Накопители электроэнергии для солнечных и ветряных электростанций.

В настоящее время в качестве альтернативных источников энергии наиболее широко применяют ветровые и солнечные электростанции. В таб.1 приведены данные о реальных коэффициентах использования мощностей солнечных и ветряных электростанций[10].

Средний коэффициент использования мощностей солнечных и ветряных электростанций (СВЭ) в мире составляет 20%, в то время как угольных превышает 55%. Это свидетельствует о необходимости применения средств накопления электроэнергии и поднятия коэффициента использования установленной мощности СВЭ до уровня угольных. Наиболее распространенный сегодня способ - это химические аккумуляторы. Наиболее совершенные на сегодня литий - ионные имеют емкость 100-150 Вт/кг. при цене лития около 700 дол. США за килограмм. Хранить значительные количества энергии с их помощью дорого. Экологическая чистота такого хранения также сомнительна, т.к. литий - щелочной металл, пожароопасный и взрывоопасный при соприкосновении с парами воды, которые всегда присутствуют в окружающей атмосфере.

Водородное аккумулирование.

Привлекательность водорода как универсального энергоносителя определяется экологической чистотой, гибкостью и эффективностью процессов преобразования энергии с его участием. Технологии разномасштабного производства водорода достаточно хорошо освоены и имеют практически неограниченную сырьевую базу. Однако низкие плотность газообразного водорода и температура его ожижения, а также высокая взрывоопасность в сочетании с негативным воздействием на свойства конструкционных материалов, ставят на первый план проблемы разработки эффективных и безопасных систем хранения водорода – именно эти проблемы сдерживают развитие водородной энергетики и технологии в настоящее время.

В соответствии с классификацией Министерства энергетики США методы хранения водородного топлива можно разделить на две группы. Первая включает физические методы, которые используют физические процессы (главным образом, компрессирование или ожижение) для переведения газообразного водорода в компактное состояние. В химических методах хранение водорода обеспечивается физическими или химическими процессами его взаимодействия с некоторыми материалами. Химические методы основаны на взаимодействии молекулярного либо атомарного водорода с материалом среды хранения. Данная группа главным образом включает следующие методы:
− адсорбционный ( цеолиты и родственные соединения; активированный уголь; углеводородные наноматериалы);
− абсорбционный (металлогидриды);
− химическое взаимодействие (аланаты; фуллерены и органические гидриды; аммиак; губчатое железо; водореагирующие сплавы на основе алюминия и кремния).
Потенциально более эффективно хранить водород в гидридной форме, поскольку отпадает необходимость в громоздких и тяжёлых баллонах, требуемых при хранении газообразного водорода в сжатом виде, или сложных в изготовлении и дорогих сосудов для хранения жидкого водорода. При хранении водорода в виде гидридов объём системы уменьшается примерно в три раза по сравнению с объёмом хранения в баллонах. Упрощается транспортирование водорода, и исключаются расходы на конверсию и сжижение водорода. Использование гидридов имеет значительные преимущества в отношении техники безопасности. Повреждённый сосуд с гидридом водорода представляет значительно меньшую опасность, чем повреждённый жидководородный танк или сосуд высокого давления, заполненный водородом. Большое значение при выборе гидрида для хранения водорода имеет количество запасенного материалом водорода, отнесенное к единице объема и единице веса. По приблизительной оценке, металл-гидридная система обеспечивает хранение на единицу объема в три раза больше водорода, чем при использовании жидкого водорода. В совместной работе Российских, Украинских, Норвежских ученых [4] указывается, что металлогидридный метод хранения водорода характеризуется высокой компактностью, безопасностью и невысокими энерго затратами и соответственно имеет хорошие перспективы для создания эффективных систем хранения водорода. Выделение водорода термической диссоциацией гидрида даёт возможность создать аккумуляторы водорода, для которых незначительное изменение температуры и давления в системе вызывает существенное изменение равновесия реакции образования гидрида. Промышленная реализация абсорбционного метода такова: в контейнер со сплавом–поглотителем водорода, снабженный системой теплообменников, подается водород под давлением, определяемым конструкцией электролизера. Для поддержания высокой скорости поглощения водорода контейнер охлаждается проточной водой. После насыщения сплава, находящегося в контейнере водородом, такой энергетический ресивер сохраняет накопленную химическую энергию неограниченно долго. Для выделения водорода с целью его применения в качестве дополнительного энергоносителя при расходах энергии, превышающих ее производство, в систему теплообменников подается горячая вода или водяной пар при 50 – 150ºС. Для нагрева воды может быть использована часть тепла, выделяющегося при окислении водорода. Следует отметить, что при окислении 1 кг водорода, для десорбции которого надо затратить 500 ккал, выделяется в виде тепла 34000 ккал, т.е. почти в семь раз больше. В настоящее время технология гидридного хранения водорода вышла из стадии лабораторных исследований в область промышленного применения. Можно указать на несколько производителей серийно выпускающих металлогидридные накопители.
⦁ Американские исследователи разработали устройства заполнения системы хранения водорода. «Заправка» осуществляется при давлении в 150 атмосфер в течение 10 минут. Выделение водорода из гидрида происходит при нагреве материала, при этом давление в системе не превышает 20 атмосфер.
⦁ В Институте проблем материаловедения НАН Украины, лаборатории "Исследование процессов и систем водородного и гелиоводородного преобразования энергии"(Лотоцкий М.В.)[5] создан промышленный образец автономного металлогидридного аккумулятора водорода. (Рис.1.) Автономный металлогидридный аккумулятор водорода многократного действия предназначен для получения, хранения и транспортировки водорода и его изотопов высокой чистоты и может быть использован в различных областях науки и техники.

Техническая характеристика:
1. Водородо емкость -200 л;
2. Масса металлогидрида - 1,35кг;
3. Масса накопителя - 4,5кг;
4. допустимая температура нагрева накопителя (max) - 300 C;
5. Мощность нагревателя - 0,5 кВт;
6. Допустимое (max) давление - 15 мП

⦁ Металлогидридный аккумулятор водорода «Н2store-1000»[6] предназначен для компактного и безопасного хранения большого количества особо чистого водорода. Аккумулятор водорода «Н2store-1000»(Рис.2) представляет собой баллон заполненный интерметаллическим соединением типа АВ5, способными обратимо поглощать и выделять водород. В зависимости от химического состава интерметаллических соединений рабочее давление водорода при комнатной температуре меняется от 0,2 до 1,0 МПа.

Рис.2. Аккумулятор водорода «Н2store-1000

Технические характеристики:
⦁ Чистота водорода 99,9999 % об
⦁ Емкость по водороду при н.у 1000 л
⦁ Масса, не более 9 кг
⦁ Высота 400 мм
⦁ Диаметр 110 мм
⦁ Рабочее давление при 20 0С 0,2 - .1,0 МПа
⦁ Рабочая температура 10 - 50 0С
⦁ Максимальный расход водорода при 20 0С, не более 15 л/ч
⦁ Давление зарядки 2 МПа
⦁ Время зарядки при 2 МПа и 20 0С, не более 10 ч
⦁ Количество циклов зарядки - разрядки 3000.
⦁ В Институте проблем химической физики РАН лаборатории водородно-аккумулирующих материалов (Тарасов Б.П.) создана линейка (от 300л. до 1200л.) накопителей водорода в металлогидридных баллонах. Рис.3.

Типичная конструкция металлогидридных баллонов представлена на рис.4.

3.5 Металлогидридный картридж Horizon HYDROSTIK PRO LWH22-10L-5
Картридж предназначен для заправки топливных водородных элементов, используемых в быту.Рис.5

Основные технические данные и характеристики: вместительность – 10 литров; чистота водорода - 99.995 %; размер баллона – диаметр 22 мм, длина 88 мм; вес - 105 грамм; материал заполнения баллона- AB5 (NiMH); максимальное давление заправки - 3,0 Мпа; рабочая температура - 55 град С; срок эксплуатации – 10 лет; материал корпуса - алюминий 6061.

⦁ Криогенное аккумулирование.
В настоящее время стремительно развиваются технологии аккумулирования энергии в виде криогенной жидкости СES (Cryogenie Energy Storage). Для этой цели применяют жидкий азот или воздух. В связи с этим технологию иногда называют еще LAES(Liguid Air Energy Storage).

Полная система CES включает в себя не только аппаратуру для сжижения воздуха, но и оборудование, сохраняющее и утилизирующее холод, получающийся на выходе воздушной турбины. Важнейшие части комплекса — система генерации энергии (2) и криогенная цистерна (1). Остальными цифрами показано криогенное оборудование и несколько компрессоров (иллюстрация Highview Power Storage).

Выхлоп CES — это чистый воздух, причём довольно холодный. Его англичане тоже предлагают использовать. Например, он пригодится для нужд кондиционирования, для охлаждения промышленного оборудования или компьютеров в дата-центрах, наконец, для снижения расхода энергии, используемой в самой CES для сжижения всё того же воздуха (что повысит общую эффективность).

Компания Highview Power, мировой лидер в области решений для длительного хранения энергии, разработала модульную систему хранения криогенной энергии на основе CRYO Battery, которая масштабируется до нескольких гигаватт и может быть размещена в любом месте. Эта технология является новым эталоном для стандартизированной стоимости хранения в размере 140 долл. США 1 / МВтч для 10-часовой системы мощностью 200 МВт / 2 ГВтч. В отличие от конкурирующих технологий с длительным сроком службы, батарею Highview Power CRYOB можно разместить где угодно.

Технология хранения криогенной энергии от Highview Power, в которой в качестве носителя данных используется жидкий воздух, предоставляет все услуги, необходимые для надежной энергосистемы: 
- сдвиг во времени;
- синхронное поддержание напряжения;
- регулирование и резервирование частоты;
- синхронную инерцию;
- возможности «черного пуска».
Основные этапы криогенной технологии Рис.6

1. Используется система ожижения, которая включается при наличии в системе избытка электроэнергии. Воздух очищается, сжимается, охлаждается за счет использования детандирования и дросселирования, разделяется на фазы в сепараторе. Жидкий воздух отводится в резервуары хранения, пары возвращаются в цикл.
2. Хранение жидкого воздуха в изолированных резервуарах.
3. Извлечение жидкого воздуха из хранилищ. При наличии повышенного спроса на электроэнергию жидкий воздух извлекается из хранилищ, газифицируется, направляется в турбину для выработки электроэнергии.
Существенно повысить эффективность системы за счет рекуперации тепла, образуемого на этапах технологии.
- Холод расширения жидкого воздуха, получаемый на третьем этапе, отводится и используется для охлаждения воздуха на первом этапе;
- Наоборот, использование тепла, получаемого на стадии сжатия воздуха, применяется для подогрева воздуха перед энергетическими турбинами;
- Использование сбросного тепла.

На получение 1кг жидкого азота требуется от 0.44 до 1кВ/ч электроэнергии. Для сравнения на получение1кг водорода методом электролиза требуется 53кВ/ч.

Теоретически достижимая полезная работа, произведенная азотом при испарении из жидкой фазы при температуре -1960С до температуры окружающей среды 200С достигает 770кДж/кг. При дополнительном нагреве азота в высокотемпературном теплообменнике до 600-7000С полезная работа может быть увеличена вдвое до 1400кДж/кг. Капитальные затраты на строительство электростанций на жидком азоте по оценкам экспертов составят около 1000евро/кВт, что многократно меньше энергоустановок с водородным аккумулированием. Хранение энергии в криогенных накопителях сегодня является самым дешевым. Так хранение1МВт/час по оценкам английских производителей будет стоить 110 фунтов (3720грн.). Для сравнения хранение 1МВт/ час в литий-ионном аккумуляторе 283 фунта(9565грн.), что в 2.5 раза дороже.