Криоэнергетика

В 1899 году американская компания Liquid Air, Power and Automobile Company из Бостона рекламировала автомобиль, работающий на сжиженном воздухе. В 1902 году этот автомобиль был представлен на выставке в Лондоне.

В ВМФ Швеции дизель-стирлинг-электрические подводные лодки типа «Готланд» (швед. Gotlandklass), построенные в 1992—1997 годах, стали первыми серийными лодками с двигателями Стирлинга^[2]. Двигатели, работающие на жидком кислороде, имеют очень низкий уровень шума.

В 2001 году, британский изобретатель Питер Дирман запатентовал двигатель, который также использует сжиженный воздух или азот.

Технология утилизации избыточной генерации энергии путем сжижения атмосферного воздуха (азота) в промышленных криогенных установках для сетей с нестабильными источниками (ветряных и солнечных электростанций) была изобретена заведующим кафедрой криогенного хранения Королевской инженерной академии Хайвью, директором Бирмингемского центра хранения энергии, профессором Юлуном Дином^[3].

Первая экспериментальная установка мощностью 5 кВт, была построена в 2010 году компанией Highview Power Storage^[4][5] на крупнейшей в Британии 100-мегаваттной ТЭЦ Слау. Затем была запущена пилотная аккумулирующая станция мощностью 350 кВт с емкостью хранилища 2,5 МВт/ч. Сборка станции заняла всего два месяца, так как всё используемое оборудование выпускается серийно и не требует дополнительной сертификации.

В компании Highview Power Storage утверждают, что такую схему генерации электроэнергии можно масштабировать с минимальными затратами, а также разбирать и перевозить с места на место. Хранение жидкого азота намного безопаснее, чем хранение топлива другого вида.

В июне 2018 года в Бери, недалеко от Манчестера, была введена в эксплуатацию электростанция мощностью 5 МВт / 15 Мвтч — первая в мире система хранения электрической энергии на жидком воздухе.

В феврале 2011 года от Highview Power Storage отделился стартап Dearman Engine, занимающийся разработкой поршневого двигателя с нулевым уровнем выбросов, работающего на жидком воздухе (или жидком азоте). Выхлопом такого двигателя является холодный воздух^[6].

Электроэнергетика как отрасль промышленности имеет ряд технологических особенностей:

• Синхронность процессов производства, передачи и потребления электроэнергии.
• Непрерывность этих процессов, вынуждающая непрерывно эксплуатировать оборудование всей технологической цепочки.
• Нестабильное потребление электроэнергии, изменяющееся в течение суток, недель, сезонов.
• Неравномерное по времени распределение энергии, вырабатываемой из возобновляемых источников, сдерживающее рост количества ветряных и солнечных электростанций.

Одной из технологий, решающих проблемы, связанные с обеспечением баланса производства и потребления электроэнергии, является криогенное хранение энергии в аккумулирующих электростанциях^[7].

Принцип действия криогенных аккумулирующих электростанций заключается в использовании энергии, накопленной в охлажденном воздухе.

В периоды низкого потребления электроэнергии воздух из окружающей среды нагнетается в систему при помощи винтовых компрессоров. Затем он тщательно фильтруется и охлаждается до −196°С. Полученная при этом жидкая смесь азота и кислорода превращается в светло-серую текучую жидкость. Она закачивается в специальные теплоизолированные емкости-термосы, где с минимальными потерями (менее 0,5 % в сутки) может храниться длительное время при атмосферном давлении^[8].

Восстановление энергии происходит за счет регазификации воздуха. В момент пиковых нагрузок сжиженный воздух поступает на разогретый до 110 °C теплообменник-испаритель и, расширяясь в 700 и более раз, приводит в действие генератор, а отработанный воздух возвращается на вторичную переработку. Эффективность криогенной электростанции превышает 50 %, а в режиме принудительного прогрева жидкого воздуха КПД достигает 70 %.

Чистый атмосферный воздух содержит около 78 % азота и 21 % кислорода.

При атмосферном давлении азот кипит при −195,8 °C, а кислород при −183 °C.

Кипение как жидкого воздуха, так и азота сопровождается более чем 700-кратным расширением объема. То есть из 1 литра жидкости производится более 700 литров газа. Это стремительное расширение лежит в основе криогенных двигателей.

• Технология использует доступный ресурс — обычный воздух.
• Криогенное хранилище энергии легко масштабируется и не имеет географических ограничений.
• Технология не использует дорогостоящие металлы и вредные химические вещества.
• Срок службы систем накопления и хранения энергии составляет примерно 30-40 лет.
• Основным конструкционным материалом служит специальная сталь, которую по окончании срока службы можно утилизировать без вреда для окружающей среды.
• Криогенные системы хранения энергии очень компактны и автономны, и могут быть расположены где угодно.
• Хранилища не используют опасные материалы, не несут пожарной опасности и могут соответствовать современным городским строительным нормам. Это позволяет поставлять электроэнергию непосредственно в городские районы.
• Жидкий воздух хранится в обычных герметичных резервуарах низкого давления (похожих на резервуары для жидкого кислорода или азота в медицинских учреждениях). Технологический процесс не сопровождается горением.
• Принцип работы криогенных аккумулирующих электростанций аналогичен тому, который используется для сжижения природного газа.
• Экологически безопасны, так как единственное, что выбрасывается в атмосферу — чистый воздух.