Криоэнергетика: криогенная электростанция

Все гениальное просто, и CES не исключение из правил. Чтобы «усвоить» временно ненужное электричество, воздух в CES охлаждается до -196°C, а полученная при этом жидкая смесь азота и кислорода закачивается в закрытое хранилище-термос, где с минимальными потерями (менее 0,5% в сутки) и при атмосферном давлении может храниться неделями. В моменты, когда сети начинают «проседать» под нагрузкой, жидкий воздух поступает на испаритель и, расширяясь в 700 и более раз, раскручивает турбину. Предварительный нагрев испарителя необязателен — разницы в 210−230 градусов между буквально космическим холодом и обычной «температурой за бортом» вполне достаточно для взрывного выброса скрытой энергии смеси. Совершивший работу ледяной воздух практически полностью возвращается в рабочий цикл.

Работоспособность концепции Дина была доказана на первой же экспериментальной установке мощностью 5 кВт, построенной в 2010 году компанией Highview Power Storage на крупнейшей в Британии 100-мегаваттной ТЭЦ Слау, которая работает на древесных отходах. В течение девяти месяцев установка исправно «отгружала» в сеть запасенные ночью дешевые киловатты с эффективностью более 50%, а в режиме принудительного прогрева жидкого воздуха при помощи отработанного теплоносителя с температурой 110−115°C КПД установки достигал солидных 70%, вплотную приближаясь к КПД ГАЭС (гидроаккумуляционных электростанций) — «золотого стандарта» большой энергетики.

Успех проекта был закреплен незамедлительно. На грант в ?1,1 млн, выделенный правительством страны, инициативная группа в составе Highview, региональных электросетей Scottish & Southern Energy и производителя криогенной техники BOC/Linde весной прошлого года запустила в Слау пилотную аккумулирующую станцию мощностью 350 кВт с емкостью хранилища 2,5 МВт/ч (4−8 часов работы сети с полной нагрузкой).

Сборка станции на месте заняла всего два месяца, так как абсолютно все используемое в ней оборудование выпускается серийно и не требует дополнительной сертификации. По словам главного технолога Highview Роба Моргана, подобные системы можно собирать из готовых модулей, как конструктор Lego, и масштабировать их электрические характеристики в зависимости от требований сети. Емкость модуля, в свою очередь, определяется объемом энергоносителя: термос на 10 т жидкого воздуха плотностью 873 кг/м3 способен выдавать в сеть один мегаватт мощности в час, на 100 т — 10 МВт/ч, и т. д. В периоды вынужденного бездействия CES-станции могут вырабатывать на продажу сжиженные технические газы или производить холод для пищевых, химических и металлургических комбинатов.

Процессы, происходящие в недрах пилотной криогенной станции в Слау, делятся на три этапа: сжижение воздуха в цикле среднего давления (заряд аккумулятора), хранение «сжиженного» электричества и восстановление энергии с высоким давлением (разряд). На первом этапе атмосферный воздух, нагнетаемый в систему при помощи винтовых компрессоров, подвергается тщательной очистке от примесей: пыль и твердые частицы оседают на фильтрах, а влага, углеводороды и СО2 отделяются при помощи двухслойного адсорбера из алюмогеля и синтетических цеолитов. Цеолиты — это группа минералов, известных своими впитывающими качествами и способностью к ионному обмену. Периодически адсорберы «забиваются» и для их восстановления, а также для отвода «мусора» применяется стандартная процедура сброса давления, нагрева и последующего охлаждения.

Подготовленный таким образом и сжатый до 40 атм сухой и горячий воздух проходит через двухступенчатый турбодетандер — холодильную машину, в которой он дважды расширяется и теряет большую часть своей тепловой энергии (охлаждается), раскручивая лопатки турбин до 50 000 об/мин. Дополнительное охлаждение происходит также при дросселировании за счет эффекта Джоуля-Томпсона: находясь еще под давлением, газ медленно проходит в расширительную камеру через пористую перегородку — дроссель. В результате львиная доля закачанного в систему воздуха превращается в светло-серую текучую жидкость с температурой -196°C, а остатки охлажденного газа, не успевшие потерять всю тепловую энергию, закачиваются в турбодетандер повторно. Хранение жидкой смеси азота и кислорода осуществляется при атмосферном давлении в двух стандартных 10-тонных криогенных емкостях-термосах с двойной вакуумно-порошковой термоизоляцией.

Восстановление энергии в CES происходит за счет регазификации воздуха. Выход станции с нулевой генерации на полную мощность занимает не более 20 минут. Итак, когда сети нуждаются в дополнительном электричестве, жидкий воздух откачивается из термоса и при помощи мощных поршневых насосов, создающих в трубопроводе давление порядка 70 атм, подается на разогретый до 110 °C теплообменник-испаритель. Попадая на эту «сковородку», воздух расширяется и с огромной скоростью устремляется на лопатки 4-ступенчатой турбины. Крутящий момент турбины через понижающий редуктор передается на генератор переменного тока, а «выжатый до нитки» отработанный воздух с давлением 0,5 атм и температурой порядка -40°C возвращается на вторичную переработку, проходя по пути через резервный тепловой аккумулятор с твердой засыпкой из гравия и песка.

В целях экономии в Слау используется серийная паровая турбина Concepts Nrec с рабочим диапазоном от 40 до 84 000 об/мин, однако для будущих станций планируется создание специальных криогенных турбин, способных эффективно работать в сухой среде при температуре от -196 до -30°C и давлении 100−150 атм.

Президент Highview Power Storage Гарет Бретт убежден, что технология хранения энергии в виде жидкого воздуха имеет блестящие перспективы, и с ним трудно не согласиться. «В отличие от ГАЭС, требующих огромных площадей и ландшафта с большим перепадом высот, компактные криогенные станции можно возводить где угодно и с минимальными затратами, а при необходимости — разбирать и перевозить с места на место, — отмечает Бретт. — Хранение жидкого азота намного безопаснее, чем хранение природного газа, мазута, дизтоплива, а самый экзотический материал для изготовления криогенного оборудования — нержавейка».

С помощью модульных CES мощностью 10−40 МВт, легко выдерживающих более 13 000 циклов разряда, можно покрыть весь диапазон потребностей сетей любого масштаба. Жидкий воздух имеет отличные шансы стать надежным буфером для нестабильных ветровых плантаций и гелиостанций, оперативно гасить суточные пиковые нагрузки и переваривать сбросы реактивной мощности независимо от наличия водных ресурсов и геологии в точке расположения.

Кроме того, у Highview имеется оригинальное решение проблемы энергетической независимости для отдельных предприятий и небольших населенных пунктов. Компактный генерирующий модуль Cryo GenSet состоит лишь из стандартной 10-тонной емкости и турбогенератора, а жидкий азот для него можно доставлять в автомобильных цистернах или сменных емкостях с ближайшего завода по производству технических газов. По расчетам Бретта, эксплуатация модуля Cryo GenSet (который можно взять в аренду) обойдется потребителям вдвое дешевле, чем обслуживание автономной дизельной установки.

Гарет Бретт и его коллеги не собираются ограничивать сферу своей деятельности большой и малой энергетикой. В феврале 2011 года от Highview Power Storage отпочковался стартап Dearman Engine, замахнувшийся на «святое»: изобретатель Питер Дирмэн намерен очистить от двигателей внутреннего сгорания промышленные объекты, городские стройплощадки и складские терминалы.

Экологически чистый криогенный двигатель Дирмэна (КДД) ждал своего часа целое десятилетие. Первая версия агрегата, собранная Питером в 2001 году, до сих пор пыхтит под капотом его старенького Ford Fiesta, легко разгоняя машину до 50 км/ч.

Дирмэн не стал повторять ошибку своих предшественников, переносивших процесс расширения воздуха в отдельный теплообменник. В поршневом двухтактном КДД кульминационное действо свершается непосредственно в цилиндрах мотора. Хитроумная система впрыска обеспечивает образование послойного заряда из двух рабочих жидкостей. В камеру вводится порция жидкого теплоносителя (антифриза), следом — жидкий азот. В камере происходит быстрое изотермическое расширение газа, и поршень совершает механическую работу с максимальным КПД расширения. В конце рабочего такта антифриз конденсируется, сбрасывает избыток «холода» на радиаторе и возвращается в тепловой цикл.

По оценке технолога Dearman Engine Генри Кларка, защитившего по КДД докторскую диссертацию, эффективность двигателя Дирмэна может достигать 35−50%. Так это или нет, будет ясно лишь через полтора года, когда независимые эксперты из компании Ricardo, лаборатории Резерфорда и пяти британских университетов закончат анализ термодинамики КДД и проведут испытания прототипа. Сам изобретатель считает, что идеальным применением для криогенного двигателя могут стать складские погрузчики, вспомогательные транспортные средства и легкая строительная техника.