Złapać wiatr i pod ziemię!

Transkrypt

1 Złapać wiatr i pod ziemię! Autor: Marek Samotyj, Dyrektor techniczny, Electric Power Research Institute (EPRI), USA Pozyskiwanie energii z wiatru nadal wydaje się być atrakcyjnym tematem zarówno dla potencjalnych wytwórców jak i konsumentów, natomiast jej magazynowanie interesuje już znacznie mniejszą grupę osób. A szkoda... Magazynowanie energii elektrycznej jest tematem tak starym jak długa jest historia produkcji, przesyłu, dystrybucji i użytkowania energii elektrycznej. Niestety, od strony technologicznej postęp w zakresie magazynowania energii elektrycznej był znacznie skromniejszy od rozwiązań stosowanych w tradycyjnych elementach systemu elektroenergetycznego. Na mniejszą skalę to powszechnie znane akumulatory, na większą - systemy elektrowni pompowo-szczytowych lub magazynowanie energii w wirujących masach magnetycznych (supermagnetic energy storage SMES). Niedużo tego, nie odpowiadające rzeczywistym potrzebom magazynowania dużych ilości energii. Kto sieje wiatr... Kluczowym czynnikiem decydującym o byznesowym sukcesie farm wiatrowych jest lokalizacja. Innym słowy - znalezienie miejsca gdzie wiatr wieje stale bez względu na porę dnia czy roku, możliwie z tą samą siłą, bez nagłych porywów i gdzie nie są naruszone naturalne kanały migracji ptactwa. Dotychczasowe prace analityczne meteorologów potwierdziły tylko tyle, iż farmy wiatrowe na lądzie dostarczają najwięcej energii nocą, kiedy zapotrzebowanie na nią jest niskie, niestety. Z kolei z perspektywy sezonowości największe zapotrzebowanie na energię latem we wczesnych godzinach popołudniowcyh pochodzi z systemów klimatyzacyjnych, natomiast pogoda w tym okresie ze względu na nagłe burze lub sztormy jest najmniej stabilna. Dużo większe nadzieje pokłada się w farmach wiatrowych zlokalizowanych na morzu w niedużej odległości od wybrzeża (z ang. off shore). Te lokalizacje charakteryzują się na ogół stałą prędkością wiatru na skutek różnicy temperatur między lądem a morzem. Ostatnio naukowy z Uniwersytetu Stanforda sprawdzili model optymizujący sposób łączenia i zarządzania farmami zlokalizowanymi off-shore w zależności od warunków pogodowych. Model ten jest precyzyjniejszy od poprzednich jednakże trudno jest wszystko przeliczyć, a kaprysów przyrody przewidzieć niesposób. Bo co zrobić kiedy nagle wiatr przestaje wiać przez 2-3 dni? Co to oznacza dla właściciela farmy wiatrowej? Niedotrzymanie warunków umowy zawartej między nim a operatorem systemu elektroenergetycznego (przesył lub dystrybucja), a która to umowa określa ile megawatów ma płynąć do systemu ze zródeł odnawialnych jak np. 1

2 wiatr. I to nieprzerwanie, bo tak wlaśnie działa system elektroenergetyczny i tego oczekują odbiorcy. Wraz z rozwojem żródeł odnawialnych zaczęto poważnie przyglądać się istniejącym technologiom magazynowania energii, ich efektywności i zdolnościom regeneracyjnym. Bardzo szybko zrezygnowano z myślenia o wprowadzaniu akumulatorów jak systemowego magazynu (postęp osiągnięty w technologii baterii do telefonów komorkowych nie miał swojego zwierciadlanego odbicia na drugim końcu tego spectrum czyli zastosowaniu dla potrzeb wielkosystemowych). Zrezygnowano z innych na tyle ciekawych co egzotycznych rozwiązań jak np. wspomniany SMES i na placu boju pozostały elektrownie pompowo-szczytowe oraz... magazynowanie energii sprężonego powietrza (z ang. CAES: compressed air energy storage). Jak to dziala? To rozwiązanie nie jest niczym nowym. Dwa działające magazyny energii CAES dowiodły opłacalności i zalet tej technologii m.in. w zarządzaniu obciążeniem, rezerwie wirującej, nadążaniu za zmianami obciążenia itp. System składa się ze sprężarki powietrza, która napędzana jest energią ze żródeł wiatrowych, magazynu powietrza (podziemny lub naziemny), rozprężąrki uwalniającej zgromadzone w magazynie powietrze i napędzający generator dostarczający energię do sieci. Zainteresowanie tą technologią zmieniło też byznesowe podejście do energii wiatru. Uznano, że może najlepszym wykorzystaniem byłoby używanie jej do wspomnianego już powyżej celu czyli magazynowania energii, a następnie sprzedawania jej z tych magazynów tylko w czasie szczytowego zapotrzebowania na energie elektryczną, a kiedy to ceny prądu są najwyższe. Sprzedając tanią energię w okresie jej największego zapotrzebowania oznacza dobre wyniki finansowe i tym samym w miarę szybki zwrot nakładów. W grudniu 1978 roku, magazyn CAES na 290 MW w Huntorf w Nimczech rozpoczął działalność komercyjną. Dla potrzeb obecnego właściciela, E. ON Kraftwerke, magazyn Huntorf przechowuje sprężone powietrze w dwóch jaskiniach po opróżnionych złożach soli o łącznej pojemności m³ leżących około 650 m pod ziemią. W roku uruchomienia, ciśnienie w podziemnych jaskiniach wynosiło od 624 do 1015 psi. W roku 2008 magazyn ten został poddany modyfikacji, dzięki której może obecnie oddać do systemu 330MW energii w czasie 4 godzin. Drugi magazyn energii CAES powstał w czerwcu 1991 w McIntosh w stanie Alabama, Wydajność tego magazynu wynosi 110 MW energii uwalnianej w okresie do 26 godzin. Magazyn wykorzystuje jedną podziemną jaskinię solną o pojemności m³ na głębokości m. Ciśnienie w jaskini podczas normalnego działania wynosi od 650 do 1140 psi. Dodatkowo, magazyn energii w McIntosh jest wyposażony w zaawansowany system odzysku ciepła odzyskujący energię termiczną co redukuje zużycie paliwa o około 25% w porównaniu do magazynu CAES w Huntorf. Przyszłe magazyny energii CAES, będące w trakcie fazy 2

3 projektowo-badawczej rokują uzyskanie nawet większej wydajności energetycznej tej technologii. Rozmiary magazynów energii CAES są dostosowywane do charakterystyki danej lokacji oraz czynników ekonomicznych takich jak dostępność i cena energii pozaszczytowej, koszty paliwa, wymogi zarządzania obciążeniem, wymogi dotyczące energii szczytowej, koszty kapitałowe magazynu oraz rodzaj systemu magazynowania powietrza. Sprężone powietrze podziemnego systemu CAES może być przechowywane w licznych sztucznych lub naturalnych formacjach geologicznych takich jak wyeksploatowane złoża soli - wypłukane lub wydobyte metodą suchej eksploatacji, jaskinie skalne powstałe po pracach wydobywczych umiejscowione we względnie twardej i nieprzepuszczalnej skale, naturalne formacje w skale porowatej, takie jak piaskowiec oraz uszczelniony wapień związany zazwyczaj ze formacjami wodonośnymi, wyczerpane złoża gazu lub pola naftowe, a także opuszczone kopalnie. Formacje geologiczne muszą mieć odpowiednią głębokość do utrzymania właściwego ciśnienia na poziomie 600 do 3000 psi. W przypadku skał porowatych strefa magazynowania musi mieć odpowiednią porowatość dla zapewnienia wymaganej objętości oraz wystarczającą przenikalność dla zapewnienia właściwego przepływu powietrza. Jednocześnie, ściany takiej strefy magazynowania muszą być wystarczająco nieprzenikalne, aby zapobiec uwalnianiu ciśnienia na powierzchnię Systemy Drugiej Generacji Wiadomo dziś, że ponad 80% powierzchni kontynentalnej USA posiada formacje geologiczne odpowiednie do magazynowania powietrza. Podobne proporcje są przewidywane w skali światowej. Należy nadmienić, że odpowiednie dane są dostępne w przemyśle magazynowania gazu ziemnego, który korzystał z podobnych magazynów pochodzenia geologicznego w USA (i na całym świecie) od lat 1920-tych. Ponad 100 podziemnych magazynów gazu ziemnego działa obecnie w USA, a ponad 100 podobnych na całym świecie. Zaawansowane konstrukcje CAES stanowią próbę rozwiązania problemów odkrytych podczas użytkowania istniejących magazynów w Huntorf i McIntosh, a mianowicie: obniżenie kosztów kapitałowych, zwiększenie wydajności, redukcja lub eliminacja paliw kopalnych i związanej z ich spalaniem emisji zanieczyszczeń, oraz wykorzystanie znormalizowanych systemów i komponentów. Projekt magazynu CAES drugiej generacji oferuje szczególną elastyczność względem wielkości (np. od 10MW do 200MW), ponieważ cała instalacja magazynu energii jest opłacalna dla różnych wielkości magazynu z dostosowanym do nich nowoczesnym turbozespołem. W szczególności mniejsze magazyny energii mogłyby wykorzystywać naziemny system 3

4 magazynowania powietrza umożliwiający działanie jako zakład produkcji rozproszonej oraz magazyn energii. Naziemny system magazynowania CAES jest nowym opracowaniem, które do roku 2009 nie zostało jeszcze rozpatrzone do ewentualnej działalności komercyjnej. Obecne metody magazynowania sprężonego powietrza polegają na korzystaniu z naziemnej instalacji tj. dużych rozmiarów zbiornik ciśnieniowy oraz system rur podobny do rurociągów w przemyśle transportu gazu ziemnego. Naziemna instalacja magazynu CAES oznacza zwiększony koszt kilowatogodziny oraz zmniejszoną w porównaniu do instalacji podziemnych pojemność, choć instalacja naziemna daje większą swobodę wyboru lokalizacji. Czynnikiem ryzyka związanym z naziemną instalacją CAES jest korozja zbiornika, który w trakcie planowanego 35-letnigo cyklu życia, poddawany jest cyklicznym zmianom ciśnienia i temperatury. Głównym zagrożeniem jest jednak korozja kwasowa wynikająca z obecności roztworów o niskim stężeniu kwasu węglowego powstałych na skutek obecności CO 2 i pary wodnej w magazynowanym powietrzu. Pomimo możliwości wykorzystania stali nierdzewnej do produkcji zbiorników i rur, obecnie prowadzone sa badania nad wykorzystaniem do tego celu mniej kosztownych materiałów. Wadą systemu naziemnego jest proporcja kosztów inwestycji do ceny kilowatogodziny, która jest korzystniejsza w przypadku podziemnego sytemu magazynowania energii, korzystającego z jaskiń powstałych z wypłukanych złóż soli, formacji skał porowatych (takich jak wyeksploatowane złoża gazu) lub też z jaskiń w litej skale. Magazyn CAES oparty o naziemny system magazynowania powietrza jest praktyczny i opłacalny w przypadku magazynów energii o możliwościach magazynowania w zakresie 1-4 godzin. Obecnie systemy CAES stanowią jedyną technologię magazynowania energii zapewniającą znaczne możliwości magazynowania energii w skali tysięcy megawatogodzin przy względnie niskich kosztach kapitałowych i kosztach obsługi. Magazyny CAES mogą być w łatwy sposób zoptymalizowane do pracy w warunkach charakterystycznych dla danej lokalizacji i lokalnych warunków ekonomicznych. Dodatkowo oferują one elastyczność zastosowań umożliwiającą znaczne możliwości zarządzania obciążeniem zarówno w przypadku małej jak i dużej skali przedsięwzięcia. Magazyny CAES oferują możliwość szybkiego uruchomienia i osiągają maksymalną zdolność produkcyjną w przeciągu kilku minut (np. magazyn CAES w Alabamie może przejść z funkcji zimnego startu do pełnego obciążenia w czasie 7 minut). Czas realizacji inwestycji dla magazynów energii wynosi typowo do trzech lat. W przypadku mniejszych magazynów energii czas ten może wynieść około dwóch lat. System CAES pierwszej generacji jest sprawdzoną technologią, której komponenty mogą być dostarczone po konkurencyjnych cenach przez znaczną liczbę dostawców. Szacowany cykl życia magazynu energii CAES wynosi 35 lat, podczas, gdy systemy oparte o akumulatory wymagają wymiany wszystkich cel akumulatorów w odstępach lat, w zależności od technologii. 4

5 Skoro to takie dobre, to dlaczego... Nasuwa się pytanie, dlaczego przy wszystkich zaletach i korzyściach, które oferują magazyny energii CAES, istnieją tylko dwa takie magazyny na świecie? Tradycyjnie przemysł korzysta z mniej kosztownej turbiny napędzanej tanim gazem ziemnym, w celu wzmocnienia i zrównoważenia zmiennej produkcji wiatrowej. Jednakże przy większym udziale energii wiatrowej planowanym w USA, opcje oferowane przez technologię CAES stają się bardziej istotne. Obecnie kilka nowych projektów CEAS jest w fazie planowania. Jednym z nich jest magazyn energii Norton-Haddington, który ma powstać w Norton, w stanie Ohio. Magazyn ten będzie największy na świecie z wydajnością rzędu 2700MW po pełnym zakończeniu inwestycji. Magazyn ten pomieści 9,6 milionów m³ sprężonego powietrza w opuszczonej kopalni wapnia na głębokości 670 m. Innym projektem CAES jest Ridge Energy Storage, obecnie w fazie opracowania, 540- MW magazyn energii CAES wykorzystujący jaskinię solną w Matagordo w stanie Texas. Obydwa te magazyny będą oparte o unowocześnioną konstrukcję CAES pierwszej generacji z 134-MW modułami. California Energy Commission ufundowała studium opłacalności systemów CAES drugiej generacji do ewentualnego wykorzystania na terenie Kalifornii. Jeden z potencjalnych projektów to 300MW, 10-godzinny system CAES który wykorzysta kawerny po-gazowe. Przyszly wlaściciel, Pacific Gas and Electric pokryje różnice między całym kosztem inwestycji ocenianym na $356 milionów a dofinansowaniem $25 milionów z kieszeni Departamentu Energetyki Podobny projekt jest planowany w stanie Nowy Jork, mniejszy, bo na 150 MW, 10-godzinny, a którego koszt oceniono na $125 milionów z czego $30 milionow pokryje Departament Energii.Wynika z tego, żę systemy CAES sa nadal bardzo drogie. Dlatego oba pilotażowe rozwiązania są wspierane finansowo przez Departament Energii ( Ministerstwo Energii) czyli rząd. Nawet hszpańska Ibedrola, która prześcignęła GE w ilości zaistalowanych farm wiatrowych i jest #1 w Stanach korzysta z dobrodziejstw dofinasowania oferowanego przez rząd USA w budowie magazynów CAES na terenie Stanów. Oczywiście nie jest to tak, ze rząd amerykański daje wszystko za darmo. Na ogol 15-30% idzie z kieszeniu rządu (czyli podatnika), czasami udział ten jest procentowo mniejszy, reszta pochodzi ze żródeł prywatnych (przemysł, inwestorzy). Ten sposób finansowania innowacji pozwala rządowi na dowolne dysponowanie rezultatami rozwiązań pilotażowych, udostępnianiu ich (bezpłatnie) innym zainteresowanym zastosowaniem danej technologii do innych aplikacji. Oczywiście pieniądze te są zawsze jakoś powiązane z szeroko rozumianą strategią w danym obszarze czy zakresie. Rząd amerykański podobnie jak inne jest zainteresowany rozwojem energii odnawialnej, ale pieniądze idą na działania zmierzające do likwidacji barier w rozwoju danej strategii. I tak jest z 5

6 magazynowaniem sprężonego powietrza. Uznano bowiem brak efektywnego rozwiązania w tym zakresie za dużą barierę ograniczającą rozwój energii odnawialnej. Ponieważ większość inwestorów interesuje się głównie wiatrakami, rząd podjął wyzwanie lepszego ich wykorzystania w sensie doświadczalnym jak i byznesowym poprzez promowanie technologii magazynowania taniej energii wiatrowej. 6