Spis treści

I Wstęp teoretyczny 4

Magazyn Energii na sprężone powietrze (CAES) 5

Diabatyczny magazyn energii na sprężone powietrze (CAES) 7

Adiabatyczny magazyn energii na sprężone powietrze (AA-CAES) 7

Izotermiczny magazyn energii na sprężone powietrze (ICAES) 7

Istniejące systemy CAES. 8

I Wstęp teoretyczny

W czasach ogólnoświatowej walki z skutkami ocieplenia klimatu większość państw stara się ograniczyć emisję gazów cieplarnianych np. CO₂. Aby to osiągnąć przeprowadza się dywersyfikację źródeł pozyskiwania energii elektrycznej, zmniejszając w systemie energetycznym udział energii wyprodukowanej w elektrowniach opalanych węglem kamiennym i brunatnym na rzecz zwiększania udziału energii jądrowej, czy odnawialnych źródeł energii (OZE). Według prognozy zapotrzebowania na paliwa i energię do roku 2030 udział OZE w polskiej produkcji energii wyniesie około 17%, z czego 10% to elektrownie wiatrowe.

Rysunek ¹

Największą wadą OZE jest ich wysoka zależność od warunków środowiska np. pogody. Oznacza to, że nie można jednoznacznie określić ile energii otrzymamy w ciągu roku z danej elektrowni. Sposobem na rozwiązanie tego problemu jest zastosowanie magazynów energii, które w czasie nadwyżek energii w sieci akumulują ją, a w czasie zwiększonego zapotrzebowania oddają energię powrotem do sieci. Szereg badań nad tym problemem doprowadził do stworzenia wielu różnych systemów magazynowania energii, które generalnie można podzielić na następujące rodzaje:

- Mechaniczne, -Elektryczne,

-Elektrochemiczne, -Termiczne,

-Chemiczne,

Rysunek ²

Przedmiotem niniejszej pracy będzie ocena układu integrującego farmę wiatrową z magazynem energii na sprężone powietrze, więc w dalszej części pracy skupimy się na systemie Magazynu energii na sprężone powietrze Compresed Air Energy Storage (CAES).

Magazyn Energii na sprężone powietrze (CAES)

Główną ideą systemu jest wykorzystanie nadwyżek energii np. w tak zwanej „dolinie nocnej” do sprężenia powietrza w specjalnie do tego przystosowanych zbiornikach. Za zbiorniki mogą posłużyć zbiorniki naziemne lub podziemne wykonane przez człowieka, albo (co jest bardziej opłacalne)nieczynne kopalnie sprężone powietrze wtłacza się do podziemnej kawerny pozostałej po kopalni soli. Sposób działania instalacji najlepiej obrazuje poniższy schemat:

³

Powietrze w czasie mniejszego zapotrzebowania na energię jest pobierane z otoczenia i sprężane przez zespół sprężarek zasilanych przez silniki elektryczne i gromadzone w zbiorniku pod ciśnieniem około 200 barów. Kiedy wzrasta zapotrzebowanie na energię powietrze kierowane jest do komory spalania turbiny gazowej gdzie bierze udział w procesie spalania paliwa. Podstawową zaletą tej metody jest to, że wykorzystuje się w niej ogólno- dostępne i darmowe powietrze. Kolejnymi zaletami technologii jest względnie duża sprawność turbin gazowych (turbina nie zasila sprężarki, jak ma to miejsce w konwencjonalnych układach), długi czas działania i stosunkowo niski koszt użytkowania (w porównaniu do innych magazynów energii.)

Rysunek ⁴

Technologia ta ma także pewne wady. Przygotowanie odpowiednich zbiorników jest zbyt kosztowne, więc korzysta się z kawern w nieczynnych kopalniach soli, co znacznie ogranicza ilość możliwych instalacji. Kolejnym problemem jest fakt iż, podczas sprężania gazu powstają znaczne ilości ciepła, a podczas rozprężania dochodzi do gwałtownego spadku temperatury czynnika. Ze względu na sposób wykorzystania tego ciepła rozróżniamy trzy rodzaje instalacji: Podstawowa wersja CAES, Adiabatyczny magazyn energii na sprężone powietrze (AA-CAES), Izotermiczny magazyn energii na sprężone powietrze(ICAES).

Diabatyczny magazyn energii na sprężone powietrze (CAES)

Jest to najbardziej podstawowa wersja instalacji. Nadwyżki ciepła są oddawane do otoczenia, a ciepło niezbędne podczas rozprężania gazu pobierane jest z innych źródeł np. z spalin opuszczających turbinę gazową (Rys. 3). Ze względu na duże straty ciepła w procesie sprężania i zapotrzebowanie ciepła z zewnątrz ten typ układu charakteryzuje się najmniejszą sprawnością.

Adiabatyczny magazyn energii na sprężone powietrze (AA-CAES)

W systemie AA-CAES, czyli adiabatycznym magazynowaniu sprężonego powietrza ciepło wytwarzane w procesie sprężania nie jest tracone do otoczenia, ale za pośrednictwem wymienników jest przekazywane do innego czynnika(np. stopiona sól) i tam magazynowane do czasu ponownego wykorzystania. Sposób działania takiej instalacji najlepiej obrazuje poniższy schemat:

⁵

Izotermiczny magazyn energii na sprężone powietrze (ICAES)

W tej technologii do sprężanego powietrza wtryskiwana jest woda. Właściwości wody takie jak nietoksyczność, niski koszt, wysoka zdolność pochłaniania ciepła i to że jest prawie nieściśliwa sprawia, że jest to najlepszy czynnik do utrzymania stałej temperatury powietrza. Z powodu dużej powierzchni wymiany ciepła szybko odparowuje, pochłaniając ciepło powstałe podczas sprężania. Podczas rozprężania para wodna skrapla się i opada na dno zbiornika, a powietrze jest kierowane do turbozespołu. Proces odbywa się przy niewielkich wahaniach temperatury.

Istniejące systemy CAES.

Ze względu na ograniczoną liczbę lokalizacji na świecie istnieją tylko dwa działające diabatyczne systemy CAES: w Niemczech w Huntorf i w McIntosh w USA.

Rysunek ⁶

Plany rozwoju tej technologii na najbliższe lata przedstawiają się następująco: W 2010 roku międzynarodowe konsorcjum kierowane przez niemieckie RWE ogłosiła swoje plany skonstruowania systemu AA-CAES w Niemczech. System ICAES jest wciąż w fazie testów i nie została jeszcze zaplanowana żadna budowa komercyjnej instalacji.

---

1. Agencja Rynku Rozwoju Energii „Aktualizacja prognozy zapotrzebowania na paliwa i energię do roku 2030”↩

2. K. Hajdrowski- Enea Operator „Energia Elektryczna nr.11/2012”↩

3. Kotowicz J., Bartela Ł., Brzęczek M. ,,Przegląd technologii CAES - Magazynowanie energii sprężonego powietrza", Politechnika Śląska 2014.↩

4. International Energy Agency Shin-Ichi Inage “Prospects for Large-Scale Energy Storage in Decarbonised Power Grids”↩

5. Kotowicz J., Bartela Ł., Brzęczek M. ,,Przegląd technologii CAES - Magazynowanie energii sprężonego powietrza", Politechnika Śląska 2014.↩

6. Kotowicz J., Bartela Ł., Brzęczek M. ,,Przegląd technologii CAES - Magazynowanie energii sprężonego powietrza", Politechnika Śląska 2014.↩