Pri globalnem prehodu na čisto energijo spremenljivi obnovljivi viri, kot sta sonce in veter, ponujajo ogromen potencial, a predstavljajo tudi velike izzive. Njihova prekinitev-ki jo poganjajo vreme, dnevni-nočni cikli in sezonske spremembe-pogosto povzročijo omejevanje (potrata energije) ali nestabilnost omrežja. Shranjevanje energije s stisnjenim zrakom (CAES) predstavlja zrelo, -rešitev velikega obsega, ki pretvarja presežek električne energije v stisnjen zrak za shranjevanje in ga na zahtevo sprosti za ustvarjanje energije, pri čemer učinkovito absorbira in izkorišča vetrno in sončno energijo, hkrati pa zagotavlja stabilnost in ravnovesje omrežja.
CAES shranjuje električno energijo kot mehanski potencial s stiskanjem zraka, kar omogoča shranjevanje od ur do tednov z minimalnimi izgubami. Po potrebi se stisnjen zrak sprosti za pogon turbin in proizvodnjo električne energije. Ta tehnologija je še posebej -primerna za veliko{3}}dolgotrajno-shranjevanje, ki pretvarja občasne obnovljive vire v odpremljivo, zanesljivo energijo, ki izpolnjuje--dnevne zahteve omrežja.
Osnovna tehnologija in načela
Jedro CAES je v termodinamiki stiskanja in širjenja plina. Med stiskanjem se zrak segreje, med raztezanjem pa ohlaja. Visoka učinkovitost je odvisna od učinkovitega upravljanja toplote:
Konvencionalni (diabatski) CAES: Kompresijska toplota se odvaja skozi vmesne hladilnike, gorivo (običajno zemeljski plin) pa se uporablja za ponovno segrevanje zraka pred ekspanzijo. Učinkovitost-povratnega potovanja je običajno 40–55 %.
Napredni adiabatski CAES (AA-CAES): Kompresijska toplota se zajame in shrani v sistemih za shranjevanje toplotne energije (TES)-, kot so napolnjene kamnite postelje, staljena sol ali termalno olje-za ponovno uporabo med ekspanzijo. Učinkovitost doseže 70 % ali več brez porabe fosilnih goriv.
Izotermični/skoraj-izotermični CAES: Napredni izmenjevalniki toplote ali vodni razpršilci vzdržujejo skoraj{0}}konstantne temperature med stiskanjem in raztezanjem, s teoretično učinkovitostjo 80–95 % v razvojnih sistemih.
Sodobne naprave CAES delujejo pri tlakih 4–7 MPa (40–70 barov) in se za shranjevanje energije zanašajo na zakon idealnega plina. V nasprotju z baterijami se CAES odlikuje z dolgotrajnimi-aplikacijami v obsegu gigavatov-z zanemarljivo degradacijo v desetletjih.
Ključna oprema in komponente
Tipičen objekt CAES je sestavljen iz:
Kompresorji: več{0}}stopenjski električni turbo{1}}kompresorji, ki jih poganja presežna elektrika, ki tlačijo zunanji zrak z nizko{2}} in visoko{3}}tlačno stopnjo z vmesnim hlajenjem.
Shranjevanje zraka: Podzemne jame (solne kupole, izčrpana plinska polja ali vodonosniki) ali nadzemne-umetne posode z visoko{1}}gostoto (kot so nizi cevi). Solne jame so priljubljene zaradi svoje neprepustnosti in vzdržljivosti-pri pritisku v globinah 300–1500 metrov.
Sistem toplotnega upravljanja(v naprednih izvedbah): Toplotni izmenjevalniki in TES enote, ki zajemajo in shranjujejo kompresijsko toploto.
Ekspanderji/turbine in generatorji: visoko{0}} in nizkotlačni-turbo{2}}ekspanderji, povezani z generatorji. Običajni sistemi uporabljajo kurišče za dogrevanje; napredni adiabatni sistemi ponovno uporabljajo toploto TES.
Pomožni sistemi: Krmiljenje tlaka, dvosmerni motor/generatorji in oprema za medsebojno povezovanje omrežja.
|
št. |
Ime opreme |
Glavna funkcija |
Tehnične značilnosti in načela |
Opis podporne ilustracije |
|
1 |
Kompresorji |
Elektrarna-faze polnjenja: pretvori odvečno elektriko v potencialno energijo-stisnjenega zraka |
Več{0}}stopenjski električni turbo{1}}kompresorji (aksialni ali centrifugalni), ki delujejo pri 4–7 MPa (40–70 barov), opremljeni z vmesnimi hladilniki in sistemi za-rekuperacijo toplote; pogoni s spremenljivo-hitrostjo omogočajo hiter odziv na obnovljiva nihanja |
Popolna postavitev sistema, ki poudarja kompresorski sklop |
|
2 |
Sistemi za shranjevanje zraka |
Dolgo{0}}trajno shranjevanje stisnjenega zraka (ure do tedni) |
Podzemne solne kaverne (globina 300–1500 m) ali visoko{3}}zgoščene nad-cevne-mrežne posode; zasnovan za ponavljajoče se tlačne cikle s skoraj-ničelnim puščanjem |
Diagram prečnega-prereza, ki prikazuje vmesnik za-upravljanje podzemne jame in površinske toplote |
|
3 |
Sistemi za upravljanje toplote in shranjevanje toplotne energije (TES). |
Zajemite, shranite in ponovno uporabite kompresijsko toploto za visoko{0}}učinkovito delovanje-brez goriva |
Toplotni izmenjevalniki (HX1/HX2), povezani z mediji TES (keramične postelje, staljena sol ali termalno olje), ki shranjujejo toploto do 600 stopinj; okrevanje po zaprti-zanki dosega povratne-izkoristke nad 70 % |
Shema-faze toplote-toka polnjenja + celoten diagram integracije sistema |
|
4 |
Ekspanderji, turbine in generatorji |
Elektrarna-faze praznjenja: pretvori shranjeni stisnjen zrak v elektriko |
Več{0}}turbo{1}}ekspanderji (visoki- in nizki-tlak), neposredno povezani s sinhronimi generatorji; polna obremenitev dosežena v manj kot 10 minutah z ničelnimi emisijami pri izgorevanju v naprednih oblikah |
Fotografija namestitve-razširjevalnika-generatorja v resničnem svetu |
|
5 |
Pomožni sistemi |
Zagotovite varno, učinkovito delovanje naprave in integracijo v omrežje |
Tlačni-regulacijski ventili, dvosmerni motor-generatorji, nadzor SCADA, omrežne stikalne naprave, hladilni stolpi in obsežna cevna omrežja |
Notranji pogled turbinske hale, ki prikazuje integrirane cevne in električne sisteme |
Modularna zasnova CAES omogoča neodvisno optimizacijo zmogljivosti stiskanja, shranjevanja in razširitve, kar zagotavlja operativno prilagodljivost, ki je neprimerljiva z mnogimi drugimi tehnologijami shranjevanja.
Operativni procesi
CAES deluje v dveh primarnih fazah:
Faza polnjenja (kompresije).: V obdobjih visoke proizvodnje obnovljivih virov ali nizkega povpraševanja presežek električne energije poganja kompresorje. Zrak se stisne v več stopnjah (segrevanje), ohladi in vbrizga v skladišče. V naprednih adiabatnih sistemih se odvzeta toplota hrani v TES.
Faza praznjenja (širitve/generacije).: Ko je povpraševanje konično ali obnovljivi viri energije nezadostni, se stisnjen zrak sprosti, predgreje (z uporabo toplote TES ali dodatnega goriva), razširi skozi turbine za pogon generatorjev in izpusti kot hladnejši zrak. Sistem lahko doseže polno obremenitev v manj kot 10 minutah, zaradi česar je idealen za uravnoteženje omrežja, regulacijo frekvence in vrtilne rezerve.
Rastline lahko krožijo dnevno ali sezonsko z zelo nizkimi-stopnjami samopraznjenja. Primeri uveljavljenega-uporabnega obsega vključujejo tovarno Huntorf v Nemčiji (321 MW, deluje od leta 1978) in tovarno McIntosh v Združenih državah Amerike (110 MW, od leta 1991).
Študija primera iz-resničnega sveta: Predstavitveni projekt naprednega shranjevanja energije s stisnjenim zrakom 100 MW
Kot vodilni primer uspešne izvedbe projekta CAES kitajski nacionalni predstavitveni projekt naprednega shranjevanja energije na stisnjenem zraku s 100 MW prikazuje zrelost tehnologije in-potencial uporabe velikega obsega. Razvit pod vodstvom Inštituta za inženirsko termofiziko Kitajske akademije znanosti, je prva napredna postaja CAES razreda 100 MW-na svetu in trenutno največja in-učinkovita napredna elektrarna CAES, ki deluje.
Podrobnosti o konfiguraciji sistema:
Zmogljivost: 100 MW izhodna moč / 400 MWh shranjevanje energije.
Vrsta tehnologije: Napredni adiabatni CAES (AA-CAES), ki vključuje superkritično shranjevanje toplote, superkritično izmenjavo toplote, visoko-kompresijo/raztezanje in popolno sistemsko integracijo-, ki popolnoma odpravlja odvisnost od fosilnih goriv.
Način shranjevanja: Posode za-umetno shranjevanje zraka z visoko gostoto (zasnova-niza cevi), povečanje gostote energije in zmanjšanje odvisnosti od velikih podzemnih votlin.
Učinkovitost: povratna učinkovitost 70,4 %.
Parametri delovanja: letna proizvodnja presega 132 milijonov kWh, kar zadostuje za pokrivanje koničnih potreb po električni energiji za približno 50.000 gospodinjstev; prihrani 42.000 ton standardnega premoga in zmanjša emisije CO₂ za približno 109.000 ton na leto.
Ključna oprema: več{0}}stopenjski kompresorji, turbinski ekspanderji/generatorski sklopi, superkritični sistem za shranjevanje toplote TES in visoko{1}}cevne-shranjevalne posode.
Lokacija: okrožje Guyuan, mesto, provinca Hebei, znotraj industrijskega parka računalništva v oblaku Miaotan; zavzema približno 5,7 ha. Projekt je bil-priključen na omrežje leta 2022 in je začel komercialno obratovanje.
Ta projekt dokazuje našo sposobnost uspešne-izvedbe pobud CAES velikega obsega z vračanjem kompresijske toplote, optimiziranjem toplotnega upravljanja in uporabo modularne zasnove za premagovanje tradicionalnih omejitev glede učinkovitosti, odvisnosti od goriva in izbire mesta. Zagotavlja dragoceno-inženirsko validacijo in razširljiv model za globalno integracijo obnovljivih virov energije.
Kako CAES omogoča učinkovito absorpcijo in izkoriščanje vetrne in sončne energije
Spremenljivost vetrne in sončne energije pogosto povzroči presežek električne energije, ki je omrežje ne more v celoti absorbirati. CAES služi kot "amortizer" za omrežje in neposredno obravnava to težavo:
Absorbiranje presežne moči: Med močnimi vetrovi ali največjim sončnim obsevanjem se odvečna energija porabi za stiskanje in shranjevanje zraka pod zemljo, kar preprečuje omejevanje.
Glajenje izhoda: CAES loči proizvodnjo od porabe, sprosti shranjeno energijo v mirnih obdobjih ali po sončnem zahodu, da zagotovi stabilno in predvidljivo moč.
Stabilnost in integracija omrežja: njegova hitra odzivnost podpira storitve regulacije frekvence, nadzora napetosti in-zagona na črno. Vetr-sončni-hibridni sistemi CAES ustvarjajo "virtualne osnovne obremenitve" elektrarn, s čimer se zmanjša odvisnost od fosilnih-goriv s konicami.
Gospodarske in okoljske koristi: CAES občutno zniža stroške skladiščenja, izboljša stopnjo izkoriščenosti obnovljivih virov energije in zmanjša emisije ogljika (zlasti v naprednih adiabatnih konfiguracijah). Še posebej je konkurenčen za obsežno-in dolgotrajno-integracijo obnovljivih virov.
So-umestitev CAES z vetrnimi elektrarnami ali sončnimi postajami optimizira prenosno infrastrukturo in odklene dodatne prihodke prek energetske arbitraže, trgov zmogljivosti in pomožnih storitev.
Pogled v prihodnost: CAES kot temelj elektrarn na obnovljivo energijo
CAES se je iz svojih začetkov v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja razvil v prilagodljivo, dolgo{1}}tehnologijo shranjevanja s potencialom obsega gigavat-ur-. Napredne adiabatne in izotermne različice popolnoma odpravijo uporabo fosilnih goriv in so popolnoma usklajene z neto-ničelnimi cilji. Njegova razširljivost in geografska prilagodljivost (kjer obstaja ustrezna geologija) omogočata pretvorbo občasnih virov vetra in sonca v zanesljivo električno-vrednost.
Uspešni projekti, kot je na primer, potrjujejo, da je tehnologija CAES v celoti pripravljena za uvedbo-v komercialnem obsegu. S sprejetjem CAES lahko sektor obnovljive energije premaga svoj največji izziv-variabilnost-pospešitev prehoda na čisto energijo ter zagotavljanje gospodarske odpornosti in energetske varnosti za javna podjetja, industrije in skupnosti po vsem svetu. Tekoči projekti na Kitajskem in v tujini nakazujejo, da integrirane vetrne-sončne-elektrarne CAES niso več vizija, ampak sedanja realnost-ki zagotavljajo čisto električno energijo, ki jo je mogoče odpremiti, kadar koli in kjer koli je potrebna.
