WYKORZYSTANIE KAWERNOWYCH MAGAZYNÓW GAZU ZIEMNEGO JAKO WYSOKOPOJEMNOŚCIOWYCH MAGAZYNÓW ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Transkrypt

1 WYKORZYSTANIE KAWERNOWYCH MAGAZYNÓW GAZU ZIEMNEGO JAKO WYSOKOPOJEMNOŚCIOWYCH MAGAZYNÓW ENERGII ELEKTRYCZNEJ Autor: Marcin Wołowicz, Piotr Krawczyk, Michalina Gruszecka, Aleksandra Mikołajczak ("Rynek Energii" - październik 2017) Słowa kluczowe: magazynowanie energii, gaz ziemny, kawernowe magazyny gazu ziemnego Streszczenie. W artykule przedstawiono uwarunkowania do wykorzystania istniejących kawernowych podziemnych magazynów gazu ziemnego jako wysokopojemnościowych magazynów energii elektrycznej. Technologia oparta jest na metodzie magazynowania energii przy pomocy sprężonego powietrza CAES (ang. Compressed Air Energy Storage), w której czynnikiem roboczym jest gaz ziemny magazynowany w kawernach solnych CNGES (ang. Compressed Natural Gas Energy Storage). Istotą układu jest pompowanie gazu za pomocą sprężarki zasilanej energią elektryczną z kawerny o niższym ciśnieniu do kawerny o ciśnieniu wyższym a następnie, podczas trybu rozładowania kawern gaz rozpręża się w ekspanderze połączonym z generatorem energii elektrycznej, przechodząc z kawerny o wyższym ciśnieniu do kawerny o ciśnieniu niższym. 1. WSTĘP Podziemne magazyny gazu ziemnego stały się istotnym elementem łańcucha dostaw gazu ziemnego, w którym pierwotnie pracowały jedynie w celu zrównoważenia podaży i popytu na gaz, optymalizacji wielkości sieci przesyłowych oraz zapewnienia bezpieczeństwa dostaw [3][11]. Wraz z rozwojem i liberalizacją rynków, magazynowanie zyskało dodatkowo funkcję handlową, jako narzędzie wspierające obrót gazem oraz funkcje: bilansowania sezonowej nierównomierności poboru gazu, umożliwienia maksymalizacji wydobycia gazu ze złóż krajowych, umożliwienia realizowania kontraktów na import gazu o stałej wartości w poszczególnych miesiącach i kwartałach roku, umożliwienia optymalizacji wahań ceny gazu na rynkach, działania operatora systemu przesyłowego w sytuacjach bilansowania dobowego oraz innych sytuacjach krytycznych, utrzymywania niezbędnych zapasów strategicznych możliwych do uruchamiania w sytuacjach braku dostaw gazu z importu, klęsk żywiołowych i innych nieprzewidywalnych zdarzeń. Podstawowe parametry techniczne podziemnych magazynów gazu:

2 pojemność czynna magazynu pojemność magazynu udostępniana rynkowi przez operatora systemu magazynowania gazu, pojemność buforowa techniczna pojemność magazynu, niezbędna do prawidłowego jego działania w postaci tzw. poduszki gazowej; umożliwia uzyskanie odpowiedniego ciśnienia magazynowanego gazu, a także składu magazynowanego gazu (w przypadku gdy pierwotny gaz wyeksploatowanego złoża posiadał inny skład), moc napełniania magazynu maksymalny godzinowy strumień gazu możliwy do wtłaczania do górotworu, moc odbioru gazu z magazynu maksymalny godzinowy strumień gazu możliwy do odbierania z magazynu, zakres ciśnień pracy zakres ciśnień roboczych wynikający z budowy geologicznej magazynu. Parametry te zależne są przede wszystkim od typu magazynu [8]. Każdy typ podziemnego składowania ma swoje własne cechy fizyczne (pojemności czynne magazynowania, moce napełniania i odbioru, poziomy ciśnień pracy), które regulują jego przydatność do określonych zastosowań [5]. Dwie z najważniejszych cech PMG to pojemność czynna przechowywanego gazu ziemnego do wykorzystania w przyszłości oraz tempo, w którym te zapasy mogą być pobierane z magazynu. Do realizacji budowy podziemnego magazynu gazu wykorzystywane mogą być następujące formacje geologiczne: wyeksploatowane złoża gazowe lub ropno-gazowe, pokłady soli kamiennej. Problem związany z potrzebą magazynowania energii elektrycznej nie dotyczy wyłącznie obszaru Polski jest to problem ogólnoświatowy (a zwłaszcza w miejscach gdzie praca rynku energii elektrycznej jest uwarunkowana zapisami prawnymi faworyzującymi wybrane rodzaje źródeł) [2][7]. Na rys. 1 przedstawiono (kolorem żółtym) okresy w których gaz z sieci Gaz Systemu jest pobierany ze zbiorników podziemnych, a kolorem zielonym okresy, w których zbiorniki są napełniane. Oznaczono również zapotrzebowanie na gaz (kolor czarny) oraz poziomy dostaw umownych bez PMG (kolor czerwony). Wykres ilustruje zasadę pracy całej bazy magazynowej eksploatowanej przez operatora PMG, który eksploatuje magazyny w kawernach solnych (Mogilno, Kosakowo) i magazyny utworzone w czerpanych złożach ropy i gazu.

3 Rys. 1. Przebieg zapotrzebowania i dostaw gazu ziemnego w ciągu roku [1] Rys. 2. Krajowe zapotrzebowanie na moc oraz moc dyspozycyjna dostępna dla OSP w szczytach dobowych krajowego zapotrzebowania na moc w 2016 roku [10] Zmienność zapotrzebowania na gaz ma podobny charakter do przebiegu zapotrzebowania mocy KSE. Różnice zapotrzebowania mocy z systemu elektroenergetycznego w okresach godzinowych (chwilowych) są większe. Na rysunku 2 przedstawione zostały: krajowe zapotrzebowanie na moc (kolor niebieski) oraz moc dyspozycyjna dostępna dla OSP (kolor czerwony) w szczytach dobowych zapotrzebowania na moc w 2016r.

4 2. DOSTOSOWANIE KAWERNOWEGO PODZIEMNEGO MAGAZYNU GAZU DO MAGAZYNOWANIA ENERGII W celu dostosowania podziemnego magazynu gazu do magazynowania energii przeprowadzona powinna zostać m.in. wszechstronna analiza uwarunkowań pracy i budowy podziemnych kawernowych magazynów gazu ziemnego pod kątem magazynowania energii (nowa technologia CNGES compressed natural gas energy storage). Instalacja technologiczna ośrodka napowierzchniowego KPMG składa się obecnie z: stacji oczyszczania gazu, stacji pomiaru gazu, stacji sprężania gazu stacji osuszania gazu, stacji rozdziału gazu, stacji redukcyjno-pomiarowej gazu paliwowego, stacji dozowania metanolu, stacji sprężonego powietrza, kotłowni technologicznej, systemu odgazowania instalacji (komin), centralnej sterowni wraz z systemem sterowania KPMG. Badania i analizy związane z CNGES powinny być prowadzone przy następujących kardynalnych założeniach: nadrzędną funkcją KPMG jest magazynowanie gazu ziemnego, magazynowanie energii nie wpłynie na harmonogram zatłaczania i odbioru gazu z kawern (praca na potrzeby systemu gazowniczego), funkcja magazynowania energii nie spowoduje ingerencji w część podziemną KPMG oraz nie zmieni bilansu masy gazu gromadzonego w KPMG, funkcja magazynowania energii nie spowoduje zmian parametrów eksploatacyjnych magazynu gazu, dotyczy to w szczególności dopuszczalnych przepływów, temperatur gazu, dopuszczalnych ciśnień magazynowania gazu itp. w instalacjach CAES czynnikiem magazynującym energię jest zgromadzone w kawernie powietrze sprężane do wysokiego ciśnienia przy pomocy sprężarek z napędem elektrycznym [4][12]. W KPMG sprężanie gazu jest prowadzone przez kompresory napędzane silnikami gazowymi. Sprężanie gazu ziemnego na potrzeby magazynowania energii winno być prowadzone przez kompresory z napędem elektrycznym załączane do pracy w okresach niskiego zapotrzebowania na energię elektryczną [9],

5 w istniejących instalacjach CAES spaliny są rozprężane w turbinie gazowej do ciśnienia atmosferycznego. W KPMG gaz ziemny może być rozprężany do ciśnienia gazociągu przesyłowego odbierającego gaz z magazynu. Taka zasada będzie obowiązywała również dla operacji magazynowania energii. Zakłada się że dla realizacji funkcji magazynowania energii instalację napowierzchniową KPMG należy rozbudować o następujące wyposażenie: sprężarki z napędami elektrycznymi, ekspander (rozprężnik) gazu sprzężony z generatorem, układ połączeń wymagany dla wypełniania funkcji magazynowania energii, układy magazynowania ciepła i chłodu (schładzanie gazu po sprężeniu i podgrzewanie przed rozprężeniem w ekspanderze). Rysunki 3 i 4 przedstawiają schemat technologiczny magazynowania gazu w kawernach solnych podczas trybu ładowania (rysunek 3) oraz trybu rozładowania (rysunek 4). W okresach generowania mocy szczytowej wyższej od zapotrzebowanej przez system elektroenergetyczny energia elektryczna do zasilania kompresorów będzie pobierana z sieci. Kompresory z napędami elektrycznymi mogą być wykorzystane do: zatłaczania gazu z gazociągu zasilającego KPMG (normalny cykl pracy KPMG z wykorzystaniem kompresorów z napędami gazowymi), przetłaczania z wykorzystaniem kompresorów gazu między kawernami o różnych ciśnieniach (funkcja nierealizowana dotychczas). W okresach szczytowego zapotrzebowania na moc systemu elektroenergetycznego, podczas rozprężania w ekspanderze gazu pobieranego z kawern będzie generowana energia elektryczna oddawana do sieci. Generowanie mocy może być realizowane w operacjach: rozprężania gazu pobieranego z kawern i zasilaniu nim sieci gazowej (normalny cykl pracy magazynu), przepływu gazu pomiędzy kawernami o różnym stopniu napełnienia (ciśnieniu). Korzystne będzie aby w czasie napełniania gazem zbiorników utrzymać różnicę ciśnień gazu pomiędzy kawernami. W sytuacji w której napełnia się do maksymalnego dopuszczalnego ciśnienia kolejne kawerny istniej możliwość przepływów gazu pomiędzy nimi i kawernami o niskim ciśnieniu.

6 Rys. 3. Magazynowanie gazu w kawernach solnych tryb ładowania Rys. 4. Magazynowanie gazu w kawernach solnych tryb rozładowania Ze wstępnych analiz wynika, że magazyn energii według opracowywanej technologii CNGES pracujący w warunkach KPMG Mogilno będzie miał moc elektryczną w czasie rozładowywania magazynu ok 50 MW oraz pojemność magazynowania energii ok MWh. 3. PODSUMOWANIE Według danych zawartych w Raporcie Statystycznym 2014 opracowanym przez Eurogas, na koniec 2013 roku na obszarze samej Unii Europejskiej istniało 147 PMG w kawernach o łącznej pojemności ponad 96 mld m³. Potentatem w magazynowaniu gazu w kawernach w Europie są Niemcy- 22 KPMG, we Francji jest ich 16, a we Włoszech 13. W Europie kilkanaście spółek zarządza podziemnymi magazynami gazu, z czego kilka jest podmiotami międzynarodowymi np. Storengy, E.On Gas Storage. Są one operatorem zarówno w Wielkiej

7 Brytanii, Niemczech, jak i Francji. W Europie funkcjonuje ok 30 koncernów, które są operatorami podziemnych magazynów gazu ziemnego. Wyniki prac badawczo-rozwojowych pozwalają na stworzenie nowej funkcjonalności dla KPMG, jaką jest magazynowanie energii elektrycznej. Nadanie dodatkowej funkcjonalności pozwoli zdywersyfikować przychody z funkcjonowania podziemnych magazynów gazu. Poprzez wdrożenie opracowanych rozwiązań w Polsce możliwy będzie rozwój działalności m.in. Grupy Kapitałowej PGNiG i realizowanie jednego z najważniejszych jej zadań, t.j. zwiększanie poziomu bezpieczeństwa energetycznego kraju. Bezpieczeństwo energetyczne, zapewnione dzięki uzyskaniu efektu stabilności systemu elektroenergetycznego pozytywnie wpływa na rozwój społeczno-gospodarczy kraju. Dzięki magazynowaniu energii elektrycznej nastąpi poprawa efektywności jej wytwarzania, wzrost sprawności zarządzania systemami produkcji i przesyłu, ale przede wszystkim będzie możliwe lepsze wykorzystanie odnawialnych źródeł energii [6]. LITERATURA [1] Brzęczkowski S. Instrukcja Ruchu i Eksploatacji Sieci Przesyłowej Prezentacja multimedialna, GAZ-SYSTEM S.A. Warszawa, 23 października [2] Ibrahim H., Ilinca A., Perron J.: Energy storage systems-characteristics and comparisons, Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 12, no. 5, pp , [3] Kiełbik A., Malinowski P.: Podziemne magazyny gazu, Inżynier Budownictwa, Polska Izba Inżynierów Budownictwa, Warszawa [4] Krawczyk P., Szabłowski Ł., Karellas S., Kakaras E., Badyda K.: Comparative thermodynamic analysis of compressed air and liquid air energy storage systems, Energy July 2017 DOI: /j.energy [5] Kunstman A., Poborska-MŁynarska K., Urbańczyk K.: Geologiczne i górnicze aspekty budowy magazynowych kawern solnych Przegląd Geologiczny, vol. 57, nr 9, [6] Madonis T.: Pożądane kierunki zmian rynkowych i prawnych dla dalszego rozwoju magazynowania energii, Energetyka Wodna nr 2/2015. [7] Malko J., Wojciechowski H.: Magazynowanie energii nowe technologie, Nowa Energia nr 2 3/ [8] Matkowski A., Musiał P.: Systemowe Magazyny Gazu w Polsce, Archiwum Energetyki, tom XLII, 2012, nr 2, 1-12.

8 [9] Mrzygłód R.: Model optymalizacyjny napełniania kawernowego magazynu gazu Mogilno AGH Rozprawa doktorska, Kraków [10] Serwis internetowy: [11] Rainisch R.: Wybrane istotne aspekty podziemnych magazynów gazu, Wydawnictwo Period, Warszawa [12] Szabłowski Ł., Krawczyk P., Badyda K., Karellas S., Kakaras E., Bujalski W.: Energy and exergy analysis of adiabatic compressed air energy storage system, Energy 138, DOI: /j.energy USAGE OF CAVERN NATURAL GAS STORAGES AS HIGH-CAPACITY ELECTRICAL ENERGY STORAGE Key words: energy storage, natural gas, salt cavern natural gas storage Summary. In the article conditions for the use of existing cavern natural gas storages as a high-capacity energy storages is presented. The technology is based on the Compressed Air Energy Storage (CAES) systems with natural gas as a medium, stored in salt caverns (CNGES Compressed Natural Gas Energy Storage). The concept of the system is charging the natural gas from the lower pressure cavern to the higher pressure one by an electric powered compressor and then, during the discharging mode the gas expands through the expander connected with the generator, from the high pressure cavern to the lower pressure one with the electricity production. The paper covers the analysis of perspective and conventional energy storage technologies in terms of market prospects and the comparison with the salt cavern natural gas storages technology. The article also includes the terms and work characteristic of the natural gas storages synchronized with the national power system and the conditions for adapting the existing gas storages to use the presented technology. Marcin Wołowicz dr inż., pracownik Instytutu Techniki Cieplnej Politechniki Warszawskiej. marcin.wolowicz@itc.pw.edu.pl Piotr Krawczyk - dr inż., pracownik Instytutu Techniki Cieplnej Politechniki Warszawskiej. piotr.krawczyk@itc.pw.edu.pl Michalina Gruszecka doktorantka, Instytut Techniki Cieplnej, Politechnika Warszawska. Absolwentka Wydziału Mechanicznego Energetyki i Lotnictwa, Politechnika Warszawska. E- mail: michalina.gruszecka@itc.pw.edu.pl Aleksandra Mikołajczak doktorantka, Instytut Techniki Cieplnej, Politechnika Warszawska. Absolwentka Wydziału Mechanicznego Energetyki i Lotnictwa, Politechnika Warszawska oraz Wydziału Chemii (Uniwersytet Warszawski). aleksandra.mikolajczak@itc.pw.edu.pl