Аккумуляторы энергии, основанные на выделении и поглощении теплоты при обратимых химических и фотохимических реакциях

Использование термохимических циклов в тепловых аккумуляторах основывается на принципе возникновения химического потенциала в результате обратимой химической реакции в неравновесном состоянии. Важным преимуществом данного способа аккумулирования, по сравнению с другими, является возможность долгосрочного хранения и транспорта на значительные расстояния запасенной энергии без применения тепловой изоляции [56].

Характеристики некоторых термохимических систем (ТХС) приведены в Табл.10, из которой видно, что наиболее высокой удельной энергоемкостью (на единицу массы) обладают все ТХС, основанные на конверсии метана (паровой и углекислотной) и реакции синтеза метанола и аммиака. Такие реакции (термохимического разложения) идут с увеличением объема (за счет газовой фазы) и поэтому в значительной степени зависят от давления процесса.

Свойствами, необходимыми для термохимического преобразования энергии, обладают также реакции образования и разложения триоксида серы, так как в результате их реализации достигаются температуры 1100-1200 К. Кроме того, они характеризуются высокой объемной энергоемкостью и возможностью хранения сернистого ангидрида в жидком состоянии при температуре окружающей среды. Сложность, возникающая при использовании таких ТХС, - создание материалов, устойчивых к окислению в агрессивной среде (SO₃, SO₂, O₂). Эти же проблемы присущи и ТХС, где в качестве реагентов используются окисные азотные и хлорные соединения. Для большинства термохимических циклов необходимо присутствие катализаторов, разработка которых является отдельной серьезной проблемой.

Таблица 10

Характеристики некоторых газофазовых и газожидкостных термохимических систем

Низкопотенциальные ТХС не требуют теплоизоляции трубопроводов, так как реагенты транспортируются при температурах, близких к температуре окружающей среды, не имеют тепловых потерь, а объемный расход теплоносителя в два раза меньше [57].

Аккумуляция электрической энергии. По способу аккумуляции электрической энергии различают механические, электрические и химические системы аккумулирования. Механические системы аккумулирования энергии. К механическим системам аккумулирования энергии относятся маховые колеса, гидро- и газоаккумулирующие станции.

Гидроаккумулирующие электростанции. Гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС) – это гидроэлектростанция, используемая для выравнивания суточной неоднородности графика электрической нагрузки. Принципиальная схема ГАЭС показана на Рис.28.

Рис.28. Принципиальная схема ГАЭС

Когда электрическая нагрузка в электрической сети (ЭС) минимальна, ГАЭС пере-качиванием воды из нижнего бассейна в верхний накапливает (аккумулирует) избыточ-ную энергию, а в часы пиковых нагрузок в ЭС преобразует потенциальное энергию запа-сенной воды в электрическую. КПД современных ГАЭС достигает 70-75%.

На Рис.29 представлены возможные компоновки гидроаккумулирующих станций.

Рис.29. Компоновки ГАЭС

На первых ГАЭС для выработки электроэнергии использовали турбины (Т) и генераторы (Г), а для перекачки воды в верхний бассейн – электрические двигатели (Д) и насосы (Н). Такие станции назвали 4-машинными (Рис.29а). Сокращение числа машин существенно снижает стоимость ГАЭС и открывает перспективы для их применения. Объединение функций генератора и двигателя в одной машине привело к 3-машинной компоновке станций (Рис. 29б), а после появления обратимых гидротурбин, выполняющих роль и турбин, и насосов, количество машин на станции вообще сократилось до двух (Рис. 29в).

Особенно эффективными считаются ГАЭС с 2-машинной компоновкой, однако они характеризуются более низкими значениями КПД в связи с определенными трудно-стями технического характера.

Газоаккумулирующая электростанция. Идея сохранять произведенную электрическую энергию в виде механической энергии сжатых газов вовсе не нова и насчитывает уже около 40 лет. Однако ее реальное воплощение требует решения многих технических проблем.

Принцип работы газоаккумулирующей станции состоит в следующем: «внепико-вая» электрическая энергия ЭС используется для привода компрессора, нагнетающего под давлением газ в подземную полость (естественная пещера, заброшенная шахта или специально созданная полость); когда требуется использовать запасенную энергию, газ под давлением направляется на газотурбинную установку, вырабатывающую электриче-скую энергию. КПД газоаккумулирующей станции при сегодняшнем уровне техники может составлять 70%.

Супермаховик. Супермаховик – это маховое колесо, которое можно разгонять до очень высокой скорости вращения, не боясь его разрыва. Запасаемая им энергия – это кинетическая энергия вращения самого колеса. Маховик соединен с валом генератора и помещен в герметичный корпус, где для уменьшения потерь от трения поддерживается вакуум. Устройство работает как генератор, когда возрастает потребление энергии в ЭС, и как электродвигатель, когда энергию целесообразно аккумулировать.

К преимуществам маховиков как аккумуляторов можно отнести высокий КПД (80-90%), бесшумность работы, отсутствие загрязнения окружающей среды, быстроту зарядки и возможность размещения непосредственно вблизи потребителя. Недостатками явля-ются трудность обеспечения высокой степени концентрации энергии, необходимость разгона маховика, значительная стоимость устройства и жесткие требования к материалу махового колеса по прочностным характеристикам из-за опасности разрушения при вы-соких скоростях.