Съхранение на енергията от фотоволтаични системи – част II

В продължение на статията от бр. 4/2012 на сп. Енерджи ревю, в която представихме видовете акумулаторни батерии за съхранение на неупотребената енергия от фотоволтаични системи, в настоящия брой разглеждаме използваните за целта алтернативни решения - ПАВЕЦ, инсталации със сгъстен въздух, системи с маховици, свръхпроводящи бобини и други.

Съхранение на енергията чрез ПАВЕЦ

Друг начин за съхранение на излишната енергия е чрез помпено-акумулиращи водноелектрически централи (ПАВЕЦ). Както е известно, те са вид водноелектрически централи, които освен че използват енергията на водната маса за производство на електричество, разполагат и с възможност да изпомпват вода от по-ниско разположен водоем.

Когато има излишна енергия, производствените мощности на централата изтласкват водата в по-висок резервоар и енергията остава в „режим на очакване“ на по-високо потребление.

При нужда, водата се връща в по-ниския резервоар. Падащата от горното в долното водохранилище вода задвижва хидравличните турбини и генераторите произвеждат електрическа енергия.

В зависимост от хидравличната схема, ПАВЕЦ могат да бъдат с просто акумулиране, ако в горния басейн няма допълнителен приток на вода. В този случай горният басейн се напълва с вода от долния, следователно ПАВЕЦ работи с една и съща вода. Необходимият обем вода в долния басейн се получава чрез преграждане на воден източник. В случаите, когато в горния басейн има приток на вода, ПАВЕЦ може да работи в турбинен режим не само с акумулираната вода по време на помпения режим, но и за сметка на водата от допълнителния приток, т. е. акумулирането е комбинирано, при което се получава съчетанието ВЕЦ-ПАВЕЦ. Комбинираното акумулиране чрез съчетанието ВЕЦ-ПАВЕЦ може да се изпълни и при случаите, когато геодезичната височина при турбинен режим е по-голяма от тази при помпен режим. Хидравличните схеми с комбинирано акумулиране могат да се осъществят по аналогия на хидравличните схеми за ВЕЦ като приязовирни или деривационни. За разлика от ВЕЦ при ПАВЕЦ и двата басейна трябва да притежават акумулиращи способности и минимални колебания на водните си нива. В зависимост от циклите на акумулиране, ПАВЕЦ се подразделят на централи с денонощно, седмично и сезонно акумулиране.

През април тази година Европейската комисия публикува резултатите от проведеното проучване на Обединения изследователски център за потенциала на водните помпи за съхранение на енергия и преобразуването й. В него се посочва, че към момента помпените водноелектрически централи са единственият широкоразпространен метод за съхранение на енергия от възобновяеми източници. Чрез тях ще стане възможно и постигането на европейските цели за екологично електричество.

Съхранение на енергия под формата на компресиран въздух

Инсталациите със сгъстен въздух (compressed-air energy storage - CAES) са алтернативен метод за съхранение на излишната електроенергия от фотоволтаични и други ВЕИ системи. Използваната за сгъстения въздух енергия в последствие се възвръща чрез турбини, задвижвани при изпускането на въздуха. Обикновено компресираният въздух се съхранява под земята и нуждата от локация с подземен резервоар е основната причина технологията да не е широко разпространена. Някои компании вече предлагат ефективен начин за съхраняване на сгъстения въздух и в надземни резервоари. Друга нова разработка включва замяната на турбините с бутала за генериране на енергия от сгъстения въздух. Буталата могат да работят при по-широки граници като параметри и поради това въздухът може да бъде сгъстяван повече и, съответно, така може да се съхранява повече енергия, твърдят иноваторите. Също така буталата могат да работят, когато налягането в резервоара вече е паднало под необходимото за задвижване на турбината при конвенционалните системи.

Други технологии за съхранение на енергията

Системи с маховици. Друг метод за съхранение на енергията използва маховик. По този начин енергията се съхранява като кинетична. Типичната система за съхранение на енергия с маховик се състои от ротор, окачен на лагери във вакуумна камера (за намаляване на триенето) и свързан към електрически мотор/генератор. Енергията се запасява чрез развъртане на маховика с мотора и се освобождава чрез използване на момента на маховика за захранване на генератора. По-старият тип ротори са направени от метал и нормално работят при скорости на въртене под 4000 об./мин. За направата на по-усъвършенствани маховици се използват влакна от карбон. Те могат да се въртят със скорости от 20 000 до 100 000 об./мин. във вакуум. В този случай е необходимо използването на магнитни лагери, тъй като при нормалните лагери триенето е правопропорционално на скоростта на въртене и при такива скорости много енергия ще бъде загубена от триене. Повечето маховици имат голяма продължителност на работа и високи стойности на плътността на съхранената енергия ~ 130 Wh/kg, както и голяма максимална изходна мощност. Коефициентът на полезно действие при тези системи може да достигне 90%. Маховиците не се влияят от температурни промени като химическите батерии и като цяло могат да съхраняват повече енергия от тях. Освен това, системата с маховици има удивително бърза реакция при промяна на съотношението между потребление и генериране на енергия (около 4 секунди) и е в състояние да работи при максимално натоварване в продължение на 15 минути. Друго тяхно предимство е, че измерването на оборотите може да покаже съвсем точно колко енергия е запасена. Същевременно високооборотните маховици в устройствата за съхраняване на кинетична енергия представляват механични системи, които не замърсяват околната среда, тъй като не съдържат опасни материали.

Свръхпроводяща бобина. При системите за съхранение със свръхпроводяща турбина, електрическата енергия се запасява в магнитното поле, създадено от ток, протичащ през бобината. Тъй като бобината е в свръхпроводящо състояние, нейното съпротивление и, съответно, загубите са сравнително малки. При този тип системи е възможно отдаването на запасената енергия за кратко време, имат висока ефективност, нямат движещи се детайли, не изискват периодично обслужване и имат неограничен срок на експлоатация. Основният им недостатък е високата цена на системата за охлаждане и наличието на силно магнитно поле. Поради тази причина възможностите за развитие на системите за съхранение със свръхпроводяща турбина включват използването на нови материали, достигащи свръхпроводящо състояние при високи температури.

Синтетичен метан. Немски и австрийски учени разработват нова технология за съхранение на зелената енергия под формата на метан. Идеята им е излишната енергия да се превръща в синтетичен метан и да се съхранява в съществуващите съоръжения за складиране на газ. Сред предимствата на технологията е, че нейното изпълнение не изисква изграждане на нова инфраструктура. За целта могат да се използват съществуващите складове и тръбопроводи за природен газ. В Щутгарт вече успешно действа демонстрационна система, а до края на т. г. се планира да бъде пусната в експлоатация централа с капацитет 10 MW. Иновацията в проекта е, че за първи път процесът на производство на природен газ комбинира технологията за водородна електролиза с метанизация. Интеграцията в съществуващата инфраструктура е лесна за изпълнение - синтетичният метан може да бъде съхранен като конвенционален природен газ в мрежата за доставки, тръбопроводите и системите за съхранение, и да се използва за захранване на автомобили или отоплителни системи на газ, допълват немските учени.

Водород. Използването на водород за съхранение на излишната енергия и балансиране на флуктуациите в електропреносната мрежа също е сред технологиите с потенциал за развитие. Този тип инсталации се състоят от електролизен модул, резервоари за водород и кислород и горивна клетка. Работната ефективност на подобни електростанции е около 40%, но теоретично може да достигне над 60%.

Системи с чакъл и аргон. Сред иновативните технологии за съхранение на енергия е и системата, базирана на аргон и чакъл. Чакълената система използва излишния капацитет, генериран от възобновяеми източници, за да загрява и сгъсти аргона, след което го изпомпа през силоз, пълен с чакъл. Когато търсенето на ток нарасне, системата започва да работи в обратната посока, за да генерира електричество. Според разработчиците на системата, нейната ефективност е около 72% - 80%. Това е сравнимо с ефективността на ПАВЕЦ, която е около 70% - 85%. Чакълените батерии обаче са много по-компактни и могат много по-лесно да бъдат инсталирани на сравнително равни площи в области с добър потенциал за производство на енергия от ВЕИ.

Ледогенератори. Наскоро американска компания представи проект за съхранение на добитата енергия под формата на лед. Системата използва излишната енергия, добита през ненатоварената част от денонощието за генериране на лед. Той се използва за задоволяването на нуждите от охлаждане през натоварената част от денонощието. Компанията твърди, че по този начин се намаляват разходите за охлаждане с около 20-40%.

Приносът на наноматериалите. Наскоро открита технология комбинира вода и графен в създаването на иновативни устройства за съхранение на енергия. Графенът се получава от широко разпространения материал графит, който се оформя в тънки слоеве с дебелина един атом. В тази си форма наноматериалът има подобрени характеристики - става по-здрав, химически стабилен, с отлична електропроводимост и с изключително голяма повърхност. Всичко това го прави подходящ за употреба в устройства за съхранение на енергия. Причината графенът да се използва все още рядко е, че когато се съберат няколко такива моноатомни листи, атомите спонтанно се свързват помежду си и се възстановява решетката на графита. Вследствие на това се губи голямата вътрешна повърхност и материалът вече няма свойствата на графен, твърдят учените. Същността на откритието се състои в добавянето на вода, която запазва забележителните свойства на отделните графенови листи. Ако графенът се поддържа влажен (в състояние на гел), водата пречи на графеновите листи да се свържат помежду си. Това вече позволява употребата на материала в реални технически приложения. При влагане в устройства за съхранение на енергия, графеновият гел значително превъзхожда досегашните въглеродни материали както по отношение на количеството енергия, която съхранява, така и по отношение на скоростта на зареждане и разреждане, допълват откривателите.

Сред характеристиките на графена е и изключителната му проводимост - пет пъти по-висока от тази на медта. Той е сред най-добрите топлопроводящи материали, познати до момента и то при плътност четири пъти по-малка от медта. Уникалните му характеристики в областта на свръхпроводимостта и свръхпроводниците отварят нови възможности пред технологиите за оползотворяване на възобновяемата енергия. Също така, при суперкондензаторите този материал увеличава стотици пъти повърхността на катодите, от което пряко зависи количеството на съхраняваната енергия.

Очаква се технологиите за съхранение да изиграят ключова роля в балансирането на търсенето и предлагането на енергия. Логично, ще се създадат и нови финансови възможности за участниците на електроенергийния пазар, които ще могат да купуват и съхраняват енергия при ниско натоварване на мрежата и да я продават, съответно при по-висока тарифа, когато има голямо търсене. В някои от страните вече се обмислят и регулаторни механизми за съхранението на енергията от ВЕИ, които да насърчат развитието на сектора.