Hybrydyzacja sprężonego powietrza, magazynowanie energii cieplnej w infrastrukturze pogórniczej – magazyn pv International

15 lipca 2022 rEmiliano Bellini

Grupa naukowców z Politechniki Śląskiej opracowała technologię magazynowania sprężonego powietrza (CAES) z wykorzystaniem systemu magazynowania energii cieplnej (TES) wbudowanego w nieczynny szyb kopalniany, który skutecznie służy jako zbiornik sprężonego powietrza. „Nasza koncepcja składowania ma na celu ponowne wykorzystanie i ochronę podziemnej infrastruktury pokopalnianej, która bardzo często ulega bezpowrotnemu zniszczeniu po zamknięciu kopalni” – powiedział autor badania, Łukasz Bartela. Magazyn fotowoltaiczny.

Grupa dostrzega w tych kopalniach potencjał dla niskobudżetowej infrastruktury energetycznej. „Szyby kopalniane są zwykle zlokalizowane w pobliżu elektrowni i/lub stacji dystrybucyjnych” – twierdzi grupa badawcza. „Dzięki temu można wykorzystać istniejącą infrastrukturę przyłączeniową do sieci. Ponadto bliskość obszarów wysoko uprzemysłowionych zmniejsza straty przesyłu energii. Brak wymogu budowy naziemnego zbiornika magazynowego TES pozwala zaoszczędzić na ograniczonej dostępnej przestrzeni.”

System działa bez korzystania z zewnętrznych źródeł ciepłai wykorzystuje sprężarkę powietrza, urządzenie magazynujące sprężone powietrze z wbudowaną energią cieplną magazynowanie system i ekspander powietrzny. Elementy systemu mogą być jednoczęściowe lub dwuczęściowe.

W proponowanej konfiguracji systemu zbiornik TES jest osadzony i przymocowany do obudowy włazu. Pomaga to zmniejszyć straty ciepła, nawet gdy ciepło opuszcza materiał magazynujący i przemieszcza się przez powietrze w zbiorniku studni. Sam system TES jest dostosowany do geometrii szybu, a pole przewodzenia ciepła jest zmniejszone, co pozytywnie wpływa na efektywność energetyczną procesu magazynowania ciepła.

„Największą zaletą umieszczenia systemu TES w objętości akumulatora jest możliwość zastosowania cienkościennej konstrukcji skorupowej, w której umieszczony jest materiał magazynujący energię cieplną” – wyjaśnia dalej Bartela. „Pozwala to na znaczne obniżenie kosztów systemu TES.”

Do podziału zbiornika na segmenty służą stalowe cylindry z perforowanym dnem, co pozwala na łatwy montaż i okresową kontrolę łoża z materiału absorbującego ciepło. „Komunikacja między sekcjami będzie możliwa za pomocą drabin, które są również częścią systemu pozycjonowania pionowego TES” – precyzują naukowcy.

W fazie ładowania energia elektryczna jest wykorzystywana do napędzania sprężarki. Podziemny system hybrydowy jest ładowany gorącym, sprężonym powietrzem, które jest wtryskiwane do zbiornika przez linię wlotową z wbudowanym zaworem odcinającym. Powietrze przepływa następnie przez system TES i ogrzewa magazynowany materiał.

Podczas fazy rozładowywania powietrze przepływa przez system TES, usuwając ciepło z materiału magazynującego. Następnie gorące powietrze trafia do ekspandera, który napędza generator wytwarzający prąd. „Korzystne jest wypełnienie jednostki TES odpowiednim materiałem akumulującym ciepło w wystarczającej objętości, aby zaabsorbować ciepło, co jest ważne dla wysokiej szybkości chłodzenia zmagazynowanego powietrza” – zaznaczyła grupa. „Dzięki ograniczeniu temperatury powietrza magazynującego w kontakcie z podziemną powłoką zbiornika zmniejsza się straty ciepła, a tym samym zwiększa wydajność magazynowania energii w systemie CAES”.

Obliczyli dla zbiornika magazynowego sprężonego powietrza o pojemności 60 000 m²³ i maksymalne ciśnienie 5 megapaskali (MPa). Na tej podstawie obliczyli zdolność magazynowania energii systemu na 140 MWh, sprawność w obie strony około 70% i sprawność energetyczną magazynowania ciepła na poziomie 95%.

Wyjaśnili również, że w wyjątkowych sytuacjach możliwe jest utrzymanie powietrza pod ciśnieniem do 8 MPa, w zależności od specyfiki szybu kopalnianego. „W tym przypadku moc energetyczna elektrowni może przekroczyć 200 MWh” – podkreślił Bartela. „Z ekonomicznego punktu widzenia wykorzystanie w systemie TES skał pospolitych, takich jak granit czy bazalt, jest najkorzystniejsze. Jednak obecnie na Politechnice Śląskiej prowadzone są badania nad alternatywnymi tworzywami sztucznymi.”

W opracowaniu grupa przedstawiła koncepcję magazynowania energii Ocena potencjału energetycznego adiabatycznego magazynu sprężonego powietrza opartego na nowatorskim układzie magazynowania energii cieplnej w szybie pogórniczymktóre niedawno pojawiły się w Dziennik magazynowania energii. „Obecnie pracujemy tylko nad optymalizacją konstrukcji termicznego urządzenia magazynującego, co mogłoby obniżyć koszt modułu TES” – podsumowuje Bartela.

Według Grupy w Polsce istnieje 139 szybów w czynnych kopalniach węgla kamiennego oraz 34 szyby w czynnych kopalniach miedzi i soli kamiennej. Obecnie planuje się likwidację 39, z czego około połowa zostanie wykorzystana do pompowania wody. Najgłębsze szyby mają ponad 1300 m głębokości.