Храните электричество в бочках

[sivnvv.livejournal.com]

Электрохимические аккумуляторы постоянно совершенствуются, растет емкость по отношению к весу, уменьшается цена, но, для более-менее ощутимых запасов электроэнергии они все же еще достаточно дорогие. Да и длительное хранение энергии в них затруднительно. Поэтому все еще не сбрасываются со счетов «механические» способы хранения энергии. Это супермаховики, теплоаккумуляторы, гидроаккумуляторы, гравитационные аккумуляторы и пневмоаккумуляторы.



Все эти способы имеют свои недостатки, перечисление которых сильно увеличит эту статью, поэтому я на этом задерживаться не буду. Отмечу только, что в большинстве случаев это высокая стоимость хранения энергии, по сравнению со стоимостью ее генерации с использованием природного газа или мазута. К слову сказать, это еще один повод отметить, что «экологичные» электростанции, по факту не так уж и экологичны. В большинстве случаев для покрытия «провалов» в снабжении солнечными и ветряными «фермами» используются старые добрые генераторы, работающие на ископаемом топливе. И провалы эти часто составляют более 40% от общей генерации.

Но я хочу взглянуть на вопрос хранения электроэнергии не с точки зрения промышленных масштабов, а для индивидуальных нужд.
Понятно, что химические аккумуляторы наиболее простое решение, но их использование целесообразно только для хранения небольших объемов и недолго. Цена растет прямо пропорционально емкости и при определенном значении этой емкости стоимость становится сравнимой или большей чем стоимость нехимических аккумуляторов. То есть, для компенсации нескольких десятков киловатт все эти решения будут проигрывать в стоимости электрохимическим аккумуляторам, а для сотен или тысяч (если мы будем запасать на зиму для отопления) они также фантастически дороги, как и электрохимические.

Если уж использовать бытовые системы длительного хранения электроэнергии и в больших объемах (несколько сотен или тысяч кВт*ч), то перспективнее будут пневмоаккумуляторы. Основная причина это их относительно небольшие размеры и несложное наращивание емкости. И срок хранения сжатого воздуха очень большой, и к большому диапазону температур устойчивы. К тому же в пневмодвигателях может очень быстро регулироваться мощность и поддерживаться постоянные обороты, что позволяет использовать генератор переменного тока без преобразователя и дополнительных схем стабилизации. В теории, можно питать компрессор напрямую от источника (СБ, ветряк) «грязным током», а емкость, вместе с пневмодвигателем, возьмут на себя подачу необходимой мощности, напряжения и частоты. Более того, в случае с ветряками, можно крутить компрессор напрямую от вала ветряка, без использования лишнего генератора.

Но, с другой стороны, есть ряд проблем. Первая – довольно низкий КПД, в промышленных системах 40-50%, в бытовых вряд ли и 30% удастся достичь. Вторая – сжатие в одну ступень выше 15 атмосфер проблематично из-за нагрева воздуха (возгорание масла), а значит компрессор будет далеко не простой и дешевый. Это целый комплекс из 3-4 компрессоров с промежуточными теплообменниками. Третья – сильное охлаждение воздуха при расширении, что приведет к обледенению деталей, в том числе камеры двигателя, при использовании атмосферного воздуха, увеличению вязкости масла и, в итоге, очень низкому ресурсу. В существующих промышленных системах воздух либо предварительно нагревают, либо используют сжатый воздух в газовых турбинах. Получается, система хранения дополняет систему генерации, а эта не та цель, которая преследуется для автономии своего дома.

Тут я хочу рассмотреть новый способ увеличения КПД компрессоров и пневмодвигателей. Собственно именно он и заставил заинтересоваться таким типом хранения энергии. И для начала хотелось бы напомнить о причинах низкого КПД компрессоров и пневмодвигателей. А она довольно проста - в них сжатие происходит близко к адиабате, почти без теплообмена с внешней средой, а потому существенная часть затраченной энергии переходит в тепло сжимаемого воздуха. Затем сжатый воздух охлаждают и его давление падает процентов на 30%. А вот если сжимать воздух/газ при постоянной температуре, своевременно охлаждая его в процессе сжатия, то процесс будет близок к изотермическому. В итоге, для достижения одного и того же давления, при адиабатном сжатии требуется затратить в 1,5 раза больше энергии, чем при изотермическом. При расширении похожая ситуация – при своевременном подводе тепла для поддержания постоянной температуры выход энергии примерно на 30 % больше чем в теплоизолированной среде. Эти цифры приведены для сжатия со степенью около 10, для больших значений разница между изотермой и адиабатой еще больше.

То есть, возьмем для примера систему хранения энергии на основе сжатого воздуха. При сжатии около 30% механической энергии компрессора будет затрачено на нагрев воздуха. Затем, при расширении также на 30% меньше будет получено механической энергии. Условно, пренебрегая потерями в электродвигателе/генераторе и трением в цилиндрах, из 1000 кВт*ч электроэнергии при сжатии, воздуху передано 700 кВт*ч, а при расширении получено 490 кВт*ч, то есть 49%. На практике, сжатие происходит не полностью по адиабате и потери на трение и преобразование электроэнергии не нулевые, поэтому такие системы хранения энергии имеют КПД 42-54%.

И вот возвращаясь к способу повышения КПД таких систем. Идея довольно простоя – создать потоки в сжимаемом/расширяемом воздухе, то есть принудительную конвекцию. Проще говоря, разместить внутри цилиндра крыльчатку вентилятора. Теплопроводность воздуха довольно низкая и теплопередача в нем происходит преимущественно за счет конвекции. В цилиндре компрессора она близка к естественной, и теплообмен между стенками цилиндра возникает преимущественно в слое воздуха, расположенного непосредственно у этих стенок. Основная же часть воздуха в теплообмене не участвует и нагревается до высокой температуры.

В результате создания принудительной конвекции, воздух постоянно перемешивается и весь объем контактирует со стенками. Для увеличения скорости теплообмена, можно расположить внутри цилиндра теплообменник. При отсутствии потоков в цилиндре такой теплообменник бесполезен, так как повториться ситуация со стенками цилиндра – в теплообмене будет участвовать только воздух, находящийся в самом теплообменнике. Но использование теплообменника вместе с вентилятором кардинально меняет ситуацию. Ведь теперь теплообменник будет постоянно обдуваться воздухом.

Примерная схема реализации такого устройства в компрессоре или пневмодвигателе (взята с сайта https://z2017128006.blogspot.ru/ , там же подробное описание изобретения от автора):



По сути, компрессор комплектуется дополнительным блоком, размещенным между цилиндром и крышкой с клапанами. Через каналы в теплообменнике циркулирует теплоноситель (например, тосол) направляемый далее в радиатор или они продуваются атмосферным воздухом, при использовании более простого воздушного охлаждения. А сквозь щели теплообменника, расположенные внутри цилиндра продувается сжимаемый/расширяемый воздух. В центре всасывается, а по краям выдувается внутрь цилиндра, постоянно перемешивая весь объем. КПД пары компрессор/пневмодвигатель при использовании такого способа 100% минус трение поршня (1-3%) и минус затраты энергии на внутренний вентилятор и систему охлаждения. Последние зависят от скорости работы компрессора – чем она ниже, тем меньше мощность вентилятора и проще система охлаждения (например, воздушная – просто еще один вентилятор). То есть, вполне достижимы значения КПД 80-85% в не слишком сложных и дорогих конструкциях.

Но, понятное дело, такие устройства еще не выпускаются. Хочется надеяться что именно «еще». Тем более, что могут быть и кустарные варианты. Впрочем, я не претендую на звание «крупного специалиста» и, возможно, я ошибаюсь в оценке эффективности данного изобретения и может быть среди прочитавших эту статью найдутся люди лучше меня разбирающиеся в вопросе – прошу высказаться в комментариях.

Comments

[sivnvv.livejournal.com]

Зарядка делается все по тем же законам термодинамики, с политропой. Только сжатие/расширение происходит не в компрессоре, а в области хранения. И почему она делается один раз и что вообще называть зарядкой? Чем она отличается от подпитки?

[matabuba.livejournal.com]

Да, прошу прощения, я немного смешал термины. При установке в гидросистему ГПА "заправляют" (именно это правильное слово), например, азотом до некоторого ненулевого давления, чтобы потом гидронасос/мотор работал сразу с нагрузкой на валу.
А циклы зарядки-разрядки, всё верно, подвержены термодинамике. Но все происходит медленно, можно предусмотреть теплообмен с внешними источниками. Главное же, гидронасос это гораздо более эффективная машина. Рабочее давление на порядок больше, массо-габаритные показатели на два порядка лучше компрессора или пневмотурбины, а также (при объемном регулировании) гидронасос позволяет нивелировать изменение давления в пузыре.
Конечно было бы правильно привести какой-нибудь пример.
Посчитаемте запасаемую энергию теплоизолированного пузыря 10 кубометров (сфера где-то 2.5 м в диаметре?), который заправлен азотом до 5 МПа (и на глубине 500м это давление уравновешено), а потом в него закачивается жидкость, например 5 кубометров. Для простоты, давление поднимется вдвое - до 10Мпа. Среднее давление примем 7,5 МПа (будем также считать из-за объемного регулирования кпд закачки/отдачи одинаковый, 0,9). Таким образом, запасенная работа А=5куб.м.*7.5*10^6Па=37,5 МДж
Если насос с расходом 100л/мин, то закачивать будет 50 минут. Мощность его будет 12,5 кВт. Не очень большой насос. Можно и в 10 раз мощнее найти при желании резко принять/отдать энергию.
Прикидочный кпд цикла закачки/отдачи - 0,81. Надо брать.
С другой стороны, это же какой-то несчастный 1кг дров))

[sivnvv.livejournal.com]

Ну, если "прикидочный кпд", то он и в при использовании воздуха будет около 80%, с использованием указанного способа повышения КПД компрессора. А что касается хранения в воде на глубине, то как я понимаю цель такого размещения, только в уменьшении толщины/прочности стенок сосуда из-за частичной компенсации внутреннего давления внешним. Но тут возникает простой вопрос - а где брать те самые 500 м глубины? Даже скважину такой глубины пробурить очень дорого, а тут ведь еще и емкость выкопать на глубине нужно. То есть привязка к естественным условиям. А если просто хранить в искусственных емкостях воду со сжатым воздухом, то потребуется больший объем емкостей, для того же объема запасаемой энергии. Ведь все равно накопителем энергии остается только воздух, а вода только "проводник" энергии, занимающий немалый объем. Причем, для хранения энергии (пневмо или гидропневмо), как уже не раз упоминалось всеми в комментариях к этой статье, наиболее проблемным и затратным местом является именно объем емкостей.

[matabuba.livejournal.com]

Я бы сказал, проблема это неэффективность использования хранимого газа. Повысили кпд - уменьшили объем. Заодно уменьшили стоимость преобразователя - материалоемкость гидронасоса, коррелирующая со стоимостью, сильно выгоднее турбины или компрессора.
Да, действительно, 500-метровый колодец в быту встречается не очень часто. Оставим это для перспективной оффшорной энергетики (ну, туда же мысли о насосах на ветряках, чтобы без преобразования). Ну и будут у нас стальные цистерны со стенками также 20мм (только кошерные оболочки, никаких пещер!), дополнительно обмотанные композитом. Но зарыть немного их всё равно придётся - в целях безопасности. Гидромашины же все равно идеальны в смысле диапазона регулирования внешней механической характеристики при сохранении приемлемого кпд. Ведь у нас там генератор висит? Висит. И шуметь не будут при сбросе воздуха. Вот.
Возвращаясь обратно к емкостям, на небольшие давления до 100 атм вполне можно разработать какие-нибудь железнодорожные по габаритам цистерны, дополнительно усиленные, которые будут удобны что на транспорте возить, что во дворе зарыть. Как-то просчитывал такого рода рекуператор даже на велосипеде поставить (не шутка! только придется специализированные гидромашины проектировать, а так, по энергетическим характеристикам, всё норм).

[sivnvv.livejournal.com]

Тут меня выше вполне справедливо раскритиковали за не слишком обдуманное предложение использовать трубы метрового диаметра с 5мм стенкой для давления в 50 атм, пусть и укрепленные. А вы говорите о цистернах двухметрового диаметра с той же 5мм стенкой да еще и при 100 атм - там толщина стенки должна быть 80 мм. Даже с толстенными густо расположенными обручами вряд ли менее 60 мм. Я это к тому, что емкости высокого давления очень много металла потребуют и заполнение их водой на 30-50% непозволительная роскошь. И разница между стоимостью гидрокомпрессора и усовершенствованного, как предлагается в статье пневмокомпрессора, имеющего в итоге близкий КПД с гидрокомпрессором, ничто, на фоне увеличения материалов для хранения в емкостях высокого давления еще и воды.

[matabuba.livejournal.com]

Глянул для чисто стальной стенки, действительно, толстовата.
http://xn--m1abbbfjh0bzc.xn--p1ai/boiler/boiler.php (http://xn--m1abbbfjh0bzc.xn--p1ai/boiler/boiler.php)
А обручи это какой-то 18 век!
Тут какое дело, металлическая оболочка, она не то чтобы обеспечивает прочность, она обеспечивает герметичность и структурную устойчивость. А прочность - обмотка из какого-нибудь стекло- или углеволокна. Там хлама в разы меньше должно быть.

[matabuba.livejournal.com]

Про частичное заполнение емкости жидкостью: если давление в 2 раза повысить (а насосом можно хоть в 20 раз!, чего компрессор в разумных в смысле эффективности рамках не может от слова совсем), то может быть потребность в размерах емкостей наоборот снизится? Всё-таки "преднатянутая" газовая пружина продолжает делать работу при вытеснении самых последних литров жидкости, чего не скажешь о просто выходящем (и охлаждающемся к тому же) газе на исходе давления.

[sivnvv.livejournal.com]

Давление можно повысить и пневмокомпрессором, поэтому не вижу разницы, точнее вижу, все тот же "мертвый объем" занимаемый жидкостью. Насчет преднатянутой пружины, ну так так же может быть и в емкости без воды - и там и там газ не выбирается до низкого давления.

[matabuba.livejournal.com]

Стало быть, у чистой пневматики всё тот же неиспользованный объём, только с другой стороны?

[sivnvv.livejournal.com]

Откуда такой вывод? С гидравликой неиспользованный объем сжатого воздуха и размещенной там же воды, у чистой пневматики только воздух. Например, в бочке объемом 1м3 под давлением 50 атм хранится 1м3 сжатого воздуха, который можно расширить до падения давления 20 атм, а если там вода, то только 0,5 м3 сжатого воздуха, который также может работать до давления 20 атм. Вода просто занимает полезный объем, а общее давление на стенки по всей емкости из тех же 50 атм создается.

[matabuba.livejournal.com]

Вообще конечно желательно чтобы жидкость заполнила как можно больший объем! Потому что это рабочее тело! А газ куда-нибудь в ресивер вытеснить. И чем больше давление, тем веселее. Но конечно придется остановиться на разумном давлении, иначе (кроме прочности сосуда) регулировочной характеристики преобразователя не хватит для поддержания крутящего момента на генераторе.

Ну, то есть до нуля вы воздух не спускаете, понял. А "добивание" с 20 до 50 атм происходит при повышающимся или при понижающемся кпд (если сравнивать с диапазоном 0-20)? Тут я не в курсе последних достижений в технике.

Ну и дальше осталось сравнить:
а) кпд прямого и обратного преобразования для гидравлики и для пневматики с учетом изменения давления во время заряда/разряда накопителя;
б) диапазон регулирования механической характеристики преобразователя (т.е. способность поддерживать частоту и момент на валу электромотора/генератора при изменяющихся расходе/давлении рабочего тела);
в) оптимальное повышение давления для сосудов (а то верхняя граница 50 атм это как-то очень скромно по энергоемкости накопителя получается);
г)шум

[sivnvv.livejournal.com]

Энергия запасается только в сжатом воздухе, а не в воде. Поэтому сокращаем запас воздуха уменьшаем энергоемкость. Вода здесь только преобразует потенциальную энергию сжатого воздуха в кинетическую энергию потока воды, для дальнейшего преобразования в механическую работу. И наоборот. Насчет КПД - в существующих технологиях КПД гидронасоса выше, но сжатие воздуха в большой емкости под воздействием давления воды происходит с потерями энергии на нагрев. Если же приблизить КПД компрессора к гидронасосу, путем приближения процесса сжатия к изотерме (то о чем я писал в статье), то пневогидроаккумуляторы имея близкий КПД с простой пневматикой уступают ей по материалоемкости. Что касается КПД при разных давления, то он вполне легко выравнивается работой клапанов и числом оборотов (и использованием редуктора для выравнивания частоты приводимого устройства - генератора, например) - ниже давление впуск продолжительнее циклов больше в секунду. Понятно, что некоторое падение КПД будет, но и у гидроприводов не все с этим идеально - меньше давление на поршень, тоже надо как-то преобразовывать в соответствие с нагрузкой.

[matabuba.livejournal.com]

Не получается ли, что проблемы поддержания частоты начинают усложнять генерирующую сторону за счет оптимизации хранения? Прибавляется автоматическая коробка передач перед генератором либо рассинхронизируются параметры электрической сети (ну, тут конечно есть некоторый оптимизм, поскольку частотные преобразователи всё эффективнее и дешевле). У гидропривода с этим делом получше - если выбрать объемное регулирование и задаться необходимым моментом генератора.

Точно так же, как и в статье мы в случае с ГПА имеем (и более полную!) возможность манипулировать имеющимся объемом газа, устраивать изотерму, включать теплообменники и т.п. (допустим, делаем удобный, большой ресивер-теплообменник, паразитируем на среде в качестве холодильника и всякое такое). Причем в гораздо более удобных условиях, поскольку нет необходимости устраивать весь цирк в серхбыстром темпе на движущихся частях. И повышать, повышать, повышать давление))

В общем, конечно это всё споры о частностях. Попытки сбалансировать много требований вокруг разных исходных посылок. Так-то всё зависит от успехов практического материаловедения.

[sivnvv.livejournal.com]

Что вы подразумеваете под объемным регулированием? Допустим, поршневой привод - давление на поршень равно давлению в системе и от него зависит крутящий момент. Точно как с пневмоприводом - упало давление, упал крутящий момент, упала мощность при тех же оборотах.

По второму пункту - для получения изотермы в столь большом объеме газа потребуется затратить огромные объемы энергии. Другое дело. что можно обойтись и "малой" адиабатой - ее разница с изотермой тем больше чем сильнее изменяется давление, а так как в большом объеме давление будет расти довольно незначительно в единицу времени, то и потери не велики, даже при сжатии по адиабате. Но эти потери я привел не как основную проблему - основная все же размеры емкостей. И еще раз отмечу, при существующих компрессорах/приводах ГПА выгоднее по КПД, но если указанный в статье способ улучшения характеристик для пневмоустройств применим на практике, то ГПА начинают проигрывать из-за больших емкостей при близком КПД. А техническая простота будет иметь значение только при очень малых объемах хранения, но в этой области электрохимия будет предпочтительнее.

[matabuba.livejournal.com]

"Объемный гидропривод", "объемное регулирование" вполне устоявшиеся термины. Вкратце, в гидромашинах есть возможность изменять рабочий объем.При большом давлении ход поршней маленький, при низком давлении ход может увеличиваться. Таким образом, можно регулировать расход при неизменном моменте. Всё это за счет конструкции самих машин. Кроме того, они бывают полностью обратимые. Хлама меньше. Для наглядности: https://youtu.be/itL5kS2Jg8E (https://youtu.be/itL5kS2Jg8E)

Не стану дальше спорить об области применимости и масштабировании, все же это вопрос расчетов для конкретного применения. Но вот для горизонтальной схемы ветряков, например, гидропривод лет 10 назад встречал (хотя саму такую схему ВЭС и считаю тупиковой), и ГПА (ну или пневматика, тут не принципиальная разница, сжимается-то газ!) для них выглядит естественным способом если не долговременного хранения, то сглаживания пиков и провалов.

[sivnvv.livejournal.com]

Понятно. Ну так кто мешает применить тоже объемное регулирование на пневматике. Как я указывал выше проблемы те же и это решение "При большом давлении ход поршней маленький, при низком давлении ход может увеличиваться" туда также подходит.

Ну а насчет применимости, уже который раз повторюсь - с существующими компрессорами ГПА имеет существенно больший КПД, а указанный способ является совершенно новым предложением (по ссылке дата заявки 06.08.17) и нигде не применялся, если он вообще действенный (мне кажется вполне, но может ошибаюсь).