научная статья по теме ГИБРИДНЫЙ НАКОПИТЕЛЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ Энергетика

Текст научной статьи на тему «ГИБРИДНЫЙ НАКОПИТЕЛЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ»

ГИБРИДНЫЙ НАКОПИТЕЛЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Доктор технических наук К.К. ДЕНЬЩИКОВ, доктор физико-математических наук А.З. ЖУК, академик В.Е. ФОРТОВ, академик А.Е. ШЕЙНДЛИН

Электроэнергия - универсальный, экологически чистый энергоноситель, с помощью которого современная цивилизация решает огромное количество жизненно важных проблем. Единственным серьёзным недостатком электроэнергии являются неудобства, связанные с её хранением. Именно поэтому вопрос о создании эффективных накопителей электроэнергии не теряет актуальности более сотни лет. К настоящему времени разработан широкий спектр накопителей, построенных на различных принципах и отличающихся как технико-экономическими показателями, так и функциональным назначением1: гидравлические и пневматические аккумуляторы, маховики, сверхпроводящие индуктивные накопители, ёмкостные накопители и разнообразные электрохимические накопители.

Интерес к накопителям электроэнергии в настоящее время растёт в связи с активизацией работ по созданию интеллектуальных электроэнергетических систем, в которых накопи-ю тели играют роль одного из ключевых g элементов. В интеллектуальных сетях £ накопители могут выполнять ряд важ-I ных функций (выравнивание графи-§ ков нагрузки в сети; демпфирование g- кратковременных колебаний активной ! и реактивной мощности и частоты; н снятие или существенное сокращение 1 нерегулярных колебаний в межсистем-I ных линиях электропередачи для по-§ вышения её пропускной способности;

к-

® 1 Susan M. Schoenung and William Hassenzahl rç Long vs. Short-Term Energy Storage: Sensitivity Analysis. A Study for the DOE Energy Storage Systems Program. SAND REPORT. SAND2007-4253. Unlimited Release Printed July 2007.

обеспечение бесперебойного питания как собственно подстанций и электрических сетей (собственные нужды), так и особо важных потребителей; обеспечение стабильной и устойчивой работы децентрализованных и нетрадиционных источников, работающих как автономно, так и в составе ЕНЭС).

В качестве перспективных для использования в интеллектуальных сетях рассматриваются накопители на основе аккумуляторных батарей большой энергоёмкости. Накопители подобного рода имеют ряд преимуществ (возможность реализации модульного исполнения и компактность конструкции; функциональная гибкость, обеспечивающая реализацию различных режимов работы; широкие возможности автоматизации процессов управления и контроля; простота интеграции в системы интеллектуальных электрических сетей), подтверждённых опытом эксплуатации более тысячи накопителей мегаватт-ного класса, произведённых компаниями NGK Insulator Xcell Energy на основе натрий-серных аккумуляторов2.

Основными недостатками натрий-серных аккумуляторов являются высокий ток саморазряда и невысокая удельная энергоёмкость. Для некоторых из перечисленных выше применений эти недостатки оказываются существенными.

2 Прохоров И.Ю., Акимов Г.Я., Радионова О.И. Твёрдые катионные электролиты и метаноло-вая энергетика. Наука та нновацп. 2011. Т. 7. № 6. С. 17-32; Benjamin L. Norris, Jeff Newmiller, Georgianne Peek. NASA Battery Demonstration at American Electric Power. A Study for the DOE Energy Storage Program. SANDIA REPORT. SAND2006-6740. Unlimited Release. Printed March 2007.

2

© К. К. Деньщиков, А. З. Жук, В. Е. Фортов, А. Е. Шейндлин

Таких недостатков лишены накопители, создаваемые на основе литий-ионных аккумуляторов. Поэтому к ним в настоящее время проявляется повышенный интерес. Конкретные особенности и недостатки накопителей на основе литий-ионных аккумуляторов ещё предстоит сформулировать, так как подобных устройств большой мощности выпущено всего несколько десятков и работают они по-существу в режиме опытной эксплуатации. Впрочем, уже сейчас понятно, что и эти относительно новые накопители обладают рядом недостатков, в той или иной степени присущих всем их аккумуляторным собратьям (высокой удельной стоимостью, недостаточным ресурсом работы, существенным уменьшением ресурса при работе в пиковых режимах при разряде и заряде, наличием специальных требований к глубине разряда).

Чтобы минимизировать влияние этих недостатков на технико-экономические характеристики аккумуляторных систем накопления, авторами был предложен новый для стационарной энергетики подход, который можно считать до некоторой степени апробированным при создании тяговых установок для электрического и гибридного транспорта3. Суть подхода состоит в создании накопителя, построенного на комбинации аккумуляторной батареи и батареи суперконденсаторов.

Аккумулятор обладает приемлемой энергоёмкостью (для литий-ионных систем 90-220 Вт • ч/кг), но относительно небольшим (500-3000 циклов заряд-разряд) ресурсом. Кроме того, работа аккумулятора (как и любого другого химического источника тока) в режимах больших мощностей резко снижает его энергоёмкость и срок эксплуатации4.

Суперконденсатор имеет низкую энергоёмкость (в среднем 1-5 Вт • ч/кг), но весьма большой ресурс (до миллиона

3 Жук А.З., Клейменов Б.В., Фортов В.Е., Шейнд-лин А.Е. Электромобиль на алюминиевом топливе. М, Наука. 2012. - 171 с.

4 В настоящее время создано новое поколение аккумуляторов на основе нанотитаната лития (т.н. МИО). Эти аккумуляторы имеют хорошую циклируемость - свыше 15000 циклов заряд-

разряд. Однако это преимущество нивелируется существенно более низкой энергоёмкостью (около 60 Втч/кг) и высокой стоимостью.

циклов заряд-разряд). Суперконденсатор легко справляется с высокими токами нагрузки. При заданном исходном напряжении его максимальная мощность, как и у обычного конденсатора, определяется только импедансом5 цепи и самого суперконденсатора. Сочетание аккумуляторов и суперконденсаторов в одном накопителе, который мы назвали гибридным, может обеспечить компенсацию возмущений сети в широком частотном спектре. При этом, как будет показано ниже, стоимость гибридного устройства накопления электроэнергии оказывается ниже стоимости аккумуляторного аналога.

Суперконденсатор, без подключения аккумулятора, компенсирует возмущения длительностью до первых минут. При длительности возмущений от минут до нескольких часов вступает в действие аккумуляторная часть накопителя. Кроме того, наличие в составе накопителя суперконденсаторной части, включённой параллельно с аккумулятором, позволяет сглаживать фронты импульсов тока и напряжения, обеспечивая снижение мгновенной мощности, отдаваемой или получаемой аккумуляторной частью накопителя.

Параллельное включение аккумуляторов и суперкондесаторов обеспечивает как минимум двукратное увеличение мощности накопителя в течение того промежутка времени, на который рассчитана энергоёмкость суперконденсатора.

Различие принципов организации работы аккумуляторного и гибридного накопителей иллюстрирует рис.1.

Остановимся подробнее на технико-экономическом аспекте гибридизации. | На рис.2 показаны результаты упро- ™ щённых оценок зависимости стоимости | киловатта установленной мощности от | времени непрерывной работы (энергоёмкости) для трёх типов накопителей: | аккумуляторного, суперконденсаторно- г го (две зелёные пунктирные линии) и | гибридного (с различными сочетания- | ми энергоёмкости аккумуляторной и 1 суперкондесаторной частей - красные *

--с!

5 (англ, impedance, от лат. impedio - препят- « ствую) (комплексное сопротивление) - аналог электрического сопротивления для гармонических процессов.

Рис. 1.

Упрощённые схемы накопителей. а) аккумуляторный; б) гибридный. Более широкие функциональные возможности гибридного накопителя символически иллюстрируются возможностью реализовать различные схемы включения батарейки и конденсатора путём различных комбинаций замкнутых и разомкнутых ключей.

V

линии). Здесь к = 1ЛЗС - отношение максимального времени непрерывной работы накопителя (1) ко времени работы (У суперконденсаторной части, к -максимально возможное количество циклов заряд-разряд.

На этом же графике показаны аналогичные оценки для газодизельной (ДГУ) и газотрурбинной (ГТУ) электростанций. Небольшой наклон этих линий обусловлен учётом топливной состав-

Рис. 2.

Сравнение удельных стоимостей накопителей (аккумуляторных, суперконденсаторных и гибридных) в зависимости от времени непрерывной работы (ёмкости). Линии ГТУ, ДГУ - удельные стоимости газотурбинных и дизельных генераторов с учётом топливной составляющей.

С\1 ГС

о с

о *

о 2

о

ГС

£1 а>

X

о

ляющей (природный газ). Здесь п - количество пусков электрогенератора до капитального ремонта.

Представленные на рис. 2 данные демонстрируют, что применение накопителя на основе литий-ионных аккумуляторов является экономически оправданным при временах разряда не более 1 часа в сравнении с резервной газодизельной электростанцией, и не более 2 часов в сравнении с резервной газотурбинной электростанцией. Аналогичные показатели для суперконденсаторного накопителя оказываются в несколько раз лучше, что обусловлено значительно большим ресурсом суперконденсатора. Данные для гибридных накопителей с различным соотношением ёмкости аккумуляторов и суперконденсаторов естественно должны лежать внутри области, ограниченной зелёными пунктирными линиями.

Следует учесть, что удельная энергия суперконденсатора в 20-100 раз ниже, чем у аккумулятора. В связи с этим создание суперкондесаторного накопителя большой энергоёмкости в большинстве случаев оказывается неприемлемым. Такой накопитель будет слишком большим и тяжёлым. На рис. 2 красными линиями показаны характеристики гибридных систем при разных степенях гибридизации (значениях параметра к). Степень гибридизации позволяет оптимизировать конструкцию накопителя, варьируя его стоимость и массогабаритные характеристики в зависимости от функциональных требо-

1-ва 3.0

* 2.8

ч 2.6

с;

о 2.4

л" 2.2

Б 2.0

о

г 1.8

5

1.6

<_> 1.4

1.2

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

Область возможных параметров ГНЭ < А/

ограничена пунктирным И

лиь шями : и-о И л

ГТУ

¿г

ДГУ -

___ Т.Г/Р т.ч. п = 1000000

- - --- СКДООДО'»1-/ | ■

к=

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Энергетика»