EKO – Wiadomości Powiatu Gliwickiego

Sprężone powietrze jako nośnik i magazyn energii

Do 2030 r. energia odnawialna będzie stanowić 36% światowej energii. Systemy magazynowania energii zapewniają kluczowe opcje wydajności w celu poprawy efektywności energetycznej, a tym samym ułatwiają integrację energii odnawialnej poprzez łagodzenie jej wahań. Dostępne są różne technologie magazynowania energii, w zależności od jej rodzaju.

Świat obecnie szuka różnych rozwiązań w tym zakresie, a należą do nich magazynowanie energii mechanicznej, elektrochemicznej, elektrycznej, chemicznej i cieplnej. Ponieważ technologie te są tak zróżnicowane, pozostają one dalej w fazie analiz. W ostatnim numerze WPG opisywałem system magazynowania wodoru i zastanawiałem się, czy warto inwestować w tak drogi gaz. Oprócz standardowych magazynów litowo-jonowych, wodorowych istnieją również systemy magazynowania gazu ogólnodostępnego, jakim jest powietrze, a dokładnie - magazyny na sprężone powietrze. Naukowcy z AGH w Krakowie zaproponowali magazyn energii tego systemu dla domów jednorodzinnych w technologii CAES.

To jest możliwe!!

Sprężone powietrze funkcjonuje jako nośnik energii mechanicznej i jest również jej swoistym magazynem. Co więcej, natura gromadzonej energii jest dwoista. To nie tylko sprytna forma magazynowania energii elektrycznej, ale także ciepła (proces sprężania). Zmiana ciśnienia gazu podnosi jego energię wewnętrzną, co skutkuje wzrostem temperatury. Ilości powietrza zatłaczanego na potrzeby wielkoskalowych instalacji generacji energii elektrycznej są ogromne. Dlatego skompresowane powietrze najczęściej wtłaczane jest do podziemnych zbiorników tzw. kawern solnych i wytłaczane w momencie szczytowego zapotrzebowania na energię. Obecnie w wielu domostwach mamy zbiorniki zarówno podziemne, jak i naziemne po wykorzystywanym wcześniej gazie propan, który zastąpiliśmy teraz np. pompami ciepła. Po małej modyfikacji moglibyśmy przystosować je do pełnienia funkcji tzw. kawern. W najbardziej tradycyjnych instalacjach powietrze wykorzystywane jest jako dodatkowy napęd dla turbiny gazowej, działającej w instalacji generacji energii elektrycznej. Ta technologia jest spójna z instalacjami OZE. W momencie największej generacji z zielonych źródeł zazwyczaj mamy do czynienia z nadwyżką energii. To właśnie ona powinna być zmagazynowana np. za pomocą sprężonego powietrza. Rezerwa z kawern pomaga w utrzymaniu parametrów sieci. Jest wytłaczana w momencie największego zapotrzebowania na energię i wspiera turbiny w generowaniu prądu. Następnie, kiedy znów pojawia się nadwyżka w sieci, cały cykl się powtarza. Naukowcy podjęli się próby stworzenia mikroukładu CAES. Innowacja jest przeznaczona do zastosowań mieszkaniowych i przemysłowych, wymagających dodatkowego niskotemperaturowego źródła ciepła odpadowego. Bardzo ważne jest tutaj wyposażenie układu w magazyn energii cieplnej, co pozwoli na akumulację i wykorzystanie ciepła wytworzonego podczas sprężania czynnika roboczego. Stworzony system generuje, magazynuje i dostarcza energię elektryczną z wysoką końcową sprawnością skumulowanej energii.

Jak pokazano na rysunku, układ systemu magazynuje sprężone powietrze wytwarzane ze źródeł odnawialnych i wytwarza energię elektryczną na potrzeby własne. W tym systemie powietrze jest sprężane i magazynowane metodą izotermicznego sprężania powietrza. Gdy potrzebna jest energia elektryczna, izotermiczne rozprężanie powietrza uwalnia powietrze z komory magazynowej w celu wytworzenia energii. Zbiorniki powinny wytrzymać ciśnienie około 10 -15 bar (silnik kompresora powinien umieć wytworzyć tego rzędu wielkość ciśnienia) i po redukcji ciśnienia do 7 bar silnik generatora będzie odpowiednio zasilany. Ciśnienie 7 bar jest wielkością zabezpieczającą silnik przed szybszym wyeksploatowaniem lub uszkodzeniem. Do tego wszystkiego jest potrzebny zaawansowany system sterowania. Miałem okazję zobaczyć silnik dwukierunkowy w boksie, który podczas podawania energii magazynuje ją, a w przypadku braku energii ze źródeł odnawialnych odwraca swoją funkcję, wytwarzając prąd.

A co z elektromobilnością?

Niderlandzka firma Solution Air stworzyła technologię przeróbki samochodów - głównie osobowych -spalinowych w pojazdy bezemisyjne, wykorzystujące sprężone powietrze. Konwersja silnika sprawdza się również w autach dostawczych i ciężarowych, w przypadku których firma deklaruje całkiem niemałe osiągi przy jednym tankowaniu. W tym rozwiązaniu zastępuje się istniejącą głowicę silnika taką, która wtłacza sprężone powietrze do komór spalania. Zbiornik paliwa zostaje wymieniony na kompozytowy sprężonego powietrza. Solution Air deklaruje, że osiągi w tym systemie są porównywane z osiągami silników na paliwa konwencjonalne.

Oprócz konstruowania samochodów na sprężone powietrze trwają prace nad autobusami, które mają łączyć niskie koszty eksploatacji z brakiem emisji zanieczyszczeń. Firmy, zakłady, osoby prywatne, które będą wykorzystywać tego typu pojazdy, przy wsparciu odnawialnych źródeł energii będą w stanie zasilać magazyny w sprężone powietrze, co przyczyni się do obniżenia kosztów eksploatacyjnych. W porównaniu do samochodów elektrycznych (czy spalinowych) pojazdy zasilane sprężonym powietrzem są lżejsze (brak zespołu akumulatorów), dysponują zasięgiem większym niż w przypadku większości produkowanych obecnie aut elektrycznych, a tankowanie trwa tylko około 3 minut. Po wyeksploatowaniu nie trzeba martwić się o utylizację akumulatorów, których nie ma. Oczywiście pojazdy na powietrze będą wymagały dodatkowej infrastruktury do tankowania, ale i tutaj koszty są łatwe do oszacowania. Sprężarki, które „produkują” sprężone powietrze, mogą być zasilane energią słoneczną, a technologia – w przeciwieństwie do wodoru – nie jest zbyt skomplikowana. Dostępna jest również technologia magazynowania (zbiorniki powietrza), która nie wymaga rzadkich materiałów (jak w przypadku akumulatorów), a późniejszy recykling jest także zorganizowany.

Czy na tego typu systemy jest miejsce w transformacji energetycznej? Zobaczymy...

Józef Kruczek
Członek Zarządu Powiatu Gliwickiego