CC BY
147ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
УДК 621.3 DOI: 10.32464/2618-8716-2019-2-4-219-230
Накопители электрической энергии
для распределенных энергетических систем
П.А. Хлюпин
Уфимский государственный нефтяной технический университет (УГНТУ), 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, д. 1
Аннотация
Введение: в современной энергетике остро стоит проблема обеспечения электрической энергией малых и удаленных поселений и промышленных объектов, таких как нефтяные и газовые месторождения. Наиболее перспективными решениями этой проблемы считаются системы на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Одной из трудностей в их применении является потребность в накопителях электрической энергии. В настоящее время используется множество типов накопителей, действующих по разным принципам. Среди всех накопительных систем наибольший интерес представляют супермаховики, действующие по принципу механического накопления энергии.
Методы: проведен анализ систем накопления электрической энергии как существующих, так и новых перспективных разработок. Определены конструктивные элементы системы накопления электрической энергии на основе новых разработок в области машиностроения, энергетики и конструкционных материалов. Результаты и обсуждение: в ходе анализа выявлены основные достоинства и недостатки накопителей электрической энергии. Показана необходимость разработки и создания новых эффективных накопителей электрической энергии на основе принципа механического накопления потенциальной и кинетической энергии. В ходе анализа сделан вывод о том, что повышения эффективности систем накопления электрической энергии можно добиться за счет применения новых технологических решений с использованием супермаховиков и энергоэффективных обратимых электрических машин. Представлено решение по созданию энергоэффективного накопительного комплекса для электроэнергетической отрасли.
Заключение: разрабатываемый накопительный комплекс с использованием супермаховиков и энергоэффективных обратимых электрических машин позволяет повысить энергоэффективность классических генерирующих систем, а также энергосистем на основе возобновляемых источников энергии.
Ключевые слова: накопители электрической энергии, аккумулятор, электрический накопитель, механический накопитель, супермаховик
Для цитирования: Хлюпин П.А. Накопители электрической энергии для распределенных энергетических систем // Силовое и энергетическое оборудование. Автономные системы. 2019. Т. 2. Вып. 4. С. 219-230. DOI: 10.32464/2618-8716-2019-2-4-219-230
Адрес для переписки: Хлюпин Павел Александрович УГНтУ, 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, д. 1, KhlupinPA@mail.ru
Address for correspondence: Pavel Aleksandrovich Khlyupin
uSPTu, 1 Cosmonauts st., Ufa, 450062, Russian Federation, KhlupinPA@mail.ru
введение
В мировой энергетической системе прочно закрепился вектор развития зеленой энергетики, который направлен на использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ), таких как ветер, солнце, вода, термальные источники, биоразлагаемые продукты и даже человеческое тело. Если большие города
© АПСЭО, 2019. Статья распространяется в открытом доступе
на условиях лицензии Creative Commons 4.0 CC BY-NC (https://creativecommons.Org/licenses/by-nc/4.0/)
и предприятия в основном используют в качестве источников электрической и тепловой энергии теплоэлектростанции (ТЭС), гидроэлектростанции (ГЭС), атомные электростанции (АЭС), то для обеспечения электрической энергией малых и удаленных поселений и промышленных объектов, таких как нефтяные и газовые месторождения, рассматриваются системы на основе возобновляемых источников энергии.
Данное решение позволяет значительно снизить затраты на строительство воздушных высоковольтных линий электропередач, силовых подстанций, а также дает возможность экономить моторное топливо в случае использования в качестве источника модульных дизельных электростанций. Однако применение ВИЭ связано с рядом трудностей, среди которых можно выделить значительные первоначальные финансовые вложения, нестабильность выработки электрической энергии, сравнительно большие эксплуатационные затраты, необходимость в создании системы накопления электрической энергии.
методы
Согласно [1-3], накопители электрической энергии можно объединить в несколько групп:
• термальные накопители;
• химические накопители;
• электрохимические накопители;
• электрические накопители;
• механические накопители.
Термальные накопители сохраняют энергию посредством аккумуляции агента высокой или низкой температуры в замкнутом пространстве. В случае с сохранением энергии в формате высокотемпературного агента используются технологии теплообменных аппаратов и экономайзеров. В этом случае теплота отработавших дымовых газов идет на разогрев воды, которая свою очередь используется для обогрева помещений либо другой технологической жидкости [3]. Примером комплекса сохранения энергии с низкой температурой служит система по охлаждению зданий. В часы с малым энергопотреблением происходит заморозка воды, а в рабочее время с помощью теплообменника идет охлаждение здания, при этом энергия на кондиционирование не затрачивается [4].
Химические накопители энергии известны человечеству с давних пор, в основном применяются такие наиболее простые по реализации источники, как природные ископаемые (нефть, газ, уголь и т.д.) и биологические продукты (древесина). В основном используется тепловая энергия, выделившаяся в результате разрыва высокоэнергетических связей при участии окислителя с образованием низкоэнергетических химических связей.
В наши дни максимальный интерес с точки зрения энергоемкости и эффективности представляет водород, наиболее распространенный химический элемент на земле и в космосе. В чистом виде водород в природе не встречается, зато в большом количестве представлен в химических соединениях, среди которых самым распространенным является вода. Из воды водород можно выделить с помощью электролиза, т.е. затратив определенное количество энергии. Несомненным плюсом водородной энергетики является возможность транспортировки водорода и широкий спектр его использования [5].
Хранится водород в сжиженном, адсорбированном или сжатом газообразном состоянии, что в определенной степени влияет и на его использование, так как водород в смеси с кислородом становится взрывоопасным и легко воспламеняется, в связи с чем данный вид химического накопителя до сих пор не получил широкого распространения. Например, в газообразном состоянии водород занимает почти в 40 раз больше объема, чем обычный бензин и в случае нарушения герметичности контейнера моментально испаряется. При хранении в жидком состоянии требуется поддерживать очень низкую температуру. При этом следует иметь в виду, что температурный диапазон перехода водорода из жидкого состояния в газообразное достаточно мал — от точки кипения -253 °С до точки затвердевания -256 °С. Если превысить точку кипения, то водород станет газообразным.
Для снижения энергозатрат водород можно хранить в виде жидких химических соединений: аммиака, метанола, этанола. Следует учитывать тот факт, что данное хранение может быть однократным и для наиболее эффективного использования энергии следует выделять водород из данных соединений, нежели сжигать их напрямую.
К наиболее эффективным способам можно отнести хранение водорода в гидридной форме, что позволяет снизить объемы сосудов для хранения, исключить энергозатраты на создание определенных условий, упростить транспортирование до мест использования [6]. Из гидридов металлов водород можно получить двумя способами: диссоциацией и гидролизом. Гидролиз позволяет выделить вдвое больше водорода, чем находится в гидриде, но процесс необратим. Получение водорода термической диссоциацией гидрида позволяет создать накопители водорода, и при незначительном изменении температуры и давления в системе происходит изменение равновесия реакции образования гидрида. В зависимости от направления использования применяются следующие соединения: гидрид ванадия (диссоциация около -3 °С), гидрид магния (диссоциация около 297 °С), гидрид железо-титанового сплава (диссоциация около 97 °С).
Технология применения водорода как элемента для хранения электрической энергии, создаваемой ВИЭ, может быть реализована следующим способом. Вырабатываемый избыток электрической энергии используется для извлечения водорода методом электролиза, а во время нехватки генерируемой энергии созданный водород служит топливом для выработки недостающего объема электрической энергии. Однако КПД данной системы достаточно небольшой.
Электрохимические накопители (гальванические элементы, батареи) используют энергию емкости химических реакций для накопления и возврата энергии. Различают два основных типа электрохимических накопителей энергии:
• накопители, которые разряжаются только один раз и не могут заряжаться вновь, поскольку только химическая энергия связей может преобразовываться в электрическую, а обратная реакция и новый заряд невозможны;
• накопители, которые могут вновь заряжаться посредством подачи электрической энергии. Они являются промежуточными накопителями электрической энергии.
В свою очередь электрохимические накопители электрической энергии можно подразделить на электрохимические аккумуляторы, проточные аккумуляторы и суперконденсаторы (ионисторы).
Наиболее распространенными электрохимическими аккумуляторами являются свинцово-кислот-ные, никель-кадмиевые (NiCd), никель-металл-гидридные (NiMH), литий-ионные (Li-ion), литий-ион полимерные (Li-ion-роНтег). КПД кислотных аккумуляторов составляет 70...80 %, Ni-Cd — 70...90 %, Ni-MH — 65.80 %, серно-натриевых при 3500 °С — 75.90 %, на основе лития — 60.95 % [7].
Во всем мире ведутся работы по созданию новых типов электрохимических аккумуляторов, среди которых можно выделить литий-серные батареи [8], обладающие более высокой плотностью энергии по сравнению с другими аккумуляторами при аналогичных массогабаритных показателях, а также би-углеродные (газовые) аккумуляторы, представляющий собой химический источник тока, основанный на обратимых окислительно-восстановительных реакциях. При зарядке на электродах выделяются газы, которые поглощаются адсорбентом, содержащим углерод. С появлением тока нагрузки происходит их соединение с образованием электрического тока. Энергоемкость газовых аккумуляторов в наши дни достигает 100 Вт-ч/кг. Недостатками газовых аккумуляторов являются быстрое старение, проявление эффекта памяти, высокий риск возгорания и значительная стоимость.
Перспективными считаются полностью углеродные батареи, где анод и катод полностью выполнены из углерода. Данное решение позволяет сделать батарею безопасной, исключить возгорание, уменьшить время заряда батареи в 20 раз, снизить массу и габариты, увеличить срок работы, а также количество циклов зарядки/разрядки в 6 раз по сравнению с Li-ion-аккумуляторами [9].
Проточные аккумуляторы (flow battery) можно считать промежуточным звеном между аккумулятором и топливным элементом, и они также считаются аккумуляторами будущего. Принцип действия подобных накопителей энергии заключается в наличии двух емкостей: в одной находится электролит с положительным зарядом в другой — с отрицательным. С помощью двух насосов оба электролита под давлением прокачиваются через специальную ячейку, где взаимодействуют через тонкую мембрану. Таким образом происходит выработка электрического тока. Данная система накопления электрической энергии — единственная, которая имеет жидкие электроды, что позволяет безопасно эксплуатировать их, исключить возгорание, а также быстро осуществить подзарядку, для чего достаточно сменить контейнеры с жидкостью [10]. Достоинствами такой системы являются количество циклов заряда/разряда — до 6000 циклов, устойчивость к высоким токам заряда. К недостаткам таких аккумуляторов относятся ограниченная энергоемкость — до 32 Вт-ч/кг, вызванная пределом концентрации солей, и высокая стоимость [11].
Суперконденсаторы (ионисторы) являются промежуточным звеном между мощными конденсаторами и слабыми электрохимическими аккумуляторами, в них процесс запасания энергии осуществляется посредством разделения заряда на двух электродах с высокой разностью потенциалов между ними. Особенностью накопления энергии суперконденсаторами является необходимость создания большой поверхности контакта электролита с электронным проводником. Суперконденсаторы обладают большим количеством циклов заряда/разряда (до 1 000 000) с непродолжительным временем заряда в сравнении с химическими аккумуляторами, в отличие от химических аккумуляторов они обладают существенно меньшей энергоемкостью, повышенной удельной мощностью и отсутствием ограничений по глубине разряда.
Электрические накопители подразделяют на два вида: конденсаторные и индуктивные. В конденсаторе заряд сохраняется в электрической форме, тем самым обеспечивается высокий КПД — до 90 %. Однако при всей своей надежности емкость данных накопителей не высока и подходит лишь для сглаживания кратковременных провалов электрического питания.
В свою очередь индуктивный накопитель, который хранит энергию в виде магнитного поля, может сохранять ее достаточно продолжительное время с весьма высоким КПД (порядка 95 %). Потери вызваны необходимостью поддержания низких температур и наличием инвертора. Но следует отметить тот факт, что эффективность индуктивных накопителей проявляется лишь в случае, когда катушка выполнена из сверхпроводящего материала, что повышает стоимость накопителя, поэтому его выгоднее использовать непродолжительное время для повышения качества энергии.
Еще в одну группу объединены механические накопители, которые запасают кинетическую и (или) потенциальную энергию. Подобных накопителей достаточно много, но наиболее распространенными среди них являются аккумуляторы сжатого воздуха, гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС), гидравлические аккумуляторы, железнодорожные накопители, маховики.
Крупномасштабными накопителями являются гидроаккумулирующие электростанции (рис.), к преимуществу которых в сравнении с тепловыми и атомными станциями относится высокая маневренность в режиме покрытия пиковых нагрузок. Время запуска составляет не более 50 мин. ГАЭС выполняют функцию перераспределения по времени электрической энергии и мощности. Во время пониженных нагрузок ГАЭС работает как насосная станция и перекачивает энергию из нижнего бьефа 3 в верхний бьеф 1 (см. рис.). Таким образом запасается гидроэнергия за счет подъема воды до верхнего уровня бьефа. В часы пикового потребления электрической энергии ГАЭС работает как гидроэлектростанция и вода из верхнего бьефа 1 по водоводу 2 через турбины, расположенные в здании ГАЭС 4, спускается в нижний бьеф 3, заставляя работать генераторы, поставляющие электрическую энергию в энергетическую сеть.
За счет разности в тарифах заряд (подъем жидкости) происходит в часы действия дешевого тарифа (ночью), а разряд — в период максимальной стоимости электрической энергии.
Схема гидроаккумулирующей станции: 1 — верхний бьеф; 2 — водовод; 3 — нижний бьеф; 4 — здание ГАЭС
Подобным способом невозможно сохранить непосредственно электрическую энергию, но он позволяет преобразовать электрическую энергию в потенциальную энергию воды, а затем преобразовать ее в элек-
1
трическую, когда того потребует потребитель. КПД подобной системы зависит от количества питательных насосов, разницы в уровне бьефов, типа используемых турбин и находится в диапазоне 65...85 % [12]. Применять данный тип накопителей повсеместно не представляется возможным из-за климатических условий. При отрицательных температурах высока вероятность промерзания бьефов и водоводов, что потребует дополнительных систем подогрева, что снизит изначальный КПД системы.
Гидравлические аккумуляторы — резервуары с несжимаемой жидкостью, работающие под давлением и позволяющие накапливать энергию сжатого газа (пружины) и в дальнейшем передавать ее в гидросистему в виде потока жидкости, находящейся под давлением для использования ее энергии в гидроприводе. Существуют конструкции с накоплением потенциальной энергии поднятых грузов. Гидравлические аккумуляторы бывают трех типов: баллонные, поршневые и мембранные.
Принцип работы у всех гидравлических аккумуляторов схож, различается лишь орган передачи энергии (пружина, поршень или мембрана). КПД данных накопителей достигает 95 %, за исключением газовых, где потери идут на образование тепла при сжатии и расширении газа [13].
Еще одним типом механических накопителей, активно развивающимся в последнее время в США, являются железнодорожные накопители ARES (Advanced Rail Energy Storage), которые используют потенциальную энергию и представляют собой весьма громоздкую конструкцию. Принцип работы данных систем напоминает работу ГАЭС, только вместо воды используются железнодорожные составы, каждый из которых выступает как отдельная система накопления энергии. В системе существуют верхняя и нижняя станции для расположения составов. В период низкого потребления электрической энергии состав поднимается на станцию, расположенную в верхней точке горы, где останавливается до момента пикового энергопотребления. После чего состав начинает спускаться вниз, при этом торможение включает в работу генераторы, установленные на железнодорожном составе, так происходит выработка энергии в сеть. Эффективность такой системы доходит до 80 %, а генерируемые мощности в зависимости от требований энергосистемы могут составлять от 2 до 24 МВт-ч [14].
Среди механических накопителей энергии наибольший интерес вызывают супермаховики (FESS -Flywheel Energy Storage System). В различной литературе [1, 15, 16] именно электромеханические накопители считаются наиболее эффективными с точки зрения емкости запасаемой энергии и количества циклов заряда/разряда. В прошлом подобные накопители не представляли интереса, так как запасенная энергия быстро расходовалась на преодоление сил трения, а максимальная скорость заряда ограничивалась механическими свойствами подшипников. Однако с появлением новых технологий данные накопители электрической энергии все больше привлекают внимание у потребителей.
Принцип работы данных систем заключается в преобразовании электрической энергии в механическую посредством электродвигателя, вал которого вращается на магнитных подвесах в вакуумированном кожухе. Последующий возврат происходит за счет обратного преобразования накопленной кинетической энергии в сеть с помощью электрогенератора.
Запасаемая энергия маховиком находится по формуле
где J — момент инерции маховика; ю — угловая скорость.
При определенных условиях плотность запасаемой энергии может составлять 1000 Вт-ч/кг, а срок службы — более 20 лет [16].
Конструктивно электромеханический накопитель может быть представлен электродвигателем с обратимыми свойствами, который либо связан с маховиком через полумуфту, либо расположен с ним на одном валу.
В случае расположения обратимой электрической машины и маховика на одном валу в режиме накопления будет запасаться максимальное количество энергии в сравнении с конструкцией, где присутствует связь через полумуфты. Конструкция супермаховика на одном валу может быть реализована для накопителей небольшой мощности. Это вызвано физическими особенностями материала, из которого изготавливается маховик. До недавнего времени таким материалом были конструкционные стали, которые не обеспечивают достаточной прочности на разрыв при высоких скоростях. Также при расположении обратимой электрической машины на одном валу с маховиком в случае отключения питания двигателя и переходе в режим генерации накопленная механическая энергия практически сразу переходит обратно в электрическую. Если к обратимой электрической машине не подключить нагрузку, то на выводах будет
E=0,5 Ja1,
(1)
вырабатываться ЭДС холостого хода, что в свою очередь через непродолжительное время приведет к потере всей запасенной энергии. Поэтому при расположении обратимой электрической машины на одном валу с маховиком переход от режима накопления к режиму разряда следует проводить в достаточно короткий промежуток времени. Таким образом данная система не подходит для длительного хранения энергии и регулируемого возврата энергии потребителю.
Для создания сверхмощных систем накопления электрической энергии автор предлагает использовать супермаховик с обратимой электрической машиной и маховиком, которые связаны между собой электромагнитной муфтой. Данное решение позволяет:
• выполнить маховик из композитных материалов, что увеличит прочность на разрыв и позволит повысить скорость вращения;
• изолировать маховик от обратимой электрической машины посредством полностью управляемой электромагнитной муфты;
• использовать новую конструкцию генератора на основе асинхронного двигателя с короткозамкну-тым ротором;
• применить активный магнитный подвес в сочетании с вакуумной оболочкой для исключения влияния трения.
Из результатов аналитического обзора можно сделать вывод о том, что перспективными с точки зрения накопления электрической энергии в больших объемах являются электромеханические накопители на основе супермаховиков. Применение данных накопителей электрической энергии позволит увеличить емкость запасаемой энергии при наиболее эффективном соотношении массы и габаритов.
Перед разработчиками стоит задача создания комплекса запасания электрической энергии на основе супермаховиков для нужд энергетической системы Российской Федерации. Наиболее актуальным является применение данных систем в составе энергообъектов, осуществляющих генерацию на основе возобновляемых источников электрической энергии.
литература
1. Козлов С.В., Киндряшов А.Н., Соломин Е.В. Анализ эффективности систем накопления энергии // Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология. 2015. № 2. С. 29-34. DOI: 10.15518/isjaee.2015.02.004
2. Батырь А. Накопитель энергии. Направления для научно-технических исследований: откуда ждать прорыв? // Энерговектор. 2013. № 9. С. 10. URL: http://www.energovector.com/files/ev09-2013.pdf
3. Городов Р.В., Губин В.Е., Матвеев А.С. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Томск : Изд-во Томского политехнического университета, 2009. 294 с.
4. Wen D.S., Chen H.S., Ding Y.L., Dearmanb P. Liquid nitrogen injection into water: pressure build-up and heat transfer // Cryogenics. 2006. No. 46. Рр. 740-748. DOI: 10.1016/j.cryogenics.2006.06.007
5. Sethakul P., Rael S., Davat B., Thounthong Р. Fuel cell high power applications // IEEE Industrial Electronics Magazine. 2009. Vol. 3. No. 1. Pp. 32-46. DOI: 10.1109/mie.2008.930365
6. Тарасов Б.П., Лотоцкий М.В., Яртысь В.А. Проблема хранения водорода и перспективы использования гидридов для аккумулирования водорода // Российский химический журнал. 2006. Т. 50. № 6. С. 34-48. URL: http:// www.chem.msu.su/rus/jvho/2006-6/34.pdf
7. Сравнение аккумуляторных систем и установок на основе топливных элементов // ИнЭнерджи. URL: http:// www.inenergy.ru/info/articles/sravnenie-akkumulyatornykh-sistem-i-ustanovok-na-osnove-toplivnykh-elementov/ (дата обращения 24.12.2019).
8. Окашин Р. Ученые приблизились к созданию эффективных литий-серных батарей // Хайтек+. URL: https:// hightech.plus/2018/10/17/-uchenie-priblizilis-k-sozdaniyu-effektivnih-litii-sernih-batarei (дата обращения: 24.12.2019).
9. Би-углеродный аккумулятор // Деалан Энерго. URL: https://dealanenergo.ru/Statiy/bi-uglerodnyy-akkumulyator (дата обращения: 20.12.2019).
результаты и обсуждение
заключение
Khlyupin PA. RENEWABLE
Electric energy storage units for distributed energy systems SOURCES OF ENERGY
10. Проточные аккумуляторы — 1000 км на одной зарядке // AccumulyatorAvto.ru. URL: https://akkumulyatoravto. ru/vybor-akb/vidy/protochnye-akb.html (дата обращения: 18.12.2019).
11. Сравнение аккумуляторных систем и установок на основе топливных элементов // ИнЭнерджи. URL: http:// www.inenergy.ru/info/articles/sravnenie-akkumulyatornykh-sistem-i-ustanovok-na-osnove-toplivnykh-elementov/ (дата обращения: 24.12.2019).
12. Sorensen В. Renewable energy: its physics, engineering, use, environmental impacts, economy, and planning aspects. Amsterdam, Boston : Academic Press, 2004. 928 р.
13. Гидравлические аккумуляторы // Гидролидер. URL: https://hydrolider.net/p307560143-gidravlicheskie-akkumulyatory.html (дата обращения: 24.12.2019).
14. Grid scale energy storage. Ares North America // ARES. URL: https://www.aresnorthamerica.com/grid-scale-energy-storage (дата обращения: 24.12.2019).
15. СоколоваМ.А., ТомасоваВ.С., ЯстржебскиР.П. Сравнительный анализ систем запасания энергии и определение оптимальных областей применения современных супермаховиков // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2014. № 4 (92). С. 149-155. URL: https://ntv.ifmo.ru/ru/article/10359/sravnitelnyy_ analiz_sistem_zapasaniya_energii_i_opredelenie_optimalnyh_oblastey_primeneniya_sovremennyh_supermahovikov.htm
16. Конесев С.Г., Хабибуллин Т.Р. Методы аккумулирования электроэнергии // Повышение надежности и энергоэффективности электротехнических систем и комплексов : межвуз. сб. науч. тр. (с междунар. участием) / отв. ред. В.А. Шабанов. Уфа : Энергодиагностика, 2018. С. 231-235.
Поступила в редакцию 15 октября 2019 г. Принята в доработанном виде 6 ноября 2019 г. Одобрена для публикации 16 декабря 2019 г.
Об авторе: Хлюпин Павел Александрович — кандидат технических наук, доцент кафедры электротехники и электрооборудования, Уфимский государственный нефтяной технический университет (УГНтУ), 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, д. 1, KhlupinPA@mail.ru.
Electric energy storage units for distributed energy systems
P.A. Khlyupin
Ufa State Petroleum Technological University (USPTU), 1 Kosmonavtov st., 450062 Ufa, Bashkortostan Abstract
Introduction: there is much concern about power supply to small and remote villages and industrial facilities, such as crude oil and gas fields, in the present-day power industry. Systems using renewable energy sources are the most innovative solutions to this problem. The need for electric energy storage units complicates the use of renewable energy sources. Versatile types of storage units, working on different principles, are in use now. Flywheels, working on the principle of mechanical accumulation of energy, are of particular interest.
Methods: both traditional and advanced designs of electric energy accumulation systems are analyzed in the article. Recent advancements in machine building, power engineering and structural materials are contributed into structural elements of an electric energy accumulation system.
Results and discussion: basic strengths and weaknesses of electric energy storage units were identified in the course of the analysis. The author substantiated the need for new effective electric energy storage units working on the principle of mechanical accumulation of potential and kinetic energy. The conclusion is that advanced engineering solutions, such as flywheels and energy efficient reversible electric machines, can boost the efficiency of electric power storage systems. The solution underlying the design of an energy efficient storage unit is offered to electric power industry players. conclusion: the storage unit under development has flywheels and energy efficient reversible electric machines. It improves the energy efficiency of both classical power generation systems and those using renewable energy sources.
© PGSMA, 2019. This is an open access article distributed under the terms
of the Creative Commons License 4.0 CC BY-NC (https://creativecommons.Org/licenses/by-nc/4.0/)
Keywords: electric energy storage units, accumulator, electricity-powered storage unit, mechanical storage unit,
flywheel
For citation: Khlyupin P.A. Electric energy storage units for distributed energy systems. Power and Autonomous
Equipment. 2019; 2(4):219-230. DOI: 10.32464/2618-8716-2019-2-4-219-230.
introduction
The global energy system follows the development trend for green energy which means using renewable sources of energy, i.e. wind, sun, water, thermal water, thermal springs, biodegradable products and even a human body. While major cities and enterprises have thermal power, hydropower and nuclear power stations as sources of electric and thermal energy, renewable serve small and remote facilities, such as crude oil and gas fields.
This solution helps to drastically cut the costs of constructing high-voltage overhead lines and power stations. It also saves motor fuel if modular diesel power generators are applied as a source of energy. However the use of renewable energy sources is accompanied by a number of difficulties, including substantial initial financial investments, instable electric energy generation, comparatively high operating costs, and a need for a system of electric energy storage.
methods
According to [1-3], electric energy storage units can be grouped in the following way
• thermal storage units;
• chemical storage units;
• electrochemical storage units;
• electric storage units;
• mechanical storage units.
Thermal storage units store energy by accumulating the high or low temperature agent in a confined space. In case that the energy is stored in the high-temperature medium, heat exchanger and economizer technologies are applied. Hence, flue gas heat serves to heat the water, which, in its turn, heats premises or other process liquids [3]. A building cooling system serves as an example of a low-temperature energy storage facility. Water freezes during the period of low energy consumption, and a heat exchanger is used to cool down buildings during working hours; therefore, no energy is wasted on air conditioning [4].
The humankind has been aware of chemical units used to store energy for ages. The most widely used sources are as simple as mineral resources (crude oil, gas, coal, etc.) and biological products (timber). The most widely used type of energy is thermal energy, emitted as a result of the bond rupture caused by an oxidizer and followed by formation of low-energy chemical bonds.
Hydrogen, the most widely spread chemical element on Earth and in the outer space, is of particular interest in terms of its energy capacity and efficiency. Isolated hydrogen is unavailable in the natural environment, although it is a frequent constituent of numerous chemical compounds, of which water is the most widely spread one. Hydrogen can be split off by way of electrolysis that consumes some energy. Hydrogen transportability and extensive usability are the apparent strengths of hydrogen-based power generation [5].
Hydrogen is stored in liquefied, adsorbed, or compressed gaseous conditions, that, to some extent, influence its uses. However hydrogen, mixed with oxygen, turns explosive and highly flammable; therefore, this type of energy storage is not widely spread yet. For example, gaseous hydrogen occupies 40 times the space of ordinary gasoline, and in case of the sealing loss, it vapours away in less than no time. If stored in the liquefied condition, very low temperature must be maintained. It is noteworthy that the temperature range for its transition from liquid into gas is quite narrow, from the boiling point at -253 °C to the freezing point at -256 °C. If the boiling point is exceeded, hydrogen turns into gas.
Hydrogen can be stored as a component of liquid chemical compounds, including ammonia, methanol, and ethanol, to reduce energy consumption. It is noteworthy that these hydrogen storing methods are non-recurrent; therefore, hydrogen should be extracted from these compounds, rather than burnt, to assure the most efficient energy use.
Most efficient storage methods include hydrogen storage as a hydride, as in this case, the volume of containers is reduced, no power is consumed to assure particular storing conditions; besides, hydrogen transportation towards the place of its consumption is thus made simpler [6]. Dissociation and hydrolysis are applied to extract hydrogen from metal hydrides. Hydrolysis enables the extraction of a double amount of hydrogen if compared to the one contained in a hydride; however, this process is irreversible. Hydrogen extraction through thermal dissociation of hydrides makes it possible to produce hydrogen storage units. In case of any insignificant temperature and pressure change in system, the balance of a hydride generation reaction is destroyed. The following compounds are used for this purpose: vanadium hydride (dissociation at about -3 °C), magnesium hydride (dissociation at about 297 °C), iron-titanium alloy hydride (dissociation at about 97 °C).
Hydrogen is used to store electric energy, generated by renewable sources, in the following way. Any surplus energy, thus generated, is used to liberate hydrogen by means of electrolysis, while during the period of insufficiency of the energy thus generated, extracted hydrogen is used as the fuel covering the outstanding need for electric energy. However the efficiency of this system is rather low.
Electrochemical storage units (galvanic elements, batteries) use the energy, emitted in the course of chemical reactions, accumulate it and make it available. There are two main groups of electrochemical storage units:
• storage units that get discharged only once and cannot be recharged anymore, because only the chemical energy of bonds can be converted into electric energy, while no reverse reaction or further charging are possible;
• storage units that are chargeable by electric energy. They serve as intermediate electric energy storage units.
In their turn, electrochemical storage units can be broken down into electrochemical batteries, flow batteries
and ultracapacitors.
Most widely spread electrochemical batteries include plumbum-oxide, nickel-cadmium (NiCd), nickel-metal-hydride (NiMH), Li-ion, and Li-ion-polymer ones. The efficiency of acidic-type batteries reaches 70...80 %, Ni-Cd — 70.90 %, Ni-MH — 65.80 %, sodium-sulfur at 3500 °C — 75.90 %, lithium — 60.95 % [7].
New types of electrochemical batteries are being developed worldwide, lithium-sulfur batteries [8] stand out from the crowd, as they demonstrate higher energy density if compared to other batteries having similar weight and dimensions, as well as bicarbon (gaseous) batteries representing a chemical source of current that is produced as a result of reversible oxidation-reduction reactions. In the course of charging, electrodes emit gases absorbed by the adsorbent that contains carbon. When the load current is applied, electric current is generated. The energy capacity of gaseous accumulators reaches 100 W-hour/kg. The weaknesses of gas accumulators include their fast ageing, memory effect, high flammability, and high cost.
The most attractive are carbon batteries, whose anodes and cathodes are made of carbon. This solution makes batteries safe, prevent inflammation, reduce the charging time 20-fold, reduce battery weight and dimensions, extend the service life and the number of charge/discharge cycles 6-fold in comparison with Li-ion accumulators [9].
Flow batteries can be considered as an intermediate between a battery and a fuel element, and they are also considered batteries of the future. Their functional concept consists in the two containers: one has a positively charged electrolyte, the other one - a negatively charged electrolyte. Two pumps are used to pump both electrolytes through a special cell, in which they interact through a thin membrane. This is the way electric current is generated. This energy accumulation system is the only one that has liquid electrodes that enable its safe use, prevent inflammation, and top up the battery sufficiently fast by replacing containers with the liquid [10]. The strengths of this system include the number of charging-discharging cycles — up to 6,000, and its insensitivity to high load currents. Their high cost and limited capacity are the weaknesses: up to 32 W-h/kg, caused by the limited concentration of salts [11].
Ultracapacitors are an intermediate link between strong condensers and low capacity electrochemical accumulators. Here, energy is accumulated by means of splitting the charge at the two electrodes that have a high difference of potentials between them. Energy accumulation by ultracapacitors requires an extensive contact surface to assure the contact between the electrolyte and the electronic conductor. Ultracapacitors have a high charging-discharging rate (up to 1,000,000), while the charging time remains short if compared to chemical accumulators, and, unlike chemical accumulators, they have a smaller energy storage capacity, higher specific capacitance and no limits in terms of the depth of discharge.
Electric storage units are broken down into capacitors and inductive storage units. Inside a capacitor, the charge is preserved in the electric form, thus, its efficiency is as high as 90 %. However, despite its reliability, the capacity of these units is not high and it can only cushion short-term power interruptions.
In its turn, an inductive storage unit, that stores energy as a magnetic field, is capable of storing it for a sufficiently extensive period of time, and the storage efficiency is quite high (about 95 %). Losses are caused by the need to maintain low temperatures and to run an inverter. However, it is noteworthy that the efficiency of inductive storage units is only manifested if the coil is made of a superconductive material, which boosts the cost of a storage unit; therefore, it is advisable to run it for a short period of time to improve the energy quality.
Another group has mechanical storage units that store kinetic and/or potential energy. There are many storage units of this kind, but the most widely spread ones are accumulators of pressurized air, pump storage power plants, hydraulic accumulators, advanced rail energy storage units, and flywheels.
Pump storage power plants (see the figure below) are high-capacity units of this kind. Their strengths, if compared to thermal and nuclear power plants, include high flexibility of operation in the mode of peak demand coverage. The starting time does not exceed 50 minutes. Pump storage power plants redistribute electric energy and capacity over the time. When the load is low, power plants operate as pumps and pump energy from lower basin 3 into upper basin 1 (see the figure). That's how hydraulic energy is accumulated by means of water pumping into the upper basin. During peak hours, a pump storage power plant operates as a hydraulic power plant and water flows through water duct 2 from upper basin 1 through the turbines, installed in the power plant building, down to lower basin 3, and it starts the generators that supply electric energy into the grid.
Due to the difference in electric power rates, water pumping is performed at night (when energy is cheaper), while water flows down at the time when the electric energy rate is maximal.
Pump storage power plant operating scheme: 1 — upper basin; 2 — water duct; 3 — lower basin; 4 — building of a pump storage power plant
This methodology cannot be used to store electric energy itself, but it enables the conversion of electric energy into potential energy of water, which is then converted into electric energy, whenever a consumer is in need of it. The efficiency of this system depends on the number of pumps, the distance between the water levels of the basins, and the types of pipes, and it varies between 65.85 % [12]. These storage units cannot be used universally due to climatic conditions. When the temperature is below 0 °C, basins and water ducts may freeze, and if so, supplementary heating systems must be installed, and they may reduce the initial system efficiency.
Hydraulic accumulators are tanks containing incompressible liquid, they operate under pressure and enable accumulation of energy of compressed gas (a spring) and its delivery into the hydraulic system as a flow of liquid under pressure. Its energy is then used by the hydraulic drive. Some constructions accumulate the potential energy of lifted loads. Hydraulic accumulators are broken down into three types: bladder accumulators, piston accumulators, and membrane accumulators.
Their operational principle is the same, while energy transmission components are different (a spring, a piston or a membrane). The efficiency of these storage units reaches 95 %, except for gaseous ones, where energy is consumed by heat formation in the course of gas compression and expansion [13].
1
ARES (Advanced Rail Energy Storage) units represent another type of mechanical storage units, that have been intensively developing in the USA. They use potential energy and have extensive dimensions. The principle of their operation is similar to the one of a pump storage power plant, but railroad trains take the place of water there. Each train is used as an independent energy accumulation system. The system has an upper and a lower station where trains are located. When electricity consumption is low, the train goes up to the upper station, located on the top of a mountain, where it stops until energy consumption reaches its peak values. After that it starts rolling down and its breakage activates generators installed in it, which produce energy and wheel it into the grid. The system's efficiency reaches 80 %, and the generated capacity may vary from 2 to 24 MW/ hour [14].
Flywheel Energy Storage Systems (FESS) are of particular interest among mechanical storage units. According to versatile sources [1, 15, 16], FESS are the most efficient storage units in terms of their storage capacity and charging/discharging cycles. In the past, these storage units aroused no interest, as any accumulated energy served to overcome the friction force, while the maximal charging velocity was limited by mechanical properties of bearings. However new technologies have turned these storage units more attractive among consumers.
Their principle of operation consists in conversion of electric energy into mechanic energy by an electric engine, whose shaft rotates with the help of a magnetic suspension system inside the vacuum envelope. The energy is provided due to conversion of accumulated kinetic energy performed by a power generator.
The amount of energy accumulated by a flywheel can be calculated according to the formula:
where J is the flywheel's moment of inertia; © is the angular speed.
Under certain conditions, the density of the accumulated energy may reach 1,000 W-hour/kg, while the service life may exceed 20 years [16].
As for its construction, an electromechanical storage unit has an electric engine capable of reversible performance, which is connected either to a flywheel by a sleeve or placed on the same shaft with it.
If a reversible electric machine and a flywheel share the shaft, the amount of energy accumulated in the accumulation mode will exceed the same amount accumulated by a similar unit that has sleeves connecting structural elements. The construction of a flywheel that has an engine on the same shaft is feasible for small capacity storage engines. This feature appears due to the properties of the flywheel material. Until recently, flywheels were made of structural steels, which demonstrated sufficient tensile strengths at high velocities. Also, if a reversible electric machine is attached to the same shaft as the flywheel, in case of the engine power shutdown and the switch into the generation mode, any accumulated mechanical energy will almost immediately convert into electric energy. If no load is connected to a reversible electric machine, it will generate idle run voltage, which will cause the loss of any earlier accumulated energy some time later. Therefore, if a reversible electric machine is attached to the same shaft as a flywheel, any transition from the accumulation mode to the consumption mode must be performed as swiftly as possible. That's why this system cannot be used for long-term storage of energy and regulated energy consumption.
The author offers the concept of a flywheel, composed of a reversible electric machine and a flywheel connected by an electromagnetic sleeve, as the basis for a prototype of a super-capacity energy storage unit. This solution enables:
• production of a flywheel of composite materials to boost tensile strength and rotation velocity;
• isolation of the flywheel from the reversible electric machine by a controllable electromagnetic sleeve;
• use of a novel construction for a generator that has an asynchronous engine and a short-circuit rotor;
• application of a magnetic suspension system in combination with a vacuum envelope to prevent friction.
The findings of the analytical review substantiate the conclusion that electromechanical storage units having flywheels are the most advanced ones in terms of electric energy storage. Their application will raise the energy
E=0,5 M2,
(1)
results and discussion
conclusion
capacity on condition of an efficient weight to dimensions ratio. Developers are to solve the problem of designing an electricity storage unit that has flywheels to cover the needs of the power supply system of the Russian Federation. The most relevant challenge is the application of these systems as part of power generation facilities using renewable energy sources.
references
1. Kozlov S.V, Kindryashov A.N., Solomin E.V. Analysis of energy storage systems Efficiency. Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). 2015; 2:29-34. DOI: 10.15518/isjaee.2015.02.004 (rus.).
2. Batyr A. Energy storage. Directions for scientific and technical research: where to expect a breakthrough? Energy vector. 2013; 9:10. URL: http://www.energovector.com/files/ev09-2013.pdf (rus.).
3. Gorodov R.V, Gubin V.E., Matveev A.S. Unconventional and renewable energy sources. Tomsk, Publishing House of Tomsk Polytechnic University, 2009; 294. (rus.).
4. Wen D.S., Chen H.S., Ding Y.L., Dearmanb P. Liquid nitrogen injection into water: pressure build-up and heat transfer. Cryogenics. 2006; 46:740-748. DOI: 10.1016/j.cryogenics.2006.06.007
5. Sethakul P., Rael S., Davat B., Thounthong P. Fuel cell high power applications. IEEE Industrial Electronics Magazine. 2009; 3(1):32-46. DOI: 10.1109/mie.2008.930365
6. Tarasov B.P., Lototsky M.V, Yartys VA. The problem of hydrogen storage and the prospects of using hydrides for hydrogen storage. Russian Chemical Journal. 2006; 50(6):34-48. URL: http://www.chem.msu.su/eng/jvho/2006-6/34.pdf (rus.).
7. Comparison of battery systems and installations based on fuel cells. InEnergy. URL: http://www.inenergy.ru/info/ articles/sravnenie-akkumulyatornykh-sistem-i-ustanovok-na-osnove-toplivnykh-elementov/ (accessed 12.24.2019). (rus.).
8. Okashin R. Scientists are approaching the creation of effective lithium-sulfur batteries. Hightech+. URL: https:// hightech.plus/2018/10/17/-uchenie-priblizilis-k-sozdaniyu-effektivnih-litii-sernih-batarei (accessed 12.24.2019). (rus.).
9. Bi-carbon battery. Dealan energy. URL: https://dealanenergo.ru/statiy/bi-uglerodnyy-akkumulyator (accessed 12/20/2019). (rus.).
10. Flowing batteries — 1000 km per charge. AccumulyatorAvto.ru. URL: https://akkumulyatoravto.ru/vybor-akb/vidy/ protochnye-akb.html (accessed 12/18/2019). (rus.).
11. Comparison of battery systems and installations based on fuel cells. Inenergy. URL: http://www.inenergy.ru/info/ articles/sravnenie-akkumulyatornykh-sistem-i-ustanovok-na-osnove-toplivnykh-elementov/ (accessed 12.24.2019). (rus.).
12. Sorensen B. Renewable energy: its physics, engineering, use, environmental impacts, economy, and planning aspects. Amsterdam, Boston, Academic Press, 2004; 928.
13. Hydraulic accumulators. Hydrolider. URL: https://hydrolider.net/p307560143-gidravlicheskie-akkumulyatory.html (accessed 12.24.2019). (rus.).
14. Grid scale energy storage. Ares North America. ARES. URL: https://www.aresnorthamerica.com/grid-scale-energy-storage (accessed 24.12.2019).
15. Sokolova M.A., Tomasova V.S., Jastrz^bski R.P. Comparative analysis of energy accumulation systems and determination of optimal application areas for modern super flywheels. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics. 2014; 4(92):149-155. URL: https://ntv.ifmo.ru/ru/article/10359/sravnitelnyy_analiz_ sistem_zapasaniya_energii_i_opredelenie_optimalnyh_oblastey_primeneniya_sovremennyh_supermahovikov.htm (rus.).
16. Konesev S.G., Khabibullin T.R. Methods of electric energy storage. Improving the reliability and energy efficiency of electrical systems and complexes : interuniversity collection of scientific papers (with international participation) / ed. V.A. Shabanov. Ufa, Energy Diagnostics, 2018; 231-235. (rus.).
Received October 15, 2019.
Adopted in its final form on November 6, 2019.
Approved for publication December 16, 2019.
About the author: Pavel Aleksandrovich Khlyupin — Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor of the Chair Electrical Engineering and Electrical Equipment Enterprises, Ufa State Petroleum Technological University (USPTU), 1 Cosmonauts st., Ufa, 450062, Russian Federation, KhlupinPA@mail.ru.
