📻 Henryk Majchrzak: Sprężone powietrze jako magazyn prądu

Pozyskana energia pierwotna nie może się zmarnować.

AUDIO REO. Posłuchaj tekstu na podcaście. Czyta Bożena Sitek.

 



Pozyskana energia pierwotna nie może się zmarnować. Lepiej, jeśli posłuży do sprężenia powietrza, które w wybranym momencie można pobrać z magazynu i użyć do wytwarzania prądu.

Źródła wiatrowe oraz solarne charakteryzują się okresowym brakiem korelacji pomiędzy wytwarzaniem a zapotrzebowaniem. Dlatego technologie magazynowania energii rozwijają się niezwykle dynamicznie i warte są uważnej obserwacji.

Według danych Międzynarodowej Agencji Energii elektrownie szczytowo-pompowe stanowią około 99% wszystkich magazynów energii na świecie. Pozostały jeden procent tworzą obecnie głównie instalacje wykorzystujące sprężone powietrze. Różne rodzaje magazynów energii wraz z krótką ich charakterystyką przedstawiłem Czytelnikom REO w moim poprzednim artykule. Tutaj chciałbym zaprezentować kierunek rozwoju technologii CAES – compressed air energy storage, w której nośnikiem energii jest sprężone powietrze.

Magazyny energii napędzane sprężonym powietrzem są dostępnym i atrakcyjnym rozwiązaniem do zastosowania od ręki.

Mogą posłużyć do bilansowania mocy systemu elektroenergetycznego. Co ciekawe, nie wymagają tak inwazyjnej ingerencji w środowisko naturalne jak elektrownie szczytowo-pompowe. Wyrobiska solne, które nadają się na magazynowanie sprężonego powietrza, są dostępne. Magazynowanie w nich sprężonego powietrza nie stwarza takiego zagrożenia jak magazynowanie CO2. Gdyby sprężone powietrze ulotniło się z takiego zasobnika, jedynym negatywnym skutkiem byłoby zmarnowanie energii, która posłużyła do jego sprężenia.

Technicznie jest to dość proste rozwiązanie.

W okresie kiedy energia elektryczna jest tania bądź też dostępna w nadmiarze, wykorzystuje się ją do zasilania sprężarki, za pomocą której powietrze jest zatłaczane do zbiorników. Najczęściej są to zbiorniki podziemne, np. wyrobiska solne, w których magazynuje się gaz, ale też i ogromne komory ziemne wydrążone specjalnie w tym celu. Chociaż wśród światowych instalacji CAES są też takie, gdzie wykorzystuje się zbiorniki naziemne, a nawet podwodne. Podwodne są o tyle ciekawym rozwiązaniem, że mają dodatkową zaletę: w trakcie wypuszczania powietrza wysokość słupa wody gwarantuje stałość ciśnienia w zbiorniku, mimo pobierania z niego powietrza.

Badania doprowadziły do powstania magazynów CAES trzeciej generacji, które w ogóle nie wymagają paliwa gazowego.

Jak działa konwencjonalny magazyn prądu w postaci sprężonego powietrza?

Za pomocą sprężarki wtłacza się powietrze do zbiornika, by potem wykorzystać je do zasilania turbiny gazowej, gdzie – podobnie jak w klasycznej elektrowni – spala się gaz. Korzyść polega na tym, że produkcję prądu uruchamia się w dowolnej chwili oraz nie zużywa się gazu do sprężania powietrza. W tym celu wykorzystywana jest nadwyżka energii, pochodząca np. ze źródeł wiatrowych.

Taka instalacja o mocy 320 MW działa od 1978 roku w Niemczech, w miejscowości Huntorf. Może pracować z pełną mocą przez trzy godziny, co wymaga działania sprężarki o mocy 68 MW przez 12 godzin. Operator systemu elektroenergetycznego ma do dyspozycji źródło energii o mocy porównywalnej do średniej wielkości bloku elektrowni węglowej. Ma ono tę przewagę, że można je uruchomić w dowolnej chwili z szybkością właściwą dla bloków gazowych pracujących w obiegu prostym. Magazyn energii w Huntorf świadczy usługi systemowe w zakresie regulacji mocy czynnej i biernej, ale służy też do bilansowania generacji z farm wiatrowych.

Pod względem stosowanej technologii wyróżnia się trzy rodzaje magazynów CAES: konwencjonalne, z odzyskiem ciepła oraz adiabatyczne.

Ten podział jest też odzwierciedleniem postępu technicznego w tej dziedzinie, ponieważ magazyny konwencjonalne osiągają sprawność na poziomie 42%, tam gdzie odzyskuje się ciepło – 55%, a adiabatyczne aż 70%.

Generalnie, rozwój technologii CAES poszedł w kierunku wykorzystania spalin wylotowych z turbiny gazowej do podgrzania powietrza pobieranego ze zbiornika. Zgodnie z prawami termodynamiki, powietrze przy rozprężaniu ochładza się, co prowadzi do strat energii. Dlatego wykorzystanie spalin do jego ogrzania przekłada się na wzrost sprawności. Warto podkreślić, że wprowadzenie do produkcji takich rozwiązań wymaga wyłożenia milionów euro na eksperymenty i prace badawczo-rozwojowe. To pozwoliło zwiększyć sprawność całego układu do 55%.

Dalsze inwestycje w innowacje doprowadziły do powstania magazynów CAES trzeciej generacji, czyli takich, które w ogóle nie wymagają paliwa gazowego!

Pracują one w cyklu adiabatycznym, a ich sprawność dochodzi do 70%. Sprężone powietrze, rozprężając się, trafia bezpośrednio do ekspandera, który napędza generator prądu. Taki magazyn energii powstał w ramach programu badawczego koncernu RWE o nazwie ADELE (Adiabater Druckluftspeicher fur die ELEktrizitatsversorgung). Powietrze przechowywane jest pod ciśnieniem około 70 barów, czyli jest 35 razy bardziej sprężone niż powietrze w oponach samochodowych.

Energia wiatru zasila nie tylko sprężarkę, ale i pompę ciepła. Sprężone powietrze jest ogrzewane do temperatury 600 stopni Celsjusza i przechowuje się je w specjalnie izolowanych zbiornikach-akumulatorach ciepła. Potem za pomocą rur ceramicznych trafia ono do podziemnych komór, po uprzednim schłodzeniu do 40 stopni Celsjusza. Kiedy wiatr ustaje, prąd wytwarzany jest za pomocą sprężonego powietrza, które z podziemnej komory wraca do akumulatora ciepła, gdzie ponownie jest ogrzewane i dopiero wtedy, rozprężając się, zasila turbinę generatora. Nie ma więc potrzeby ogrzewania rozprężającego się powietrza.

Schemat działania magazynu CAES w cyklu adiabatycznym

 

Nie mam najmniejszych wątpliwości, że innowacje w zakresie magazynowania energii pozwolą nam w przyszłości coraz lepiej zagospodarować prąd generowany przez źródła wiatrowe oraz solarne. Będziemy coraz powszechniej korzystać z różnego rodzaju magazynów energii, aby przechowywać każdy jej nadmiar. Nieważne, czy został on spowodowany przez niskie zapotrzebowanie, czy kilka wietrznych dni. A przykład magazynów energii elektrycznej, które wykorzystują sprężone powietrze, znakomicie ilustruje kierunek rozwoju współczesnej energetyki: prace badawcze pozwoliły nie tylko zwiększyć sprawność układu z 42 do 70%, ale też całkowicie wyeliminować paliwo gazowe.

Henryk Majchrzak
Z energetyką związany od 1986 roku. Praktyk, pasjonat, a z racji wykształcenia także i naukowiec. Jest autorem dwóch monografii dotyczących funkcjonowania elektroenergetyki. W latach 2010-15 odpowiadał za krajowy system przesyłowy jako prezes spółki Polskie Sieci Elektroenergetyczne S.A. Obecnie specjalizuje się w dziedzinie innowacyjnych technologii wytwarzania prądu i ciepła.