Сгъстеният въздух съхранява енергия
Съхранението на енергия със сгъстен въздух (CAES) се счита за напреднала форма на трайно съхранение, тъй като неговите компоненти са твърдо „не-рискови“, но малко такива проекти работят на този етап. Проект в отдалечения град Броукън Хил в Нов Южен Уелс обещава да проправи пътя.
В излязла от употреба пещера в австралийската пустош се разработва проект за съхранение на енергия със сгъстен въздух с мощност 200 MW/1600 MWh от канадската компания Hydrostor. Съоръжението се появи след сделка, сключена с местния оператор на електрическа мрежа Transgrid, който излиза на пазара в търсене на решения за съхранение на енергия за подобряване на надеждността в известния граничен град Броукън Хил.
Наречен „Център за съхранение на енергия в Силвър Сити“, той ще бъде първият завод за сгъстен въздух на Hydrostor, и ще бъде една от първите „адиабатни“ системи (термодинамичен процес в затворена система без загуби), ако бъде успешно пусната до очакваната дата през 2027 г. Адиабатните CAES системи включват топлинна енергия или топлинен компонент за съхранение, което всъщност означава, че те не изискват изкопаемите горива, които исторически са били използвани в такива системи.
Сгъстеният въздух на Силвър Сити ще се съхранява на 600 метра под земята, с проектна площ по-малка от 40 хектара и продължителност на живота от 50 години, както заявява вицепрезидентът на Hydrostor Australia Мартин Бекер.
Тъй като батериите със сгъстен въздух използват турбини, централата също така ще осигури здравина и инерция за системата на електрическата мрежа. Нейните мрежови услуги ще бъдат много по-последователни от синтетичната инерция, предлагана от големите батерии, добави Бекер, тъй като литиевите батерии се разреждат с цикли и следователно могат да действат само като виртуални синхронни машини за по няколко часа на ден. Hydrostor очаква да постигне окончателно инвестиционно решение за Силвър Сити тази година.
Доказана технология
CAES днес се намира в любопитни взаимоотношения. От една страна, технологичните компоненти и отделните системи, които влизат в тези големи инфраструктурни проекти, са доказани и се използват в индустрията от десетилетия, понякога векове.
Само няколко инсталации за сгъстен въздух обаче някога са влизали в търговска експлоатация. Една 321 MW централа работи в Хунторф, Германия, от 1978 г., а от 1991 г. 110 MW централа работи в Макинтош, Алабама, Съединените щати. И двата проекта са диабатни, което означава, че не съхраняват топлина и затова използват изкопаеми горива в своите процеси. Адиабатните системи за сгъстен въздух са далеч по-ново явление. Hydrostor отвори първата комерсиална адиабатна инсталация през 2019 г. в Годерич, Онтарио, Канада, но проектът има пикова мощност от само 1,75 MW.
През годините оттогава Китай постигна голям успех в CAES, въвеждайки множество системи онлайн, включително 100 MW централа в провинция Хъбей през 2022 г. Работата започна през същата година по 350 MW/1,4 GWh централа в Шандонг и много други проекти са в процес на изграждане.
За австралийската агенция Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO) сгъстеният въздух е една от най-обещаващите технологии за трайно съхранение, до голяма степен поради своята сравнително ниска цена, дълъг живот на активите и относителна гъвкавост. Въпреки, че разходите са силно зависими от проекта, документ от 2021 г. на Дейвид Еванс и др., публикуван в Applied Sciences, отбелязва, че разходите за CAES могат да бъдат ниски от $3/kWh до $6/kWh.
„Разходите за единица намаляват, колкото повече се внедряват, което не важи за батериите“, казва Бен Кленъл, старши главен научен сътрудник в CSIRO. CAES, добавя Кленъл, „е конкурентен по отношение на разходите и ако е конкурентен по отношение на възможността да стартира проекти и да работи, а геоложките местоположения са подходящи … може да играе голяма роля [в съхранението на енергия]. Ние сме на един гигапроект от това да имаме инсталация, която всъщност демонстрира тази технология при нас.“
Въздух под налягане
Батериите със сгъстен въздух създават налягане в атмосферния въздух, съхранявайки енергия под формата на потенциална енергия, като пружина. За да се използва, въздухът се освобождава чрез разширител, за да завърти турбина. Системите имат два основни компонента: надземната инсталация с нейните турбомашини и подземното пространство за съхранение – което може да приеме различни форми.
Има три различни вида системи за съхранение на сгъстен въздух: диабатни, адиабатни и изотермични. Изотермичният процес е термодинамичен процес, при който температурата на системата остава постоянна, обикновено, когато системата е в контакт с външен топлинен резервоар. Промяната в системата настъпва достатъчно бавно, за да може системата да се регулира непрекъснато към температурата на резервоара чрез топлообмен.
Такива проекти намаляват загубите на енергия, но има недостиг на оперативни проекти. Адиабатните системи се превръщат във фокус на индустрията, въпреки че Corre Energy и други сега търсят диабатни системи, готови за водород.
Ефективността между типовете се различава, като диабатните системи обикновено предлагат ефективност от 50% до 55% и потенциално 60%. Clennell от CSIRO казва, че ефективността на двупосочните адиабатни CAES системи с технология от най-високо ниво е някъде около 70%. „Доста добре е установено какви са тези числа“, каза той. „Няма части, които да не разбираме, това е просто инженерно предизвикателство, за да се получи най-добрата възможна ефективност.“
Настройки
Има много начини адиабатните системи да съхраняват топлината, произтичаща от компресирането на въздуха, и компаниите преследват набор от техники, за да го получат.
„Опитахме различни подходи, но всъщност се спряхме на най-простия подход, защото е много изгоден за финансиране“, казва президентът и главен оперативен директор на Hydrostor Джон Норман.
Компанията е избрала просто да съхранява топлината под формата на вода под налягане в изолирани сферични резервоари. Този и всеки друг аспект на системата на Hydrostor е проектиран около съществуващия индустриален комплект.
„Ние сме по-скоро системен интегратор с интелектуална собственост относно начина, по който интегрираме системата, отколкото доставчик на нови технологии“, каза Норман.
Този подход важи и за друг процъфтяващ играч на европейския пазар, Corre Energy.
„Има десетки примери за неуспехи в сгъстения въздух, но това винаги е свързано с проблема за оставянето на перфектното да бъде враг на доброто“, каза Норман, отбелязвайки, че неуспешните пилотни проекти за CAES, които са се случили през последните десетилетия, са склонни да включват повторно проектирани вериги за доставки и местоположения на проекти, които пренебрегват търсенето и ограниченията на мрежата. Финансирането също е фактор.
Хидростатична компенсация
Събрани от индустрията за съхранение на въглеводороди, системите на Hydrostor включват и хидростатична компенсация, воден компонент, който им помага да преодолеят аномалиите на въздушното налягане в пещерите – ключов препъникамък за CAES.
Този воден резервоар се намира над земята и е свързан с подземната пещера за съхранение на въздух чрез две шахти. Когато батерията със сгъстен въздух е „празна“, пещерата се пълни с вода. Докато системата се зарежда, сгъстеният въздух се движи в пещерата, измествайки водата.
„Когато искате да генерирате, освобождавате клапана на повърхността, водата се втурва надолу по шахтата и избутва въздуха обратно“, каза Бекер. „Това е като бутало.“
Количеството вода, необходимо в системите на Hydrostor, е 1/20 от необходимото за помпена хидроцентрала с подобен капацитет, според Бекер. За проекта Silver City в Broken Hill той очаква да са необходими около 350 000 мегалитра. Водата е деликатен въпрос в Австралия, така че Бекер бързо отбелязва, че процесът на компресиране на въздуха създава конденз – вода, която след това ще бъде уловена и върната обратно в резервоара на Силвър Сити в цикъл.
Компонентът за хидростатична компенсация, казва Норман, е това, което позволява на проектите на Hydrostor да останат „финансируеми“, дори когато не разчитат на вече съществуващи пещери. Въпреки, че техният проект Broken Hill ще пренастрои съществуваща минна пещера, компанията разработва и много по-голям проект с мощност 500 MW/4 GWh в Калифорния. Уилоу Рок, както е известно, ще включва изкопаване на зелена кухина. „В мащаб от 500 MW изграждането на тази подповърхностна кухина е около една трета от капиталовите разходи“, каза Норман.
Геология
Фактът, че CAES разчита на подземни пещери, което го прави зависим от геологията, е друга голяма пречка пред широкото развитие. Термодокумент от 2022 г. на Раби, Радулович и Буик от Университета в Портсмут, Обединеното кралство, отбелязва, че няколко проекта са се провалили „в резултат на геоложки ограничения“. Драмата около най-голямата помпена водноелектрическа схема в Австралия, Snowy 2.0, показва, че съчетаването на инженерните машини и геологията може да се окаже неприятно сложно.
Hydrostor се опитва да заобиколи това, като избере твърди скали като предпочитана среда, до голяма степен поради изобилието им. Твърдата скала не е единственият материал, подходящ за съхранение на сгъстен въздух, като солните пещери и други порести скали също имат потенциал. Например, проектите могат също да бъдат разположени в находища на отработен газ или зелени водоносни хоризонти, казва Кленел от CSIRO.
Солните пещери са по-изобилни в Европа, отколкото в Австралия и са предпочитаната среда за базираната в Холандия Corre Energy. Тя преследва изключително изоставени индустриални обекти и сега разработва два проекта с мощност от 320 MW в Германия и Холандия. И двете ще имат 84-часово съхранение на енергия – около 26 GWh, според Патрик МакКлуган, главен стратегически директор на Corre Energy. „Солните пещери са избраната среда в повечето от нашите места за съхранение в мащаб, разбира се, предоставят огромен набор от възможности поради продължителността за съхранение, която предлагат“, каза МакКлуган.
Corre Energy си сътрудничи с германския инженерен гигант Siemens, като проектира системи около оборудването на последния. „Работим със Siemens от дълго време“, каза МакКлуган. „Това дава на Corre Energy тази рамка за предоставяне на стандартизирано и мащабируемо многодневно решение … [и] наистина оптимизира нашата времева рамка за доставка.“
Поради участието на Siemens в действащия CAES завод в Хънторф, наред с други, МакКлуган казва, че няма нужда Corre Energy да пилотира дизайна на неговите проекти. През януари компанията подписа споразумение с холандската компания за комунални услуги Eneco, съсобственост на Mitsubishi, за извличане, съвместно разработване и съвместна инвестиция на нейния германски проект. Сделката ще накара Eneco да придобие 50% дял. „Това е първият път, когато голяма европейска компания за комунални услуги предоставя толкова сериозен ангажимент“, казва МакКлуган, подчертавайки доверието, което договорът демонстрира относно CAES.
Corre Energy иска и двата проекта да бъдат готови до 2025 г. Предвиждат се 18-месечни строителни периоди и всички се надяват централите да заработят до 2027 г.
Източник: PV Magazine
