Ветроэнергетика пережила экспоненциальный рост за последние два десятилетия, закрепившись в качестве краеугольного камня глобальных портфелей возобновляемой энергии. По данным Глобального совета по ветроэнергетике, общая установленная мощность ветра превысила 900 ГВт в 2023 году, с прогнозами, указывающими на продолжающееся ускорение. Однако присущая ей периодичность ветра - его зависимость от погодных условий и суточных циклов - создает фундаментальную проблему: электричество должно генерироваться, когда ветер дует, не обязательно когда пики спроса. Это несоответствие приводит к срочной необходимости в экономически эффективных, надежных и масштабируемых системах хранения энергии. Среди наиболее перспективных технологий хранения энергии маховика (FESS) и хранения энергии сжатого воздуха (CAES). Оба видели существенные технические достижения в последние годы, переход от нишевых приложений к коммерчески жизнеспособным решениям, способным стабилизировать сети, сократить сворачивание и обеспечить более высокое проникновение энергии ветра. В этой статье рассматриваются последние инновации в технологиях маховика и CAES, их принципы работы, стратегии интеграции и перспективы их развертывания наряду с ветряными электростанциями во всем

Системы хранения энергии Flywheel

Как летающие колеса хранят и выделяют энергию

Система хранения энергии маховика работает по простому принципу: она ускоряет вращающуюся массу (ротор) до очень высоких скоростей, сохраняя кинетическую энергию в импульсе ротора. Когда требуется энергия, процесс разворачивается — ротор действует как генератор, преобразуя вращательную кинетическую энергию обратно в электрическую энергию. Современные маховики вращаются со скоростью от 10 000 до более 100 000 оборотов в минуту (RPM), в зависимости от конструкции и материалов. Ротор размещен в вакуумном корпусе, чтобы минимизировать аэродинамическое сопротивление, а магнитные подшипники устраняют механическое трение, позволяя маховику вращаться с чрезвычайно низкими потерями. Количество накопленной энергии пропорционально моменту инерции ротора и квадрату его скорости вращения, поэтому предпочтительны высокоскоростные конструкции с использованием легких, высокопрочных материалов.

Летающие колеса характеризуются их быстрым временем отклика - обычно от миллисекунд до секунд - что делает их идеальными для частотного регулирования и применения качества мощности. Они могут доставлять высокие всплески мощности в течение коротких периодов времени (от секунд до минут) и иметь эксплуатационный срок службы, который намного превышает срок службы электрохимических батарей, часто превышающий 100 000 полных циклов заряда-разряда с минимальным ухудшением. КПД круглого хода современных блоков FESS теперь превышает 85% для больших систем, при этом некоторые конструкции приближаются к 90% в оптимальных условиях.

Последние инновации в технологии Flywheel

В последнее десятилетие были достигнуты значительные прорывы в области конструкции маховиков, обусловленные достижениями в области материаловедения и электромеханической инженерии. Наиболее заметные инновации включают:

  • Композитные роторы: Традиционные стальные роторы заменяются углеродно-волоконными композитами, которые предлагают превосходное соотношение прочности к весу. Композитные роторы могут вращаться на гораздо более высоких скоростях без разрыва, резко увеличивая плотность энергии. Такие компании, как Amber Kinetics и Beacon Power, коммерциализировали композитные маховики мощностью от 25 кВтч до более 100 кВтч на единицу.
  • Магнитные подшипники: Пассивная и активная магнитная левитация устраняет физический контакт между движущимися частями, уменьшая потери трения почти до нуля. Также разрабатываются высокотемпературные сверхпроводящие (HTS) подшипники, обещающие еще более низкие потери и позволяющие компактные, высокоскоростные конструкции.
  • Модульные системы:] Производители мускулов теперь предлагают контейнерные модульные агрегаты, которые могут быть сложены параллельно для достижения многомегаваттных энергетических оценок. Эта масштабируемость делает FESS пригодным для приложений коммунального масштаба, таких как объект маховика мощностью 20 МВт, управляемый Beacon Power в Стивентауне, Нью-Йорк, который предоставляет услуги регулирования частоты для Нью-Йоркского независимого системного оператора (NYISO).
  • Интегрированные мотор-генераторы: Достижения в силовой электронике и машинах с постоянными магнитами позволяют одной и той же электрической машине служить как двигателем (для ускорения ротора), так и генератором (для замедления его), снижая сложность и стоимость системы.

Особенно увлекательной разработкой является использование маховиков для гибридных систем хранения в сочетании с литий-ионными батареями.Маховик обрабатывает временные колебания и потребности в высокочастотной энергии, в то время как батарея обрабатывает более длительные энергетические сдвиги. Такие гибридные системы были продемонстрированы в нескольких пилотных проектах, включая сотрудничество между Министерством энергетики США (DOE) и Исследовательским институтом электроэнергетики (EPRI).

Интеграция колес с ветряными фермами

Выход ветряной турбины может изменяться на 50% и более в течение секунд из-за порывов, затишья и неисправностей сетки. Летающие колеса уникально подходят для сглаживания этих быстрых колебаний, действуя как быстро реагирующий буфер, который стабилизирует мощность, подаваемую в сеть. Когда порыв увеличивает скорость ветра, маховик поглощает избыточную энергию за счет ускорения; когда ветер внезапно падает, маховик высвобождает энергию для поддержания стабильной выходной мощности. Это сглаживающее действие помогает операторам ветропарка соответствовать требованиям кода сетки для пределов скорости и контроля напряжения, избегая штрафов и уменьшая износ оборудования ниже по течению.

Помимо сглаживания, маховики могут обеспечивать первичную частотную реакцию, синтетическую инерцию и демпфирование колебаний мощности. Поскольку генерация на основе инвертора (например, ветер и солнечная энергия) вытесняет синхронные генераторы, сетка теряет присущую ей инерцию, которая сохраняет частоту стабильной. Муховики могут эмулировать эту инерцию, вводя или поглощая реальную мощность в течение миллисекунд, таким образом поддерживая стабильность сетки. Несколько проектов в Европе и Северной Америке успешно спаривали маховики с ветряными электростанциями; например, система маховиков мощностью 10 МВт на ветряной ферме Kilrock в Шотландии обеспечивает поддержку сетки и была зачислена в сокращение сокращения до 15%.

Ограничения и текущие исследования

Несмотря на свои преимущества, маховики имеют ограничения. Их плотность энергии низкая по сравнению с батареями - обычно 5-50 Втч / кг против 100-250 Втч / кг для литий-ионных химий. Это делает их непригодными для длительного хранения (часы до дней). Кроме того, скорость саморазряда может быть до 2-5% в час из-за остаточного трения и электрических потерь, хотя вакуумные системы и активное управление подшипником снижают это. Стоимость за кВтч накопленной энергии по-прежнему выше, чем для гидронакачки или CAES для крупномасштабных применений. Продолжаются исследования новых геометрий ротора, высокотемпературных сверхпроводников для поддержки подшипников с нулевым потерям и передовые алгоритмы управления, которые оптимизируют отправку маховиков в режиме реального времени. Программа исследований энергетического хранения Министерства энергетики профинансировала несколько университетских проектов, исследующих эти области.

Хранение энергии сжатого воздуха (CAES)

Принципы работы CAES

Сжатый воздух энергохранилище использует электрическую энергию для сжатия воздуха и хранения его в подземной пещере, трубопроводе или надземном резервуаре. Когда электричество необходимо, сжатый воздух нагревается и расширяется через турбину для привода генератора. В отличие от батарей, CAES отключает выходную мощность от энергетической емкости; энергия, хранящаяся зависит от объема пещеры и давления, в то время как выходная мощность зависит от размера турбины. Это делает CAES по своей сути масштабируемым для длительного, объемного хранения энергии - обычно 4-20 часов разряда при номинальной мощности.

Существуют три основных варианта CAES: диабатический (традиционный), адиабатический и изотермический. Диабатный CAES, единственный тип, используемый в коммерческих целях, сжигает природный газ для нагрева сжатого воздуха перед расширением, что снижает общую эффективность (обычно 42-55%) и производит выбросы CO2. Адиабатический CAES улавливает тепло, генерируемое во время сжатия, и сохраняет его в системе хранения тепловой энергии (например, расплавленная соль, бетон или упакованное покрытие). Затем тепло повторно используется во время расширения, устраняя необходимость в дополнительном топливе и повышая эффективность кругового движения до 60-70% или выше. Изотермальный CAES пытается поддерживать постоянную температуру воздуха во время сжатия и расширения посредством теплообмена с окружающей средой или тепловой жидкостью, теоретически достигая более 80% эффективности, но практические конструкции остаются на экспериментальной стадии.

Достижения в области технологий CAES

Два старейших коммерческих завода CAES - Huntorf (Германия, 1978, 290 МВт) и McIntosh (Алабама, 1991, 110 МВт) - используют диабатические технологии и работают с хранением пещер. Но последние разработки подталкивают CAES к более высокой эффективности, более низкой стоимости и большей гибкости:

  • Адиабатические CAES (A-CAES): Сейчас строятся пилотные и демонстрационные заводы. Проект A-CAES RWE в Германии (ADELFI) использует систему термохранилищ на упакованной кровати мощностью несколько сотен МВтч. Ожидается, что система достигнет эффективности 65-70% с нулевыми выбросами. Другим заметным проектом является Gigha A-CAES в Шотландии, который объединяет блок CAES мощностью 15 МВт с ветропарком мощностью 20 МВт.
  • Передовая конструкция турбины: Турбины, которые могут обрабатывать более высокие температуры и давления на входе, разрабатываются с помощью таких материалов, как покрытия Inconel и керамические покрытия. Они позволяют более эффективно расширяться и снижать вспомогательный расход топлива.
  • Инновации в области подземного хранения: Помимо соляных пещер, исследователи изучают пористые горные образования (например, резервуары с обедненным газом, солевые водоносные горизонты) для CAES. Пилот CAES Shell в Нидерландах использует месторождение с обедненным газом, а Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория оценила потенциал базальтовых образований. Наземное хранение с использованием больших стальных труб также жизнеспособно для небольших установок.
  • В сочетании с операциями на ветроэлектростанциях: Умные системы управления могут оптимизировать сроки сжатия на основе прогнозов ветроэнергетики, хранения энергии, когда ветер обильный и цены низкие, и генерации, когда ветер дефицитный и цены высокие. Это обеспечивает поток доходов при одновременном снижении сокращения.

Международное агентство по возобновляемым источникам энергии (IRENA) выделило CAES как одну из немногих технологий длительного хранения, способную поддерживать 80-100% возобновляемых сетей. Агентство проектирует, что передовые CAES могут достичь установленных затрат менее 100 долларов США / кВт-ч к 2030 году, если производство увеличится.

Синергия между CAES и ветровой энергией

Переменные и часто противоположные сроки выработки ветра и спроса на электроэнергию делают CAES естественным партнером. Во многих регионах ветер дует сильнее ночью, когда спрос низкий; наоборот, в спокойные дни спрос может быть высоким. CAES позволяет ветряным электростанциям переключать энергию с непиковых на пиковые часы, захватывая более высокие цены и уменьшая потребность в резервных ископаемых электростанциях. При сопряжении с ветряной электростанцией компрессор завода CAES может напрямую управляться выходом ветряных турбин, избегая потерь конверсии. Некоторые предлагаемые проекты интегрируют генератор ветряных турбин и мотор-генератор CAES, совместное использование инфраструктуры и снижение капитальных затрат.

В Техасе Совет по электронадежности Техаса (ERCOT) испытал увеличение сокращения ветра из-за ограничений передачи и переизбытка предложения ночью. Исследования Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) показали, что добавление 500 МВт CAES может поглощать более 90% сокращенной энергии ветра и обеспечивать надежную диспетчерскую мощность в пиковые периоды. Аналогичные анализы для региона Северного моря, богатого морским ветром, показывают, что CAES в соляных пещерах может хранить огромное количество энергии ветра в течение нескольких дней, помогая сбалансировать трансграничные потоки энергии.

Экономические соображения и статус развертывания

CAES имеет более долгую историю, чем маховики в масштабе коммунальных услуг, но принятие остается ограниченным. Основные барьеры включают геологическую пригодность (соленые пещеры являются оптимальными, но не вездесущими), длительные сроки строительства и относительно низкую эффективность в оба конца по сравнению с гидронасосной. Однако стоимость за кВтч накопленной энергии для CAES является одной из самых низких среди любой технологии хранения - часто $70-120 за кВтч мощности для больших систем - что делает ее привлекательной для ежедневного велосипедного движения. Эксплуатационные расходы низки, потому что топливо избегает в адиабатических проектах. Поддержка политики в Соединенных Штатах (через инвестиционный налоговый кредит для хранения энергии) и в Европе (через рынки мощности и механизмы поддержки возобновляемых источников) стимулирует новые проекты. Первый в мире передовой завод CAES с использованием наземной системы стальных резервуаров находится в стадии разработки в Канаде (проект Hydrostor в Годериче, Онтарио, 4 МВт / 100 МВтч), и несколько более крупных проектов в планировании в Китае, Германии и Великобритании.

Сравнительный анализ: Flywheels против CAES для интеграции с ветром

Дополнительные роли в сети

Летающие колеса и CAES занимают различные, но взаимодополняющие ниши в ландшафте хранения энергии ветра. Летающие колеса превосходят в краткосрочных приложениях с высокой мощностью - от миллисекунд до минут - что делает их идеальными для регулирования частоты, синтетической инерции и сглаживания субминутных колебаний. CAES, напротив, оптимизирован для хранения энергии навалом в течение многих часов, что позволяет перемещать энергию ветра с периодов низкого спроса на периоды высокого спроса. Хорошо разработанный портфель хранения для ветряной электростанции может включать маховик для быстрого реагирования и блок CAES для ежедневного энергетического арбитража, с каждой технологией, обрабатывающей его характерную временную шкалу.

Изучаются гибридные системы, сочетающие обе технологии. Например, ветропарк мощностью 100 МВт может быть расположен совместно с маховиком мощностью 10 МВт/5 МВтч и установкой CAES мощностью 50 МВт/400 МВтч. Маховик поглощает переходные колебания мощности, в то время как блок CAES заряжается, когда ветер превышает прогноз и разряжается во время вечерних пиков. Обе системы имеют одну и ту же архитектуру подключения и управления сетью, снижая общую стоимость и улучшая использование. Министерство энергетики США профинансировало несколько проектов гибридного хранения через свою программу Energy Storage Systems.

Надежность сетки и сокращение сужения

Обе технологии способствуют повышению надежности сети за счет снижения изменчивости чистой ветроэнергетики. В исследовании Калифорнийского университета в Беркли добавление комбинации маховиков (2% ветроэнергетики) и CAES (20% ветроэнергетики) к сценарию с высоким ветром позволило ветропарку удовлетворить 90% своей контрактной надежности мощности, по сравнению с менее чем 60% без хранения.Маховик обрабатывал высокочастотную изменчивость, в то время как CAES компенсировал многочасовые колебания. Эта комбинация также позволила ветропарку обеспечить гарантированную мощность в часы пиковой нагрузки, увеличив свою рыночную стоимость до 25%.

Будущие перспективы и направления исследований

В следующем десятилетии будет продолжена доработка обеих технологий. Для маховиков исследования направлены на снижение саморазряда за счет усовершенствованных вакуумных систем и сверхпроводящих подшипников; увеличение плотности энергии за счет более сильных, более легких композитных роторов; и снижение стоимости за счет массового производства. Уже разрабатываются модульные маховики с силовой электроникой, которые могут интегрироваться непосредственно с преобразователями ветряных турбин. Для CAES граница - коммерциализация адиабатических и изотермических конструкций, которые устраняют использование ископаемого топлива и приближаются к 80% эффективности. Проект RICAS 2020 в Австрии тестирует пилотный адиабатический CAES мощностью 10 МВт, который использует регенератор для хранения тепла сжатия в дробленой породе, достигая 70% эффективности. Между тем, использование CAES с оффшорным ветром путем преобразования оффшорных компрессионных платформ или интеграции с плавучими ветряными турбинами изучается в Европе.

Все большую роль будут играть цифровизация и искусственный интеллект. Прогнозные алгоритмы, которые интегрируют прогнозы погоды, рыночные цены и состояние хранения заряда, могут оптимизировать как маховики, так и CAES, максимизируя доход при поддержке стабильности сети. Модели машинного обучения обучаются прогнозировать ветровые энергетические пандусы и предварительное хранение заряда или разряда за несколько минут вперед, уменьшая количество необходимого запаса прядения.

В Соединенных Штатах, приказ 841 Федеральной комиссии по регулированию энергетики и последующие заказы требуют от операторов сетей, чтобы позволить хранение энергии участвовать в оптовых рынках электроэнергии на равных условиях с генерацией. Это открыло новые потоки доходов как для маховиков, так и для CAES. В Европе пакет «Чистая энергия для всех европейцев» аналогичным образом предписывает доступ к рынку для хранения, и несколько стран-членов включают CAES в свои национальные планы в области энергетики и климата.

Заключение

Хранение энергии на лету и хранение энергии сжатого воздуха являются двумя взаимодополняющими технологиями, которые решают основную проблему прерывистости энергии ветра. Летающие колеса обеспечивают мгновенную, высокопроизводительную энергию для стабилизации и регулирования; CAES предлагает масштабируемое, недорогое сыпучие хранилища для сдвигающих во времени больших объемов энергии ветра. Недавние инновации - композитные роторы, магнитные подшипники, адиабатические CAES и гибридные конструкции систем - подтолкнули обе технологии ближе к широкому коммерческому развертыванию. Поскольку энергия ветра продолжает расширять свою долю в глобальном распределении электроэнергии, роль передовых систем хранения станет незаменимой. Продолжение инвестиций в исследования, демонстрационные проекты и поддерживающая политика ускорят интеграцию этих систем хранения, гарантируя, что энергия ветра может удовлетворить растущую долю мирового спроса на энергию надежно и экономически. Будущее возобновляемой энергии заключается не только в генерации чистой энергии; речь идет о том, чтобы сделать эту энергию доступной, когда и где она необходима. Flywheels и CAES, работающие вместе, являются ключом к этому видению.