System CAES, czyli magazynowanie energii za pomocą sprężonego powietrza

Naukowcy z AGH w Krakowie stworzyli mikrosystem magazynowania sprężonego powietrza. Instalacja nadaje się zarówno do użytku w budynkach mieszkalnych jak i w przemyśle, gdzie dostępne jest dodatkowe niskotemperaturowe ciepło odpadowe. Działanie nowatorskiego systemu przybliżamy poniżej.  

Jak działa magazyn CAES?

Technologia CAES (ang. compressed air energy storage) jest szczególnie popularna w instalacjach wielkoskalowych i zazwyczaj działa jako szczytowe źródło energii elektrycznej. Skompresowane powietrze gromadzone jest w magazynach podziemnych np. kawernach solnych i wytłaczane w momencie szczytowego zapotrzebowania na energię. Następnie podczas nadprodukcji energii powietrze jest zatłaczane do magazynu i cykl się powtarza. W najbardziej tradycyjnych instalacjach powietrze wykorzystywane jest jako dodatkowy napęd dla turbiny gazowej, działającej w instalacji generacji energii elektrycznej.

To dopiero prototyp

Naukowcy z Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie zbudowali mikroukład magazynowania energii sprężonym powietrzem CAES, oparty na rozprężaczu powietrza z napędem tłokowym. Nowatorskie rozwiązanie jest przeznaczone do zastosowań mieszkaniowych i przemysłowych, wymagających dodatkowego niskotemperaturowego źródła ciepła. 

Oprócz tak oczywistych elementów jak sprężarka, instalacja została wyposażona również w magazyn energii cieplnej TES (ang. thermal energy storage). Ma on poprawić kontrolę nad rozprężaniem zatłoczonego powietrza dzięki zastosowaniu metody modulacji sygnału PWM. Metoda ta została zapożyczona z innego sektora - jest powszechnie stosowana do sterowania urządzeniami analogowymi za pomocą sygnału cyfrowego.

W skład magazynowej części instalacji wchodzi zbiornik izobaryczny, który magazynuje sprężone powietrze w postaci energii mechanicznej. Z kolei magazyn TES gromadzi ciepło wytworzone w procesie sprężania. Temperatura wzrasta zgodnie z zasadą Clapeyrona pV=T, gdzie wzrost ciśnienia gazu powoduje wzrost jego temperatury. Właśnie tutaj pojawia się ciepło, które jest magazynowane w TES.

Stworzony system generuje, magazynuje i dostarcza energię elektryczną z wysoką końcową sprawnością konwersji energii - czytamy w opublikowanych badaniach.

Instalacja micro-CAES składa się z sześciu głównych części. Powietrze to czynnik roboczy, będący nośnikiem energii. Jest ono kolejno kompresowane, magazynowane, podgrzewane i rozszerzane w kolejnych dedykowanych do tego podzespołach.

W swoich badaniach zespół skupił się głównie na procesach odbywających się po wzroście temperatury czynnika, czyli po sprężeniu powietrza. Sam proces zwiększenia temperatury odbywa się za pomocą impulsów i jest kontrolowany poprzez modulację ich szerokości (PWM). Sekcja rozprężna wykorzystuje napęd wielotłokowy w celu osiągnięcia maksymalnej sprawności konwersji energii lub wymaganej ilości energii elektrycznej, którą należy wprowadzić do sieci.

Badania dowiodły, że optymalny cykl pracy systemu ze sterowaniem PWM zasilanym powietrzem wynosi 0,5, co skutkuje uzyskaną mocą elektryczną 1,1 kW i efektywnością energetyczną 65% ekspandera powietrza.

Zdaniem ekspertów, podczas optymalnego cyklu pracy możliwe jest  kontrolowanie mocy elektrycznej przy jednoczesnym zachowaniu akceptowalnej ogólnej wartości sprawności. W analizowanym przypadku zakres zmienności mocy elektrycznej wynosił 500–1800 W, czyli od 20 do 75% mocy maksymalnej przy zmianie sprawności ogólnej od 90 do 100% sprawności maksymalnej.

Źródło: Analysis of optimal expansion dynamics in a reciprocating drive for a micro-CAES production system.