Решения за съхранение на енергията от вятърни генератори

Интегрирането на големи количества електроенергия от вятърни централи в разпределителната мрежа е предизвикателство, пред което вече са изправени много европейски страни.

Добивът на енергия от вятърните генератори е зависим от въздушните течения и в голяма степен е трудно прогнозиреум. Обикновено максимумът на генерираната енергия не съвпада с максимума на електропотреблението.

Това поставя на преден план въпросът за устойчивостта на електроенергийната система и компенсацията на колебанията в генерираните и консумираните мощности. Възможен вариант за повишаване на ефективността на мрежата и оптималното използване на вятърните ресурси е разработването на системи за съхранение на електроенергията.

Чрез тях могат да се изравняват денонощните и седмични товарови графици в електроенергийната система и да се повиши качеството на електроенергията.

Видове системи за съхранение на енергията

Важна характеристика на системите за съхранение е времето за отдаване на запасената енергия. В зависимост от този показател се различават системи с краткотрайно действие (до 1 минута), които служат за захранване на консуматори, чувствителни към смущаващи въздействия и за стабилизиране на енергийната система.

С капацитет за отдаване на енергия до няколко часа са системите, използвани за управление на генерираната енергия от ВЕИ, товарът на потребителите и др.

Последният вид са системите с продължително действие (от няколко часа до няколко денонощия), които се използват за управление на товаровите графици в енергийната система. За този вид системи традиционно се смята, че помпено-акумулиращите водноелектрически централи и системите за компресиране на въздух са най-добри за съхраняване на вятърна енергия.

Към настоящия момент помпено-акумулиращите водноелектрически централи (ПАВЕЦ) са по-широко разпространеният метод за съхранение на енергия от възобновяеми източници. Технологията представлява изпомпване на водата от долно водохранилище (долен изравнител) към горен изравнител, в който тя се съхранява.

За целта се използва електроенергия на ниска цена през периоди на минимално потребление. Когато потреблението на електричество е голямо, съхранената вода се използва чрез турбините за производство на електроенергия.

Макар загубите от процеса на изпомпване да превръщат като цяло електроцентралата в нетен потребител на електроенергия, системата увеличава прихода си като продава повече електроенергия през периоди на върхово потребление, когато цените на електроенергия са най-високи.

ПАВЕЦ играе значителна роля за интегрирането на непостоянното производство от вятърните генератори в електроенергийната система. В България работят три помпено-акумулиращи водноелектрически централи - “Орфей”, “Белмекен” и “Чаира”, с обща генерираща мощност 1,4 GW.

Съхранение на енергия с въздушна компресия

Съхранението на енергия чрез сгъстен въздух може да се реализира по два начина - чрез изотермично и адиабатно сгъстяване на въздуха.

При изотермичното съхранение на електрическа енергия топлината, която се получава при нагнетяване на атмосферния въздух, не се оползотворява, а се изхвърля в околното пространство. Съхраненият сгъстен въздух се използва за производство на електрическа енергия със значително по-малък разход на гориво.

Електрическата машина е обратима и в зависимост от режима на работа се включва съответно като електродвигател или генератор. За разлика от изотермичния, при адиабатния цикъл за съхранение на електрическа енергия със сгъстен въздух отпада необходимостта от изгаряне на гориво за подгряване на сгъстения въздух.

Това се дължи на съхранената топлинна енергия в специални устройства през време на компресирането на атмосферния въздух, т. е. сгъстяването на въздуха се реализира без да се отдава топлина в околната среда. Компресирането на въздуха се извършва, когато енергийната система не е натоварена, обикновено през нощта.

Тези системи не произвеждат и не изхвърлят никакви вредни емисии в атмосферата поради липсата на горивни процеси. Първата промишлена инсталация за съхранение на електроенергия с въздушна компресия е 290 MW блок, построен в Хундорф, Германия, през 1978 г. За целта се използват две подземни кухини с дълбочина над 600 м.

Въпреки че инсталацията функционира успешно и до днес, в световен мащаб има изградени едва няколко системи от подобен тип. Основен проблем при реализацията им е намирането на подходящи геологически структури.

Акумулаторни батерии

Сред утвърдените технологии за съхранение на енергията от ветроенергийни централи са и акумулаторните батерии.

Приложение намират конвенционалните оловно-киселинни батерии; съвременни оловно-киселинни акумулатори (Advanced Lead-Acid Batteries) с използване на въглеродни добавки; никел-кадмиевите акумулаторни батерии; литий-йонните акумулаторни батерии; натрий-серни акумулаторни батерии; поточните акумулаторни батерии.

През последните години производството на литий-йонните батерии се усъвършенства непрекъснато. Търсят се начини за подобряване устойчивостта на акумулаторните батерии срещу възпламеняване при висока температура или удар, чрез използване на заместители на кобалтовия оксид като литий-железен фосфат в комбинация на минимални количества с други метали.

Технологията на производство и подходящите характеристики дават основание за приложение в големи мощности за съхранение на електрическа енергия, произведена от вятърни електроцентрали. Сред по-съвременните постижения в акумулаторните технологии са натрий-серните и натрий-металхлоридните батерии.

Натрият, подобно на лития, има висок електрохимичен потенциал и ниска атомна маса, което е основната причина да се използва като отрицателен електрод в акумулаторните батерии. Освен това натрият е широко разпространен в природата и има ниска цена.

Сярата, която е най-подходяща за положителен електрод, също е леснодостъпна и струва евтино. Тази двойка елементи е много подходяща за създаване на акумулаторни батерии с твърд електролит, който не се разрушава под въздействието на натрия и сярата, но е чувствителен към механични и топлинни удари. Положителните страни на натрий-сярната акумулаторна батерия са високата специфична енергия (пет пъти по-голяма от тази на оловните акумулаторни батерии) и ниската цена. Натрий-металхлоридните акумулаторни батерии по конструкция са подобни на натриево-серните, като положителният серен електрод е заменен от никелов хлорид или комбинация от никелов хлорид и железен хлорид.

Отрицателният електрод и електролитът са същите както при натрий-серните акумулаторни батерии. С цел да се осигури по-добър йонен контакт между положителния електрод и електролита, последният представлява натриев хлоралуминат.

Сравнително нова технология за съхранение на енергията от вятърни генератори са поточните или ванадиеви батерии (Vanadium redox flow batteries - VRFB). Според някои специалисти този тип батерии съчетават свойствата на акумулатор с тези на горивната клетка.

Характеризират се с висока ефективност, дълъг експлоатационен срок и добри характеристики за зареждане и разреждане. За разлика от конвенционалните батерии, които съхраняват своите реактивни материали в клетките, тези батерии съхраняват електролитите в резервоари, един положителен и един отрицателен.

Когато е необходима енергия, тези батерии имат тънка мембрана, където протича химична реакция, която произвежда електричество. В VRFB електролитът е ванадий и в положителния, и в отрицателния резервоар, което не позволява кръстосано замърсяване чрез дифузия на йони през мембраната.

Системи за съхранение на енергията с маховици

Маховиците имат способността да акумулират или освобождават голямо количество енергия за кратък период от време. При тях електрическата енергия се преобразува в кинетична и се запасява във въртящ се маховик.

За намаляване загубите от въздушното съпротивление въртенето на ротора се осъществява във вакуумна среда. Това, от своя страна, изисква въртенето на ротора да става на магнитни лагери. Така конструктивно разработените системи имат много ниски ротационни загуби, което позволява системата да достигне ефективност от 80-90%.

Повечето маховици имат голяма продължителност на работа и високи стойности на плътността на съхранената енергия - около 130 Wh/kg, както и голяма максимална изходна мощност. Друго тяхно предимство е, че измерването на оборотите може да покаже съвсем точно колко енергия е запасена.

Изискванията за безопасност ограничават единичната мощност на системите за съхранение на енергията с маховик и налагат използването на защитни обвивки, което допълнително повишава цената им. Въпреки това те намират все по-широко приложение.

Системи със свръхпроводящи магнити

Свръхпроводящите магнити са системи за съхранение на енергия, в които тя се запазва в магнитно поле с помощта на охладена свръхпроводяща намотка. Енергията може да се съхранява за неопределено време.

Свръхпроводящата намотка се изработва от ниобий-титанови сплави и се охлажда с помощта на втечнен хелий или азот. Тези системи нямат никакви загуби на енергия поради липса на вътрешно съпротивление и съхранената енергия не се разсейва в топлина. Имат неограничен срок на експлоатация поради липсата на движещи се части и ефективност над 95%.

Към недостатъците на свръхпроводящите магнити могат да се отнесат високата себестойност и големите енергийни изисквания за охлаждане на системата. Освен това трябва да се посочи отрицателното въздействие на огромните магнитни полета, което по някакъв начин трябва да бъде отстранено. Възможностите за развитие на този тип системи включват използването на нови материали, достигащи свръхпроводящо състояние при високи температури.