Politechnika Śląska w Gliwicach Instytut Maszyn i Urządzeń Energetycznych Wyznaczanie sprawności diabatycznych instalacji CAES Janusz KOTOWICZ Michał JURCZYK Rynek Gazu 2015 22-24 Czerwca 2015, Nałęczów
1. Wstęp Na świecie notuje się ciągły wzrost zapotrzebowania na energię elektryczną. Z roku na rok wzrasta rola Odnawialnych Źródeł Energii. Rys. 1 Ilość produkowanej energii elektrycznej z poszczególnych źródeł w Polsce w latach 2010-2012 2
1. Wstęp Rys.2 Produkcja energii elektrycznej w Polsce w 2010 r. Rys.3 Produkcja energii elektrycznej w Polsce w 2012 r. 3
1. Wstęp Zużycie energii elektrycznej w ciągu doby ulega zmianie; Występują szczyty (II) jak i również doliny (I) wykorzystania energii; Jeżeli zużycie energii maleje, wówczas możliwości systemu elektroenergetycznego nie są pełni wykorzystane, Szybka reakcja na zmianę obciążenia w systemie o dużej liczbie jednostek o ograniczonej elastyczności jest niemożliwa. Rys.4 Wykres obciążenia sieci energetycznej w Polsce w ciągu doby 4
2. Procesy magazynowania energii elektrycznej Tabela1. Sprawności wybranych metod magazynowania energii elektrycznej. Technologia magazynowania Sprawność, % Elektrownie szczytowo- pompowe 70-85 % CAES 40-70 % Akumulatory sodowo-siarkowe 75-85 % Akumulatory litowo-jonowe 85-95 % Akumulatory wanadowe 70-80 % 5
3.1 Procesy magazynowania energii elektrycznej w formie sprężonego powietrza - wprowadzenie Metody magazynowania energii oparte na technologii CAES (ang. Compressed Air Energy Storage) polegają na akumulacji energii elektrycznej jako sprężonego powietrza atmosferycznego. Ideą technologii CAES jest wykorzystanie nadwyżki mocy do procesu sprężania powietrza oraz wtłoczenia go do specjalnie dobranych podziemnych magazynów. Natomiast podczas niedoboru energii elektrycznej w sieci zmagazynowana energia sprężonego gazu uwalniana jest poprzez ekspansję w turbinie. 6
3.1 Procesy magazynowania energii elektrycznej w formie sprężonego powietrza - wprowadzenie Rys.5 Uproszczony schemat diabatycznej elektrowni CAES Rys.6 Uproszczony schemat adiabatycznej elektrowni CAES 7
3.1 Procesy magazynowania energii elektrycznej w formie sprężonego powietrza - wprowadzenie Tabela 2 Porównanie najważniejszych wielkości charakteryzujących obecnie istniejące instalacje CAES. Parametr Huntorf McIntosh Moc turbiny, MW 290 110 Strumień powietrza sprężanego, kg/s 108 94 Strumień powietrza rozprężanego, kg/s 417 157 Czas generacji, h 2 26 Rodzaj paliwa Gaz ziemny Gaz ziemny/ olej Sprawność, % 42 54 Niezawodność działania, % 99 99,5 Objętość zbiornika, m 3 300 560 Ilość kawern 2 1 Dyspozycyjność, % 90 95 Rodzaj zbiornika Kawerna solna Kawerna solna 8
3.2 Procesy magazynowania energii elektrycznej w formie sprężonego powietrza - moduł sprężania powietrza Moduł sprężania powietrza składa się z czterosekcyjnej sprężarki oraz wymienników ciepła odpowiedzialnych za odbiór ciepła pomiędzy kolejnymi sekcjami kompresora; Temperatura powietrza pomiędzy kolejnymi sekcjami wynosi 60 o C; Temperatura gazu dopływającego do zbiornika magazynującego jest stała i wynosi również 60 o C ; Model instalacji został wykonany w programie Ebsilon Professional 11. Rys. 7 Moduł sprężania powietrza 9
3.3 Procesy magazynowania energii elektrycznej w formie sprężonego powietrza - magazyn sprężonego powietrza Rys.8 Zmiana parametrów magazynowanego powietrza w trakcie ładowania akumulatora Rys.9 Zmiana parametrów magazynowanego powietrza w trakcie rozładowywania akumulatora 10
3.4 Procesy magazynowania energii elektrycznej w formie sprężonego powietrza - moduł ekspansji powietrza Instalacja za zbiornikiem magazynującym sprężone powietrze składa się z ekspandera, wymiennika ciepła wykorzystującego ciepło zawracanych zza instalacji spalin, komory spalania oraz generatora prądotwórczego. Model instalacji został wykonany w programie Ebsilon Professional 11 Rys.10 Moduł ekspansji gazu 11
3.5 Procesy magazynowania energii elektrycznej w formie sprężonego powietrza- sprawność η 1 = E T E sp + Q g η 1 = N T dτ N Sp dτ + m p W d dτ = 59, 40 % η 2 = E T E sp Q g η 2 = N Tdτ N Sp dτ m p W d dτ = 40, 57 % η 3 = E T E η 3 = sp + Q η tr η g el,r N T dτ N Sp dτ η tr η el,r + m p W d dτ = 39, 03% 12
4. Wnioski Rozwój metod magazynowania energii elektrycznej jest istotny dla optymalnego funkcjonowania systemów energetycznych, Technologia CAES posiada duży potencjał magazynowania energii elektrycznej na dużą skalę, Sprawność elektrowni CAES nie została jednoznacznie zdefiniowana, wykorzystując różne definicje sprawności otrzymuje się różne wyniki obliczeń, Zaletą instalacji CAES jest również to, iż procesy sprężania i ekspansji gazu zachodzą niezależnie od siebie. Dzięki temu turbina gazowa pracuje samodzielnie, a moc oddawana do sieci nie jest pomniejszona o potrzeby napędu zespołu kompresorów, Sprawność analizowanego układu z rekuperacją spalin wynosi 59,40%, natomiast bez zastosowania rekuperacji ciepła jedynie 45,69%. 13
Dziękuje za uwagę. 14