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数字孪生如何提高能源储存工厂的能力

佚名 2023-03-28 原文
可再生能源，如RNG提供了多种好处。除了支持脱碳和净零目标外，它们还提供了创建去中心化电力系统的最经济的方式。这反过来又有助于实现普遍、可靠和负担得起的电力供应。

由于这些原因，替代能源的使用越来越受欢迎，占全球发电量的近11%，并在许多国家的能源结构中占主要部分。例如，2018年挪威可再生能源的使用量占总消费量的60%以上。

为了支持越来越多地采用可再生天然气和其他可补充资源发电，必须克服的关键挑战之一是平衡电力需求的波动与一些绿色能源的间歇性。

例如，要想在脱碳工作中取得成功并避免任何浪费，就必须防止削减。当发电系统被阻止向电网输出时，就会发生这种情况，通常是因为拥堵造成的临时限制，基本上浪费了潜在的低碳能源供应。

先进储能解决方案的重要性

为了充分利用发电能力，需要稳健、可靠和高效的储能解决方案，因为它们可以提供所需的灵活性，以保持向电网的稳定和一致供应。诸如此类的策略可以支持调峰和负载转移活动。

各种热机械形式的压缩空气储能(CAES)是最有前途的高容量能源管理商业规模技术之一。通过以压缩空气的形式节省势能，这些系统能够根据需要产生大量的电力。

此外，与抽水蓄能电站不同，除了进入洞穴外，CAES设施不依赖于特定的地理位置，其每日自排放量非常低，因此可以有效地长期保持储存的能量，而不会造成任何可观的损失。此外，由于基础设备的良好性能，CAES工厂的设计寿命通常超过40年，这使每单位能源或功率的总成本保持在所有可用存储技术中最低的水平。

为了实现这些结果，CAES设施可以利用不同的配置，其中一种是创新的液体空气储能方法，该方法利用热机械原理来提高CAES的效益。

在液态空气变体中，空气在充能阶段被净化并冷却到其液态。然后将其在低温和低压下储存在合适的储罐中。当排出时，液体空气被泵送至高压，蒸发并加热以使液体空气流膨胀。由此产生的高压气体驱动动力回收装置中的一组涡轮机。

液态空气储能是未来的发展方向

液态空气储能循环利用了常规电站和工业空分厂中常见的组件。因此，它们提供了多种优势。首先，它们得到了充分的证明，并被广泛接受。其次，这种设备可以广泛用于支持商业规模的设施。最后，它们具有易于理解的维护需求。

此外，液体空气储能系统的使用可使能量密度比传统压缩空气替代品高8.5倍。因此，可以创建更经济、更高效、更易于实施、适用于可用空间有限的场地的紧凑型工厂。

此外，发电循环消除了燃烧和相关碳排放的需要，同时还支持“冷循环”实践。液化器压缩机产生的废热在该过程中被回收，以实现高效操作，并且在排放过程中释放的热能的储存和回收可以用作闭环系统的一部分，以支持充气过程中的空气液化活动。

自动化储能过程控制液态空气储能过程本身具有独特的经济和环境效益。然而，当温度在-200到+600°C之间，压力高达200bar时，这些温度的微小变化会对性能产生重大影响。这意味着在整个不同阶段的加工参数的最佳控制是关键。这对于保持能源效率和低成本，同时最大化最终结果至关重要。

通过支持实时反馈和前馈系统以及远程监控，工业自动化技术提供了一个理想的解决方案，可以持续提供峰值性能和效率。更准确地说，完全集成的自动化过程控制为现场所有机电设备的监控和可视化、趋势分析以及管理和同步提供了一个高度可用、响应迅速和安全的框架。

通过使用这种类型的自动化设置，液体空气储能工厂的操作人员可以确保所有流程的正确顺序，并及时处理任何报警，以最大限度地延长正常运行时间，最终实现高效率和生产力。因此，设施有可能实现可调度和可预测的电力分配到电网，同时保持低碳足迹甚至净零碳足迹。

但是，要对操作进行精确控制以确保最佳操作，就需要深入了解流程以及所有组件共同工作和相互影响的方式。只有这样，才能有效地规范一切活动。由于液态空气储能设施相对较新，工厂管理人员可能不容易获得这一见解。

利用数字孪生技术

拥有一个灵活的自动化设置，可以支持液体空气储能工厂，同时帮助开发工艺知识，这是一个关键资源。此外，使用高级数据分析可以创建被称为数字孪生的精确过程模型。

这提供了物理资产的实时虚拟表示。它使用系统上传感器产生的数据作为输入，并对未来的行为进行预测。然后，它将这些数据转换为准确、可访问且易于理解的信息格式，以便立即进行洞察。

随着越来越多的数据可用，数字孪生可以不断更新，以提供更高的准确性和额外的功能。这种框架最直接的好处是能够组织所有流程信息，并拥有一个单一、全面的流程概述，从而实现有效的决策。

数字孪生使操作员能够模拟不同的操作条件和场景，评估系统的局限性，而无需在物理世界中运行这些限制。这反过来又有助于提高成本效益和安全性。

因此，涵盖液态空气储能装置所有阶段的数字孪生应用是一个关键工具，可用于增强过程建模和理解，同时实现敏捷操作并推动持续改进。此外，这些虚拟表示甚至可以更进一步，作为网络物理系统(CPS)与物理对应物进行交互，以创建更主动、更灵活的设置。

为了充分利用最新的工业自动化解决方案，如先进的过程控制和数字孪生，储能设施应与专业的系统集成商合作。这可以满足该行业的特定需求，并有能力支持创新的处理方法和技术，提供未来的、可扩展的解决方案，这些解决方案可以随着业务的发展而发展。

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