Исследователи из Северо-Китайского электротехнического университета изучили способы повышения эффективности систем хранения энергии сжатым воздухом (CAES), которые используются для накопления избыточной энергии от солнечных и ветряных электростанций. Основное внимание было уделено технологии изотермического хранения и согласованной работе двухступенчатых жидкостных поршней.
Сама технология CAES основана на принципе сжатия воздуха в периоды избытка электроэнергии и его последующем расширении для генерации энергии в часы повышенного спроса. Но традиционные системы CAES считаются малоэффективными, поскольку при сжатии воздух сильно нагревается, а выделяющееся тепло теряется. В результате при обратном процессе расширения отсутствует источник тепла, и выход энергии снижается. Для решения этой проблемы была предложена технология изотермического хранения (ICAES), при которой температура воздуха поддерживается почти постоянной. Достигается это с помощью жидкостных поршней — устройств, в которых воздух сжимается не механическим поршнем, а перемещающейся жидкостью (например, водой), обладающей высокой теплоемкостью. Такая жидкость впрыскивается в рабочую камеру и эффективно отводит тепло, обеспечивая равномерное сжатие и снижая потери энергии.
Одной из ключевых технических трудностей остается работа под высоким давлением: объемы жидкости становятся значительными, а система управления — сложной. Для преодоления этих ограничений китайские ученые предложили использовать две последовательно работающие ступени жидкостных поршней. В отличие от классических двухступенчатых схем, где вторая ступень запускается только после завершения работы первой, предложенная система позволяет обеим ступеням работать одновременно, в едином потоке. Это обеспечивает непрерывное и согласованное сжатие воздуха.
Кроме того, в предложенную систему входит резервуар с постоянным давлением, в котором сжатый воздух хранится под давлением до 10 МПа. Давление в нем регулируется за счет воды: при подаче воздуха вода вытесняется, а при выпуске — возвращается обратно. Такая конструкция позволяет стабилизировать процесс хранения и частично возвращать энергию за счет движения жидкости. То есть система состоит из низко- и высоконапорных жидкостных поршней, через которые воздух проходит две стадии сжатия перед подачей в хранилище. В режиме генерации процесс разворачивается в обратную сторону: воздух расширяется и приводит в действие те же механизмы, уже работающие как генераторы.
Созданная исследователями математическая модель показала, что при заданных параметрах накопления (200 кВт·ч) и давления хранения (до 10 МПа) общая эффективность системы составляет около 68%, что значительно выше, чем у традиционных CAES-установок, где КПД редко превышает 50%. Ключевым преимуществом предложенной технологии стала высокая плотность хранения энергии: благодаря ступенчатому сжатию удалось сократить необходимый объем резервуара более чем в шесть раз. Кроме того, система обладает хорошими перспективами масштабирования — можно добавлять дополнительные ступени для дальнейшего повышения давления и энергоемкости.
К числу недостатков новой технологии исследователи относят потребление энергии, связанное с постоянным давлением в резервуаре — ее часть расходуется на перемещение жидкости, что несколько снижает итоговую эффективность. Тем не менее предложенное решение демонстрирует значительный потенциал для использования в гибридных энергетических системах и может стать перспективной альтернативой крупногабаритным аккумуляторам.
