Электронадувательство: Ветер

Всем хороша ветроэнергетика, да ненадежна. Дозвониться до небесной канцелярии с мольбой сменить штиль на бурю в час, когда домохозяйки дружно врубают электрочайники и стиралки, еще никому не удалось. И энергетикам приходится просить ТЭЦ срочно подбросить в топки кокса, чтобы от перегрузок не задымили опорные подстанции

Запас электричества нужен и «на всякий пожарный», и для плановой амортизации пиковых дневных нагрузок. К тому же энергетики частенько вынуждены отключать ветряки от силового кабеля, когда сети и так забиты энергией под горлышко, а ветерок крепчает. Непозволительная роскошь — вхолостую рубить лопастями воздух, когда каждый киловатт на рынке стоит немалых денег. С консервацией небольших порций энергии — от 0,5 до 10 МВт — на стадии «последней мили» успешно справляются стационарные электрохимические аккумуляторы, маховики и даже системы SMES на сверхпроводящих магнитах. А в какую тару можно утрамбовать сотню-другую мегаватт электричества? И в какой форме?

С давних пор для создания массивных запасов энергии использовалась гидроаккумуляция, основанная на взаимодействии двух водоемов, один из которых находится выше другого. В ночные периоды избыточной генерации и низких нагрузок на сеть вода закачивается из нижнего водоема (бьефа) в верхний при помощи насоса. Днем и вечером, когда электричество подскакивает в цене, вода сливается обратно, вращая по пути турбину.

Для ГАЭС требуются огромные искусственные бьефы с разницей высот до 400 м и системы сброса воды со скоростью потока до 850 м3/с. В настоящее время строительство крупных систем не ведется, а вот небольшие проекты по адаптации заброшенных шахт и прибрежных морских районов в качестве нижних бьефов активно разрабатываются в США, Японии и Европе. Крупнейшие в мире действующие ГАЭС — станция Бат-Каунти в Виргинии стоимостью $1,6 млрд, способная аккумулировать до 2,77 ГВт энергии, и китайский комплекс в Гуанчжоу на одном из притоков Жемчужной реки с верхним бьефом емкостью 2,4 ГВт.

Очевидно, что в схеме ГАЭС масса прорех, в которые буквально утекает хранящаяся в них энергия. Тем не менее их использование в качестве непробиваемых амортизаторов для больших энергосистем экономически оправдано.

Энергетика с турбонаддувом

Альтернативный способ упаковки электричества предполагает получение ранее произведенной энергии прямо из воздуха. Разработка технологии пневмоаккумуляции CAES (Compressed Air Energy Storage) началась в Германии и США в 1947 году, и уже через год был запатентован метод хранения сжатого воздуха в искусственных подземных пустотах. Последующие 30 лет ученые отрабатывали методы формирования полостей в залежах каменной соли и известняка. В результате в 1978 году в немецком Хюнторфе был запущен в эксплуатацию первый в мире коммерческий пневмоаккумулятор емкостью 290 МВт. Его основа — две изолированные соляные каверны суммарным объемом 300000 м?, расположенные на глубине 600?800 м и соединенные с внешним компрессором-генератором фиберглассовыми трубами. Излишек энергии в сетях в ночное время раскручивает компрессоры, набивая подземные «баллоны» воздухом под давлением до 75 атм. В пиковые же периоды потребления воздух проделывает обратный путь в атмосферу, оставляя на каскаде турбогенераторов накопленные джоули. Таким же образом функционирует и вторая вмире CAES в американском Макинтоше мощностью 110 МВт, построенная в 1991 году на базе бывшего газохранилища.

В форме сжатого воздуха энергия с минимальными потерями может храниться в течение года и более. В сравнении с обычными пиковыми газовыми установками, используемыми для сглаживания графика потребления, CAES работают в два-три раза быстрее: с нуля до 100% мощности они раскручиваются всего за восемь-девять минут, а переход с 50% мощности до режима полного форсажа занимает менее 15 секунд. Кроме того, CAES очень надежны. За 30 лет эксплуатации станции в Хюнторфе единственной поломкой было частичное разрушение устья труб, а в Макинтоше все элементы системы работают без нареканий до сих пор. И если технология ГАЭС постепенно «мельчает» и переходит на «тактический» уровень, то пневмоаккумуляция в последние годы, наоборот, становится фаворитом большой альтернативной энергетики.

Технология CAES не так проста, как кажется поначалу. Во-первых, для постройки пневмоаккумулятора необходимо найти вблизи генерирующих мощностей подходящие участки для формирования подземных полостей. Брошенные шахты также могут использоваться в качестве рабочих резервуаров. К примеру, известняковые горные выработки Нортон Майн в США в 2010 году были признаны учеными из Национальной лаборатории Sandia вполне пригодными для хранения 2 ГВт энергии.

После того как геологи, гидрологи и сейсмологи проведут тщательный анализ проекта и дадут добро на его реализацию, в работу вступают горняки. На глубину несколько сотен метров пробивают один или несколько шурфов, через которые подают химический раствор, превращающий соли или известняк в водянистую кашу. Насосы откачивают получившуюся массу на поверхность. Процесс продолжается до тех пор, пока полученная каверна не достигнет требуемых конфигурации и объема. Далее шурфы обсаживают трубами большого диаметра из стойких к коррозии материалов. На последнем этапе над хранилищем возводится силовой блок, состоящий из компрессора, расширителя, турбин высокого и низкого давления, генератора, системы управления и силовых кабелей.

Кроме того, в зависимости от типа CAES, в состав наземных сооружений могут входить ветка газопровода, тепловые аккумуляторы и теплообменники. А типов этих три: диабатический (к нему относятся упомянутые выше Хюнторф и Макинтош), адиабатический и изотермический.

Согревающая физика

Установки CAES различаются по технике использования огромного количества бросового тепла, выделяющегося в процессе быстрого сжатия воздуха до 70 атм и более. В диабатических системах при сжатии тепло отводится от форсунок компрессора и примитивно рассеивается в атмосфере, а на стадии расширения стремительно охлаждающийся до арктических температур воздух смешивается с природным газом. Полученная смесь сгорает, раскручивая турбины. Сгорание газа не только и не столько повышает давление в турбине, сколько защищает лопатки от обледенения. Несмотря на такую расточительность, по расходу теплоты на 1 кВт•ч вырабатываемого электричества тот же Макинтош вдвое выигрывает у одной из самых эффективных пиковых газовых электростанций General Electric серии 7FA 2x1.