Menu

Magazyny na sprężone powietrze CAES

Wstęp

 

Systemy magazynowania energii w sprężonym powietrzu CAES (ang. Compressed Air Energy Storage) są dość rozwiniętą technologią wykorzystywaną już praktycznie na świecie (np. Huntorf w Niemczech i McIntosh w USA). Idea systemów CAES polega na zamianie nadwyżek energii elektrycznej w pracę na rzecz sprężania powierza do wysokiego ciśnienia rzędu 50-70 bar, a następnie zatłaczania go do podziemnych zbiorników. W okresie niedoboru mocy w sieci lub jej wysokiej ceny sprężone powietrze kierowane jest do turbin gazowych, gdzie generowana jest energia elektryczną. Zaletą zgromadzenia
sprężonego powietrza jest eliminacja na turbinie stopnia sprężania (kompresora) powietrza
wlotowego, kompresor zużywa ok. 60% energii mechanicznej produkowanej przez standardową
turbinę gazową. Używając sprężonego powietrza CAES, efektywnie „magazynuje” energię mechaniczną wału napędowego, która w przeciwnym razie byłaby wymagana na napęd kompresora turbiny i w ten sposób prawie cała energia mechaniczna turbiny jest używana na napęd generatora elektrycznego.

magene1.jpg

  Systemy CAES przy dużych mocach źródeł energii (farma wiatrowa), wymagają bardzo pojemnych zbiorników rzędu kilkuset tysięcy m3. Koszt ich budowy byłby relatywnie duży w stosunku do oszczędności energii, dlatego jako zbiorniki wykorzystuje sie naturalne twory geologiczne podziemne, np wyrobiska solne, kawerny solne, szczelne formacje skalne. Powoduje to problematyczność technologii dla danej lokalizacji farmy wiatrowej. Kolejną przeszkodą są przemiany termiczne sprężanego i rozprężanego powietrza wymagające dodatkowych kosztów instalacji. Przy sprężaniu wzrost temperatury wymaga zastosowania chłodzenia powietrza przed wprowadzeniem do podziemnego zbiornika. Przy rozprężaniu spadek temperatury wymaga z kolei doprowadzenia ciepła, co generuje znaczne koszty. Ogólnie z uwagi na sprawność procesu wyróżnia się obecnie trzy warianty systemów CAES:

- konwencjonalne o sprawności konwersji wynoszącej 42%,
- konwencjonalne z rekuperacją ciepła o sprawności konwersji wynoszącej 54%,
- wykorzystujące przemianę adiabatyczną czynnika roboczego o wysokiej sprawności konwersji wynoszącej 70%

Rys. Schemat funkcjonowania typowego magazynu energii CAES w wersji konwencjonalnej, bez odzysku ciepła.

 

W procesach konwencjonalnych sprężone powietrze wykorzystywane jest tylko jako dodatek do spalania pod ciśnieniem gazu w turbinie gazowej. Przy wykorzystaniu ciepła spalin do podgrzewania rozprężanego powietrza pobieranego ze zbiornika sprawność procesu wzrasta powyżej 50%. 

Rys. System CAES konwencjonalny. Sprężanie powietrza wielostopniowe.

 

W systemach adiatycznych sprężone powietrze traktowane jest od razu jako siła napędowa turbiny, dzięki czemu odchodzi koszt gazu do odzysku energii. Dodatkowo, dla optymalizacji zużycia energii ciepło pochodzące z chłodzenia sprężanego powietrza magazynowane jest w osobnym magazynie ciepła i wykorzystywane powtórnie do podgrzewania rozprężanego powietrza.

Rys. Schemat adiabatycznej elektrowni CAES.

 

Istniejące i projektowane instalacje CAES  (na podst. art. Łukasza Dzierżanowskiego "Energia Elektryczna” – nr 2-3/2011)

 

 
- Pierwszą komercyjną instalacją CAES była jednostka w Huntorf, Niemcy, wykorzystano dwie jaskinie – pozostałość po kopalni soli, powietrze jest sprężane do ciśnienia 70 atmosfer. Czas startu jednostki wynosi 11 minut (6 minut w sytuacjach awaryjnych). Elektrownia składa sie z dwóch komór każda o pojemności 150.000 m3, ciśnienie powietrza 50-70 bar, energia wyjściowa to 290 MW przez okres 2h (obecnie ten czas został wydłużony do 3h). W elektrowni Huntorf celowo zrezygnowano z rekuperatorów, pomimo, że podniosłoby to sprawność) w celu zminimalizowania czasu rozruchu systemu.  Niezawodność elektrowni na przestrzeni 30-letniego czasu pracy wyniosła ok. 99%, sprawność 42%.
 


- druga jednostka to instalacja w stanie Alabama, USA. Budowa zajęła 30 miesięcy i kosztowała 65 mln USD (ok. 600 USD/kW).   Elektrownia o mocy 110MW została zbudowana na terenach kopalni soli w południowo-zachodniej Alabamie. Powietrze jest sprężane w pojedynczej kawernie o objętości 560 tyś. m3 do ciśnienia roboczego na poziomie 45-74bar. Pełna moc może być utrzymywana przez ponad 26 godzin.
Rozwiązania technologiczne (parametry pracy, ciśnienia, temperatury itp.), znacznym stopniu wykorzystują doświadczenia elektrowni Huntorf, jednakże zastosowano rekuperator ciepła, który umożliwił redukcję zużycia paliwa o ok. 22% oraz komorę spalania na dwa rodzaje paliwa – gaz ziemny i olej opałowy. Sprawność około 54%.

 

Fot. Elektrownia w Alabamie.

Tabela. Porównanie elektrowni CAES 

Elektrownia NORTON

Elektrownia Norton powstaje w USA w stanie Ohio na terenach byłej kopalni wapienia, której zasoby umożliwiają utworzenie magazynów sprężonego powietrza o łącznej objętości ponad 9,5 mln m3. Moc elektrowni miałaby wynosić 800MW, z możliwością rozbudowy do 2700MW.

Rys. Elektrownia w Norton USA.

 

Elektrownia Iowa Stored Energy Park (rys. poniżej) to zlokalizowana w pobliżu Des Moines, USA, realizacja mająca zostać sfinalizowana w 2011 roku, obejmująca zespół elektrowni CAES o mocy 268MW sprzężonej z farmą wiatrową o mocy 75-100MW. Jako magazyn sprężonego powietrza wykorzystano znajdującą się na głębokości ok. 1km antyklinę  (geologicznie wypukła część fałdu, której wnętrze zbudowane jest ze skał starszych, na zewnątrz zaś występują skały coraz młodsze) w formacji piaskowca w odległości 150-300km od farmy.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});