Жидкий воздух может служить неплохим энергоносителем. Правда, для транспортных нужд, которые первыми приходят в голову, он подходит плохо. А вот работоспособность стационарной энергетической установки такого типа доказана на опыте. Его провели инженеры в Соединённом Королевстве.

Британская компания Highview Power Storage в течение последних девяти месяцев проводила первую фазу испытаний пилотной установки CryoEnergy System (CES). Она призвана помогать обычной тепловой электростанции во время пиков энергопотребления, сглаживая нагрузку на основное оборудование.

Базовый принцип действия CES очень прост. Когда в сети идёт спад, лишняя электроэнергия используется, чтобы охладить воздух до –196 градусов и превратить его в жидкость. Та отправляется в теплоизолированную ёмкость.

Когда энергия снова нужна, жидкий воздух подогревают теплом атмосферы, он начинает кипеть, расширяясь в 700 раз. Далее всё происходит как в обычной тепловой станции — находящийся под большим давлением воздух крутит турбину, а та — вал генератора.

Рис. 1. Экспериментальная энергетическая установка на жидком воздухе занимает небольшую площадку во дворе электростанции. Белая «башня» в центре — криогенная ёмкость (фото Highview Power Storage).

Рис. 2. Схема CES. Авторы системы особо отмечают, что побочный продукт работы установки — холод, который тоже не грех использовать. Такая когенерация носит название «combined cold and power», в противовес давно привычному «combined heat and power», то есть одновременному производству электричества и полезного тепла (иллюстрация Highview Power Storage).

Такую идею учёные и инженеры уже выдвигали не раз и в разных странах, но именно Highview Power Storage воплотила её в жизнь.

300-киловаттная опытная установка CES была смонтирована на одной из электростанций компании SSE, причём систему подключили к национальной энергосети.

Рис. 3. Первая система CES уже работает на постоянной основе, то есть ежедневно. Но испытания ещё не закончены, да и саму установку британцы ещё будут достраивать (фотографии Highview Power Storage).

Авторы CES отмечают, что при нагреве диковинного энергоносителя воздухом атмосферным подобный генератор способен вернуть в сеть лишь 50% от той энергии, что ранее ушла на сжижение воздуха. Но если использовать бросовое тепло от какого-либо промышленного объекта (а в данном случае оно шло от оборудования самой электростанции, приютившей у себя систему CES), КПД вырастает до 70%.

Жидкий воздух для CES пока производили вне опытной площадки, но сейчас Highview монтирует установку для сжижения в рамках самой CES. Полная система будет тестироваться во второй фазе испытаний.

Рис. 4. Полная система CES, по идее, включает в себя не только аппаратуру для сжижения воздуха, но и оборудование, сохраняющее и утилизирующее холод, получающийся на выходе воздушной турбины. Важнейшие части комплекса — система генерации энергии (2) и криогенная цистерна (1). Остальными цифрами показано криогенное оборудование и несколько компрессоров (иллюстрация Highview Power Storage).

Выхлоп CES — это чистый воздух, причём довольно холодный. Его англичане тоже предлагают использовать. Например, он пригодится для нужд кондиционирования, для охлаждения промышленного оборудования или компьютеров в дата-центрах, наконец, для снижения расхода энергии, используемой в самой CES для сжижения всё того же воздуха (что повысит общую эффективность).

Как информирует Gizmag, к концу 2012 года Highview планирует запустить в работу коммерческую энергетическую систему на жидком воздухе выходной мощностью 3,5 мегаватта, а в 2014-м нарастить производительность своего комплекса до 8–10 мегаватт.

Рис. 5. Ключевые части системы CES смонтированы внутри контейнера, который легко доставить на место монтажа (фотографии Highview Power Storage).

Ещё британцы придумали родственную систему — CryoGenset (CGS). В общих чертах она работает аналогично CES, но выработка жидкого воздуха (либо как вариант — жидкого азота) и его использование для производства электричества тут намеренно разведены по разным промышленным объектам.

Замысел таков: сжижать воздух можно в одном месте, а потом развозить его в автоцистернах по нескольким точкам.

Такая перекачка энергии может показаться лишённой смысла. Но, во-первых, в целом вся система сохраняет важную роль энергетического буфера. Располагая собственной CGS, какой-нибудь завод может сам покрывать свои всплески потребления электроэнергии. А во-вторых, CryoGenset позволяет довольно просто утилизировать даровое тепло от промышленных установок, которое иначе просто выбрасывалось бы в атмосферу. Ну и даровой холод, производимый системой, тоже можно использовать на месте.

Рис. 6. Схема комплекса CryoGenset (иллюстрация Highview Power Storage).

Британцы считают CES и CGS хорошей альтернативой другим способам буферного хранения промышленных объёмов электроэнергии. Если говорить об аккумулирующих гидроэлектростанциях, то они выигрывают у жидкого воздуха в КПД, но требуют огромных водохранилищ, для которых не везде найдётся место, да и строить которые — долго и дорого.

Если сравнивать CES с системами на основе аккумуляторных батарей, то последние опять же могут обойти жидкий воздух в эффективности. Тут меньше энергии пропадает при двойном преобразовании её туда и обратно. Но, увы, подходящие для данной цели батареи стоят вчетверо дороже: $4 тысячи за киловатт мощности против $1 тысячи у CES.

Так что на стороне криогенного комплекса — относительная дешевизна, быстрота возведения и компактность установки. Как на эти доводы отреагируют энергетики — посмотрим. Для начала, наверное, стоит подождать завершения тестов CES в полном объёме.