

Батерии за съхранение на енергия работят на принципа на окислително-редукционната реакция, която е химическа реакция, която включва пренос на електрони между две вещества. Диаграмата по-долу показва редокс реакцията в батериите:

!Диаграма на реакцията на батериите

Ефективността на батериите зависи от вида и качеството на материалите, които определят напрежението, капацитета и съпротивлението на батерията, както и от температурата и тока, които влияят на химическата реакция и загубата на енергия. Колкото по-високи са напрежението и капацитетът и колкото по-ниски са съпротивлението и загубата на енергия, толкова по-висока е ефективността на батериите.

Какви са предимствата и недостатъците?

Батериите имат някои предимства, като например:

• Висока двупосочен коефициент на полезно действие, което е съотношението на изходната енергия към входящата енергия. Двустранната ефективност на батериите може да достигне до 90%, което е по-високо от повечето други технологии за съхранение на енергия.
• Малък енергиен капацитет, което е количеството енергия, което може да се съхранява в батерията. Енергийният капацитет на батериите може да варира от десетки до стотици kWh в зависимост от вида и размера на батерията, както и от напрежението и капацитета на батерията.
• Кратко време на съхранение, което е времето, през което енергията може да се съхранява в батерията. Продължителността на съхранение на батериите може да варира от минути до часове, в зависимост от вида и качеството на батерията, както и от теча и саморазреждането на батерията.
• Висока гъвкавост и отзивчивост, което означава, че батериите могат бързо и лесно да регулират изходната си мощност и честота, за да отговорят на променящото се търсене и предлагане на електроенергия. Батериите също могат да стартират и спират бързо и да работят в широк диапазон от условия на натоварване.

Батериите обаче имат и някои недостатъци, като например:

• Високи капиталови разходи, които се дължат главно на закупуването и инсталирането на батерията и системата за силова електроника. Капиталовите разходи за батерии зависят от вида и качеството на батерията, както и от мощността и енергийните стойности на батерията. Капиталовите разходи за батерии могат да достигнат до $1000/kWh, което е по-високо от повечето други технологии за съхранение на енергия.
• Ниско въздействие върху околната среда, което е количеството смущения и щети, които батерията причинява на околната среда. Въздействието върху околната среда на батериите е ниско, тъй като те заемат малка площ и създават ниски емисии и шум. Батериите могат също да използват възобновяеми енергийни източници, като слънчева или вятърна енергия, за зареждане и разреждане на батерията.

Батериите обаче имат и някои недостатъци, като например:

• Силно въздействие върху околната среда, което представлява количеството смущения и щети, които батерията причинява на околната среда. Въздействието върху околната среда на батериите е голямо, тъй като те включват добив и обработка на редки и токсични материали, като литий, кобалт и олово, които могат да причинят замърсяване и изчерпване на природните ресурси. Батериите също могат да представляват опасност от пожар и експлозия, ако батерията е повредена или прегрята, което може да отдели вредни вещества и газове.

• Високи разходи за поддръжка, които се дължат главно на подмяната и рециклирането на батерията и системата на силовата електроника. Разходите за поддръжка на батериите зависят от вида и качеството на батерията, както и от продължителността на живота и разграждането на батерията. Цената за поддръжка на батериите може да достигне до $200/kWh, което е по-високо от повечето други технологии за съхранение на енергия.

Какви са някои примери за проекти за батерии?

Има много примери за проекти за батерии по света, които се различават по размер, тип и дизайн, като например:

• Hornsdale Power Reserve в Южна Австралия, който е най-големият проект за батерии в света, с мощност от 150 MW, енергиен капацитет от 193.5 MWh и двупосочен коефициент на полезно действие от 85%. Проектът използва литиево-йонни батерии и е в експлоатация от 2017 г.
• Демонстрационният проект за възобновяема енергия Zhangbei в Хъбей, Китай, който е най-големият проект за батерии в Азия, с мощност от 140 MW, енергиен капацитет от 560 MWh и двупосочен коефициент на полезно действие от 80%. Проектът използва натриево-серни батерии и е в експлоатация от 2012 г.
• Съоръжението за съхранение на енергия Escondido в Калифорния, САЩ, което е най-големият проект за батерии в Северна Америка, с мощност от 120 MW, енергиен капацитет от 480 MWh и двупосочен коефициент на полезно действие от 85%. Проектът използва литиево-йонни батерии и е в експлоатация от 2017 г.

Маховици

Маховици за съхранение на енергия са вид механично съхранение на енергия, което преобразува електрическата енергия в кинетична енергия и след това я преобразува обратно в електрическа енергия, когато е необходимо. Основният процес на маховиците може да бъде описан, както следва:

• По време на фазата на зареждане електрически мотор задвижва маховик, който се върти с висока скорост и съхранява енергия като ротационна кинетична енергия.
• По време на фазата на разреждане маховикът задвижва генератор, който произвежда електричество и забавя маховика.

Схематичната диаграма на маховиците е показана по-долу:

Как работи?

Маховиците работят на принципа на запазване на ъгловия момент, който гласи, че ъгловият импулс на въртящ се обект остава постоянен, освен ако не се приложи външен въртящ момент. Диаграмата по-долу показва ъгловия импулс и въртящия момент в маховиците:

!Диаграма на импулса на маховика

Ефективността на маховика зависи от масата и формата на маховика, които определят инерционния момент и скоростта на въртене на маховика, както и от триенето и съпротивлението на маховика, които причиняват загуба на енергия. Колкото по-високи са инерционният момент и скоростта на въртене и колкото по-ниска е загубата на енергия, толкова по-висока е ефективността на маховиците.

Какви са предимствата и недостатъците?

Маховиците имат някои предимства, като например:

• Висока двупосочен коефициент на полезно действие, което е съотношението на изходната енергия към входящата енергия. Ефективността на въртенето на маховиците може да достигне до 90%, което е по-високо от повечето други технологии за съхранение на енергия.
• Малък енергиен капацитет, което е количеството енергия, което може да се съхранява в маховика. Енергийният капацитет на маховика може да варира от десетки до стотици kWh, в зависимост от масата и формата на маховика и скоростта на въртене на маховика.
• Кратка продължителност на съхранение, което е времето, през което енергията може да се съхранява в маховика. Продължителността на съхранение на маховика може да варира от секунди до минути, в зависимост от триенето и съпротивлението на маховика, както и натоварването и честотата на системата на маховика.
• Висока гъвкавост и отзивчивост, което означава, че маховиците могат бързо и лесно да регулират своята изходна мощност и честота, за да отговорят на променящото се търсене и предлагане на електроенергия. Маховиците също могат да стартират и спират бързо и да работят в широк диапазон от условия на натоварване.

Маховиците обаче имат и някои недостатъци, като например:

• Високи капиталови разходи, които се дължат основно на закупуването и монтажа на маховика и системата за силова електроника. Капиталовите разходи на маховика зависят от вида и качеството на маховика, както и от мощността и енергийните стойности на маховика. Капиталовите разходи за маховици могат да достигнат до $1000/kWh, което е по-високо от повечето други технологии за съхранение на енергия.
• Ниско въздействие върху околната среда, което е количеството смущения и щети, които маховикът причинява на околната среда. Въздействието на маховиците върху околната среда е ниско, тъй като те заемат малка площ и създават ниски емисии и шум. Маховиците могат също да използват възобновяеми енергийни източници, като слънчева или вятърна енергия, за да зареждат и разреждат маховика.

Маховиците обаче имат и някои недостатъци, като например:

• Силно въздействие върху околната среда, което представлява количеството смущения и щети, които маховикът причинява на околната среда. Въздействието на маховиците върху околната среда е високо, тъй като те включват използването на редки и скъпи материали, като стомана, въглеродни влакна или керамика, които могат да причинят замърсяване и изчерпване на природните ресурси. Маховиците също могат да представляват риск за безопасността, ако маховикът е повреден или счупен, което може да причини шрапнели и вибрации.
• Високи разходи за поддръжка, които се дължат главно на подмяната и рециклирането на маховика и системата на силовата електроника. Разходите за поддръжка на маховика зависят от вида и качеството на маховика, както и от продължителността на живота и деградацията на маховика. Разходите за поддръжка на маховиците могат да достигнат до $200/kWh, което е по-високо от повечето други технологии за съхранение на енергия.

Какви са някои примери за проекти с маховик?

Има малко примери за проекти за маховик по света, тъй като те все още са в експериментален и прототипен етап, като например:

• Проектът Beacon Power в Ню Йорк, САЩ, който използва маховик от въглеродни влакна като резервоар и има мощност от 20 MW, енергиен капацитет от 5 MWh и двупосочен коефициент на полезно действие от 85%. Проектът беше система с маховик и беше завършен през 2011 г.
• Проектът Schwungrad Energie в Ирландия, който използва стоманен маховик като резервоар и има мощност от 20 MW, енергиен капацитет от 10 MWh и двупосочен коефициент на полезно действие от 90%. Проектът беше система с маховик и беше завършен през 2017 г.
• Проектът на ABB в Швейцария, който използва керамичен маховик като резервоар и има мощност от 0.5 MW, енергиен капацитет от 0.1 MWh и двупосочен коефициент на полезно действие от 95%. Проектът беше система с маховик и беше завършен през 2018 г.

Термично съхранение

Термично съхранение е вид съхранение на топлинна енергия, което преобразува електрическата енергия в топлинна енергия и след това я преобразува обратно в електрическа енергия, когато е необходимо. Основният процес на термично съхранение може да бъде описан по следния начин:

• По време на фазата на зареждане, електрически нагревател загрява материал, като вода, разтопена сол или материал за промяна на фазата, и съхранява енергия като чувствителна или латентна топлина.
• По време на фазата на разреждане материалът отделя топлина, която задвижва топлинен двигател, като парна турбина, двигател на Стърлинг или термоелектрически генератор, който произвежда електричество.

Схематичната диаграма на термично съхранение е показана по-долу:

Как работи?

Термалното съхранение работи на принципа на запазване на топлината, който гласи, че топлината не може нито да бъде създадена, нито унищожена, а само прехвърлена от един обект на друг. Диаграмата по-долу показва преноса и загубата на топлина при термично съхранение:

!Топлинна диаграма за съхранение на топлина

Ефективността на топлинното съхранение зависи от вида и качеството на материала, които определят специфичната топлина и точката на топене на материала, както и от температурата и налягането на топлинния двигател, които влияят на термодинамичния цикъл и преобразуването на енергия. Колкото по-високи са специфичната топлина и точката на топене и колкото по-високи са температурата и налягането, толкова по-висока е ефективността на съхранението на топлина.

Какви са предимствата и недостатъците?

Термичното съхранение има някои предимства, като например:

• Висока двупосочен коефициент на полезно действие, което е съотношението на изходната енергия към входящата енергия. Двустранната ефективност на термичното съхранение може да достигне до 90%, което е по-високо от повечето други технологии за съхранение на енергия.
• Голям енергиен капацитет, което е количеството енергия, което може да се съхранява в материала. Енергийният капацитет на топлинното съхранение може да варира от стотици до хиляди MWh, в зависимост от вида и размера на материала, специфичната топлина и точката на топене на материала.
• Дълга продължителност на съхранение, което е времето, през което енергията може да се съхранява в материала. Продължителността на съхранение при термично съхранение може да варира от часове до дни, в зависимост от вида и качеството на материала, както и от изтичането и топлинните загуби на материала.

• Висока гъвкавост и отзивчивост, което означава, че термалното съхранение може бързо и лесно да регулира изходната си мощност и честота, за да отговори на променящото се търсене и предлагане на електроенергия. Термалното съхранение може също така да стартира и спира бързо и да работи в широк диапазон от условия на натоварване.

Термичното съхранение обаче има и някои недостатъци, като например:

• Високи капиталови разходи, които се дължат главно на закупуването и монтажа на материала и системата на топлинния двигател. Капиталовите разходи за съхранение на топлина зависят от вида и качеството на материала, както и от мощността и енергийните стойности на материала. Капиталовите разходи за термично съхранение могат да достигнат до $2000/kWh, което е по-високо от повечето други технологии за съхранение на енергия.
• Силна зависимост от обекта, което е степента на зависимост и ограничение, което системата за съхранение на топлина има върху климатичните и географски условия. Зависимостта на термалното съхранение от мястото е голяма, тъй като изисква подходящо местоположение, където има достатъчен и стабилен източник на топлина, като слънчева, геотермална или отпадна топлина, и връзка с електрическата мрежа. Термалното съхранение може също да повлияе на естествената среда и дивата природа, като качеството на въздуха, водния цикъл и растителността.
• Силно въздействие върху околната среда, което представлява количеството смущения и щети, които системата за съхранение на топлина причинява на околната среда. Въздействието върху околната среда на топлинното съхранение е голямо, тъй като включва емисии и шум от системата на топлинния двигател, което може да причини замърсяване и парников ефект. Термичното съхранение също може да представлява риск за безопасността, ако материалът е повреден или протекъл, което може да причини пожар и изгаряне.

Какви са някои примери за проекти за съхранение на топлина?

Има много примери за проекти за термично съхранение по света, които се различават по размер, вид и дизайн, като например:

• Слънчевата електроцентрала Andasol в Испания, която използва разтопена сол като материал и има мощност от 150 MW, енергиен капацитет от 1100 MWh и двупосочен коефициент на полезно действие от 80%. Проектът използва слънчеви топлинни колектори за загряване на разтопената сол и парна турбина за генериране на електричество. Проектът е в експлоатация от 2008 г.
• Слънчевата общност Drake Landing в Канада, която използва вода като материал и има мощност от 1.5 MW, енергиен капацитет от 52 MWh и двупосочен коефициент на полезно действие от 90%. Проектът използва слънчеви топлинни колектори за загряване на водата и двигател на Стърлинг за генериране на електричество. Проектът е в експлоатация от 2007 г.
• Проектът Ice Bear в Калифорния, САЩ, който използва лед като материал и има мощност от 0.1 MW, енергиен капацитет от 0.4 MWh и двупосочен коефициент на полезно действие от 95%. Проектът използва електричество за замразяване на водата и термоелектрически генератор за генериране на електричество. Проектът е в експлоатация от 2010 г.

Съхранение на водород

Съхранението на водород е вид съхранение на химическа енергия, което преобразува електрическата енергия в химическа енергия и след това я преобразува обратно в електрическа енергия, когато е необходимо. Основният процес на съхранение на водород може да бъде описан по следния начин:

• По време на фазата на зареждане електролизаторът разделя водата на водород и кислород и съхранява водорода като химическа енергия.
• По време на фазата на разреждане водородът се комбинира с кислород в горивна клетка или двигател с вътрешно горене и произвежда електричество и вода.

Схематичната диаграма на съхранение на водород е показана по-долу:

Как работи?

Съхранението на водород работи на принципа на електролизата и реакциите в горивните клетки, които са химически реакции, които включват пренос на електрони между вода и водород. Диаграмата по-долу показва електролизата и реакциите на горивните клетки при съхранение на водород:

!Диаграма на реакцията на съхранение на водород

Ефективността на съхранението на водород зависи от вида и качеството на електролизера и горивната клетка, които определят напрежението, тока и мощността на реакциите, както и температурата и налягането на водорода, които влияят на съхранението и транспорта на водорода . Колкото по-високи са напрежението, токът и мощността и колкото по-ниски са температурата и налягането, толкова по-висока е ефективността на съхранението на водород.

Какви са предимствата и недостатъците?

Съхранението на водород има някои предимства, като например:

• Висока двупосочен коефициент на полезно действие, което е съотношението на изходната енергия към входящата енергия. Двустранната ефективност на съхранението на водород може да достигне до 80%, което е по-високо от повечето други технологии за съхранение на енергия.
• Голям енергиен капацитет, което е количеството енергия, което може да се съхранява във водорода. Енергийният капацитет на съхранението на водород може да варира от стотици до хиляди MWh, в зависимост от вида и размера на системата за съхранение на водород и налягането и температурата на водорода.
• Дълга продължителност на съхранение, което е времето, през което енергията може да се съхранява във водорода. Продължителността на съхранението на водород може да варира от часове до месеци, в зависимост от вида и качеството на системата за съхранение на водород и изтичането и саморазреждането на водорода.
• Висока гъвкавост и отзивчивост, което означава, че съхранението на водород може бързо и лесно да регулира изходната си мощност и честота, за да отговори на променящото се търсене и предлагане на електроенергия. Съхранението на водород може също така да стартира и спира бързо и да работи в широк диапазон от условия на натоварване.

Съхранението на водород обаче има и някои недостатъци, като например:

• Високи капиталови разходи, които се дължат главно на закупуването и инсталирането на електролизера и системата с горивни клетки. Капиталовите разходи за съхранение на водород зависят от вида и качеството на електролизера и горивната клетка, както и от мощността и енергийните стойности на системата за съхранение на водород. Капиталовите разходи за съхранение на водород могат да достигнат до $4000/kWh, което е по-високо от повечето други технологии за съхранение на енергия.
• Силна зависимост от обекта, което е степента на зависимост и ограничение, което системата за съхранение на водород има от климатичните и географски условия. Зависимостта на мястото за съхранение на водород е голяма, тъй като изисква подходящо местоположение, където има достатъчен и стабилен източник на вода и електричество, като слънчева, вятърна или водна енергия, и връзка с електрическата мрежа. Съхранението на водород може също да повлияе на естествената среда и дивата природа, като водния цикъл, качеството на въздуха и растителността.
• Силно въздействие върху околната среда, което представлява количеството смущения и щети, които системата за съхранение на водород причинява на околната среда. Въздействието върху околната среда от съхранението на водород е високо, тъй като включва емисии и шум от електролизера и системата с горивни клетки, което може да причини замърсяване и парников ефект. Съхранението на водород също може да представлява риск за безопасността, ако водородът е повреден или изтекъл, което може да причини пожар и експлозия.

Кои са някои примери за проекти за съхранение на водород?

Има малко примери за проекти за съхранение на водород по света, тъй като те все още са в експериментален и прототипен етап, като например:

• Проектът HyBalance в Дания, който използва електролизатор с протонна обменна мембрана и система за съхранение на метален хидрид и има мощност от 1.2 MW, енергиен капацитет от 4.8 MWh и ефективност на двупосочно пътуване от 75%. Проектът използва вятърна енергия за производство на водород и горивна клетка за генериране на електричество. Проектът е в експлоатация от 2017 г.
• Проектът HyDeploy в Обединеното кралство, който използва алкален електролизатор и система за съхранение на газова мрежа и има мощност от 0.5 MW, енергиен капацитет от 2 MWh и двупосочен коефициент на полезно действие от 70%. Проектът използва слънчева енергия за производство на водород и двигател с вътрешно горене за генериране на електричество. Проектът е в експлоатация от 2019 г.
• Проектът Haeolus в Норвегия, който използва електролизатор за твърд оксид и система за съхранение на сгъстен газ и има мощност от 2.5 MW, енергиен капацитет от 10 MWh и двупосочен коефициент на полезно действие от 80%. Проектът използва вятърна енергия за производство на водород и горивна клетка за генериране на електричество. Проектът е в експлоатация от 2020 г.

Сравнение на CAES с други технологии за съхранение на енергия

CAES е вид механично съхранение на енергия, което преобразува електрическата енергия в сгъстен въздух и след това я преобразува обратно в електрическа енергия, когато е необходимо. CAES могат да бъдат класифицирани в три типа в зависимост от начина, по който се справят с топлината по време на компресията и разширяването на въздуха, а именно диабатични CAES, адиабатични CAES и изотермични CAES. CAES може също да използва различни опции за съхранение на сгъстен въздух, в зависимост от начина, по който съхранява сгъстения въздух, а именно подземни пещери, надземни резервоари и подводни балони.

CAES има някои предимства и недостатъци в сравнение с други технологии за съхранение на енергия, като например:

• CAES има среден коефициент на полезно действие, който е съотношението на изходната енергия към входящата енергия. Двупосочната ефективност на CAES може да варира от 40% до 100%, в зависимост от вида на CAES и опцията за съхранение на сгъстен въздух. CAES има по-ниска ефективност от батерии, маховици, термично съхранение и съхранение на водород, но по-висока ефективност от помпено водно съхранение.

• CAES има голям енергиен капацитет, което е количеството енергия, което може да се съхранява в сгъстения въздух. Енергийният капацитет на CAES може да варира от стотици до хиляди MWh, в зависимост от вида и размера на системата CAES, както и от налягането и температурата на сгъстения въздух. CAES има по-висок капацитет от батерии и маховици, но по-нисък капацитет от помпено водно съхранение, термично съхранение и съхранение на водород.
• CAES има дълга продължителност на съхранение, което е времето, през което енергията може да се съхранява в сгъстения въздух. Продължителността на съхранение на CAES може да варира от часове до дни, в зависимост от вида и качеството на системата CAES, както и от изтичането и топлинните загуби на сгъстения въздух. CAES има по-голяма продължителност от батериите и маховиците, но по-кратка от помпената хидроакумулация, термичната акумулация и акумулирането на водород.
• CAES има ниско въздействие върху околната среда, което представлява количеството смущения и щети, които системата CAES причинява на околностите. Въздействието върху околната среда на CAES е ниско, тъй като използва въздух като работен флуид, който е изобилен и безвреден и не отделя никакви парникови газове или замърсители. CAES може също да използва възобновяеми енергийни източници, като вятърна или слънчева енергия, за компресиране и разширяване на въздуха. CAES има по-слабо въздействие от помпените хидроакумулатори, батериите и съхранението на водород, но по-голямо въздействие от маховиците и термалното съхранение.
• CAES има средни капиталови разходи, които се дължат главно на закупуването и инсталирането на компресора и турбинната система. Капиталовите разходи за CAES зависят от вида и качеството на системата CAES и мощността и енергийните оценки на системата CAES. Капиталовите разходи за CAES могат да варират от $500 до $1000/kWh, в зависимост от вида на CAES и опцията за съхранение на сгъстен въздух. CAES има по-ниска цена от батериите, термалното съхранение и съхранението на водород, но по-висока цена от помпените хидроакумулатори и маховиците.
• CAES има средна зависимост от обекта, което е степента на зависимост и ограничение, което системата CAES има върху геоложките и географските условия. Зависимостта на CAES от обекта е средна, тъй като изисква подходящо местоположение, където има достатъчен и стабилен източник на електроенергия, като вятърна или слънчева енергия, и връзка с електрическата мрежа. CAES може също да използва различни опции за съхранение на сгъстен въздух, които могат да бъдат повече или по-малко налични и достъпни, в зависимост от местоположението. CAES има по-малка зависимост от помпените хидроакумулатори и термичните акумулатори, но по-висока зависимост от батериите, маховите колела и водородните акумулатори.
• CAES има среден риск за безопасността, което представлява степента на опасност и несигурност, които системата CAES представлява за работата и поддръжката на системата CAES. Рискът за безопасността на CAES е среден, тъй като включва компресиране и разширяване на въздуха, което може да причини колебания в налягането и температурата, и съхранение на въздух, което може да причини изтичане и разкъсване. CAES може също да използва различни опции за съхранение на сгъстен въздух, които могат да имат различни проблеми с безопасността в зависимост от опцията. CAES има по-нисък риск от батериите и съхранението на водород, но по-висок риск от помпените хидроакумулатори, маховиците и термалното съхранение.

Заключение

В заключение, CAES е обещаваща и универсална технология за съхранение на енергия, която може да съхранява и освобождава големи количества енергия за дълги периоди от време, с ниско въздействие върху околната среда и средни капиталови разходи. CAES може също да използва различни типове и опции, които могат да отговарят на различни приложения и сценарии. Въпреки това, CAES също е изправен пред някои предизвикателства и ограничения, като например ниската ефективност на двупосочното пътуване, средната зависимост от сайта и средния риск за безопасността. Следователно CAES се нуждае от допълнителни изследвания и разработки, за да подобри своята производителност и надеждност и да намали разходите и риска. CAES може също да се възползва от интеграцията и сътрудничеството с други технологии за съхранение на енергия, за да постигне по-ефективна и устойчива енергийна система.