1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Теплоэнергетика
  4. № 12, 2023

Теплоэнергетика, 2023, № 12, стр. 101-113

Выбор накопителя энергии для микрогазотурбинной установки, автономно работающей в условиях севера

А. Б. Тарасенко a, *, О. С. Попель a, С. В. Монин b

a Объединенный институт высоких температур РАН
125412 Москва, Ижорская ул., д. 13, стр. 2, Россия

b Научно-производственное объединение “Лианозовский электромеханический завод”
127411 Москва, Дмитровское шоссе, д. 110, Россия

* E-mail: tarasenkoab@inbox.ru

Поступила в редакцию 14.07.2023
После доработки 31.07.2023
Принята к публикации 01.08.2023

Аннотация

На примере микрогазотурбинной установки (МГТУ) типа C30 Capstone выполнен анализ различных вариантов применения современных накопителей электрической энергии в составе буферной батареи и проведено их сопоставление. Газовые микротурбины единичной мощностью от нескольких десятков до сотен киловатт появились на рынке в 70-х годах прошлого столетия и стали все более широко применяться в системах автономной и распределенной генерации. Их конкурентоспособность по сравнению с дизельными и газопоршневыми энергоустановками обеспечивается прежде всего достижением сопоставимых с конкурентами значений КПД в результате использования регенеративного термодинамического цикла с высокоэффективными рекуперативными теплообменниками и высокооборотного турбогенераторного оборудования с воздушными подшипниками вместо масляных. Это значительно снижает эксплуатационные требования к периодичности (частоте) обслуживания энергоустановок, а также расширяет возможности применения различных видов жидких и газообразных топлив (политопливность), доступных в районе эксплуатации. Важная особенность микрогазотурбинных энергоустановок – звено постоянного тока и буферный накопитель электрической энергии в схеме выдачи мощности, которые позволяют эффективно управлять параметрами тока (регулировать их) без изменения частоты вращения двигателя. В традиционных вариантах таких энергоустановок в качестве буферного накопителя энергии, как правило, используются свинцово-кислотные аккумуляторы. Авторами рассмотрены варианты их замены на суперконденсаторы и аккумуляторы различных видов с учетом таких эксплуатационных факторов, как преобладание в течение большей части года низких температур окружающей среды (арктические условия), трудности в логистике, условия обслуживания энергоустановок этих аккумуляторов и их немалая стоимость. Выполнены оценки массогабаритных характеристик накопителей на основе разных типов элементов с акцентом на изделия российских производителей. Сделан вывод, что при эксплуатации МГТУ в суровых климатических условиях в их буферном накопителе целесообразно использовать суперконденсаторные батареи, несмотря на их малую удельную энергоемкость и высокую стоимость.

Ключевые слова: Арктическая зона России, микрогазотурбинная установка, аккумулятор, суперконденсатор, буферный накопитель, распределенная генерация

Список литературы

  1. Ayaz S.K., Altuntas O., Caliskan H. Enhanced life cycle modelling of a micro gas turbine fuelled with various fuels for sustainable electricity production // Renewable Sustainable Energy Rev. 2021. V. 149. P. 111323. https://doi.org/10.1016/j.rser.2021.111323

  2. A year-long study on PM2.5 and its carbonaceous components over eastern Himalaya in India: Contributions of local and transported fossil fuel and biomass burning during premonsoon / S. Mukherjee, M. Dutta, A. Ghosh, A. Chatterjee // Environ. Res. 2022. V. 212. Part D. P. 113546. https://doi.org/10.1016/j.envres.2022.113546

  3. A multi-criteria decision-making framework for distributed generation projects investment considering the risk of electricity market trading / Z. Ji, X. Yu, W. Li, D. Niu // J. Cleaner Prod. 2023. V. 416. P. 137837. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2023.137837

  4. Micro gas turbine engine: A review / M.A.R. do Nascimento, L. de O. Rodrigues, E.C. dos Santos, E.E.B. Gomes, F.L.G. Dias, E.I.G. Velásques, R.A.M. Carrillo // https://doi.org/10.5772/54444

  5. Косой А.С., Монин С.В., Синкевич М.В. Современные подходы к исследовательским работам при создании микротурбинных энергетических комплексов // Вестник Концерна ВКО “Алмаз – Антей”. 2018. № 1. С. 72–79. http://journal.almaz-antey.ru/ jour/article/view/48/48

  6. Mitigation effect of flywheel energy storage on the performance of marine gas turbine DC microgrid under high-power load mutation / Y. Li, Z. Ding, Y. Yu, Y. Liu // Energy Reports. 2023. V. 9. P. 1380–1396. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2022.12.052

  7. Ismail M.S., Moghavvemi M., Mahlia T.M.I. Design of an optimized photovoltaic and microturbine hybrid power system for a remote small community: Case study of Palestine // Energy Convers. Manage. 2013. V. 75. Is. 6. P. 271–281. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2013.06.019

  8. Попель О.С., Тарасенко А.Б. Современные виды накопителей электрической энергии и их применение в автономной и централизованной энергетике // Теплоэнергетика. 2011. № 11. С. 2–11.

  9. Щелочные и свинцово-кислотные аккумуляторы Великолукского аккумуляторного завода “Импульс”. [Электрон. ресурс.] https://akbluki.ru

  10. Щелочные аккумуляторы типа KGL, KL, KN, KH [Электрон. ресурс.] http://zait.ru

  11. Eguro T. Ni-cadmium batteries // Encyclopedia of applied electrochemistry / Ed. by G. Kreysa, K.-I. Ota, R.F. Savinell. N.Y.: Springer, 2014. P. 1358–1363. https://doi.org/10.1007/978-1-4419-6996-5_147

  12. ГОСТ 15596-82. Источники тока химические. Термины и определения. Описание заряда NiCd-аккумуляторов. https://files.stroyinf.ru/Data/217/21710.pdf

  13. David G.V. The Avionics Handbook. Ch. 10. Boca Raton (USA): CRC Press LLC, 2001. https://avocado82.files.wordpress.com/2011/06/avionics-handbook.pdf

  14. Scientific Background on the Nobel Prize in Chemistry 2019 – Lithium-ion batteries. [Электрон. ресурс.] https://www.nobelprize.org/uploads/2019/10/advanced-chemistryprize2019-2.pdf.

  15. Goodenough J. Rechargeable batteries: challenges old and new // J. Solid State Electrochem. 2012. V. 16. P. 2019–2029. https://doi.org/10.1007/s10008-012-1751-2

  16. Tarascon J.M. Key challenges in future Li-battery research // Philos. Trans. Royal Soc. A Math., Phys. Eng. Sci. 2010. V. 368. Is. 1923. P. 3227–3241. https://doi.org/10.1098/rsta.2010.0112

  17. Huang Y.-H., Goodenough J.B. High-rate LiFePO4 lithium rechargeable battery promoted by electrochemically active polymers // Chem. Mater. 2008. V. 20. Is. 23. P. 7237–7241. https://doi.org/10.1021/cm8012304

  18. Stabilizing NMC 811 Li-Ion battery cathode through a rapid coprecipitation process / A.L. Lipson, B.J. Ross, J.L. Durham, D. Liu, M. Le Resche, T.T. Fister, L. Liu, K. Kim // ACS Appl. Energy Mater. 2021. V. 4. Is. 2. P. 1972–1977. https://doi.org/10.1021/acsaem.0c03112

  19. Self-heating ignition of open-circuit cylindrical Li-ion battery pile: Towards fire-safe storage and transport / Y. Liu, P. Sun, S. Lin, H. Niu, X. Huang // J. Energy Storage. 2020. V. 32. P. 101842. https://doi.org/10.1016/j.est.2020.101842

  20. Development, retainment, and assessment of the graphite-electrolyte interphase in Li-ion batteries regarding the functionality of SEI-forming additives / S.H. Beheshti, M. Javanbakht, H. Omidvar, M.S. Hosen, A. Hubin, J.V. Mierlo, M. Berecibar // Science. 2022. V. 25. P. 1–23. https://doi.org/10.1016/j.isci.2022.103862

  21. Preparation of lithium titanate nanoparticles assisted by an ion-exchange process and their electrochemical performance as anode materials for Li-ion batteries / H.-J. Hong, S.-Y. Lee, S. Kwon, B.-S. Kim, S. Yoon, I.-S. Park // J. Alloys Compounds. 2021. V. 886. P. 161296. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.161296

  22. The structure of the electric double layer: Atomistic versus continuum approaches / S. Sakong, J. Huang, M. Eikerling, A. Groß // Current Opinion in Electrochem. 2022. V. 33. P. 100953. https://doi.org/10.1016/j.coelec.2022.100953

  23. Limitations for lithium-ion batteries application in engine cold cranking A.A. Fedotov, O.S. Popel, S.V. Kiseleva, A.B. Tarasenko // J. Phys.: Conf. Ser. 2021. V. 1787. P. 012065. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1787/1/012065

  24. Аккумуляторы серии KGL. [Электрон. ресурс.] http://www.zait.ru/akkumuljatory/akkumuljatory_serii_kgl

  25. Щелочной никель-кадмиевый аккумулятор для электростанций KGL375P – ООО “Курс”. [Электрон. ресурс.] https://zaokurs.ru/katalog/akkumulyatornyie-batarei/staczionarnyie-akkumulyatoryi/shhelochnoj-nikel-kadmievyij-akkumulyator-dlya-elektrostanczij-kgl375p

  26. Батареи для складской клининговой и другой техники. https://www.jsc-energiya.com/?ysclid= lk7ytz0ipo704660496

  27. ООО “НЭТЕР” – российский производитель литиевых аккумуляторов. [Электрон. ресурс.] https://neter.pro

  28. Решения на базе суперконденсаторов и LI-ion батарей. [Электрон. ресурс.] https://titanps.ru/?ysclid= lk7yxob03v640141765

  29. Суперконденсаторы компании “Ультраконденсаторы Феникс” [Электрон. ресурс.] https://www. u-ltracapacitor.ru/catalog/superkondensatory-feniks/ superkondensatory

  30. Продукция компании ТЭЭМП. [Электрон. ресурс.] https://teemp.ru/?ysclid=lk7yz73yrc111049302

  31. Технология и устройство суперконденсаторов компании ТЭЭМП. [Электрон. ресурс.] https://teemp. ru/tehnologiya

  32. Electrolyte mixture based on acetonitrile and ethyl acetate for a wide temperature range performance of the supercapacitors / R.R. Galimzyanov, S.V. Stakhanova, I.S. Krechetov, A.T. Kalashnik, M.V. Astakhov, A.V. Lisitsin, A. Yu. Rychagov, T.R. Galimzyanov, F.S. Tabarov // J. Power Sources. 2021. V. 495. P. 229442.https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2020.229442

  33. Суперконденсаторы АО “Элеконд”. [Электрон. ресурс.] https://elecond.ru/production/super

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Теплоэнергетика

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал