УДК620.92 DOI 10.52167/1609-1817-2023-128-5-493-503 Д.Р. Умышев1 , A.A. Кибарин1, Е.В. Осипов2,
Ю.В. Петухов3, М.С. Коробков1
1Ғ. Даукеев атындағы Алматы энергетика және байланыс университеті Алматы, Қазақстан
2 Қазан ұлттық технологиялық зерттеу университеті, Қазан, Ресей
3ТОО Tien Shan Engineering, Алматы, Қазақстан E-mail: [email protected]
ЭНЕРГИЯМЕН ҚАМДАУ СҰЛБАЛАРЫНДА КРИОГЕНДІК ЖИНАҚТАУЫШТАРДЫ ПАЙДАЛАНУ ТИІМДІЛІГІН ТАЛДАУ
Аңдатпа. Бұл берілген мақалада жалпылай алғанда энергоресурстарды тиімді пайдалану, яғни энергетикалық тиімділік пен энергия үнемдеу мәселелері қарастырылып, жаңғыртылған энергия көздерін (әрі қарай ЖЭК) пайдалана отырып, криогенді жинақтауыштарды пайдалану тиімділігін арттыру жолдары қарастырылады. Қазіргі таңда әлемде энергетикада саласындағы өзгерістер тұтынушылардың әртүрлі және көбінесе тұрақты емес жүктемелерге бейімделуін ескере отырып, жаңа экологиялық және тиімділігі жоғары технологияларды дамыту өзекті болып отыр және заман талап етеді. ЖЭС жылу электр станцияларының қоршаған ортаға әсері пайдаланылған отынға байланысты екенін ескере отырып, алайда, өнеркәсіптік қуаттардың құрылымында Қазақстанда көмірмен жұмыс істейтін стансалардың саны көп, сонымен қатар электр желілерінің кестесін бұзудың айқын проблемалары бар. Қазақстанның көміртегі бейтараптығына көшуіне байланысты 2060 жылға қарай энергияның баламалы түрлерінде жұмыс істейтін электр станцияларының жаңа типтерін әзірлеу өзекті болып табылады. Күрт континенттік жүктемелерді ескере отырып, электр және жылу кестелерінің біркелкілігін арттыру маңызды мәселелердің бірі болып табылады. Бұл жағдайда жаңартылатын энергия көздерін пайдалану тиімділігі жоғары және сенімді жүйе құру мүмкіндігін едәуір қиындатады. Өзекті және тиімді шешімдердің бірі жылу және электр энергиясын тұтыну кестелерінің біркелкі еместігін тегістеуге мүмкіндік беретін әртүрлі энергия жинақтауыштарын пайдалану болып табылады. Осының арқасында сығылған ауаны сақтау жүйесін пайдалану тиімді шешім болып табылады. Бұл мақалада Aspen HYSYS математикалық модельдеу дәстүрлі жылу электр станцияларының жылу және электр жүктемесін және күрт континенттік климатты ескере отырып, сұйық ауаны сақтаудың жаңа жүйелерін пайдалана отырып зерттеулер жүргізілді жайында айтылады. Талдау көрсеткендей, LAES жүйесін пайдалану (криогендік жүйелер) тұтынушылардың жүктемелер кестесін біркелкі реттеу үшін тамаша шешім болуы мүмкін. Бұл ретте математикалық модельдеу барысында жинақтауыштардың жылу және электр қуатын беруде генерацияның барлық сұлбасын оңтайландырудың тиісті процесі жақсы жүретіндігін көрсетті. Модельдеу нәтижелері бойынша жинақтауыштар ретінде криогендік жүйелерді тиімді пайдаланудың негізгі шекараларын айқындайтын реперлік нүктелер алынды, сондай-ақ электр станциялары мен ЖЭК объектілері жұмысының жіті келісу қажеттілігін тағы да атап өтетін тәуелділіктер алынды, олардың құрамдастырылған сұлбаларында медиатор және тұрақтандырушы элементтер энергия жинақтауыштар болып табылады. Модельдеу тәжірибесі көрсеткендей, жинақтауыштар түрінің технологиялық ерекшеліктерін және олардың бірлі-жарым қуатын қалпына кеттіру мүмкіндіктерін ескере отырып, энергия жинақтау жүйелерінің ең жоғары ПӘК алу мақсатында жалпы сұлбаны оңтайландыру процесі неғұрлым маңызды мәселе болып
табылады. Көптеген зерттеулердің нәтижесінде жүктемелерді оңтайландыру, біркелкі реттеуге келетінде математикалық модельдеудің арқасында криогенді жинақтауыштарды пайдаланып, қазіргі болып жатқан мәселелердің шешу жолдары табылды.
Түйінді сөздер. Сұйық ауа, LAES, сығу процесі, тиімділік, модельдеу.
Кіріспе.
Энергия ресурстарын үнемдеу XXI ғасырдың маңызды міндеттерінің бірі болып табылады, өйткені жылу және электр энергиясын тұтыну ‒ адамның өмір сүруі мен тұрмыстық жағдайына маңызды мәселе болып табылады. Бәсекеге қабілеттілікті, қаржылық тұрақтылықты арттыру, мемлекет экономикасының энергетикалық және экологиялық жағдайы, сондай-ақ халықтың өмір сүру деңгейі мен сапасының өсуі энергия үнемдеу әлеуетін және энергетикалық жаңғыртуды, технологиялық дамуды, жаңа тәсілдерді қолданусыз іске асырусыз мүмкін емес [1].
Энергия үнемдеу және энергетикалық тиімділікті арттыру болашақтың негізгі көздерінің бірі ретінде қарастыру керек болып табылатын экономикалық өсу.
Энергетикалық тиімділік - бұл энергетикалық ресурстарды тиімді пайдалану, яғни, ғимараттарға немесе өндіріс процестеріне электр энергиясын жеткізудің бірдей деңгейін қамтамасыз ету үшін энергияны аз пайдалану, оның энергия үнемдеуден айырмашылығы - энергияны тұтынуды азайтуға бағытталған, пайдалы энергия шығыны болып табылады.
Халық үшін бұл коммуналдық шығындардың айтарлықтай төмендеуі, ел үшін ресурстарды үнемдеу, өнеркәсіптік өнімділікті арттыру және бәсекеге қабілеттілігін арттыру, қоршаған ортаға - атмосфераға парниктік газдар шығарындыларын шектеу, энергетикалық компаниялар үшін - отын шығынын азайту және құрылысқа жұмсалатын шығындарды азайту болып табылады.
Әртүрлі жолмен алынған энергияны тұтыну өнеркәсіптік және ауылшаруашылық өндірісінің негізін құрайды. Мамандардың болжамдары мен статистикалық мәліметтерге сүйенсек, 2030 жылға дейін әлемде электр энергиясын тұтынудың орташа жылдық өсімі 2,4%-ға артады екен [2]. Бұл ретте бастапқы энергия түрлері әдетте жаңартылатын және органикалық отындар болып бөлінеді. Жаңартылатын энергия көздерін пайдалану әлемдік тұтынудың 5 пайызынан азын құрайды. Сол себепті қазіргі таңда жаңғыртылған энергия көздерін пайдаланып энергия алу жолдары өзекті болып табылады. Отын энергиясында пайдаланылатын ағаш және ауыл шаруашылығы қалдықтарының үлесі үнемі азайып келеді және қазіргі уақытта әлемдік отын тұтынудың 1 пайызынан азын құрайды [3].
2021 жылғы Париж келісімі бойынша болашақта жаңа технологияға көшуге бағытталған. Сонымен қатар, СОР-26 жасылдандыруды ұсынады, ол дегеніміз жылуэнергетикалық станциялардың төңерегіне ағаштар мен гүлдерді отырғызу, климаттық қауіптер шарттарын орындап, көмірқышқыл газдарынан арылу деген маңынаны білдіреді [4].
Алайда, бүгінгі күні әлемдегі энергетикалық баланста ЖЭК-нің жиынтық үлесі әлі де аз. Халықаралық энергетикалық ұйымға сәйкес әлемдік тұтынудағы жаңартылатын энергия көздерінің үлесі 13,5% аспайды. Мамандардың болжамдарына сәйкес, энергия балансының үлесіндегі жаңартылатын энергия көздері деңгейі келесі диаграммада көрсетілген (1 сурет).
1 сурет - Энергия балансының үлесіндегі жаңартылатын энергия көздерінің деңгейі
Қазіргі уақытта Қазақстанда да, бүкіл әлемде сияқты, жаңартылатын энергия көздеріне көшу мәселелері өзекті болып отыр [5]. Жаңартылатын энергия көздеріне көшу кезінде ЖЭК-тің реттелмейтін көздерге айтарлықтай тәуелділігін ескере отырып, энергетикалық жүйенің біркелкі еместігі елеулі проблема болып табылады [6]. Осы проблемаларды негізге ала отырып, 1 кестеде көрсетілген әртүрлі энергия жинақтауыштары бірінші кезекке шығады.
1 кесте - Энергия жинақтауыштардың түрлері
№
Энергия жинақтауыштардың
түрлері
Қысқаша сипаттама Ақпарат көзі
1
Электрхимиялық Электрлік химия аккумуляторлық батареялар электр энергиясын жинақтаушылардың негізгі түрін білдіреді
[6]
2
Отын ұяшықтары Сутегі циклі бар энергия аккумуляторы (hydrogen fuel cell). Электрлік химия реакцияның компоненттері - осы элементте сақтау жүйесінен электродтарға бөлек түсетін сутегі мен оттегі.
[5]
3
Сығылған ауаның жерасты жинақтауыштары (CAES)
Артық электр энергиясы қысыммен ауаны резервуарларға немесе табиғи жерасты қуыстарына айдау үшін қолданылады.
Жинақтауыш разряды кезінде электр энергиясын өндіру үшін ауа газ турбинасына түседі.
[7]
4
Сұйық ауаны сақтау жүйесі (LAES)
LAES циклі энергияны сақтауға (зарядтауға) және кейіннен рекуперациялауға (разрядтауға) сәйкес келетін екі фазадан тұрады. Зарядтау фазасында энергия атмосфералық ауаны сығу үшін пайдаланылады. Түсіру фазасында жинақталған энергияның бір бөлігі ауаны буландыру және оны арнайы әуе турбинасында кеңейту жолымен алынады.
[8,9]
5
Гидроаккумуляциялау станциялары (GAES)
GAES, энергия жинақтауыштардың гравитациялық түріне жатады. GAES үшін суды әртүрлі деңгейлерде айдау үшін табиғи немесе жасанды түрде жасалатын үлкен орындар талап етіледі. Энергия жүйесіндегі электр жүктемесі ең аз болғанда, GAES төменгі су қоймасынан жоғарғы су қоймасына суды айдайды және бұл ретте жүйеден электр энергиясын тұтынады, жүктеменің ұзақ емес «шығдары» кезінде GAES генерациялайтын режимде жұмыс істейді және жоғарғы су қоймасында қосылған суды жұмсайды.
[9]
Алатған жинақтаушы құрылғы қауіпсіздік, тиімділік, разрядтау жылдамдығы, сондай-ақ салыстырмалы маневрлік тұрғысынан алғанда аса маңызды болып табылады [7,8]. Мұндай құрылғылар электр энергиясы артық болған жағдайда ауаны сақтауға және оны әртүрлі кеңейткіштерде электр энергиясын генерациялау жолымен желіге жеткізуге мүмкіндік беретін жинақтауыштарды білдіреді. Қазіргі уақытта көптеген LAES түрлері бар [9]. Ең көп таралғандары қосымша газ циклдарын немесе органикалық Ренкин циклы (ORC) пайдаланады [10]. Сондай-ақ, LAES жүйелері салқындату және жылыту жүйелерінде қолданылуы мүмкін екені белгілі [11]. Ол дегеніміз, тұтынушыларды ұзақтығы 12 сағатқа дейін тамақтандыруды қамтамасыз етуге қабілетті, оңай ауқымдалады және географиялық шектеулері жоқ, сондай-ақ оның бірлі-жарым қуаты бойынша іс жүзінде шектеулері жоқ екендігіне назар аударған жөн.
Жүргізілген талдауға сүйене отырып, әдебиеттік шолуда ЖЭК энергиясын пайдаланатын жаңа LAES схемасын ұсынады. Оның тиімділігі, осы кезде керек екендігі жайында көрсетілген әдебиеттерден бөлек көптеген ғалымдардың зерттеулерінде де маңыздылығы жоғары екенін көруге болады, ал бұл мақалада жаңа қырынан жаңалығын байқауға болады.
Материалдар мен тәсілдер.
Қазіргі уақытта қазандықтар мен ЖЭО-ның негізгі отыны қатты отын болып табылады, ол осы уақытта арзан энергия көзі болып саналғанымен сарқылатын энергия көзіне жататынын ескере отырып, сонымен қатар жаңғыртылған энергия көздерін қазіргі жаңа технологиялармен дамыту керек екендігі ең өзекті проблемалардың бірі болып отыр.
Осы тұста қаралатын циклдегі жұмыс денесі атмосфералық ауа болып табылады. Ауа аралық сумен салқындатылған үш баспалы компрессорға айдалады. Сұлбада ауаның аралық салқындатқыштардан кейінгі температурасы 25˚С деп қабылданған. Бұл мақалада сұйытылған ауаның шығуына қысымның әсері зерттелді, сәйкесінше компрессорлардың қысымы 100-150 барды құрайды.
Аралық жылу алмастырғыш-салқындатқыштан кейін жоғары қысымды ауа кептіру және тазарту торабы арқылы өтеді және содан кейін криогендік үлгідегі карбонсыздандыруға келіп түседі. Осыдан кейін жоғары қысымды ауа турбодетандерге кірісіндегі ауа қысымының шамасын реттейтін редукциялық клапанға түседі. Жұмыс дөңгелегінде турбодетандерді кеңейту кезінде сығылған ауа криогендік температура аймағына өтеді.
Орнату сұлбасы 2-суретте көрсетілген. 3-суретте ауаны аралық салқындататын компрессорлық қондырғының сұлбасы ұсынылған. 4-суретте ORC схемасы берілген.
Жұмыс денесі ретінде ORC үшін R11 рефрижеранты пайдаланылады. Рефрижеранттың техникалық сипаттамалары 2-кестеде көрсетілген.
2 сурет - Сұлбаның модельдеу үлгісінің жалпы көрінісі [12,13]
3 сурет - Ауаны аралық салқындататын компрессорлық қондырғының есептік сұлбасы
4 сурет - ORC есептік сұлбасы
2 кесте - R11 рефрижерантының техникалық сипаттамалары [14]
№ Параметр Мәндері
1 Химиялық формула CCl3F
2 Моляр массасы 137.36 г × моль-1 3 Агрегаттық күй Түссіз газ/сұйықтық
4 Иіс Иіссіз
5 Тығыздық 1.494 г/см3
6 Балқу нүктесі −110.48 °C
7 Қайнау нүктесі 23.77 °C
Жүктемелердің біркелкі еместігін есепке алу үшін Алматы қаласы, Қазақстан Республикасы станцияларының бірінің жүктемелері алынды. 5-суретте жылу, ал 6-суретте электр жүктемесі берілген. Суретте көрініп тұрғандай, қысқы айларда электр және жылу жүктемелері жазғы кезеңдерге қарағанда едәуір жоғары. Осыны ескере отырып, электр станциясына түсетін жүктемені азайтатын жүйе ретінде LAES пайдалану мүмкіндігін қарастыру қажет, сол арқылы органикалық отынды жағудан зиянды заттар мен парниктік газдар шығарындыларын азайтуға болады.
5 сурет - Электрлік жүктеме
6 сурет - Жылулық жүктеме
Нәтижелер.
7-суретте сұйық ауа фракциясының компрессордан шығудағы қысымға тәуелділігі көрсетілген. Суреттен көріп тұрғандай, компрессордан шығудағы қысымның ұлғаюымен қатар сығылатын газдың көлемі ұлғаяды. Тәуелділік сипаты бойынша қысымның кейбір мәні бар екенін көруге болады, одан кейін оны ұлғайтпау керек, себебі сығылатын газ көлемінің өсуі азаяды, ал ауаны сығу цикліндегі энергия шығындары тез өседі.
7 сурет - Сұйық ауа бөлшектерінің компрессордан шығудағы қысымға тәуелділігі
8-суретте 1 тонна сұйық ауа құнының тәуелділігі көрсетілген. Мұнда, қысымы 100 бар болғаннан кейін, компрессорға түсетін жүктеменің және сорғы жабдығына түсетін жүктеменің едәуір ұлғаюы ескеріле отырып, құн едәуір ұлғаяды. Алайда, криогендік сорғыдан кейін салқындату және ауаны қыздыру жүйесін жақсарту есебінен шығындарды төмендету мәселесі бар екенін атап өткен жөн.
8 сурет - АҚШ долл./ тоннаға шаққандағы сұйық ауа құнының тәуелділік графигі
9-суретте жүйенің электр тиімділігінің тәуелділігі, яғни жұмсалған электр энергиясының өндірілген энергияға қатынасы көрсетілген. Талдаудың нәтижесінде, сұйық ауа өндірісі ұлғайған кезде де, электр энергиясын тұтыну көлемі ауа мен судың тұрақты шығыны кезінде ПӘК-ті арттыруға мүмкіндік бермейді. Талдау тәуелсіз факторлардың өзара байланысын, сондай-ақ электр энергиясын өндіру сұлбасын оңтайландыру және ауаны сығу циклінде алынатын артық жылуды неғұрлым толық кәдеге жарату мәселелерін тереңірек зерделеу керектігін білдіреді.
9 сурет - Жүйенің электр тиімділігінің тәуелділігі Қорытынды.
Жүргізілген зерттеулердің нәтижесінде ұсынылған сұлбаны оңтайландырудың айтарлықтай керек екендігін көруге болады. Компрессордан кейінгі ауа қысымының әсерін талдаулардан көргеніміздей, Қазақстан үшін әрбір тонна ауаның орташа құны біркелкі емес жылу және электр жүктемесі кезінде 3,1-3,7 АҚШ долл./т. құрайды.
Қысымның артуы сығылған газ үлесінің ұлғаюына ықпал етеді, оның үстіне ең жоғары мән 27-28% -ға жетеді, бірақ электр тиімділігі төмендейді. Ауаны сығу сұлбасын, электр энергиясын өндіру сұлбасын оңтайландыру және артық жылуды неғұрлым толық кәдеге жарату тиімділікті айтарлықтай арттыруға мүмкіндік береді.
Қаржыландыру көзі.
Жұмыс Қазақстан Республикасы ҒЖБМ Мемлекеттік ғылым комитетінің қолданбалы зерттеулері шеңберінде жүзеге асырылды (тақырып AP19680488 - Қазақстан жағдайында ЖЭК пайдалануды ескере отырып, жылумен жабдықтаудың құрамдастырылған жүйелерінің тиімділігін зерттеу және оңтайлы сұлбалық шешімдерін әзірлеу; жетекшісі: Умышев Д.Р.).
ӘДЕБИЕТТЕР
[1] Wei Li, Ning Cao, Zejia Xiang. Drivers of renewable energy transition: The role of ICT, human development, financialization, and R&D investment in China. Renewable Energy, 206, 441-450 (2023).
[2] Guanglei Yang, Guoxing Zhang, Dongqin Cao, Donglan Zha, Bin Su,China’s ambitious low-carbon goals require fostering city-level renewable energy transitions. iScience, 26, 106263 (2023).
[3] Sheikh Tanzim Meraj, Samson Shenglong Yu, Md. Siddikur Rahman, Kamrul Hasan, M.S. Hossain Lipu, Hieu Trinh. Energy management schemes, challenges and impacts of emerging inverter technology for renewable energy integration towards grid decarbonization.
Journal of Cleaner Production, 405, 137002 (2023).
[4] S. Saha, M.I. Saleem, T.K. Roy, Impact of high penetration of renewable energy sources on grid frequency behaviour. International Journal of Electrical Power & Energy Systems, 145, 108701, 2023.
[5] Mohamed Nasser, Hamdy Hassan, Assessment of standalone streetlighting energy storage systems based on hydrogen of hybrid PV/electrolyzer/fuel cell/ desalination and PV/batteries. Journal of Energy Storage, 63, 106985 (2023).
[6] P. Kurzweil, Gaston Planté and his invention of the lead–acid battery—The genesis of the first practical rechargeable battery. Journal of Power Sources, 195, 4424-4434 (2010).
[7] Tiancheng Ouyang, Peijia Qin, Shutao Xie, Xianlin Tan, Mingming Pan. Flexible dispatch strategy of purchasing-selling electricity for coal-fired power plant based on compressed air energy storage. Energy, 267, 126578, 2023.
[8] Vecchi A., Li Y., Ding Y., Mancarella P., Sciacovelli A., Liquid air energy storage (LAES): A review on technology state-of-the-art, integration pathways and future perspectives.
Advances in Applied Energy, 3, 100047 (2021).
[9] Demark C., Leducq D., Minh Hoang H., Negro D., Delahaye A., Liquid Air Energy Storage (LAES) as a large-scale storage technology for renewable energy integration – A review of investigation studies and near perspectives of LAES. International Journal of Refrigeration, 110, 208-218 (2020).
[10] Alessio Tafone, Emiliano Borri, Gabriele Comodi, Martijn van den Broek, Alessandro Romagnoli, Preliminary assessment of waste heat recovery solution (ORC) to enhance the performance of Liquid Air Energy Storage system. Energy Procedia, 142, 3609- 3616 (2017).
[11] Maan Al-Zareer, Ibrahim Dincer, Marc A. Rosen, Analysis and assessment of novel liquid air energy storage system with district heating and cooling capabilities. Energy, 141, 792-802 (2017).
[12] Petuchov Yu., Kibarin A., Korobkov M., Umyshev D. The issue of the application of cryogenic energy storage. Herald of AUPET after Daukeev, 1, 6-19 (2023).
[13] Bekisheva A., Mandaria D., Petukhov Yu., Tarasov G. Automatic cryo energy station. RK Patent B34836 (2021).
[14] Trichlorofluoromethane, https://en.wikipedia.org/wiki/Trichlorofluoromethane
Dias Umyshev, PhD, associate professor, Almaty University of Power Engineering and Telecommunications named after G. Daukeyev, Almaty, Kazakhstan, [email protected]
Eduard Osipov, сandidate of technical sciences, dosent, Kazan National Research Technological University, Kazan, Russia
Yuriy Petukhov, chief engineer, LLP «Tian-Shan Engineering», Almaty, Kazakhstan, [email protected]
Andrey Kibarin, сandidate of technical sciences, professor, Almaty University of Power Engineering and Telecommunications named after G. Daukeyev, Almaty, Kazakhstan, [email protected]
Maxim Korobkov, PhD, associate professor, Almaty University of Power Engineering and Telecommunications named after G. Daukeyev, Almaty, Kazakhstan, [email protected]
ANALYSIS OF THE EFFICIENCY OF USING CRYOGENIC STORAGE DEVICES IN POWER SUPPLY SCHEMES
Annotation. Global trends in modern energy steadily dictate the requirements to develop new environmentally friendly and highly efficient technologies, taking into account their adaptation to the changing and often uneven loads of consumers. Kazakhstan has a large number of coal-fired power plants in the structure of generating capacities, as well as obvious problems with loosening the schedule of the electric grid. In connection with Kazakhstan's transition to carbon neutrality by 2060, the development of new types of power plants operating on alternative types of energy is relevant. Undoubtedly, one of the most important issues is to increase the uniformity of electrical and thermal schedules, taking into account sharply continental loads. The use of renewable energy sources in this case significantly complicates the possibility of creating a highly efficient and reliable system. One of the most relevant and effective solutions is the use of various types of energy storage devices that allow to smooth out the unevenness of heat and electricity consumption schedules. In light of this, the use of compressed air storage systems is an effective solution. In this paper, studies were carried out using Aspen HYSYS mathematical modeling of new liquid air storage systems, taking into account the thermal and electrical load of traditional thermal power plants and the sharply continental climate. The analysis showed that the use of the LAES system (cryogenic systems) can be an excellent solution for smoothing the schedules of consumer loads. At the same time, the simulation in the program showed that the potential in the output of thermal and electrical power by storage devices can be significant with the proper process of optimizing the entire generation scheme. Based on the simulation results, reference points were obtained that define the main boundaries of the effective use of cryogenic systems as storage devices, and dependencies were obtained that once again emphasize the urgent need for consistency in the operation of power plants and renewable energy facilities, in the combined schemes of which energy storage is the mediator and stabilizing element. As the modeling experience has shown, the most important issue is the process of optimizing the overall scheme in order to obtain the maximum efficiency of energy storage systems, taking into account the technological features of the type of storage devices and the possibilities of scaling their unit capacity.
Keywords. Liquid air, LAES, compression process, energy efficiency, modeling, energy saving.
Диас Умышев, PhD, ассоциированный профессор, Алматинский университет энергетики и связи имени Г. Даукеева, Алматы, Казахстан, [email protected]
Эдуард Осипов, к.т.н., доцент, Казанский национальный исследовательский технологический университет, Казань, Россия
Юрий Петухов, главный инженер, ТОО «Тянь – Шань Engineering», Алматы, Казахстан, [email protected]
Андрей Кибарин, к.т.н., профессор, Алматинский университет энергетики и связи имени Г. Даукеева, Алматы, Казахстан, [email protected]
Максим Коробков, PhD, ассоциированный профессор, Алматинский университет энергетики и связи имени Г. Даукеева, Алматы, Казахстан, [email protected]
АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КРИОГЕННЫХ НАКОПИТЕЛЕЙ В СХЕМАХ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ
Аннотация. Мировые тенденции в современной энергетике неуклонно диктуют требования развивать новые экологичные и высокоэффективные технологии, с учетом
приспособления их к меняющимся и зачастую неравномерным нагрузкам потребителей.
Казахстан в структуре генерирующих мощностей имеет как большое количество угольных станций, так и очевидные проблемы с разуплотнением графика электрической сети. В связи с переходом Казахстана к углеродной нейтральности к 2060 году актуальна разработка новых типов электростанций, работающих на альтернативных видах энергии.
Несомненно, одним из важнейших вопросов является повышение равномерности электрических и тепловых графиков с учетом резко континентальных нагрузок.
Использование возобновляемых источников энергии в данном случае значительно усложняет возможность создания высокоэффективной и надежной системы. Одним из актуальных и эффективных решений является использованием различного рода накопителей энергии, позволяющих сгладить неравномерность графиков потребления тепловой и электрической энергии. В свете этого использование систем хранения сжатого воздуха является эффективным решением. В данной работе были проведены исследования с использованием математического моделирования Aspen HYSYS новых систем хранения жидкого воздуха с учетом тепловой и электрической нагрузки традиционных тепловых электростанций и резко континентального климата. Анализ показал, что использование системы LAES (криогенные системы) может стать отличным решением для сглаживания графиков нагрузок потребителей. При этом, моделирование в программе показало, что потенциал в выдаче тепловой и электрической мощности накопителями может быть значительным при должном процессе оптимизации всей схемы генерации. По результатам моделирования были получены реперные точки, определяющие основные границы эффективного использования криогенных систем в качестве накопителей, а также были получены зависимости, еще раз подчеркивающие острую необходимость согласованности работы электростанций и объектов ВИЭ, в комбинированных схемах которых медиатором и стабилизирующим элементов как раз являются накопители энергии. Как показал опыт моделирования наиболее важным вопросом является процесс оптимизации общей схемы с целью получения максимального КПД систем накопления энергии с учетом технологических особенностей типа накопителей и возможностей масштабирования их единичной мощности.
Ключевые слова. Хранение жидкого воздуха, LAES, сжатие, эффективность, моделирование.
*****************************************************************************
