W globalnym przejściu na czystą energię zmienne źródła odnawialne, takie jak energia słoneczna i wiatrowa, oferują ogromny potencjał, ale stwarzają również poważne wyzwania. Ich nieciągłość-spowodowana pogodą, cyklami dnia-nocy i wahaniami sezonowymi-często skutkuje ograniczeniami (marnowaniem energii) lub niestabilnością sieci. Magazynowanie energii sprężonym powietrzem (CAES) to dojrzałe rozwiązanie-na dużą skalę, które przekształca nadwyżkę energii elektrycznej w sprężone powietrze w celu jej magazynowania i uwalnia ją na żądanie w celu wytworzenia energii, skutecznie pochłaniając i wykorzystując energię wiatru i słońca, zapewniając jednocześnie stabilność i równowagę sieci.
CAES magazynuje energię elektryczną w postaci potencjału mechanicznego poprzez sprężanie powietrza, umożliwiając przechowywanie od godzin do tygodni przy minimalnych stratach. W razie potrzeby sprężone powietrze jest uwalniane do napędzania turbin i wytwarzania energii elektrycznej. Technologia ta szczególnie dobrze-nadaje się do-długiego-magazynowania na dużą skalę, przekształcając sporadyczne źródła odnawialne w niezawodną energię, którą można dystrybuować i która spełnia--całodobowe{6}}wymagania sieci.
Podstawowa technologia i zasady
Istotą CAES jest termodynamika sprężania i rozprężania gazu. Powietrze nagrzewa się podczas sprężania i ochładza się podczas rozprężania. Wysoka wydajność zależy od efektywnego zarządzania ciepłem:
Konwencjonalny (diabatyczny) CAES: Ciepło sprężania jest odprowadzane przez chłodnice międzystopniowe, a paliwo (zwykle gaz ziemny) jest wykorzystywane do ponownego podgrzania powietrza przed rozprężeniem. Wydajność-w obie strony wynosi zazwyczaj 40–55%.
Zaawansowany adiabatyczny CAES (AA-CAES): Ciepło sprężania jest wychwytywane i magazynowane w systemach magazynowania energii cieplnej (TES),-takich jak złoża ubitego kamienia, stopiona sól lub olej termiczny-w celu ponownego wykorzystania podczas rozszerzania. Sprawność sięga 70% lub więcej bez zużycia paliw kopalnych.
Izotermiczny/prawie-izotermiczny CAES: Zaawansowane wymienniki ciepła lub zraszacze wodne utrzymują-prawie stałą temperaturę podczas sprężania i rozprężania, przy teoretycznej wydajności na poziomie 80–95% w systemach rozwojowych.
Nowoczesne elektrownie CAES działają przy ciśnieniach 4–7 MPa (40–70 barów) i do magazynowania energii opierają się na prawie gazu doskonałego. W przeciwieństwie do akumulatorów, CAES przoduje w zastosowaniach-w skali gigawatowej-długotrwałych, przy znikomej degradacji na przestrzeni dziesięcioleci.
Kluczowy sprzęt i komponenty
Typowy obiekt CAES składa się z:
Sprężarki: Wielo-elektryczne turbosprężarki-zasilane nadwyżką energii elektrycznej, które sprężają powietrze z otoczenia przy użyciu stopni niskiego- i wysokiego-ciśnienia z chłodzeniem międzystopniowym.
Magazynowanie powietrza: Podziemne jaskinie (kopuły solne, wyczerpane pola gazowe lub warstwy wodonośne) lub-naziemne sztuczne statki o dużej-gęstości (takie jak układy rur). Groty solne są preferowane ze względu na ich nieprzepuszczalność i-wytrzymałość na zmiany ciśnienia na głębokościach 300–1500 metrów.
System zarządzania temperaturą(w konstrukcjach zaawansowanych): Wymienniki ciepła i jednostki TES wychwytujące i magazynujące ciepło sprężania.
Ekspandery/turbiny i generatory: Turborozprężarki- i niskie-ciśnienie-sprzęgnięte z generatorami. Konwencjonalne systemy wykorzystują komorę spalania do ponownego ogrzewania; zaawansowane systemy adiabatyczne ponownie wykorzystują ciepło TES.
Systemy pomocnicze: Presostaty, dwukierunkowe silniki/generatory i urządzenia do połączeń sieciowych.
|
NIE. |
Nazwa sprzętu |
Główna funkcja |
Cechy techniczne i zasady |
Dodatkowy opis ilustracji |
|
1 |
Sprężarki |
Elektrownia-fazowa do ładowania: przekształca nadwyżkę energii elektrycznej w energię potencjalną-sprężonego powietrza |
Wielostopniowe-elektryczne turbosprężarki-(osiowe lub odśrodkowe) pracujące pod ciśnieniem 4–7 MPa (40–70 barów), wyposażone w chłodnice międzystopniowe i-systemy odzyskiwania ciepła; Napędy o zmiennej-prędkości umożliwiają szybką reakcję na odnawialne wahania |
Kompletny układ systemu z zaznaczeniem zespołu sprężarek |
|
2 |
Systemy magazynowania powietrza |
Długotrwałe-przechowywanie sprężonego powietrza (od godzin do tygodni) |
Podziemne jaskinie solne (głębokość 300–1500 m) lub-duża gęstość nad-rurami naziemnymi-statkami zbiorczymi; zaprojektowany do powtarzalnych zmian ciśnienia i niemal{{6}zero wycieków |
Diagram-przekrojowy przedstawiający interfejs zarządzania podziemną jaskinią i termiczną powierzchnią- |
|
3 |
Systemy zarządzania ciepłem i magazynowania energii cieplnej (TES). |
Przechwytuj, przechowuj i ponownie wykorzystuj ciepło sprężania, aby-wydajnie pracować-bez paliwa |
Wymienniki ciepła (HX1/HX2) w połączeniu z mediami TES (złoża ceramiczne, stopiona sól lub olej termiczny) przechowujący ciepło do 600 stopni; odzyskiwanie w pętli zamkniętej-osiąga wydajność-w obie strony powyżej 70% |
Schemat przepływu-fazowego ciepła-+ schemat integracji całego systemu |
|
4 |
Ekspandery, turbiny i generatory |
Elektrownia-rozładowująca: przekształca zmagazynowane sprężone powietrze w energię elektryczną |
Wielostopniowe-turborozprężarki-(wysokie- i niskie-ciśnienie) połączone bezpośrednio z generatorami synchronicznymi; pełne obciążenie osiągane w czasie krótszym niż 10 minut przy zerowej emisji spalin w zaawansowanych konstrukcjach |
Zdjęcie instalacji generatora-ekspandera-świata rzeczywistego |
|
5 |
Systemy pomocnicze |
Zapewnij bezpieczną i wydajną pracę instalacji oraz integrację z siecią |
Zawory-regulacyjne ciśnienia, dwukierunkowe-generatory silnikowe, monitorowanie SCADA, rozdzielnice sieciowe, wieże chłodnicze i rozbudowane sieci rurociągów |
Widok wnętrza hali turbin przedstawiający zintegrowane rurociągi i systemy elektryczne |
Modułowa konstrukcja CAES umożliwia niezależną optymalizację możliwości kompresji, przechowywania i rozszerzania, zapewniając elastyczność operacyjną nieporównywalną z wieloma innymi technologiami przechowywania.
Procesy operacyjne
CAES działa w dwóch głównych fazach:
Faza ładowania (kompresji).: W okresach wysokiej produkcji energii odnawialnej lub niskiego zapotrzebowania nadwyżka energii elektrycznej napędza sprężarki. Powietrze jest sprężane wieloetapowo (nagrzewanie), schładzane i wtryskiwane do magazynu. W zaawansowanych układach adiabatycznych pobrane ciepło jest magazynowane w TES.
Faza rozładowywania (rozbudowy/generowania).: Gdy szczyty zapotrzebowania lub odnawialne źródła energii są niewystarczające, sprężone powietrze jest uwalniane, wstępnie podgrzewane (przy użyciu ciepła TES lub dodatkowego paliwa), rozprężane przez turbiny w celu napędzania generatorów i usuwane jako chłodniejsze powietrze. System może osiągnąć pełne obciążenie w czasie krótszym niż 10 minut, co czyni go idealnym do równoważenia sieci, regulacji częstotliwości i rezerw wirujących.
Rośliny mogą pracować cyklicznie codziennie lub sezonowo przy bardzo niskim współczynniku samorozładowania. Przykłady uznanych- obiektów użyteczności publicznej obejmują elektrownię Huntorf w Niemczech (321 MW, działającą od 1978 r.) i elektrownię McIntosh w Stanach Zjednoczonych (110 MW, od 1991 r.).
Studium przypadku-z prawdziwego świata: projekt demonstracyjny zaawansowanego magazynowania energii w sprężonym powietrzu o mocy 100 MW
Flagowym przykładem udanej realizacji projektu CAES jest chiński projekt demonstracyjny dotyczący zaawansowanego magazynowania energii w sprężonym powietrzu o mocy 100 MW, który ukazuje dojrzałość technologii i potencjał zastosowań-na dużą skalę. Opracowana pod kierownictwem Instytutu Termofizyki Inżynierskiej Chińskiej Akademii Nauk jest pierwszą na świecie zaawansowaną stacją CAES o mocy-100 MW i obecnie największą działającą zaawansowaną elektrownią CAES o najwyższej-wydajności.
Szczegóły konfiguracji systemu:
Pojemność: 100 MW mocy wyjściowej / 400 MWh magazynowania energii.
Typ technologii: Zaawansowany adiabatyczny CAES (AA-CAES) obejmujący nadkrytyczne magazynowanie ciepła, nadkrytyczną wymianę ciepła, kompresję/rozprężanie przy dużym-obciążeniu oraz pełną integrację systemu-całkowicie eliminującą zależność od paliw kopalnych.
Metoda przechowywania: Zbiorniki do przechowywania sztucznego powietrza o dużej-gęstości (projekt-rur), zwiększające gęstość energii i zmniejszające zależność od dużych podziemnych komór.
Efektywność: Wydajność-w obie strony na poziomie 70,4%.
Parametry wydajności: Roczna produkcja przekracza 132 miliony kWh, co wystarcza do zaspokojenia szczytowego zapotrzebowania na energię elektryczną dla około 50 000 gospodarstw domowych; pozwala zaoszczędzić 42 000 ton standardowego węgla i zmniejsza emisję CO₂ o około 109 000 ton rocznie.
Kluczowy sprzęt: Sprężarki-wielostopniowe, rozprężacze turbin/zespoły generatorów, system magazynowania ciepła na parametry nadkrytyczne TES i wysokociśnieniowe zbiorniki magazynujące z rurami-rurowymi-.
Lokalizacja: hrabstwo Guyuan, miasto, prowincja Hebei, na terenie parku przemysłowego Miaotan Cloud Computing; zajmuje około 5,7 ha. Projekt został-przyłączony do sieci w 2022 r. i rozpoczął przygotowania do komercyjnej eksploatacji.
Ten projekt pokazuje naszą zdolność do pomyślnej realizacji- inicjatyw CAES na dużą skalę poprzez odzyskiwanie ciepła sprężania, optymalizację zarządzania ciepłem i wykorzystanie konstrukcji modułowej w celu przezwyciężenia tradycyjnych ograniczeń w zakresie wydajności, zależności od paliwa i wyboru lokalizacji. Zapewnia cenną walidację inżynieryjną-w świecie rzeczywistym i skalowalny model globalnej integracji energii odnawialnej.
Jak CAES ułatwia efektywną absorpcję i wykorzystanie energii wiatrowej i słonecznej
Zmienność energii wiatrowej i słonecznej często prowadzi do powstawania nadwyżek energii elektrycznej, która nie może zostać w pełni wchłonięta przez sieć. CAES służy jako „amortyzator” dla sieci, bezpośrednio rozwiązując ten problem:
Pochłanianie nadwyżki mocy: Podczas silnych wiatrów lub szczytowego nasłonecznienia nadmiar energii jest wykorzystywany do sprężania i magazynowania powietrza pod ziemią, zapobiegając ograniczeniom.
Wygładzanie wyników: CAES oddziela wytwarzanie od zużycia, uwalniając zmagazynowaną energię w spokojnych okresach lub po zachodzie słońca, aby zapewnić stabilną, przewidywalną moc.
Stabilność i integracja sieci: Jego szybka reakcja obsługuje regulację częstotliwości, kontrolę napięcia i usługi czarnego-startu. Wiatrowe-słoneczne-systemy hybrydowe CAES tworzą elektrownie „wirtualnego obciążenia podstawowego”, zmniejszając zależność od-szczytów paliw kopalnych.
Korzyści ekonomiczne i środowiskowe: CAES znacznie obniża koszty przechowywania, poprawia stopień wykorzystania odnawialnych źródeł energii i zmniejsza emisję dwutlenku węgla (szczególnie w zaawansowanych konfiguracjach adiabatycznych). Jest szczególnie konkurencyjny w przypadku integracji odnawialnych źródeł energii na dużą-skalę i-czas trwania.
-Wspólna lokalizacja CAES z farmami wiatrowymi lub elektrowniami słonecznymi optymalizuje infrastrukturę przesyłową i odblokowuje dodatkowe przychody dzięki arbitrażowi energetycznemu, rynkom mocy i usługom pomocniczym.
Patrząc w przyszłość: CAES jako kamień węgielny elektrowni wykorzystujących energię odnawialną
Rozwiązanie CAES ewoluowało od swoich początków w latach 70. XX wieku w elastyczną technologię-magazynowania o długim czasie trwania i potencjale w skali gigawatogodzin-godzin-. Zaawansowane warianty adiabatyczne i izotermiczne całkowicie eliminują zużycie paliw kopalnych, idealnie dopasowując się do celów zerowych-netto. Jego skalowalność i możliwość adaptacji geograficznej (tam, gdzie istnieje odpowiednia geologia) umożliwiają przekształcanie sporadycznych zasobów wiatru i słońca w niezawodną-energię elektryczną o wysokiej wartości.
Udane projekty, takie jak potwierdzenie, że technologia CAES jest w pełni gotowa do wdrożenia na-komercyjną skalę. Wdrażając CAES, sektor energii odnawialnej może pokonać swoje największe wyzwanie-zmienności-, przyspieszając przejście na czystą energię oraz zapewniając odporność gospodarczą i bezpieczeństwo energetyczne przedsiębiorstwom użyteczności publicznej, przemysłom i społecznościom na całym świecie. Trwające projekty w Chinach i na arenie międzynarodowej sygnalizują, że zintegrowane elektrownie wiatrowe-słoneczne-CAES to już nie wizja, ale obecna rzeczywistość-dostarczająca czystą, dyspozycyjną energię elektryczną zawsze i wszędzie, gdzie jest ona potrzebna.
