CAES akumulator energii współpracujący z OZE, jako system racjonalnego zarządzania energią

Transkrypt

1 1 CAES akumulator energii współpracujący z OZE, jako system racjonalnego zarządzania energią mgr inż. Damian Jakowski Politechnika Gdańska, WOiO, Katedra Automatyki i Energetyki Streszczenie Artykuł przedstawia krótką charakterystykę systemu elektroenergetycznego, omówienie sposób magazynowania energii. Proponowane rozwiązanie akumulacji oraz generacji energii elektrycznej oparte jest na współpracy turbiny gazowej z układem magazynowania powietrza CAES. Omówiono możliwe rodzaje współpracy siłowni CAES z odnawialnymi źródłami energii, w szczególności z siłowniami wiatrowymi. Słowa kluczowe: CAES, magazynowanie energii, zarządzanie energią, OZE 1. Wstęp Magazynowanie energii jest problemem, który istnieje od zawsze. Swoją historią sięga tak daleko jak produkcja, przesył, dystrybucja i użytkowanie energii elektrycznej. Niestety postęp technologiczny w zakresie magazynowania energii elektrycznej jest znacznie skromniejszy od rozwiązań stosowanych w elementach systemu elektroenergetycznego. Zapotrzebowanie na energię dostarczaną do KSE 1 jest zmienne w czasie. Związane jest to z krótkotrwałymi wahaniami w ciągu każdej doby, jak i związane ze zmianami sezonowymi. Wprowadzenie do systemu źródeł cechujących się wysoką niepewnością pracy, powoduje nasilenie zmienności poboru energii elektrycznej. Takimi źródłami są np. siłownie wiatrowe i solarne.[1] Skala wzrostu mocy elektrowni wiatrowych stworzyła w wielu krajach konieczność poszukiwania nowych rozwiązań technicznych umożliwiających stabilizację pracy KSE. [2] Właśnie ten losowy charakter produkcji elektrowni wiatrowych, zmienność generowanej mocy powoduje wzrost zainteresowania technologiami akumulowania energii. 2. Charakterystyka systemu elektroenergetycznego. Przemiana energii mechanicznej na energię elektryczną to końcowy etap przetwarzania energii w większości elektrowni. Energia elektryczna wytwarzana w 1 Krajowy System Elektroenergetyczny

2 2 elektrowni przekazywana jest do systemu elektroenergetycznego, skąd pobierana jest przez odbiorców. Obciążenie systemu jest zmienne w czasie. W ciągu doby można wyróżnić pewne charakterystyczne okresy zapotrzebowania na energię [3]: w godzinach nocnych (w przedziale od godziny 23 do około 7) występuje tzw. dolina obciążenia, a moc pobierana z systemu jest najmniejsza; w godzinach pracy większości zakładów przemysłowych następuje obciążenie szczytowe; w okresie, gdy część zakładów przemysłowych nie pracuje, a nie włączone jest jeszcze oświetlenie, występuje spadek zapotrzebowania na energię elektryczną; w momencie, kiedy pracują zakłady wielozmianowe i włączone zostaje oświetlenie, występuje wieczorne szczytowe obciążenie. Rysunek 1 przedstawia obciążenie dobowe systemu elektroenergetycznego, oraz sposób pokrywania tego obciążenia przez różne typy elektrowni. Wyróżnić, więc można elektrownie podstawowe, podszczytowe i szczytowe. Rysunek 1. Pokrywanie obciążenia dobowego SEE przez elektrownie [4] a podstawowe, b podszczytowe, c1 + c2 szczytowe; Pd(t) dobowy przebieg obciążenia z okresami: t1 + t5 doliny nocnej obciążenia, t2 szczytu rannego, t3 doliny południowej, t4 szczytu wieczornego [5]. Zmienne obciążenie występujące w systemie elektroenergetycznym jest pewnym problem dla energetyki ze względu na trudność związaną z magazynowaniem energii. Akumulowanie energii jest dość problematyczne, dlatego w każdej chwili jej produkcja

3 3 powinna pokrywać zapotrzebowanie. Wynika to stąd, że łączna moc elektrowni powinna być większa niż maksymalne obciążenie systemu w okresach szczytów. Praca systemu elektroenergetycznego powinna zapewniać jak najniższe koszty wytwarzania i przesyłu energii [3]. Elektrownie można sklasyfikować w pewne grupy [3]: elektrownie podstawowe są to elektrownie, w których wytwarzanie energii elektrycznej jest najtańsze, szczególnie, gdy ich moc jest wykorzystywana w pełni. Do tej grupy można zaliczyć nowsze elektrownie cieplne i elektrownie jądrowe, gazowe; elektrownie podszczytowe do tej grupy należą elektrownie, które działają w czasie, gdy zapotrzebowanie na energię elektryczną jest większe, aniżeli te które są w stanie zaspokoić elektrownie podstawowe. Są to często starsze elektrownie cieplne i gazowe o stosunkowo małej sprawności; elektrownie szczytowe elektrownie, które włączane są do pracy w systemie elektroenergetycznym tylko w czasie trwania szczytów obciążenia. Są to głównie elektrownie wodne zbiornikowe oraz elektrownie szczytowo-pompowe. Cechą tego typu elektrowni jest stosunkowo szybki, prosty rozruch oraz zatrzymanie. 3. Magazynowanie energii Stosowane obecnie technologie umożliwiające magazynowanie energii elektrycznej można podzielić na technologie pośredniego (z udziałem konwersji energii elektrycznej na inny rodzaj energii, np.: kinetyczną, chemiczną) i bezpośredniego magazynowania energii elektrycznej (w polu elektrycznym lub magnetycznym). Nowe technologie szybko ewoluują i znajdują już zastosowanie w różnych podsektorach energetyki zawodowej. Należą do nich [6]: pneumatyczne zasobniki energii (CAES - Compressed Air Energy Storage), superkondensatory (Supercapacitors), kinetyczne zasobniki energii (FES - Flywheel Energy Storage), nadprzewodzące zasobniki energii (SMES - Superconducting Magnetic Energy Storage), ogniwa paliwowe (FC - Fuel Cells). Podział sposobów magazynowania energii można przedstawić następująco[6]: ze względu na zastosowaną konwersję nośników energii:

4 4 o magazynowanie bezpośrednie obejmuje akumulowanie produktu finalnego, względnie energia jest magazynowana w źródle z procesem bezpośredniej przemiany, np.: w elektrochemicznym źródle energii, o magazynowanie pośrednie obejmuje akumulowanie nośnika energii, z którego na drodze przemian w układzie magazynującym uzyskujemy energię. ze względu na krotność cykli ładowania: o magazynowanie jednorazowe akumulowanie energii tylko w jednym cyklu ładowania. Przedstawicielami tego typu magazynowania są ogniwa galwaniczne pierwotne; o magazynowanie cykliczne magazynowanie z wielokrotnym ładowaniem; ilość cykli magazynowania może być od kilku do kilkunastu tysięcy. ze względu na czasookres magazynowania (przedział czasu pomiędzy fazą ładowania, a fazą poboru do użytkowania): o magazynowanie krótkookresowe obejmuje magazynowanie chwilowe w zakresie sekund do kilku minut, okresowe minutowe od kilku do 60 minut oraz okresowe dzienne od 1 do 24h. o magazynowanie średniookresowe obejmuje magazynowanie od 1 do 30 dni. o magazynowanie długookresowe obejmuje magazynowanie sezonowe od 1 do 6 miesięcy oraz długie od ½ roku do kilku lat. Akumulatory, ze względu na rodzaj stosowanej technologii magazynowania można podzielić na[6]: Akumulatory mechaniczne mogą służyć do pośredniego magazynowania energii, należą do nich: o układy hydro-pompowni, o akumulatory sprężanego powietrza, o akumulatory energii kinetycznej, Elektrochemiczne źródła prądu można je zaliczyć do grupy bezpośredniego magazynowania (z konwersją bezpośrednią) energii elektrycznej, należą do nich: o ogniwa galwaniczne pierwotne (jednorazowego użytku), o ogniwa galwaniczne wtórne, potocznie nazywane akumulatorami, o ogniwa galwaniczne paliwowe, Akumulatory elektryczne należą do bezpośredniego magazynowania energii eklektycznej w postaci nie zmienionej, zaliczyć tu można: o układy cewki nadprzewodzącej, o kondensatory elektryczne, o sieć systemu elektroenergetycznego, Układy cieplno chemiczne w których skład wchodzą urządzenia wykorzystywane do wielostopniowych przemian na energię elektryczną, zaliczyć tu można:

5 5 o zbiorniki ciepła, o wytwornicę pary słonecznej elektrowni cieplnej, o układ elektrolizera wody, o zbiorniki paliw gazowych i ciekłych. Dobry układ magazynujący energię powinien charakteryzować się[7]: wysoką pojemnością właściwą, dużą gęstością energii, łatwością ładowania i rozładowania oraz dużą liczbą ich cykli, wysoką wydajnością energetyczną cykli, możliwością prostej konwersji energii na inną postać, powinien uzyskiwać wymaganą efektywność ekonomiczną i nie stwarzać zagrożenia dla środowiska naturalnego, wymaganą temperaturą, w jakiej dany układ magazynujący energię może funkcjonować, wymaganym czasem magazynowania oraz czasem przekazania energii użytkownikowi. 4. Aspekty techniczne rozwiązania CAES Do magazynowania energii w postaci sprężonego powietrza wykorzystuje się stare, złoża wyeksploatowanych kopalni, w których powietrze jest sprężane do ciśnienia około 70 atmosfer. W tego typu elektrowniach generator prądotwórczy jest zasilany paliwem ciekłym lub gazowym (źródło nieodnawialne). Brak jest natomiast sprężarki powietrza wlotowego, która zużywa w normalnych warunkach ok. 60% energii mechanicznej konwencjonalnego generatora. Pozwala to na zmniejszenie emisji CO 2 w porównaniu z klasyczną elektrownią gazową [8]. Rysunek 2 przedstawia poglądową elektrownię CAES. Rysunek 2 Elektrownia CAES. [9]

6 6 W siłowniach rozważanego typu korzysta się z energii elektrycznej o niskim koszcie, dostępnej poza szczytami obciążenia systemu elektroenergetycznego w nocy, w weekendy. Przedstawia to Rysunek 3. Pobierana energia wykorzystywana jest do sprężania powietrza w wielkich zbiornikach [10]. Rysunek 3 Działanie elektrowni CEAS w ciągu dobowego obciążenia KSE. [9] Siłownie CAES, mogą współpracować z siłowniami wiatrowymi. Odbywa się to w ten sposób, że w czasie korzystnych warunków wiatrowych nadmiar energii wyprodukowanej przez farmę wiatrową jest wykorzystywany do zasilania kompresora, który spręża powietrze w podziemnym zbiorniku. W okresie, gdy warunki wiatrowe są niekorzystne i produkcja energii elektrycznej przez elektrownie nie odpowiada założonej wielkości (np. zamówionej przez odbiorcę), układ sterowania załącza turbinę gazową zasilaną paliwem oraz doprowadza sprężone powietrze do turbiny[8]. Rozwiązanie takiej elektrowni hybrydowej przedstawia rysunek 4. Rysunek 4 Elektrownia CAES współpracująca z farmą wiatrową [8]

7 7 5. Wnioski Technologia CAES uznawana jest w większości opracowań poświęconych magazynowaniu energii za praktycznie jedyną technicznie realną alternatywę wodnych elektrowni szczytowo-pompowych dla dużych instalacji energetycznych. Czas rozruchu elektrowni CAES do pełnej mocy jest około dwa do trzech razy krótszy od przeciętnego czasu rozruchu bloku z turbiną gazową i zamyka się w przedziale do 10 minut. W Polsce istnieją potencjalne możliwości lokalizacyjne elektrowni magazynujących sprężone powietrze, na przykład w kawernach solnych. Budowa takiej siłowni może okazać się obecnie szczególnie interesująca wobec planowanych w najbliższych latach dużych inwestycji w energetykę wiatrową, przede wszystkim na północy kraju[10]. 5. Literatura [1] Elektrownie CAES możliwość akumulacji energii oraz współpracy ze źródłami odnawialnymi, dr hab. Inż. Krzysztof Badyda prof. PW, dr inż. Jarosław Milewski, Instal 2/2010. [2] Elektrownie CAES, Łukasz Dzierżanowski, Politechnika Opolska, Energia Elektryczna nr 2-3/2011. [3] [4] Gładyś H., Matla R.: Praca elektrowni w systemie elektroenergetycznym. Wrocław Warszawa, WNT [5] Regulacja częstotliwości i mocy w systemie elektroenergetycznym, Dr hab. inż. Ryszard Zajczyk profesor PG, Gdańsk [6] Knozowski K. Analiza metod magazynowania energii stosowanych w systemach energetycznych, Gdańsk 2010 [7] Dr inż. K. Herlender, Magazynowanie energii elektrycznej w SEE [8] Ostrowski J., Soliński I., Soliński B., Czysta energia Czyste środowisko 2008 [9] Crotogino Fritz, More than 20 years of successful operation, Orlando, Florida USA 2001 [10] Elektrownie CAES możliwość akumulacji energii oraz współpracy ze źródłami odnawialnymi, dr hab. Inż. Krzysztof Badyda prof. PW, dr inż. Jarosław Milewski, Instal 2/2010