Уже год в промышленной зоне Слау недалеко от лондонского аэропорта Хитроу суточные перепады в нагрузке региональных энергосетей успешно компенсирует первый в мире холодильник для электричества – 300-киловаттная криогенная аккумулирующая электростанция Highview Power Storage.

Авторство идеи об утилизации избыточной генерации энергии путем сжижения атмосферного воздуха (а фактически – азота) в промышленных криогенных установках для сетей с высокой долей нестабильных источников (вроде ветровых и солнечных электростанций) приписывают профессору Университета Лидс китайцу Юлон Дину. Но ничего нового ему придумывать не пришлось. Все компоненты криогенного аккумулятора (CES) – турбодетандеры, сосуды Дьюара и паротурбинные генераторы– известны уже более ста лет. Удивительно, что за это время никто, кроме Дина и его коллег, не догадался сложить вместе эти идеально совпадающие кусочки разных «пазлов».

Ватты в термосе

Все гениальное просто, и CES не исключение из правил. Чтобы «усвоить» временно ненужное электричество, воздух в CES охлаждается до -196°C, а полученная при этом жидкая смесь азота и кислорода закачивается в закрытое хранилище-термос, где с минимальными потерями (менее 0,5% в сутки) и при атмосферном давлении может храниться неделями. В моменты, когда сети начинают «проседать» под нагрузкой, жидкий воздух поступает на испаритель и, расширяясь в 700 и более раз, раскручивает турбину. Предварительный нагрев испарителя необязателен – разницы в 210–230 градусов между буквально космическим холодом и обычной «температурой за бортом» вполне достаточно для взрывного выброса скрытой энергии смеси. Совершивший работу ледяной воздух практически полностью возвращается в рабочий цикл.

Работоспособность концепции Дина была доказана на первой же экспериментальной установке мощностью 5кВт, построенной в 2010 году компанией Highview Power Storage на крупнейшей в Британии 100-мегаваттной ТЭЦ Слау, которая работает на древесных отходах. В течение девяти месяцев установка исправно «отгружала» в сеть запасенные ночью дешевые киловатты с эффективностью более 50%, а в режиме принудительного прогрева жидкого воздуха при помощи отработанного теплоносителя с температурой 110–115°C КПД установки достигал солидных 70%, вплотную приближаясь к КПД ГАЭС (гидроаккумуляционных электростанций) – «золотого стандарта» большой энергетики.

Успех проекта был закреплен незамедлительно. На грант в £1,1 млн, выделенный правительством страны, инициативная группа в составе Highview, региональных электросетей Scottish & Southern Energy и производителя криогенной техники BOC/Linde весной прошлого года запустила в Слау пилотную аккумулирующую станцию мощностью 350 кВт с емкостью хранилища 2,5 МВт/ч (4–8часов работы сети с полной нагрузкой).

Из огня да в полымя

Сборка станции на месте заняла всего два месяца, так как абсолютно все используемое в ней оборудование выпускается серийно и не требует дополнительной сертификации. По словам главного технолога Highview Роба Моргана, подобные системы можно собирать из готовых модулей, как конструктор Lego, и масштабировать их электрические характеристики в зависимости от требований сети. Емкость модуля, в свою очередь, определяется объемом энергоносителя: термос на 10 т жидкого воздуха плотностью 873 кг/м³ способен выдавать в сеть один мегаватт мощности в час, на 100 т – 10 МВт/ч, и т.д. В периоды вынужденного бездействия CES-станции могут вырабатывать на продажу сжиженные технические газы или производить холод для пищевых, химических и металлургических комбинатов.

Процессы, происходящие в недрах пилотной криогенной станции в Слау, делятся на три этапа: сжижение воздуха в цикле среднего давления (заряд аккумулятора), хранение «сжиженного» электричества и восстановление энергии с высоким давлением (разряд). На первом этапе атмосферный воздух, нагнетаемый в систему при помощи винтовых компрессоров, подвергается тщательной очистке от примесей: пыль и твердые частицы оседают на фильтрах, а влага, углеводороды и СО₂ отделяются при помощи двухслойного адсорбера из алюмогеля и синтетических цеолитов. Цеолиты – это группа минералов, известных своими впитывающими качествами и способностью к ионному обмену. Периодически адсорберы «забиваются» и для их восстановления, а также для отвода «мусора» применяется стандартная процедура сброса давления, нагрева и последующего охлаждения.

Подготовленный таким образом и сжатый до 40 атм сухой и горячий воздух проходит через двухступенчатый турбодетандер – холодильную машину, в которой он дважды расширяется и теряет большую часть своей тепловой энергии (охлаждается), раскручивая лопатки турбин до 50 000 об/мин. Дополнительное охлаждение происходит также при дросселировании за счет эффекта Джоуля–Томпсона: находясь еще под давлением, газ медленно проходит в расширительную камеру через пористую перегородку – дроссель. В результате львиная доля закачанного в систему воздуха превращается в светло-серую текучую жидкость с температурой –196°C, а остатки охлажденного газа, не успевшие потерять всю тепловую энергию, закачиваются в турбодетандер повторно. Хранение жидкой смеси азота и кислорода осуществляется при атмосферном давлении в двух стандартных 10-тонных криогенных емкостях-термосах с двойной вакуумно-порошковой термоизоляцией.

Восстановление энергии в CES происходит за счет регазификации воздуха. Выход станции с нулевой генерации на полную мощность занимает не более 20 минут. Итак, когда сети нуждаются в дополнительном электричестве, жидкий воздух откачивается из термоса и при помощи мощных поршневых насосов, создающих в трубопроводе давление порядка 70 атм, подается на разогретый до 110°C теплообменник-испаритель. Попадая на эту «сковородку», воздух расширяется и с огромной скоростью устремляется на лопатки 4-ступенчатой турбины. Крутящий момент турбины через понижающий редуктор передается на генератор переменного тока, а «выжатый до нитки» отработанный воздух с давлением 0,5 атм и температурой порядка –40°C возвращается на вторичную переработку, проходя по пути через резервный тепловой аккумулятор с твердой засыпкой из гравия и песка.

В целях экономии в Слау используется серийная паровая турбина Concepts Nrec с рабочим диапазоном от 40 до 84 000 об/мин, однако для будущих станций планируется создание специальных криогенных турбин, способных эффективно работать в сухой среде при температуре от -196 до -30°C и давлении 100–150 атм.

Ледяные батарейки

Президент Highview Power Storage Гарет Бретт убежден, что технология хранения энергии в виде жидкого воздуха имеет блестящие перспективы, и с ним трудно не согласиться. «В отличие от ГАЭС, требующих огромных площадей и ландшафта с большим перепадом высот, компактные криогенные станции можно возводить где угодно и с минимальными затратами, а при необходимости – разбирать и перевозить с места на место, – отмечает Бретт. – Хранение жидкого азота намного безопаснее, чем хранение природного газа, мазута, дизтоплива, а самый экзотический материал для изготовления криогенного оборудования – нержавейка».

С помощью модульных CES мощностью 10–40 МВт, легко выдерживающих более 13 000 циклов разряда, можно покрыть весь диапазон потребностей сетей любого масштаба. Жидкий воздух имеет отличные шансы стать надежным буфером для нестабильных ветровых плантаций и гелиостанций, оперативно гасить суточные пиковые нагрузки и переваривать сбросы реактивной мощности независимо от наличия водных ресурсов и геологии в точке расположения.

Кроме того, у Highview имеется оригинальное решение проблемы энергетической независимости для отдельных предприятий и небольших населенных пунктов. Компактный генерирующий модуль Cryo GenSet состоит лишь из стандартной 10-тонной емкости и турбогенератора, а жидкий азот для него можно доставлять в автомобильных цистернах или сменных емкостях с ближайшего завода по производству технических газов. По расчетам Бретта, эксплуатация модуля Cryo GenSet (который можно взять в аренду) обойдется потребителям вдвое дешевле, чем обслуживание автономной дизельной установки.
Арктика под капотом.

Гарет Бретт и его коллеги не собираются ограничивать сферу своей деятельности большой и малой энергетикой. В феврале 2011 года от Highview Power Storage отпочковался стартап Dearman Engine, замахнувшийся на «святое»: изобретатель Питер Дирмэн намерен очистить от двигателей внутреннего сгорания промышленные объекты, городские стройплощадки и складские терминалы.

Экологически чистый криогенный двигатель Дирмэна (КДД) ждал своего часа целое десятилетие. Первая версия агрегата, собранная Питером в2001 году, до сих пор пыхтит под капотом его старенького Ford Fiesta, легко разгоняя машину до 50 км/ч.

Дирмэн не стал повторять ошибку своих предшественников, переносивших процесс расширения воздуха в отдельный теплообменник. Впоршневом двухтактном КДД кульминационное действо свершается непосредственно в цилиндрах мотора. Хитроумная система впрыска обеспечивает образование послойного заряда из двух рабочих жидкостей. Вкамеру вводится порция жидкого теплоносителя (антифриза), следом – жидкий азот. В камере происходит быстрое изотермическое расширение газа, и поршень совершает механическую работу с максимальным КПД расширения. В конце рабочего такта антифриз конденсируется, сбрасывает избыток «холода» на радиаторе ивозвращается в тепловой цикл.

По оценке технолога Dearman Engine Генри Кларка, защитившего по КДД докторскую диссертацию, эффективность двигателя Дирмэна может достигать 35–50%. Так это или нет, будет ясно лишь через полтора года, когда независимые эксперты из компании Ricardo, лаборатории Резерфорда и пяти британских университетов закончат анализ термодинамики КДД и проведут испытания прототипа. Сам изобретатель считает, что идеальным применением для криогенного двигателя могут стать складские погрузчики, вспомогательные транспортные средства и легкая строительная техника.

Автор: Владимир Санников