Magazynowanie energii sprężonego powietrza

Zdjęcie autora: Redakcja GLOBEnergia
Zdjęcie autora: Redakcja GLOBEnergia

Redakcja GLOBEnergia

1403 magaz

Podziel się

Zapewnienie niezawodnego zaopatrzenia całego kraju w energię elektryczną w sytuacji, kiedy całość prądu wytwarzana jest ze źródeł odnawialnych, wymagać będzie w wielu przypadkach zasobników energii o łącznej pojemności liczonej w terawatogodzinach.

Jedyna stosowana obecnie na szeroką skalę technologia magazynowania dużych ilości energii, czyli elektrownie szczytowo-pompowe, nie są w stanie (z wyjątkiem nielicznych krajów) takiego zapotrzebowania zaspokoić. Szansą wydaje się magazynowanie energii w postaci sprężonego powietrza.

Magazynowanie energii sprężonego powietrza: stosowane od kilkudziesięciu lat
Magazynowanie energii sprężonego powietrza (CAES: compressed air energy storage) jest rozwiązaniem stosowanym od lat 70. ubiegłego wieku. Jego zasada działania jest prosta: kompresor zasilany tanim prądem, kiedy w sieci występuje jego nadpodaż, spręża powietrze, które gromadzone jest w podziemnych lub naziemnych zbiornikach. Podczas zwiększonego zapotrzebowania na energię elektryczną powietrze jest uwalniane i rozprężając się, napędza turbiny wytwarzające prąd. Ta zasada działania przypomina mechanizm wykorzystywany w elektrowniach szczytowo-pompowych. Woda przepompowywana jest w nich ze zbiornika położonego niżej do znajdującego się wyżej, w wyniku czego energia elektryczna napędzająca pompę zamieniana jest na energię potencjalną wody. W przypadku technologii CAES energia magazynowana jest pod postacią energii potencjalnej skompresowanego powietrza. CAES: zalety technologii Zalety magazynów CAES są oczywiste.

W czasie, kiedy powstawały instalacje w Huntorf i w McIntosh, miały one za zadanie zamieniać tanią energię elektryczną, z reguły produkowaną nocą lub w weekendy przez elektrownię atomową lub konwencjonalną, na energię drogą sprzedawaną w czasie największego popytu i, co za tym idzie, najwyższych cen. W obecnych czasach rola magazynów CAES postrzegana jest jako możliwość wykorzystania energii ze źródeł odnawialnych, najczęściej wiatrowej, w sytuacji jej nadpodaży, przyczyniając się tym samym do wygładzenia pików podażowych i zwiększenia przewidywalności dostaw do systemu. Zasobniki CAES są w stanie magazynować ogromne ilości energii, co ma niebagatelne znaczenie dla systemów o dużym udziale produkcji energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych. Istotny jest przy tym fakt, że znalezienie lokalizacji spełniających warunki do przechowywania sprężonego powietrza jest bez porównania łatwiejsze niż w przypadku lokalizacji elektrowni szczytowo-pompowych. Oprócz kawern solnych magazynami sprężonego powietrza mogą być twory geologiczne w wapieniu, piaskowcu i innych skałach. Nie muszą być to zresztą jaskinie naturalne. Jako zbiorniki mogą być wykorzystane wyeksploatowane kopalnie. Możliwe jest również zastosowanie zbiorników naziemnych, np. wysokociśnieniowych stalowych, aczkolwiek wtedy odbyłoby się to kosztem pojemności magazynu. (…)

Czemu jedynie dwa działające magazyny sprężonego powietrza na całym świecie?
Lista zalet technologii magazynowania sprężonego powietrza jest długa. Jednak to nie przypadek, że na świecie działają jedynie dwa takie magazyny. Słabości tej technologii są również nie do pominięcia. Największa to jej relatywnie niska sprawność. Wynika ona z faktu, że poddane kompresji powietrze musi zostać schłodzone, zanim zostanie umieszczone w magazynie, a później ponownie ogrzane podczas rozprężania. Chłodzenie konieczne jest, ponieważ podczas sprężania powietrza do ciśnienia wynoszącego około 70 barów jego temperatura wzrasta nawet do 700˚C, co grozi uszkodzeniem zbiorników. Z kolei podczas rozprężania powietrze musi być podgrzewane. W przeciwnym razie doszłoby do oblodzenia i uszkodzenia turbin. Powoduje to, że sprawność działających magazynów wynosi zaledwie 42% dla jednostki w Huntorf i 54% dla instalacji w McIntosh. Ta różnica w sprawności wynika z faktu, że w tym drugim przypadku zastosowano rekuperator, dzięki czemu do ogrzania powietrza w procesie dekompresji wykorzystywane jest ciepło odpadowe spalin turbiny gazowej. (…)

1403 magaz pan
Dalsze prace nad technologią magazynowania energii w postaci sprężonego powietrza

Obecnie badania nad systemami magazynowania energii elektrycznej w postaci sprężonego powietrza zmierzają w kierunku wyeliminowania konieczności dostarczania dodatkowego paliwa do jednostek magazynujących oraz zwiększenia ich sprawności do 62–70%. Jest to możliwe, jeżeli ciepło wytwarzane podczas kompresji powietrza będzie następnie wykorzystywane do jego ogrzewania w procesie rozprężania. Technologia ta nazywana jest AA-CAES, czyli zaawansowane adiabatyczne magazynowanie energii sprężonego powietrza (ang. advanced-adiabatic compressed air energy storage). Pod względem sprawności systemy AA-CAES mają szansę zbliżyć się do elektrowni szczytowo-pompowych. (…)

Przyszłość magazynowania energii w postaci sprężonego powietrza
Technologia magazynowania energii w postaci sprężonego powietrza ma szansę odegrać kluczową rolę w systemach elektroenergetycznych o zwiększającym się udziale generacji ze źródeł odnawialnych. W fazie planowania lub budowy znajduje się szereg jednostek, największa z nich w Ohio (USA) firmy Norton Energy Storage. Równolegle do jednostek o pojemności bardzo dużej skali prowadzone są prace i poszukiwane rozwiązania wykorzystujące tę metodę w jednostkach naziemnych, często do zastosowań w instalacjach domowych. Dalsze prace nad tą technologią dają możliwość zwiększenia jej sprawności, wyeliminowania konieczności dodatku paliw i obniżenia kosztów jednostkowych. Jednak podobnie jak inne metody magazynowania energii, napotyka ona na barierę opłacalności rynkowej. Niezależnie od tego panuje przekonanie, że magazynowanie energii elektrycznej w postaci sprężonego powietrza odegra kluczową rolę przy przechodzeniu gospodarek na energię ze źródeł odnawialnych.

Źródła:
•     Agencja ds. Energii Odnawialnych (Niemcy), Magazynować energię elektryczną, Renews Spezial, wydanie 57/2012
•     Niemiecka Agencja Energii (dena), Analiza konieczności budowy elektrowni szczytowo-pompowych i innych magazynów energii w celu integracji energii ze źródeł odnawialnych, Berlin, luty 2010
•     Norton Energy Storage, www.hydrodynamics-group.com
•     RWE, www.rwe.com
•     SustainX, www.sustainx.com
Barbara Adamska ADM Poland

Cały artykuł w numerze 3/2014
2014 03 GLOBEnergia