Новые технологии в решениях для хранения электроэнергии на шельфе

Морское хранение энергии стало критическим фактором для глобального расширения морской возобновляемой энергии. Поскольку плавучие ветровые электростанции и волновые энергетические массивы перемещаются в более глубокие воды, прерывистая природа этих источников требует систем хранения, которые могут надежно работать в соляных спреях, высоком давлении и коррозионных условиях. Без эффективного морского хранения резко возрастает сокращение чистой энергии в периоды низкого спроса или высокой генерации, подрывая экономику морских установок. Новые технологии в настоящее время решают эти проблемы, предлагая решения, которые варьируются от закаленных в море аккумуляторов до гравитационных аккумуляторов, которые используют сам океан в качестве среды хранения. В этой статье рассматриваются последние инновации в морском хранении энергии и их потенциал для преобразования надежности и эффективности морских систем возобновляемой энергии.

Прогресс в технологиях аккумуляторов для оффшорных сред

Хранение аккумуляторов является наиболее зрелой технологией для морских применений, но стандартные наземные системы быстро выходят из строя в морских условиях. Последние разработки сосредоточены на адаптации химии, конструкции корпуса и новых методах охлаждения, которые продлевают срок службы и повышают безопасность в морских условиях.

Литий-ионные системы, адаптированные для использования в море

Литий-ион остается доминирующей химией, и производители в настоящее время производят ячейки с коррозионно-стойкими корпусами, герметичными разъемами и компенсированными давлением корпусами, которые позволяют работать на глубинах нескольких сотен метров. Эти системы могут обеспечить пиковую мощность для запуска турбины, возможности черного запуска и регулирования частоты. Проект Batwind в Шотландии, например, продемонстрировал литий-ионную батарею мощностью 1 МВт, интегрированную в плавучую ветровую турбину, доказав, что пакеты с морским рейтингом могут обрабатывать волновое движение и солевой туман. Более новые конструкции используют жидкие охлаждающие петли, которые циркулируют в диэлектрической жидкости, сохраняя при этом жесткий тепловой контроль. Программа морского ветра Министерства энергетики США отмечает, что адаптированные литий-ионные системы могут достигать срока службы цикла от 6000 до 10000 циклов, когда состояние заряда поддерживается между 20% и 80%, диапазон, который подходит для морских рабочих циклов.

Твердотельные батареи для повышения безопасности

Твердотельные батареи заменяют жидкий электролит твердой керамикой или полимером, практически устраняя пожарный риск, который касается оффшорных операторов. Такие компании, как Blue Solutions и QuantumScape, продемонстрировали прототипы, которые выдерживают давление, эквивалентное 500 метрам глубины воды. Более высокая плотность энергии твердотельных химий - потенциально 500 Втч / кг - может вдвое уменьшить площадь контейнера для хранения на платформе, освобождая пространство для другого оборудования. Однако масштаб производства остается низким, а стоимость за киловатт-час по-прежнему в два-три раза выше, чем у морского литий-ионного. Исследования, финансируемые Международным агентством по возобновляемым источникам энергии (IRENA) , предполагают, что твердотельные морские батареи могут достичь коммерческой жизнеспособности к 2030 году, если будут устранены узкие места в производстве.

Электролизеры протонной мембраны (PEM) были миниатюризированы для использования на шельфе, с установками, работающими в настоящее время на полностью плавучих платформах. Проект по производству водородного оффшорного производства (HOP) в Северном море продемонстрировал электролизер мощностью 10 МВт, установленный на полупогружной структуре, производящий водород на 30 бар с эффективностью 72%. Ключевое новшество - использование деионизированной морской воды, предварительно обработанной на борту, чтобы избежать транспортировки пресной воды в море. Электролизеры с твердым оксидом, которые работают при более высоких температурах (700-900°C), предлагают еще более высокую эффективность - до 85% - и могут непосредственно производить смесь водородного пара, которая легче сжимается. Однако тепловой цикл в волновых условиях остается проблемой проектирования. Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL) оценивает, что морской электролиз может достичь уравновешенной стоимости в 2 доллара / кг к 2030 году, если развертывание достигнет масштаба нескольких ГВт.

Обычная гидронакачка требует двух резервуаров на разных высотах; на шельфе само море служит нижним резервуаром. Концепция Ocean Battery, разработанная голландской компанией Ocean Grazer, использует большой гибкий мочевой пузырь на морском дне. Во время избыточной генерации вода выкачивается из мочевого пузыря в окружающее море, снижая давление внутри. Когда требуется энергия, внешнее гидростатическое давление заставляет воду обратно в мочевой пузырь через турбину, генерируя электричество. Пилотная система, развернутая у побережья Нидерландов на глубине 200 метров, продемонстрировала емкость хранения 5 МВтч и эффективность кругового пробега 70-75%. Поскольку мочевой пузырь изготовлен из прочного армированного каучука, система может выдержать десятилетия циклической нагрузки. Масштабирование до 100 МВтч единиц считается возможным за счет увеличения размера и глубины мочевого пузыря. Сторэлектрическая компания Сторэлектрическая компания преследует вариант, который использует подводную пещеру вместо мочевого пузыря, утверждая, что существующие подводные пещеры от нефтегазовых операций могут быть перепрофилированы, снижая капитальные затраты на 30%

Хранение энергии сжатого воздуха (CAES) на море

В морских системах CAES используется глубоководный океан для поддержания постоянного давления воздуха. В типичной конструкции воздух сжимается компрессорами с электрическим приводом и хранится в жестких стальных сосудах или в подводных надувных камерах. Гидростатическая нагрузка окружающей морской воды обеспечивает естественную защиту, поэтому судам не требуется тяжелое структурное усиление. Когда требуется электричество, сжатый воздух высвобождается в турбоэкспрессор для привода генератора. Одна из самых передовых концепций использует подводный поршень: большой бетонный цилиндр с мобильным поршнем; давление воды с одной стороны сжимает воздух с другой стороны, полностью устраняя механические компрессоры. Этот изотермический подход может достичь эффективности выше 80%. Британский Storelectric разрабатывает морскую систему CAES мощностью 50 МВт с запланированным развертыванием в Северном море, используя суда давления на морском дне, изготовленные из композитного материала, который противостоит коррозии. Низкая стоимость судов хранения, оцененная в 50 долларов США / кВт-ч, может сделать морские CAES конкурентоспособными с литий-ионным топливом на длительность более 8 часов.

Новые технологии и перспективы будущего

Помимо уже существующих решений для аккумуляторов, водорода и механических систем хранения, несколько новых концепций переходят от лабораторных масштабов к испытаниям прототипов в оффшорных средах.

Потоковые батареи

Ванадий-редокс-поточные батареи (VRFB) отделяют хранение энергии от преобразования энергии с помощью жидких электролитов во внешних резервуарах. Для морских применений резервуары могут быть размещены на морском дне или на отдельной барже, снижая вес на турбинной платформе. VRFB по своей сути безопасны, потому что электролит не воспламеняется, и они могут достигать 20 000 циклов с минимальной деградацией. Недавние разработки включают компактный блок мощностью 5 МВт, разработанный австрийской компанией Enerox, который помещается в стандартный контейнер для транспортировки; морская версия с водостойким корпусом тестируется в EMEC. Ограничение - относительно низкая плотность энергии - около 30 Втч / л - который требует более высокой плотности потока цинка (60 Втч / л), но требует тщательного мониторинга бромового газа. Обе химии являются кандидатами для дополнения ветровых электростанций, которые нуждаются в ежедневном цикле с низким обслуживанием.

Склад на основе гравитации

Гравитационное хранилище поднимает тяжелую массу с использованием избыточного электричества и позволяет ему падать позже, чтобы регенерировать энергию. В море «падение» может быть вертикальным в океан, используя глубину в качестве высоты падения. Компания Gravitricity предложила конструкцию, где 500-тонный вес подвешен к плавающей платформе и опущен на серию лебедок. При выпуске вес тянет лебедки барабаны, поворачивая генератор. На глубине 2000 метров потенциальная энергия, хранящаяся может достигать нескольких ГВтч на установку. Воздействие на окружающую среду низкое, потому что вес является просто бетонным блоком. Вариант использует плавучие воздушные шары, которые тянутся вниз компрессорами, а затем позволяет подняться, чтобы повернуть турбины - эффективно подводная насосная гидросистема с ролями воды и воздуха, была пилотирована в небольшом масштабе (1 кВтч) в норвежском фьорде и теперь масштабируется до 100 кВтч прототипов. Медленное время отклика (минуты для наращивания) делает гравитационное хранилище пригодным для длительного разряда, а не контроля частоты сетки.

Термальное хранение энергии

Оффшорное тепловое хранилище использует электричество для нагрева материала (например, бетона, расплавленной соли или материалов фазового перехода) внутри изолированных контейнеров на платформе или на морском дне. Когда требуется мощность, тепло приводит в движение тепловой двигатель (цикл Стирлинга или цикл Ранкина) для производства электроэнергии. Эдинбургский университет разработал модульный бетонный блок, содержащий встроенные нагревательные элементы и теплообменники; блок может быть уложен в массивы на морском дне. С коэффициентом мощности 95% для хранения до 12 часов система предлагает чрезвычайно низкую стоимость (прогнозируемую тепловую мощность в размере 5 долларов США / кВтч), но более низкую эффективность круглого хода 40-50% из-за потерь тепла. Для морских объектов, которые также требуют технологического тепла (например, предварительный нагрев водорода), отработанное тепло может быть интегрировано для улучшения общей экономики. Гибридные системы, которые сочетают тепловое хранение с более простой ролью предварительного нагрева для водородного электролиза, изучаются норвежским исследовательским институтом SINTEF.

Гибридные системы хранения и интеграция

Оптимальное решение для хранения на шельфе для конкретной ветроэлектростанции, вероятно, объединит две или более технологий: батареи для быстрого реагирования (секунды до минут), водород или CAES для ежедневного балансирования (часы до дней) и электротопливо или гравитационное хранилище для сезонного хранения. Проект сотрудничества ЕС-Япония Offshore Hybrid Energy Storage (OHES) разрабатывает систему управления, которая отправляет между литий-ионным пакетом, ванадиевой аккумуляторной батареей и небольшим блоком хранения водорода на одной плавающей платформе. Раннее моделирование показывает, что гибридный подход может увеличить общее использование ветроэлектростанции на 15%, одновременно снижая требуемую мощность каждой отдельной технологии хранения. Такие интегрированные конструкции будут необходимы для оффшорных сетей, которые должны поддерживать высокую надежность при принятии высоко переменной возобновляемой генерации.

Заключение

Новые технологии в морском хранении энергии быстро созревают, что обусловлено экспоненциальным ростом ветроэнергетики и морской возобновляемой энергии. Литий-ионные и твердотельные батареи предлагают компактную, быстро реагирующую мощность на короткие сроки; хранение водорода и подводная гидроэнергетика обеспечивают крупномасштабные, долгосрочные решения; а проточные батареи, гравитационное хранение и тепловые системы заполняют средний пробел уникальными преимуществами. Ключом к успеху будет продолжение проектирования для снижения затрат, повышения долговечности морской среды и интеграции этих технологий в сплоченные системы, которые работают с существующей морской инфраструктурой. По мере ускорения исследований и пилотных проектов морское хранение сместится от нишевого требования к краеугольному краю глобального перехода на чистую энергию, что позволит обширным массивам морских возобновляемых источников энергии доставлять твердую, запланированную мощность на берег.