Сжатый воздух – новая батарейка для человечества

В данной статье мы рассмотрим общие принципы, типы систем накопления и перспективы использования сжатого воздуха как аккумулятора энергии, а также проведём анализ-сравнение с другими источниками энергии.

Накопление энергии сжатого воздуха: принцип действия и типы систем

Накопление энергии сжатого воздуха – способ накопления энергии, вырабатываемой в один период, для использования в другой период с использованием сжатого воздуха. В хозяйственной деятельности энергия, выработанная в период низкого спроса (внепиковый период) может быть высвобождена для удовлетворения большего спроса (пиковая нагрузка). Малогабаритные системы уже давно используются подобным образом для запуска рудничных локомотивов.

Крупные сооружения вынуждены запасать тепловую энергию, связанную со сжатием воздуха; рассеиваемое тепло понижает энергоэффективность накопителя.

Типы систем

Сжатие воздуха создает тепло, а значит – воздух теплее после сжатия. Расширения забирает тепло. Если не добавлять дополнительное тепло, воздух будет гораздо холоднее после расширения. Если тепло, вырабатываемое при сжатии, можно сохранить и использовать при расширении, КПД накопителя существенно возрастает. Существует три способа взаимодействия НЭСВ с теплом. Накопитель воздуха может быть адиабатическим, диабатическим и изотермическим.

Адиабатический тип

Адиабатический накопитель продолжает хранить тепло, выработанное при сжатии, и возвращает в воздух при его расширении для производства энергии. Эта тема до сих пор исследуется, хоть и не применяется в хозяйственной деятельности (по состоянию на 2015 год), но в рамках немецкого проекта «ADELE» в 2016 году планируется ввести в эксплуатацию демонстрационную версию электростанции (емкость накопителей – 360 МВт/ч).

Теоретический КПД адиабатического накопителя оценивается в 100 % при идеальной изоляции, но на практике КПД возвратно-поступательного движения ожидается на уровне 70 %. Тепло может храниться в твердых телах типа бетона или камня, или, что более вероятно, в жидкости типа горячего масла (около 300 C) или растворов расплавов солей (600 C).

Диабатический тип

Диабатический накопитель рассеивает большую часть тепла в атмосферу в качестве бросового тепла после сжатия благодаря промежуточным охладителям (приближаясь, таким образом, к изотермическому сжатию); по сути, посредством выброса возобновляемая энергия используется для сжатия. До удаления из накопителя температура сжатого воздуха – индикатор количества накопленной энергии, оставшейся в этом воздухе.

Следовательно, если температура воздуха низка для процесса вторичного использования энергии, воздух стоит сильно прогреть для его расширения в турбине и запуска генератора. Это повторное прогревание можно провести за счет горелки на горящем природном газе (в случае с накопителем для муниципальных нужд) или массы расплавленного металла.

Так как повторное использование энергии зачастую наиболее необходимо при остановке выработки энергии возобновляемыми источниками, для выработки бросового тепла топливо должно быть сожжено. Это уменьшает КПД цикла накопления и повторного использования, и, хоть этот подход относительно прост, сжигание топлива добавляется к стоимости восстановленной электроэнергии и ставит под угрозу выгоды, связанные с большинством возобновляемых источников энергии. Как бы там ни было, это – единственная система, воплощенная в коммерческом масштабе.

Электростанция с НЭСВ «Макинтош» (штат Алабама) требует 2,5 МДж электричества и 1,2 МДж газа с нижней теплотворной способностью на каждый МДж произведенной энергии, соответственно, КПД вторичного использования энергии равен 27 %. Электростанция с комбинированным циклом  «7FA», принадлежащая компании «General Electric» типа «2х1» – одна из самых эффективных работающих газогенераторных установок, использующая 1,85 МДж газа с НТС на 1 МДж выработанной энергии, достигая теплового КПД в 54 %.

Изотермический тип

Способы изотермического сжатия и расширения пытаются поддерживать рабочую температуру за счет постоянного теплообмена с окружающей средой. Это применимо только для малых объемов энергии без  очень эффективных теплообменников. Теоретический КПД изотермического накопителя энергии достигает 100 % при идеальной передаче тепла в окружающую среду. На практике ни один из этих идеальных термодинамических циклов не доступен, так как хотя бы минимальные потери тепла неизбежны.

Околоизотермический тип

Околоизометрическое сжатие (и расширение) – процесс, в котором воздух сжимается в предельной близости с крупной несжимаемой тепловой массой, типа теплопоглощающего и тепловыделяющего материала (ТИТМ) или струи воды. ТИТМ обычно сделан из рядов параллельно расположенных пластин. Когда воздух сжимается, тепло от сжатия быстро передается тепловой массе, таким образом, стабилизируется температура газа. Внешняя охлаждающая система позднее используется для поддержки температуры тепловой массы.

Изотермный КПД компрессора – мера, измеряющая изменения между адиабатическим и изотермическим процессами. Если КПД равен 0 %, он – исключительно адиабатический, при КПД в 100 %, он – исключительно адиабатический. Как правило, КПД околоизотермического процесса оценивается в 90-95 %.

Другие типы

Одна из разработок для изотермического НЭСВ использует выстроенные в ряды поршни высокого, среднего и низкого давления, где после каждой ступени смонтирован гидроструйный насос, который перегоняет воздух из атмосферы через воздухо-воздушный (или воздухо-морской) теплообменник между каждой ступенью расширения. Ранние концепты торпед на сжатом воздухе использовали простой подход, заменяя морскую воду воздухом.

Гидроструйный насос нагревает выхлоп с предшествующей ступени и пропускает этот нагретый воздух на следующую ступень. Этот подход был принят при разработке различных средств на сжатом воздухе типа рудничных локомотивов и трамваев о компании «H.K.Porter, Inc.». здесь тепло от сжатия эффективно храниться в атмосфере (или в море) и возвращается позднее.

Компрессоры и расширители

Сжатие может осуществляться при помощи электрических турбокомпрессоров, а расширение – при помощи «турборасширителей» или авиадвигателей, запускающих электрогенераторы для производства энергии.

Накопление сжатого воздуха

Система накопления в НЭСВ (Накопителе Энергии в Сжатом Воздухе) – одна из интереснейших характеристик технологии, так как она строго связана с экономической реализуемостью, плотностью энергии и гибкостью. Существует несколько категорий емкостей для накопления воздуха, основанных на термодинамических условиях накопления и выбранной технологии:

1. Накопление при постоянном объёме (покрытые раствором пустоты, надземные емкости, водоносные горизонты, автомобильные двигатели и т.д)
2. Накопление при постоянном давлении (подводные напорные сосуды, гидроаккумулирующие гибридные системы накопления сжатого воздуха)
3. Накопление при постоянном объеме

Эта система накопления использует камеру с жесткими рамками для хранения больших объемов воздуха. С точки зрения термодинамики это значит, что эта система обладает постоянным объемом и изменяемым давлением. Это приводит к некоторым проблемам в работе для компрессоров и турбин, работающим с ними, так как изменения давления должны быть ниже определенной границы из-за провоцируемых нагрузок на накопительные емкости.

Накопительная емкость часто является подземной пустотой, созданной путем подземного выщелачивания (солью, растворенной в воде для извлечения) или заброшенной шахтой, и использует пористые скальные породы (породы, обладающие отверстиями, через которые могут проникать воздух или жидкость) по типу пустот, где используется природный газ.

В некоторых случаях в качестве системы накопления были проверены надземные трубопроводы, и были получены несколько обнадеживающие результаты. Очевидно, что расходы на систему выше, но ее можно расположить в любом выбранном разработчиком месте, тогда как подземная система требует некоторые особенные формации (соляные купола, водоносные горизонты, истощенные газовые месторождения, и т.д.).

Накопление при постоянном давлении

В этом случае накопительная емкость хранится при постоянном давлении, тогда как газ содержится в емкости с изменяемым объемом. Многие типы накопительных емкостей были предложены, но рабочие условия следуют аналогичному принципу, и поэтому накопительная емкость расположена в сотнях метров под водой. За счет гидростатического давления водного столба над накопительной емкостью удается сохранять давление на желаемом уровне.

Эта конфигурация позволяет:

1. Увеличить плотность энергии накопительной энергии, так как можно использовать весь накопленный воздух (давление сохраняется при всех условиях заряда, полного или пустого, что не причиняет турбине проблем при работе, тогда как системам с постоянным объемом необходимо остановиться после достижения критически низкого давления);
2. Увеличить КПД турбин, которые будут работать при постоянных условиях на входе;
3. Начать применение различных географических зон для расположения электростанций с НЭСВ (прибрежные зоны, плавучие платформы и т.д.).

С другой стороны, стоимость этих накопительных систем выше из-за потребности в расположении накопительной емкости на дне определенного водохранилища (часто – моря или океана), а также – из-за стоимости самой емкости.

Электростанции работают по суточному циклу, заряжаясь ночью и разряжаясь в течение дня. Нагрев сжатого воздуха с использованием природного газа или геотермального источника для увеличения количества добываемой энергии был изучен Тихоокеанской северо-западной национальной лабораторией.

Накопление энергии в сжатом воздухе может также использоваться в меньших масштабах, применяясь для автомобилей на воздушной подушке или пневматических локомотивов, и может применять емкости для накопления из высокопрочных углеродных волокон. Чтобы сохранить энергию, накопленную в сжатом воздухе, эта емкость должны быть термически изолирована от окружающей среды. кроме того, сохраненная энергия будет улетучиваться в виде тепла, так как сжатие воздуха повысит его температуру.

История и важнейшие проекты

Городские системы накопления энергии в сжатом воздухе строились, начиная с 1870 года. В таких городах, как Париж (Франция), Бирмингем (Англия), Дрезден, Нойкёльн и Оффенбах (Германия) и Буэнос-Айрес (Аргентина) были установлены подобные системы. Виктор Пуп создал первые системы такого рода для питания часов за счет отправки воздушной вибрации каждую минуту для изменения положения стрелок. Они быстро развились, получив возможность поставлять энергию домам и заводам. Уже до 1896 года парижская система обладала генератором мощностью в 2,2 МВт энергии, распределенной по 50 км воздуховодов под давлением 550 кПа для легкой и тяжелой индустрии.

В качестве единицы измерения использовались кубометры. Системы стали главным источником энергии, доставляемой на дом, в то время, а также – питали механизмы дантистов, швей, типографий и пекарен.

• 1978 год – первый промышленный проект по НЭСВ – электростанция Хунторф в Германии, использующая соляной купол (мощность – 290 МВт).
• 1991 год – была построена электростанция в городе Макинтош (штат Алабама, мощность – 110 МВт, емкость хранения – 26 часов).
• Предприятие в Алабаме стоимостью в 65 миллионов долларов вырабатывает энергию стоимостью в 590 долларов/кВт генерируемой мощности и примерно за 23 доллара/ кВт/ч емкости хранения, используя соляную шахту, созданную путем выщелачивания раствора, объемом в 19 миллионов куб. фт. для хранения воздуха при давлении 1100 футов/кв. дюйм. Хотя фаза сжатия обладает КПД примерно в 82 %, фаза расширения требует сжигания природного газа на одну треть от мощности турбины для производства аналогичного объема энергии.
• Декабрь 2012 года – компания «General Compression» завершила строительство околоизотермического проекта НЭСВ мощностью в 2 МВт в городе Гейнс, штат Техас. Этот проект – третий в мире, принадлежащий к данному типу, и он не использует топливо.
• Электростанция Хунторф в Германии (мощность – 290 МВт) диабатического типа. Емкость – 580 МВт/ч, КПД – 42 %.
• Электростанция Макинтош в штате Алабама, США (мощность – 110 МВт) диабатического типа. Емкость – 2 860 МВт/ч, КПД – 54 %.
• Ноябрь 2009 года – американское министерство энергетики выделило 24,9 миллионов долларов для согласованной платы за первую фазу проекта НЭСВ стоимостью в 356 миллионов долларов и мощностью в 300 МВт от компании «Pacific Gas and Electric». Он использует солевые пористые формации, разработанные близ Бейкерсфильда в округе Керн (штат Калифорния). Целями проекта являются постройка и подтверждение реализуемости усовершенствованных технологий.
• Декабрь 2010 года – американское министерство энергетики выделило 29,4 миллиона долларов финансирования для обеспечения подготовительных работ перед постройкой проекта НЭСВ мощностью в 150 МВт на соляной основе от компании «Iberdrola USA» в Уоткинс Глен (штат Нью-Йорк). Цель – ввести технологии «умных сетей» для балансировки возобновляемых периодических источников энергии.
• 2013 год – первый проект адиабатического НЭСВ – установка «ADELE» мощностью в 200 МВт, планировалась к постройке в Германии. Проект по неизвестным был отложен, минимум, до 2016 года.
• 2017 год (планируется) – компания «Storelectric Ltd.» планирует построить пилотную электростанцию мощностью в 40 МВт в британском Чешире, работающую исключительно на возобновляемой энергии. Емкость хранения станции – 800 МВт/ч.

Согласно сведениям с их веб-сайта, «Эта станция была бы в 20 раз больше любого аналога, построенного ранее, став скачком в области накопительных систем».

• 2020 год (планируется) – компания «Apex» планировала построить электростанцию для НЭСВ в округе Андерсон (штат Техас) и ввести ее в эксплуатацию в 2016 году. Проект был отложен и не будет введен в эксплуатацию до лета 2020 года.
• Ланр, Северная Ирландия – проект электростанции с НЭСВ мощностью в 330 МВТ, использующей две созданных путем выщелачивания пустоты в соляном месторождении, был поддержан ЕС на 90 миллионов евро.
• Проект адиабатической электростанции в рамках проекта «RICAS 2020» в Австрии, поддержанный Евросоюзом, использует измельченную породу для хранения тепла от процесса сжатия для улучшения эффективности. Ожидается достижение КПД на уровне 70-80 %.

Термодинамика накопления

Чтобы достигнуть условий, близких к термодинамическому двухстороннему процессу, где большая часть энергии остается в системе и может быть возвращена, а потери остаются достаточно незначительными, желательно получить условия, близкие к двухстороннему изотермическому или адиабатическому процессам.

Изотермическое накопление

При изотермическом процессе сжатия, газ в системе хранится при постоянной температуре в течение всего периода. Это непременно требует обмена теплом с газом, иначе температура будет расти при зарядке и падать при разрядке. Этот теплообмен может происходить за счет теплообменников (промежуточных охладителей) между следующими друг за другом ступенями в компрессоре, регуляторе и баке. Во избежание потерь энергии, промежуточные охладители должны быть оптимизированы для высокой передачи тепла и низкого падения давления. Меньшие компрессоры могут быть аналогичными изотермическому сжатию даже без промежуточного охлаждения, из-за относительно высокого соотношения площади поверхности к объему камеры сжатия, и это приводит к росту рассеивания тепла из самого тела компрессора.

Когда удается сохранить идеального изотермического накопления (и разрядки), процесс можно назвать «двухсторонним». Для этого требуется, чтобы теплообменник между краями и газом обеспечивал бесконечно малую разницу температур. В этом случае не происходит никаких потерь энергии в процессе передачи тепла, и таким образом работа сжатия может быть полностью восстановлена в качестве работы расширения. КПД накопителя составляет 100 %. Однако, на практике всегда существует разница температур при любом теплообменном процессе, и таким образом, каждая система накопления энергии получает значения КПД ниже 100 %.

Необратимость процесса (как в случае с передачей тепла) приведет к тому, что меньше энергии будет восстановлена из процесса расширения, чем ее потребуется для процесса сжатия. Если в окружающей среде сохраняется постоянная температура, к примеру, тепловое сопротивление в промежуточных охладителях будет значить то, что сжатие происходит при несколько более высокой температуре в сравнении с температурой окружающей среды, а расширение будет происходить при температуре ниже окружающей среды. Таким образом, идеального изотермического накопления энергии достичь не удается.

Адиабатическое (изентропическое) накопление

Адиабатический процесс – тот процесс, где между жидкой средой и окружающей средой не происходит теплообмен. Система изолирована во избежание теплообмена. Если процесс вдобавок станет внутренне обратимым (плавным, медленным и лишенным трения, приближаясь к идеальному пределу), он станет ближе к изентропическому процессу.

Адиабатическая накопительная система работает без предварительного охлаждения при процессе сжатия, и просто позволяет газу нагреваться, и таким же образом охлаждаться во время расширения. Это заманчиво, так как потери энергии, связанные с теплообменом, избегаются, но недостаток в том, что накопительный резервуар должен быть защищен от потерь тепла. Также стоит учитывать, что реальные компрессоры и турбины неизентропичны, но вместо этого обладающие изентропическим КПД на уровне 85 %, следовательно, КПД возвратно-поступательного движения для адиабатических систем гораздо ниже идеального уровня.

Термодинамика крупных накопительных систем

Системы накопления энергии часто используют подземные пустоты. Этот концепт предпочтителен из-за своего большого объема, а значит – большого количества энергии, которая может быть сохранена при малых изменениях давления. Пространство пустоты может быть легко изолировано, адиабатически сжато при малых изменениях климата (становясь похожими на двухсторонние изотермические системы) и потерях тепла (становясь похожими на изентропические системы). Еще одно преимущество системы – низкая стоимость строительства системы накопления газа, использующей подземные насыпи для помощи в стабилизации давления.

Не так давно были разработаны подводные изолированные баллонеты с термодинамическими свойствами, аналогичными крупным накопителям в подземных пустотах.

Практические ограничения при перевозке

Для того чтобы использовать накопители воздуха в транспорте или авиации, системы накопления энергии должны быть компактными и легкими. Плотность энергии и удельная энергия – главные условия, которые определяют эти желаемые качества.

Удельная энергия, плотность энергии и КПД

Как было сказано в разделе о термодинамике накопления газа, сжатие воздуха нагревает его, а расширение – охлаждает. Вследствие этого, реальные авиамоторы нуждаются в теплообменниках, чтобы избежать чрезмерно высоких или низких температур, но даже таким образом не удается добиться идеальных постоянных температур или идеальной теплоизоляции.

Как бы там ни было, как говорилось выше, будет полезно описать максимум энергии, сохраняемой изотермическим способом, который равен около 100 кДж/м3.

Таким образом, если 1 кубометр воздуха из атмосферы будет очень медленно сжиматься в пятилитровой бутылке до 20 МПа (200 бар), потенциальная накопленная энергия составит 530 кДж. Высокоэффективный авиадвигатель может преобразовать ее в кинетическую энергию, если он будет заводиться очень медленно и сумеет расширить воздух со своей изначальной отметки в 20 МПа до 100 кПа (бутылка будет почти «пустой» при атмосферном давлении). Достижение высокого КПД является техническим вызовом как из-за выбросов тепла в атмосферу, так и из-за невосполнимого внутреннего тепла от газа. Если бутылка будет опустошена при давлении в 1 МПа, на вал мотора поступает дополнительная энергия в объеме 300 кДж.

При стандартном давлении в 20 МПа стальной баллон будет весить 7,5 кг, превосходя 5-килограммовую емкость по массе. Высокопрочные волокна типа графитовых или кевлара могут весить менее 2 кг при данном размере, соответствуя правилам техники безопасности. Один кубометр воздуха при 20  C весит 1 204 кг при стандартной температуре и давлении. Таким образом, теоретическая удельная энергия может варьироваться от примерно 70 кДж/кг веса вала двигателя для плоского стального баллона до 180 кДж/кг веса для аналогов из стеклотекстолита, тогда как практически достижимая удельная энергия для тех же емкостей будет варьироваться от 40 до 100 кДж/кг.

Сравнение с батареями

Передовые наполненные волоком емкости можно сравнить с перезаряжаемыми свинцово-кислыми батареями по плотности энергии. Батареи обеспечивают постоянное напряжение за счет их уровня общего заряда, тогда как давление сильно изменяется при полном использовании напорного сосуда. Технически трудно разработать авиадвигатели для поддержки высокого КПД и подходящей мощности при широком диапазоне давлений. Сжатый воздух может передавать энергию при очень высоких скоростях потока, которые нужны для стартового ускорения и замедления транспортных систем, в частности – для гибридного транспорта.

У систем на сжатом воздухе есть ряд преимуществ над стандартными батареями, в том числе – более долгий срок службы напорных сосудов и более низкая токсичность материалов. Более совершенные концепты батарей, типа литий-железо-фосфатных не подвержены никаким из этих недостатков. Сжатый воздух стоит сравнительно меньше; однако, разработка и тесты на безопасность более совершенных напорных сосудов на данный момент стоят дороже, чем батареи массового производства.

Как и технология накопления энергии, сжатый воздух – единственный «чистый» источник для энергии, хранимой там. Оценка жизненного цикла обращается к вопросу глобальных выбросов от данной технологи накопления энергии вместе с общей мощностью электросети.

Безопасность

Как и в большинстве технологий, сжатый воздух обладает рядом сомнительных моментов, связанных с безопасностью, главным образом – разрыв бака, ведущий к катастрофе. Правила техники безопасности делают это редким исключением, за счет расходов на больший вес и дополнительных мер предосторожности типа предохранительных клапанов. Правила могут ограничивать разрешенное рабочее давление до менее чем 40 % от разрывного давления для стальных емкостей (коэффициент прочности – 2,5) или до менее 20 % для емкостей со стеклотекстолитом (коэффициент прочности – 5). Коммерческие проекты соответствуют стандарту ISO 11439. Емкости высокого давления очевидно прочнее, поэтому они, как правило, не разрываются при поломке транспорта.

Использование в транспорте

Авиамоторы использовались с XIX столетия для подпитки рудничных локомотивов, насосов, дрелей и трамвая через централизованную городскую распределительную сеть. Гоночные автомобили сжатый воздух для запуска своих двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и крупные дизельные двигатели могли использоваться для запуска пневматических историй.

Двигатель

Двигатель на сжатом воздухе использует расширения газа для запуска поршней двигателя, вращения валов и запуска турбины.
Повысить эффективность могли следующие методы:

1. Турбодентандеры непрерывного действия с высоким КПД;
2. Многочисленные степени расширения;
3. Использование бросового тепла, особенно – в гибридном тепловом двигателе;
4. Использование тепла окружающей среды.

Высокоэффективная схема компоновки использует ряды поршней высокого, среднего и низкого давления, где после каждой степени смонтирован гидроструйный насос, перемещающий воздух через воздухо-воздушный теплообменник. Это нагревает выброс с предыдущей степени и перемещает его нагретым на следующий этап. Единственным выбросом с каждой степени является холодный воздух, охлажденный до -15 C (5 F); холодный воздух может использоваться для кондиционирования в машине.

Дополнительное тепло может поставляться за счет сгорания топлива, как торпеда Уайтхэда 1904 года. Это увеличивает диапазон и скорость, доступную для данного объема бака, за счет стоимости дополнительного топлива

Машины

Примерно с 1990 года несколько компаний заявили о разработке машин на сжатом воздухе, но ни одна из них не была создана. Как правило, главными преимуществами объявлялись отсутствие загрязнения обочины, низкая цена, использование пищевого масла для смазки и встроенная система кондиционирования воздуха.

Для транспорта важно время, потраченное на перезаправку пустого бака. «Объемный трансфер» практически мгновенно перемещает предварительно сжатый воздух из стационарного бака в бак транспорта. В качестве альтернативы может выступать стационарный или бортовой компрессор, способный сжимать воздух по требованию, что может потребовать несколько часов.

Корабли

Крупные морские дизельные двигатели начали использовать сжатый воздух под давлением около 20-30 бар, и хранят его в двух и более крупных емкостях, напрямую влияя на поршни через специальные стартовые клапаны, чтобы повернуть коленчатый вал и начать впрыск топлива. Эта компоновка гораздо компактнее и дешевле, чем электрический стартер, в таких масштабах, и способен обеспечить необходимую вспышку крайне высокой энергии без размещения запрещено груза на электрогенераторах и распределительных систем корабля.

Также достаточно часто используется сжатый воздух при более низком давлении для управления двигателем и работы в качестве упругой силы, воздействующей на выхлопной клапан цилиндра, и для работы других вспомогательных систем и станков на борту, включающих иногда пневматические ПИД-регуляторы. Преимуществом этого подхода является то, что в случае отключения энергии, корабельные системы, запитанные от накопленного сжатого воздуха, могут продолжить работать без перерыва, а генераторы могут быть перезапущены без электроснабжения. Другое преимущество – возможность использования пневматических инструментов в, как правило, влажных условиях без риска удара током.

Гибридный транспорт

Хоть система накопления воздуха предлагает относительно малую плотность энергии и дальность пробега, ее высокий КПД привлекателен для гибридного транспорта, использующего в качестве главного источника энергии обычный двигатель внутреннего сгорания. Накопление воздуха может быть использовано для рекуперативного торможения и оптимизации цикла поршня двигателя, эффективность которого отличается на всех уровнях мощности и оборотов.

Компании «Bosch» и «PSA Peugeot Citroen» разрабатывали гибридную систему, которые использовали гидравлику в качестве способа передачи энергии к и от бака со сжатым водородом,. Заявлялось о 45 % восстановления при потреблении топлива, соответственно о 2,9 л/100 км (81 миля/галлон, 69 грамм CO2/км) при новом европейском цикле движения, для компактной сборки типа «Peugeot 208». Заявлялось, что система будет гораздо более экономичная, чем конкурирующие электрические и маховиковые СРКЭ, и будет реализована к 2016 году.

Типы систем

Гибридные системы

Двигатели, работающие по циклу Брайтона и сжимающие и нагревающие воздух вместе с топливом, подходят для двигателей внутреннего сгорания. К примеру, природный или биогаз нагревает сжатый воздух, а потом – стандартный газотурбинный агрегат или задняя сторона реактивного двигателя расширяет его для производства работы.

Двигатели на сжатом воздухе можно перезаряжать, как и электрическую батарею. Вероятнее всего неработающая компания «Energine» продвинуло свою Пневматическую Подключаемую Гибридную Электромобильную Систему (ППГЭС).

Рабочими гибридными электростанциями являются запущенная в 1978 году немецкая ЭС Гунторф, и Макинтош в штате Алабама (1991 год). Обе системы используют внепиковую энергию для сжатия воздуха и сжигает природный газ в сжатом воздухе во время фазы генерации воздуха.

Накопительный энергоцентр в Айове, вероятнее всего, будет использовать накопление в водоносном горизонте, чем в пустоте. Перемещение воды в горизонте приведет к стабилизации давления воздуха за счет постоянного гидростатического давления воды. Спикер НЭА заявляет: «вы можете оптимизировать ваше оборудование для лучшей эффективности, если у вас есть постоянное давление». Выработка энергии системами Макинтоша и Айовы составляет от 2 до 300 МВт.

Дополнительные мощности проектируются в городе Нортон (штат Огайо). Компания «FirstEnergy» в городе Акрон (Огайо) получило у местной энергетической компании право на освоение территории для постройки электростанции мощностью в 2700 МВт в рамках проекта «Нортон» в ноябре 2009 года.

Проект «RICAS2020» попытается использовать заброшенную шахту для адиабатического НЭСВ с рекуперацией тепла. Тепло от сжатия накапливается в туннельной секции, заполненной трещиноватым камнем, поэтому сжатый воздух охлаждается при поступлении в главную камеру хранения под давлением. Охлажденный сжатый воздух восстанавливает накопленное в камне тепло, когда высвобождается через поверхность турбины, повышая общий КПД.

Накопление в озере или океане

Большая глубина озер и океана может обеспечить давление без потребности в баках высокого давления или создании скважин в соляных пустотах или водоносных горизонтах. Воздух поступает в дешевые, гибкие контейнеры типа пластиковых мешков на глубине озер или вдали от береговых линий с крутым ландшафтом. Среди препятствий – ограниченное число подходящих мест и потребность в трубопроводах высокого давления между поверхностью и контейнерами.

Так как контейнеры с большой вероятностью будут недорогими, потребность в большом давлении (и глубине) может не быть такой острой. Ключевым выгодным моментом систем, построенных по такому концепту, станет то, что давления заряда и разряда постоянно зависят от глубины. Изъяны теплового двигателя Карно могут быть впоследствии уменьшены на электростанции.

Эффективность этого двигателя может быть увеличена за счет увеличения числа степеней заряда и разряда и использования недорогих источников тепла и стоков типа холодной речной воды или горячей воды из солнечных прудов. В идеале система должны быть очень искусной – к примеру, за счет остуженного воздуха перед накачкой в летние дни. Она должна быть построена во избежание неэффективности, как-то неэкономное изменение давления из-за неправильного выбора диаметра трубопровода.

Околоизобарное решение возможно в случае, если сжатый газ используется для запуска гидроэлектрической системы. Однако оно потребует больших напорных емкостей, расположенных на суше (также как и подводные баллонеты). Также предпочтительной текучей средой является газообразный водород, тогда как другие газы подвержены существенному гидростатическому давлению даже на относительно малых глубинах (около 500 метров).

Одна из ведущих европейских энергокомпаний – «E.ON» выделила 1,4 миллиона евро (1,1 миллиона фунтов) для финансирования разработки подводных накопителей воздуха. Канадская компания «Hydrostor» разрабатывают коммерческую систему подводных «накопителей» для НЭСВ, диапазоном в 1-4 МВт.

Существует план некоторых типов НЭСВ в подводных пещерах у Северной Ирландии.

В разработке находится целая серия методов околоизотермического сжатия. У компании «Fluid Mechanics» есть система с теплопоглощающим и тепловыделяющим материалом (ТИТМ), соединенным с поршнем возвратно-поступательного хода. Компания «Light Sail» использует впрыскивание воды в цилиндр возвратно-поступательного хода. Организация «SustainX» применяет воздух, смешанный с водной пеной внутри компрессора.

Все эти системы обеспечиваю то, что воздух будет сжат при высокой температуропроводности, сравнимой со скоростью сжатия. Как правило, эти компрессоры могут работать при скоростях до 1 000 об./мин. Для обеспечения высокой температуропроводности среднее расстояние молекул газа от теплопоглощающей поверхности должно составлять 0,5 мм. Эти околоизотермические компрессоры также могут использоваться и как околоизотермические расширители, и такие уже разрабатываются для увеличения КПД систем НЭСВ.