Любая энергетическая сеть загружена неравномерно — грубо говоря, днем возникает перерасход, а ночью система «отдыхает». В целях экономии энергию приходится запасать, выдавая излишки в пиковые часы. Существует целый ряд методов хранения, но почти все они, кроме гидроаккумулирующих электростанций, рассчитаны на небольшие объемы. ГАЭС же, в свою очередь, жестко привязана к рельефу и воде. Но существует и другой путь — его разработали российские специалисты из компании «Каспийская энергия».
Термодинамический накопитель энергии

Энергия не бывает лишней — особенно в условиях перманентного энергетического кризиса и непрекращающегося роста цен на нефть, газ и прочие природные ресурсы. При этом во всем мире системы накопления и оптимизации энергетических расходов находятся, как ни странно, на довольно низком уровне. Значительная часть энергии расходуется впустую из-за неоднородности графика электрической нагрузки и других факторов.

Нередки случаи, когда в моменты переизбытка электроэнергии электростанции вынуждены продавать ее по нулевой (или даже «отрицательной») цене, лишь бы избежать дорогостоящей остановки и последующего пуска.

Сегодня используется несколько способов оптимизации энергосистем. Это и принудительное снижение выработки, и управление потреблением, и, конечно, аккумуляция электроэнергии. Самый распространенный способ накопления — это ГАЭС, гидроаккумулирующая электростанция (доля ГАЭС в мировых электроаккумулирующих мощностях — 99%).

Принцип ее функционирования прост: ночью, в отсутствие пиковых нагрузок, система использует недорогую, избыточную электроэнергию для перекачки воды в верхнюю емкость (так называемый бьеф), а днем сливает ее в нижний бьеф, вырабатывая пиковую электроэнергию. ГАЭС надежны, хорошо отработаны и позволяют избежать перегрузок, но при этом имеют серьезный недостаток. Суть в том, что гидроаккумулирующая электростанция — это массивная структура, которую можно возвести только в определенных географических зонах, при обязательном наличии воды и перепада высот.

Довольно давно используются накопители другого вида энергии — тепловой. Это устройства, функционирующие по принципу термоса, то есть емкости, заполненные теплоносителем и окруженные теплоизоляцией. Термоаккумуляторы, в частности, применяются для хранения энергии, полученной из возобновляемых источников, — солнечной, ветряной, приливной. Например, паровой аккумулятор накапливает энергию путем нагрева воды с последующим хранением ее под давлением.

Используют в качестве хранилищ и твердые рабочие тела — скажем, бетон. Весьма распространенная разновидность теплоносителей в термоаккумуляторах — это солевые расплавы (про устройство подобных ТА мы вкратце рассказывали в майском номере за 2012 год). Теплоносителем служит расплав смеси нитрата натрия и нитрата калия («солнечная соль», 60% NaNO3 и 40% KNO3).

Расплав хранится в «холодной» камере, прокачивается через солнечные концентраторы и поступает в «горячую» камеру-термос, уже набрав рабочую температуру. При «разрядке» расплав отдает тепло теплообменникам и поступает обратно в «холодную» камеру. Такие системы, будучи впервые представленными в 1970-х, широко используются в США, Испании и т. д. Главное их преимущество заключается в том, что «солнечная соль» хранится при обычном атмосферном давлении практически без каких-либо изменений, при этом являясь весьма недорогим теплоносителем.

Но тепло, накапливаемое в теплоаккумуляторах, — это еще не энергия. Для превращения тепла в электричество на солнечных электростанциях применяется традиционный принцип: расплав нагревает воду и преобразует ее в пар, который крутит турбину, вращающую генератор. Эффективность системы — всего около 42−44%. Казалось бы, идеальной системы не существует. Но несколько лет назад специалисты «Каспийской энергии» задали себе простой вопрос: можно ли существенно повысить КПД термонакопителя, да еще и не привязывая его к рельефу и воде?

Введение в термодинамику

С самого начала было понятно, что подобная система не может быть простой. Группа инженеров во главе с Александром Самойловым шла к результату методом проб и ошибок в течение нескольких лет, и в 2012 году проект впервые был представлен общественности. Причем, как показалось нам при беседе с инженерами, наиболее интересное — это даже не сама идея, а сопровождающие ее дебаты и заблуждения. Впрочем, обо всем по порядку.

Устройство, разработанное «Каспийской энергией», называется термодинамическим накопителем электроэнергии (ТНЭ), и в его конструкции имеется тот самый, давно известный нитратный «термос» с расплавом солей. Но если в случае с солнечными электростанциями расплав служит сердцем конструкции, то в ТНЭ он лишь один из множества элементов, причем вполне заменимый при необходимости.

Если искать в термодинамическом накопителе «сердце», то можно условно назвать им машинную часть — сочетание теплового насоса и «зеркального» ему теплового двигателя, работающих по циклу Брайтона. В 1872 году американский инженер Джордж Брайтон создал оригинальный поршневой двигатель, работавший по новому, неизвестному дотоле циклу (ранее существовали циклы Ренкина, Карно, Ленуара и Стирлинга). Цикл состоит из четырех последовательных процессов:

изоэнтропическое сжатие (объем смеси уменьшается, давление возрастает); изобарический подвод теплоты (при постоянном давлении); изоэнтропическое расширение (объем смеси растет, давление падает) — рабочий такт; изобарический отвод теплоты (при постоянном давлении).

Сегодня цикл Брайтона хорошо изучен и широко используется. В частности, по нему работают газотурбинные, турбореактивные, воздушно-реактивные ДВС, а на обратном цикле Брайтона основана работа многих низкотемпературных установок. Именно обратимость стала основной причиной использования цикла в ТНЭ. При описанной выше последовательности он становится частью теплового двигателя; если же «проиграть» такты в обратном направлении, получается тепловой насос, то есть устройство, позволяющее отобрать тепло у холодного носителя и передать его теплому.

Все гениальное сложно

Обычный нитратный накопитель в качестве входящей энергии принимает тепло, которое можно собрать, например, с помощью солнечного концентратора (батареи). Задачей же инженеров «Каспийской энергии» было создание устройства, способного принимать и отдавать любую энергию. Проще всего было воспользоваться механической энергией в качестве «посредника».

Собственно, вся разработка носит название «Установка накопления, сохранения и возврата механической энергии» — именно потому, что механическую энергию проще всего преобразовать в любую другую (и наоборот). Вход в систему может осуществляться с помощью электродвигателя, турбины или даже ДВС — главное, чтобы был крутящий момент. Аналогично осуществляется и выход.

А вот дальше начинается интересное. Мотор, приводимый в движение внешним источником, вращает расположенные на одном валу компрессор и турбину, то есть приводит в действие компрессионный тепловой насос, работающий по обратному замкнутому циклу Брайтона. Газовым рабочим телом в насосе может служить воздух, или азот, или аргон, или иные газы и их смеси.

С одной стороны накопителя находятся две емкости «холодного» теплоносителя, с другой — две емкости «горячего». Казалось бы, обычный принцип: перенос энергии от холодного к горячему с последующим ее хранением. Но дело в том, что «горячий» теплоноситель сам по себе представляет тот самый нитратный накопитель, который является основным для сохранения солнечной энергии!

То есть «горячая» часть — это две емкости: «горячая-холодная» (примерно +280°С) и «горячая-горячая» (порядка +580°С), между которыми переносится тепло через собственный теплообменник. Аналогично и «холодный» теплоноситель состоит из двух емкостей — «холодной-горячей» (примерно +20°С) и «холодной-холодной» (примерно -60°С). Это напоминает фрактальную структуру: два независимых накопителя становятся симметричными частями более сложной системы.

При накоплении энергии компрессор сжимает газ, соответственно, повышается температура последнего — таким образом, внешняя механическая энергия преобразовывается в тепловую. Полученное тепло отдается «горячему» теплоносителю, газ охлаждается примерно до первоначальной температуры и поступает в рекуператор, где отдает еще часть тепла встречному потоку газа, уже отобравшему часть тепла от «холодного» теплоносителя.

Затем газ попадает в турбодетандер (расширитель в виде обычной турбины), где расширяется и еще сильнее охлаждается, становясь практически «ледяным» (при этом часть мощности турбины идет на компрессор). Далее газ подводится к холодному теплоносителю и охлаждает его, отбирая некоторую часть энергии, снова проходит через рекуператор, нагреваясь от встречного потока газа, — и идет в компрессор. Цикл повторяется. Когда весь «холодный» теплоноситель станет очень холодным, а «горячий» — очень горячим, накопитель можно считать заряженным.

Возникает естественный вопрос — зачем такие сложности? Неужели нельзя накапливать энергию, нагревая и перекачивая из «холодной» емкости в «горячую» солнечную соль или какое-то другое вещество? Во‑первых, таким способом значительно сложнее получить механическую энергию на выходе. А во-вторых, простым нагреванием невозможно достигнуть КПД аккумуляции, сравнимого хотя бы с эффективностью ГАЭС (до 70%).

Перед разработчиками стояло несколько инженерных задач: подобрать доступные и стабильные теплоносители, обеспечить максимальное изменение их температуры (чем больше это изменение, тем меньше надо расплава) и максимальную разницу температур между «холодным» и «горячим» концами (для повышения эффективности теплового двигателя).

Наконец, надо было наладить передачу тепла от одного вещества (спирта, водно-солевой или водно-спиртовой смеси с температурой замерзания ниже -55°С) к другому (собственно «солнечной соли»), несмотря на то что их рабочие диапазоны температур вообще не пересекаются. Для этого и используется теплообменник-рекуператор. Внутри него движутся близкие или равные по расходу противотоковые потоки газа, которые обмениваются своей температурой таким образом, что почти все тепло передается от одного потока к другому (естественно, с некоторой потерей на теплообмен).

Аналогично, только в обратном порядке, происходит процесс отдачи энергии — тут как раз и используется обратимость цикла Брайтона. При отдаче энергии, теперь уже по прямому циклу, газ, предварительно охлажденный «ледяным» теплоносителем, сжимается в компрессоре, затем нагревается от горячего теплоносителя, после чего вращает турбину, а через нее компрессор и выходной вал. Та же часть накопленной энергии, которая не может быть превращена в полезную работу в силу неидеальности процессов в накопителе, отводится через аппарат воздушного охлаждения (АВО).

Взгляд в будущее

Цикл работы ТНЭ можно разложить на три составляющих: получение механической энергии; преобразование этой энергии в высокотемпературную и низкотемпературную тепловую посредством теплового насоса; передача тепла от газового рабочего тела жидким теплоносителям и сохранение его в «термосах». Возврат энергии происходит в обратном порядке.

При всей сложности системы преимущества серьезны. Это и значительная компактность (1 м3 теплоносителей в ТНЭ равен по энергоемкости 220 м³ воды в Загорской ГАЭС), и независимость от ландшафта. Возвести комплекс ТНЭ можно в любой точке планеты, подключив его к действующей или строящейся электростанции. Кроме того, никаких революционных узлов или технических решений в ТНЭ нет — инженеры сумели собрать этот хитроумный пазл из технологий, которые давно известны и по отдельности используются в различных отраслях.

Что же мешает ТНЭ занять место ГАЭС и повсеместно принять функции экономии и перераспределения энергии? В первую очередь это молодость проекта — будучи представленным около года назад, он еще не набрал достаточной авторитетности для немедленного строительства. Во‑вторых, российское энергетическое законодательство на данный момент делает оказание услуг по аккумуляции энергии невыгодным экономически.

Даже действующих ГАЭС в России всего две — Кубанская и Загорская, хотя проектируется на данный момент еще ряд подобных систем. Несмотря на бесприбыльность (строящаяся в настоящее время Загорская ГАЭС-2 практически неокупаема, просто крайне нужна энергосистеме), можно предположить, что законодательство и правила рынка так или иначе будут изменяться в сторону поддержки энергонакопления.

Мир очень медленно переходит на принципы экономии: в Китае работает 13 ГАЭС, в США — 11, в Японии — 7, в остальных развитых странах — по одной-две (всего около полусотни). «Непривязанность» ТНЭ к воде открывает перед ним достаточно широкие перспективы. Плюс к тому по сравнению с различными системами запасания энергии ТНЭ достаточно компактен, а удельная стоимость его емкости ниже, чем у конкурентов.

Будет ли реализован подобный проект? Скорее всего, да. По крайней мере, разработчики из «Каспийской энергии» — искренние энтузиасты своей работы — не сомневаются в его реализации в ближайшие 4−5 лет. Пожелаем им удачи — все-таки это значительный прорыв в области энергетики, и первый шаг сделан у нас, в России. Что не может не радовать.

Статья «Нелишняя энергия» опубликована в журнале «Популярная механика» (№3, Март 2013).