Сравнение накопителей энергии

Недавно появилось сообщение, что в Китае разработан накопитель электрической энергии (АКБ) TENER энергоёмкостью 6,5 МВт*ч, который размещается в 20-футовом контейнере.

Энергоёмкость предыдущего лидера по накоплению энергии – MEGAPACK Илона Маска – не превышала 3,9 МВт*ч.

Сравним энергоёмкость накопителя энергии TENER с энергоёмкостью 20-футового накопителя энергии на базе водорода, хранящегося в контейнере с 65-ю металло-композитными баллонами под давлением 39,2 МПа.

Энергия Н2, хранящаяся в 65-баллонах, определённая по низшей теплоте сгорания (НТС) составляет 12,8 МВт*ч, а по высшей теплоте сгорания – 15,1 МВт*ч.

Чтобы сравнение было корректным, необходимо оценить, сколько электроэнергии можно произвести с помощью аккумуляторной батареи (АКБ) и 20-футового газобаллонного модуля (ГБМ) с водородом. Примем КПД топливного элемента равным 50%.

При выработке электроэнергии из водорода, хранящегося в 20-футовом ГБМ с помощью топливного элемента можно произвести 6,4 МВт*ч электроэнергии. То есть, аккумулирование энергии в виде водорода в ГБМ при давлении 39,2 МПа соизмеримо с хранением электроэнергии в самой современной АКБ.

Можно ли увеличить энергоёмкость водорода в ГБМ?

Ответ: да, это можно сделать двумя способами:

1. Увеличением давления водорода в ГБМ;
2. Добавлением к водороду метана, который является основным компонентом природного газа.

Поскольку плотность метана в 8 раз больше плотности водорода, то в ГБМ с фиксированным объемом при одинаковом давлении можно закачать в 8 раз больше метана по массе. Поскольку массовая низшая теплота сгорания метана в 2,4 раза меньше, чем массовая низшая теплота сгорания водорода, то энергия метана в ГБМ будет в 3,33 раз больше, чем энергия эквивалентного объёма водорода.

То есть, в 20-футовом ГБМ с метаном можно хранить 42,6 МВт*ч энергии, определённой по низшей теплоте сгорания (НТС). При КПД генераторной установки равном 33% количество электрической энергии, роизведённой из метана, хранящегося в 20-футовом ГБМ будет равно 14 МВт*ч, что больее, чем в два раза, чем электроэнергия, которую можно получить из АКБ TENER.

Для корректного сравнения удельной энергоёмкости АКБ и ГБМ необходимо учесть массу генерирующего электрическую энергию оборудования.

Для ГБМ с водородом это масса топливного элемента, а для ГМБ с метаном – газопоршневая установка (ГПУ).

В таблице 1 представлены данные по электрической мощности и массе ГПУ мощностью ниже 400 кВт производства компании Zichai:

Таблица 1

В таблице 2 приведены значения числа часов работы ГПУ мощностью от 50 до 400 кВт на метане, который хранится в 20-футовом контейнере под давлением 400 атм:

Таблица 2

Какие преимущества и недостатки имеют рассмотренные выше варианты хранения энергии?
Сведём основные параметры этих вариантов в таблицу 3:

Таблица 3

Энергоёмкость хранилища водорода и метана определялась по низшей теплоте сгорания.
Из этой таблицы видно, что удельная энергоёмкость водорода, хранящегося в 20-футовом контейнере при давлении 400 бар в 1,5 раза выше удельной энергоёмкости АКБ TENER, а удельная энергоемкость метана, хранящегося в 20-футовом контейнере, почти в два выше удельной энергоёмкости водорода, хранящегося в таком же контейнере и в три раза выше удельной энергоёмкости АКБ TENER.

Необходимо отметить, что в отличие от АКБ, при реакции водорода с кислородом в топливном элементе образуется водяной пар, который является парниковым газом.

При сжигании водорода в ГПУ, кроме водяного пара образуются оксиды азота.

При сжигании метана в ГПУ образуются водяной пар, оксиды углерода и азота.

P.S. Все основные производители ГПУ проводят исследования по увеличению доли водорода в топливном газе. В настоящее время только компания Rolls-Royce подтвердила возможность сжигания 100% водорода в ГПУ.