Die Kette des technologischen Zyklus der Stromerzeugung umfasst zwangsläufig ein Glied wie einen Speicher (Batterie). IN traditionelle Wege Bei der Stromerzeugung werden Energiereserven in einer vorläufigen, „nichtelektrischen“ Form angesammelt, und dieses Bindeglied, der Energiespeicher, befindet sich direkt vor dem elektrischen Generator.
Der Stausee eines Wasserkraftwerks soll die potentielle Energie des Flusswassers im Gravitationsfeld der Erde akkumulieren und es mit Hilfe eines Damms auf eine bestimmte Höhe anheben. Wärmekraftwerk sammelt sich in seinen Lagereinrichtungen notwendig für unterbrechungsfreien Betrieb Bestände an festem bzw flüssiger Kraftstoff oder liefert Erdgas über eine Pipeline, deren Heizwert die erforderliche Energiereserve gewährleistet. Die Reaktorstäbe von Kernkraftwerken stellen einen Kernbrennstoffvorrat dar, der über eine bestimmte Ressource an Kernenergie zur Nutzung verfügt.
Der Konstantleistungsmodus ist für alle aufgeführten Stromerzeugertypen verfügbar. Die Menge der erzeugten Energie wird in weiten Grenzen abhängig von der Höhe des täglichen Energieverbrauchs reguliert. Alternative Quellen (Wind, Gezeiten, Geothermie, Sonnenenergie) kann keine garantiert konstante Generatorleistung auf dem aktuell erforderlichen Niveau bereitstellen. Der Speicher ist daher weniger ein Speicher für Ressourcen als vielmehr ein Dämpfungsgerät, wodurch der Energieverbrauch weniger von Schwankungen der Quellenleistung abhängig wird. Die Energie der Quelle wird im Speicher gespeichert und später bei Bedarf in Form verbraucht elektrische Energie. Darüber hinaus hängt der Preis stark von den Kosten des Antriebs ab.
Ein charakteristisches Merkmal des Speichers alternativer Energiequellen ist, dass die darin gespeicherte Energie für andere Zwecke genutzt werden kann. Mit ihrer Hilfe können beispielsweise starke und superstarke Magnetfelder erzeugt werden.
Die in Physik und Energie akzeptierten Maßeinheiten für Energie und die Beziehungen zwischen ihnen: 1 kWh oder 1000 W 3600 s – das Gleiche wie 3,6 MJ. Dementsprechend entspricht 1 MJ 1/3,6 kWh, also 0,278 kWh
Einige gängige Energiespeichergeräte:
Machen wir gleich einen Vorbehalt: Die obige Übersicht stellt keine vollständige Klassifizierung der im Energiesektor verwendeten Energiespeicher dar. Zusätzlich zu den hier besprochenen gibt es Wärme-, Feder-, Induktions- und verschiedene andere Arten von Energiespeichern.
1. Kondensatorspeicher
Die von einem 1-F-Kondensator bei einer Spannung von 220 V gespeicherte Energie beträgt: E = CU2 /2 = 1 2202 /2 kJ = 24 200 J = 0,0242 MJ ~ 6,73 Wh. Das Gewicht eines solchen Elektrolytkondensators kann 120 kg erreichen. Die spezifische Energie pro Masseneinheit beträgt knapp über 0,2 kJ/kg. Ein stündlicher Betrieb des Antriebs ist bei einer Belastung von bis zu 7 W möglich. Elektrolytkondensatoren können bis zu 20 Jahre halten. Ionistoren (Superkondensatoren) haben eine hohe Energie- und Leistungsdichte (ca. 13 Wh/l = 46,8 kJ/l bzw. bis zu 6 kW/l) mit einer Lebensdauer von ca. 1 Million Ladezyklen. Der unbestreitbare Vorteil eines Kondensatorspeichers ist die Möglichkeit, die angesammelte Energie in kurzer Zeit zu nutzen.
2. Schwerkraftspeichergeräte
Energiespeicher vom Typ Rammgerät speichern Energie, wenn ein Rammgerät mit einem Gewicht von 2 Tonnen oder mehr auf eine Höhe von etwa 4 m gehoben wird elektrischer Generator. Die erzeugte Energiemenge E = mgh beträgt im Idealfall (ohne Berücksichtigung von Reibungsverlusten) ~ 2000 · 10 4 kJ = 80 kJ ~ 22,24 Wh. Die spezifische Energie pro Masseneinheit einer Koprafrau beträgt 0,04 kJ/kg. Innerhalb einer Stunde ist das Laufwerk in der Lage, eine Last von bis zu 22 W bereitzustellen. Die erwartete Lebensdauer der mechanischen Struktur beträgt mehr als 20 Jahre. Die von einem Körper in einem Gravitationsfeld gespeicherte Energie kann auch in kurzer Zeit verbraucht werden, was ein Vorteil dieser Option ist.
Der Hydrospeicher nutzt die Energie von Wasser (ca. 8-10 Tonnen schwer), das aus einem Brunnen in einen Behälter gepumpt wird Wasserturm. In umgekehrter Bewegung dreht das Wasser unter dem Einfluss der Schwerkraft die Turbine des elektrischen Generators. Normal Vakuumpumpe ermöglicht es Ihnen, Wasser problemlos bis zu einer Höhe von 10 m zu pumpen. Die gespeicherte Energie beträgt in diesem Fall E = mgh ~ 10000 8 · 10 J = 0,8 MJ = 0,223 kW/Stunde. Die spezifische Energie pro Masseneinheit beträgt 0,08 kJ/kg. Die vom Antrieb bereitgestellte Last für eine Stunde liegt bei 225 W. Der Antrieb kann 20 Jahre oder länger halten. Der Windmotor kann die Pumpe direkt antreiben (ohne Energie in Strom umzuwandeln, was mit gewissen Verlusten verbunden ist); das Wasser im Turmtank kann bei Bedarf für andere Zwecke verwendet werden.
3. Schwungradbasierter Speicher
Die kinetische Energie eines rotierenden Schwungrads wird wie folgt bestimmt: E = J w2/2, J bedeutet das Eigenträgheitsmoment des Metallzylinders (da er sich um die Symmetrieachse dreht), w ist die Winkelgeschwindigkeit der Drehung.
Mit Radius R und Höhe H hat der Zylinder ein Trägheitsmoment:
J = M R^2 /2 = pi * p R^4 H/2
Dabei ist p die Dichte des Metalls – das Material des Zylinders, das Produkt pi* R^2 H ist sein Volumen.
Maximal möglich lineare Geschwindigkeit Punkte auf der Zylinderoberfläche Vmax (ca. 200 m/s für ein Stahlschwungrad).
Vmax = wmax*R, woraus wmax = Vmax/R
Maximal mögliche Rotationsenergie Emax = J wmax^2/2 = 0,25 pi*p R2^2 H V2max = 0,25 M Vmax^2
Die Energie pro Masseneinheit beträgt: Emax/M = 0,25 Vmax^2
Wenn das zylindrische Schwungrad aus Stahl besteht, beträgt die spezifische Energie etwa 10 kJ/kg. Ein 200 kg schweres Schwungrad (mit linearen Abmessungen H = 0,2 m, R = 0,2 m) speichert Energie Emax = 0,25 pi 8000 0,22 0,2 2002 ~ 2 MJ ~ 0,556 kWh. Maximale Belastung Die vom Schwungradantrieb für eine Stunde bereitgestellte Leistung überschreitet 560 W nicht. Das Schwungrad kann durchaus 20 Jahre oder länger halten. Vorteile: schnelle Freisetzung der angesammelten Energie, Möglichkeit einer deutlichen Verbesserung der Eigenschaften durch Materialauswahl und -wechsel geometrische Eigenschaften Schwungrad.
4. Lagerung in Form einer Chemikalie Batterie(Bleisäure)
Ein klassischer Akku mit einer Kapazität von 190 Ah ist bei einer Ausgangsspannung von 12 V und 50 % Entladung in der Lage, 9 Stunden lang einen Strom von etwa 10 A zu liefern. Die freigesetzte Energie beträgt 10 A 12 V 9 h = 1,08 kWh oder etwa 3,9 MJ pro Zyklus. Bei einer Batteriemasse von 65 kg ergibt sich eine spezifische Energie von 60 kJ/kg. Die maximale Belastung, die der Akku eine Stunde lang bereitstellen kann, überschreitet 1080 W nicht. Garantiezeit Die Lebensdauer einer hochwertigen Batterie liegt je nach Nutzungsintensität bei 3 – 5 Jahren. Es ist möglich, Strom direkt aus der Batterie mit einem Ausgangsstrom von mehreren Tausend Ampere und einer Ausgangsspannung von 12 V zu beziehen, was dem Automobilstandard entspricht. Viele Geräte, die für eine konstante Spannung von 12 V ausgelegt sind, sind mit der Batterie kompatibel; es sind 12/220-V-Wandler mit unterschiedlicher Ausgangsleistung erhältlich.
5. Pneumatische Lagerung
Luft, die in einen Stahltank mit einem Volumen von 1 Kubikmeter und einem Druck von 40 Atmosphären gepumpt wird, verrichtet Arbeit unter Bedingungen isothermer Expansion. Die von einem idealen Gas unter den Bedingungen T=const geleistete Arbeit A wird nach der Formel bestimmt:
A = (M / mu) R T ln (V2 / V1)
Dabei ist M die Masse des Gases, mu die Masse von 1 Mol desselben Gases, R = 8,31 J/(mol K), T die auf der absoluten Kelvin-Skala berechnete Temperatur, V1 und V2 die Anfangs- und Endtemperatur vom Gas eingenommenes Volumen (bei dieser Ausdehnung beträgt V2 / V1 = 40). atmosphärischer Druck im Tank). Für die isotherme Expansion gilt das Boyle-Marriott-Gesetz: P1V1 = P2 V2. Nehmen wir T = 298 0K (250C) Für Luft M/mu ~ 40: 0,0224 = 1785,6 Mol Substanz, Gas leistet A = 1785,6 8,31 298 ln 50 ~ 16 MJ ~ 4,45 kWh pro Zyklus. Die Wände des Tanks, die für einen Druck von 40–50 Atmosphären ausgelegt sind, müssen eine Dicke von mindestens 5 mm haben, und daher beträgt die Masse des Speichers etwa 250 kg. Gespeicherte Daten pneumatischer Speicher die spezifische Energie beträgt 64 kJ/kg. Die maximale Leistung des pneumatischen Speichers während einer Betriebsstunde beträgt 4,5 kW. Garantierte Lebensdauer, wie die meisten leistungsbasierten Laufwerke mechanische Arbeit ihre Strukturteile, ist ab 20 Jahren. Vorteile dieser Art Lagerung: die Möglichkeit, den Tank unter der Erde zu platzieren; Der Tank kann ein Standardtank sein Gasflasche Durch den Einsatz geeigneter Geräte ist die Windkraftanlage in der Lage, Bewegungen direkt auf die Kompressorpumpe zu übertragen. Darüber hinaus nutzen viele Geräte direkt die gespeicherte Energie der Druckluft in einem Tank.
Wir stellen die Parameter der betrachteten Arten von Energiespeichern in einer Übersichtstabelle dar:
Typ Energiespeichergerät |
Geschätzte Leistungsmerkmale |
Gespeicherte Menge |
Spezifische Energie (pro Masseneinheit des Geräts), kJ/kg |
Maximale Belastung bei einstündigem Antrieb des Antriebs, W |
Erwartete Lebensdauer |
Kondensatortyp |
Batteriekapazität 1 F, |
24,2 |
innerhalb von 20 |
||
Kopro-Typ |
Gewicht einer weiblichen Kopra maximal 2000 kg |
0.04 |
mindestens 20 |
||
Schwerkrafthydraulischer Typ |
Flüssigkeitsmasse 8000 kg, Höhenunterschied 10 m |
0.08 |
mindestens 20 |
||
Schwungrad |
zylindrisches Schwungrad aus Stahlgewicht |
2000 |
mindestens 20 |
||
Blei-Säure-Batterie |
Batteriekapazität 190 A Stunde, |
3900 |
1080 |
mindestens 3, höchstens 5 |
|
Pneumatischer Typ |
Stahltank mit Fassungsvermögen Tankgewicht 2,5 c Druckluftdruck 40 |
16000 |
4500 |
mindestens 20 |
Die einfachste Batterie dieser Art ist eine gewöhnliche Gasflasche, in die im Moment der Spitzenstromerzeugung von einem Kompressor Luft unter hohem Druck gepumpt wird. Wenn die Energieproduktion sinkt oder umgekehrt der Verbrauch stark ansteigt, öffnet sich das Ventil und die austretende Druckluft dreht die Generatorturbine. Der Wirkungsgrad einer solchen Anlage erweist sich als relativ gering, aber angesichts der Tatsache, dass bei Produktionsspitzen oft Energie einfach verschwendet wird und den umgebenden Raum erwärmt, sollte auch dieser Zusatz nicht vernachlässigt werden.
Wie können Sie die Effizienz steigern und die relativen Kosten eines solchen Systems senken? In einem Setup namens Druckluft Energiespeicher(CAES), erstmals 1991 von den Vereinigten Staaten in McIntosh, Alabama, gebaut. Als Reservoir dient eine natürliche unterirdische Salzgrotte. Die Salzschicht lässt keine Luft durch, auch nicht darunter Hochdruck- Salzstaub mit kleinen Körnern dichtet die kleinsten Risse ab, die in der Dicke der Formation auftreten können. Luft in die Höhle mit einem Volumen von 538.000 Kubikmetern. von einem Kompressor auf einen Druck von 77 Atmosphären gepumpt. Wenn der Stromverbrauch im Netz unerwartet ansteigt, entweicht Luft und gibt Strom an das System ab. Die Zeit zum Entleeren des Tanks auf einen niedrigeren Betriebsdruck von 46 atm beträgt 26 Stunden, in denen die Station 110 MW Leistung produziert.
Wie kann die Effizienz des Systems gesteigert werden? Druckluft dreht das Laufrad nicht von selbst, sondern vermischt sich mit Erdgas und gelangt in die Gasturbine. Am meisten Die Leistung einer Gasturbine (bis zu zwei Drittel) wird normalerweise für den Antrieb des Kompressors aufgewendet, der Luft hineinpumpt – hier erzielen wir erhebliche Einsparungen. Darüber hinaus wird die Luft vor dem Eintritt in die Turbine im Wärmetauscher (Rekuperator) mit Verbrennungsprodukten erhitzt, was ebenfalls zur Effizienz beiträgt.
Insgesamt bietet dieses Schema, vergleichbar mit einer herkömmlichen Gasturbine, eine Reduzierung des Gasverbrauchs um 60 bis 70 %, einen schnellen Start aus dem kalten Zustand (mehrere Minuten) und gute Arbeit bei geringer Belastung. Der Bau der Mcntosh-Station dauerte 30 Monate und kostete 65 Millionen US-Dollar (trotz der Anwesenheit einer natürlichen Salzhöhle).
Zusätzlich zum Projekt in Alabama haben die Deutschen 1978 in Huntorf einen 290-MW-Speicher (2 Stunden Betrieb) in zwei Salzhöhlen in einer Tiefe von 600...800 m mit einem Druckbereich von 50... in Betrieb genommen. 70 Atmosphären. Der Speicher diente ursprünglich als heiße Reserve für die Industrie im Nordwesten Deutschlands und dient heute der Glättung von Leistungsspitzen bei Windparks.
IN Sowjetzeit Im Donbass war der Bau einer pneumatischen 1050-MW-Batterie geplant, aber leider blieb, wie bei vielen Projekten dieser Jahre, alles auf dem Papier.
Nun, ein Video von den Projektentwicklern.