Nowatorski system magazynowania energii z Chin
W obliczu dynamicznego rozwoju odnawialnych źródeł energii, coraz większego znaczenia nabierają technologie magazynowania nadwyżek energii elektrycznej. Jedną z najbardziej obiecujących propozycji zaprezentowali naukowcy z Northeast Electric Power University w Chinach. Ich projekt to nowatorski system zaawansowanego adiabatycznego magazynowania energii sprężonego powietrza (AA-CAES), w którym tradycyjną koncepcję sprężania uzupełniono o siłę grawitacji.
Sprężone powietrze i stałe ciśnienie – nowa jakość w magazynowaniu energii
Klasyczne systemy CAES (Compressed Air Energy Storage) magazynują energię w postaci powietrza sprężonego do wysokiego ciśnienia. Jednak w tradycyjnych rozwiązaniach ciśnienie powietrza podczas cykli ładowania i rozładowywania zmienia się, co wpływa na sprawność i złożoność całego procesu. Chińscy badacze zaprojektowali natomiast system o izobarycznym charakterze działania. Oznacza to, że ciśnienie w zbiorniku powietrza pozostaje niemal stałe w czasie całej pracy.
Jak to możliwe? Sekret tkwi w zastosowaniu elastycznego worka powietrznego umieszczonego na dnie opuszczonego pionowego szybu kopalnianego, nad którym spoczywa ciężki, stalowy blok. Gdy do worka wtłaczane jest sprężone powietrze, jego objętość rośnie, a ciężar unosi się. Jednak dzięki stałej masie i niezmiennej powierzchni styku, ciśnienie pozostaje praktycznie niezmienione. W fazie rozładowania blok opada, wypychając powietrze z worka przy tym samym ciśnieniu.
Energia, egzergia i ekonomia
Zespół badawczy przeprowadził dokładne symulacje pracy systemu w oprogramowaniu MATLAB. Analiza obejmowała aspekty energetyczne, egzergiczne oraz ekonomiczne. Kluczowe dane prezentują się imponująco:
- Sprawność energetyczna: 87,1%
- Sprawność egzergetyczna: 70,07%
- Gęstość energii w powietrzu: 2,68 kWh/m³
- Gęstość energii na jednostkę zajmowanej przestrzeni: 2,29 kWh/m³
System korzysta z energii nadwyżkowej pochodzącej z fotowoltaiki, wiatru lub sieci elektroenergetycznej do napędzania sprężarki. Proces sprężania przebiega w pięciu etapach, z zastosowaniem pięciu chłodnic międzystopniowych, które odzyskują ciepło wytwarzane podczas kompresji.
Grawitacja i odzysk cieplny
Najważniejszą innowacją w porównaniu z klasycznymi rozwiązaniami CAES jest izobaryczny charakter procesu oraz wykorzystanie potencjału grawitacyjnego jako źródła siły wypychającej powietrze z worka w fazie rozładowania. Ciężar o gęstości 7870 kg/m³ pełni funkcję stabilizatora ciśnienia i naturalnego „tłoka”, działając w pełni pasywnie, bez potrzeby zasilania.
Analiza egzergii wykazała, że największe straty pojawiają się na etapie pracy turbiny (35,21%) i sprężarki (30,98%). Chłodnice i podgrzewacze odzyskują część energii, lecz ich sprawność egzergiczna pozostaje na poziomie odpowiednio 63,54% i 50,60%.
Czy to się opłaca?
Koszt wyprodukowanej energii elektrycznej w nowym systemie oszacowano na 0,0804 USD/kWh. W ten sposób system staje się konkurencyjnym względem wielu technologii magazynowania. Przyjmując 25-letni okres eksploatacji i 350 dni pracy rocznie. Inwestycja osiąga:
- Wartość bieżącą netto (NPV): 1,6 mln USD.
- Wewnętrzną stopę zwrotu (IRR): 17,93%.
- Dynamiczny okres zwrotu (DPP): 8,36 lat.
Ceny przyjęte w analizie uwzględniały m.in. koszt energii w czasie ładowania (0,04 USD/kWh), w czasie rozładowania (0,18 USD/kWh), koszt ciężaru (0,1 USD/kg) i wody grzewczej (0,018 USD/kWh).
Zastosowanie pionowych szybów kopalnianych jako zbiorników powietrza przykład zrównoważonego podejścia do energetyki. Zamiast budować kosztowne zbiorniki ciśnieniowe, badacze wykorzystują istniejącą infrastrukturę przemysłową.
Choć projekt pozostaje na etapie symulacji, jego koncepcja może znaleźć zastosowanie w wielu regionach świata, gdzie istnieją opuszczone kopalnie, a systemy OZE generują coraz większe nadwyżki energii. Dzięki prostocie działania i wysokiej sprawności, system może konkurować zarówno z bateryjnymi magazynami, jak i z elektrowniami szczytowo-pompowymi.
Źródło: ess-news.com