Ukladanie energie do stlačeného vzduchu

z Wikipédie, slobodnej encyklopédie
Prejsť na: navigácia, hľadanie

Ukladanie energie do stlačeného vzduchu (CAES) sa spája s kompresiou vzduchu, ktorý je neskôr použitý ako zdroj energie. Pri zariadeniach väčšej kapacity, môže byť uložený počas periód s nízkym dopytom po energii a použitý počas periód s vyšším dopytom (špičkový odber). Alternatívne sa môže využívať na pohon pracovných nástrojov alebo dokonca vozidiel (pozri aj: tlaková nádoba).


Druhy[upraviť | upraviť zdroj]

Uchovávanie stlačeného vzduchu môže byť vykonané adiabaticky, diabaticky a izotermicky:

  • Pri adiabatickom uchovávaní teplo, ktoré sa objaví pri kompresii je tak isto uchované (obyčajne v kontejneroch oddelených od stlačeného vzduchu, aby sa predišlo stratám na stenách tlakovej nádoby a na zníženie potrebného objemu vzduchu), potom znova vrátené stlačenému vzduchu keď expanduje zo zásobárne do turbíny na pohon generátora. Toto je predmetom prebiehajúceho výskumu, ale žiadne elektrárne tohto druhu s väčším výkonom neboli zatiaľ vybudované. Účinnosť kruhového deja uchovávania stlačeného vzduchu sa predpokladá okolo 70%[1]. Teplo môže byť uložené v pevnej látke ako betón alebo kameň, ale najmä v tekutine ako napríklad horúci olej (do 300 °C) alebo roztavené soli (600 °C).
  • Pri diabatickom uchovávaní je nadbytočné teplo po kompresii odobrané zo vzduchu medzichladičmi (takto sa dosahuje izotermická kompresia) a vylúčené do atmosféry ako odpad. Pri uvoľňovaní z úložiska musí byť znova ohriaty (obyčajne plynovým horákom pri použití v úžitkových systémoch stlačeného vzduchu alebo ohrievaným kovovým telesom pri veľkých záložných zdrojoch) pred expanziou v turbíne na pohon generátora. Teplo stratené pri kompresii degraduje účinnosť, ale tento systém je jednoduchší ako adiabatický, a preto je jediný, ktorý bol doteraz komerčne implementovaný. McIntosh CAES elektráreň spotrebuje 0,69 kWh elektrickej energie a 1,17 kWh plynu na každú 1,0 kWh elektrickej energie na výstupe [1] (elektráreň na zemný plyn môže mať účinnosť do 60 %, a preto spotrebúva 1,67 kWh plynu na generovanú kWh).
  • Izotermické stláčanie a expanzia (ktoré vyžaduje konštantnú teplotu tepelnou výmenou s atmosférou) počas kompresie a expanzie nie je praktická pre výkonové úrovne nad pár wattov kvôli potrebe veľkých tepelných výmenníkov.
  • V praxi sa nedá dosiahnuť žiaden z týchto ideálnych termodynamických cyklov, pretože nie možné vyhnúť sa tepelným stratám.

Stláčanie je vykonávané turbokompresormi na elektrický pohon. Expanzia je vykonávaná v turbíne, ktorá poháňa elektrický generátor alebo v motore na stlačený vzduch [2] na výrobu elektriny.

Vzduch je hromadne uložený podpovrchovo v jaskyni vytvorenej vymývaním (soli sú rozpustené a odstránené) [3] alebo v odstavenej štôlni. Elektrárne sú prevádzkované v denných cykloch, nabíjajú sa v noci a vybíjajú počas dňa.

Ukladanie energie do stlačeného vzduchu môže tiež popisovať technológiu v menšom využívanú pri automobiloch na stlačený vzduch alebo veterných parkoch s nádržami z ocele alebo karbónových vlákien.

Fyzika izotermického stláčania vzduchu[upraviť | upraviť zdroj]

Jeden typ vratnej kompresie a expanzie je popísaný izotermickým dejom, pri ktorom teplo kompresie a expanzie je pridané alebo odobrané v rovnakej miere ako je produkované. Stláčanie ohrieva vzduch a teplo musí byť potom schopné prúdiť do prostredia počas kompresie, aby teplota ostala konštantná. V praxi sa to takto nevykonáva, pretože adekvátne ochladenie kompresora vyžaduje kompaktný vnútorný tepelný výmenník, ktorý je uspôsobený na vysoký stupeň tepelnej výmeny a nízky tlakový rozdiel. Bez vnútorného tepelného výmenníka môže byť izotermická kompresia dosiahnutá len pri malých prietokoch, čiastočne pre malé systémy. Malé kompresory majú väčšiu prirodzenú schopnosť tepelnej výmeny kvôli vyššiemu pomeru povrchovej plochy a objemu. Napriek tomu je užitočné popísať limitný prípad ideálnej izotermickej kompresie pre ideálny plyn:

Izotermický zákon pre ideálny plyn má tvar:

PV=nRT=const

Podľa definície práce, kde A a B sú počiatočný a konečný stav systému:

W_{A\to B}=\int_{V_A}^{V_B} P\,dV =\int_{V_A}^{V_B} \frac{nRT}{V}\,dV = nRT\int_{V_A}^{V_B} \frac{1}{V}\,dV = nRT(\ln{V_B}-\ln{V_A}) = nRT\ln{\frac{V_B}{V_A}} = nRT\ln{\frac{P_A}{P_B}} = PV\ln{\frac{P_A}{P_B}}

kde, {P_A}{V_A} = {P_B}{V_B} , a teda, \frac{V_B}{V_A} = \frac{P_A}{P_B}

\ P  je absolútny tlak,
\ V  je objem nádoby,
\ n  je látkové množstvo plynu,
\ R  je konštanta ideálneho plynu,
\ T  je absolútna teplota,
\ W  je uložená alebo uvoľnená energia.

Toto zodpovedá asi 2,271 \ln{\frac{P_A}{P_B}} kJ pri 0 °C (273.15 K) alebo 2,478 \ln{\frac{P_A}{P_B}} kJ pri 25 °C (298 K), na mol.

Jeden mol molekúl plynu pri štandardnom tlaku a teplote (0 °C, 0.1 MPa), zaberá 22.4 litrov. Tak isto 1000 litrov je v 1 m³. Takže v 1 m³ je asi n = 1000 / 22,4 = 44,6 molov molekúl plynu a teda dostávame 101 \ln{\frac{P_A}{P_B}} kJ pri °C alebo 111 \ln{\frac{P_A}{P_B}} kJ pri 25 °C na m³ plynu (pri 0,1 MPa = pribl. atmosferický tlak)

Izotermický proces je termodynamicky vratný, takže ak by procesy boli izotermické, energetická účinnosť stlačeného vzduchu by dosiahla 100%. Vyššie uvedená rovnica vyjadruje maximálnu energiu, ktorá môže byť uložená. V praxi tento proces nebude dokonale izotermický a kompresory a motory budú mať teplotné energetické straty.

Keď je plyn stláčaný adiabaticky, časť práce stláčania sa spotrebuje na ohrev plynu. Ak sa toto teplo stratí do okolia a za predpokladu, že rovnaké množstvo tepla nebude plynu pridané späť pri expanzii, potom účinnosť ukladania energie do stlačeného vzduchu bude znížená. Systémy na ukladanie energie často využívajú veľké prírodné podzemné jaskyne. Toto riešenie sa uprednostňuje kvôli veľmi veľkému objemu plynu a teda veľkému množstvu energie, ktorá môže byť uložená pri malej zmene tlaku. Plyn v priestore jaskyne môže byť stlačený adiabaticky a následná zmena teploty a straty sú malé. Vzduchový motor je zariadenie na konverziu potenciálovej energie stlačeného vzduchu na kinetickú energiu na pohon iných zariadení. Tak ako v parnom stroji, expanzia plynu stlačeného externe vykonáva prácu prostredníctvom piestov alebo rotorov a hýbe kolesami alebo inými nástrojmi.

Praktické obmedzenia v doprave[upraviť | upraviť zdroj]

Energetická výdatnosť a účinnosť[upraviť | upraviť zdroj]

Stláčanie zohrieva plyn a expanzia ho ochladzuje. Preto skutočné vzduchové motory vyžadujú tepelný výmenník, aby sa predišlo veľmi vysokým alebo nízkym teplotám, napriek tomu sa nedosahujú podmienky s ideálne konštantnou teplotou. Je vhodné popísať maximálnu energiu, ktorú je možné uložiť pri izotermickom deji, ktorý funguje zhruba do 110 ln{\frac{P_A}{P_B}} kJ/m3-N pri 24 °C. jeden m3-N

je kubický meter plynu pri normálnom, čiže atmosférickom tlaku. Preto ak 1,0 m3 je veľmi pomaly stlačený do 5 litrovej fľaše pri 200 baroch, takto uchovaná potenciálna energia je 583 kJ (0,16 kWh). Vysoko účinný vzduchový motor je schopný premeniť ju na kinetickú energiu ak beží veľmi pomaly a zabezpečí expanziu vzduchu z počiatočných 200 barov naspäť na 1 bar (nádoba úplne "prázdna" pri okolitej teplote). Dosahovanie vysokej účinnosti je technickou výzvou, kvôli nelineárnemu ukladaniu energie a termodynamickým úvahám. Ak je nádoba expandovaná na tlak 10 bar, energia, ktorú možno získať je asi 330 kJ. Účinnosť izotermického ukladania energie do plynu je teoreticky 100 %, ale v praxi proces nie je úplne izotermický a dva stroje (kompresor a motor) majú rôzne druhy strát.

Bežná 5 litrová oceľová nádoba na tlak 200 bar má hmotnosť 7,5 kg, vylepšená 5 kg. Nádoby zosilnené alebo vyhotovené z vysoko pevných karbónových alebo kevlarových vlákien môžu mať pri tejto veľkosti hmotnosť pod 2 kg, v súlade s platnými bezpečnostnými predpismi. Jeden kubický meter vzduchu obsiahnutý v naplnenej nádobe má hmotnosť 1,2250 kg. Teoretická výdatnosť energie je teda zhruba od 70 do 180 kJ/kg. Tento fakt umožňuje porovnať tlakovú nádobu vystuženú vláknami, čo sa týka výdatnosti energie, k olovenej batérii, vylepšené batériové systémy sú niekoľkokrát lepšie. Batérie tiež poskytujú takmer konštantné napätie pri ľubovoľnej úrovni vybitia, zatiaľ čo tlak vzduchu sa značne mení so stupňom vybitia. Navrhnúť vzduchové motory tak, aby dosahovali vysokú účinnosť a potrebný výkon pri takom veľkom rozsahu tlakov je technicky veľmi náročné . Stlačený vzduch je schopný prenášať výkon s vysokou intenzitou, čo je základná úloha pohonov: zrýchľovať a spomaľovať; obzvlášť pri hybridných vozidlách.

Výhodou stlačeného vzduch oproti elektrickému ukladaniu energie je dlhšia životnosť tlakových nádob v porovnaní s batériami a tiež nižšia toxicita použitých materiálov. Náklady sú potenciálne nižšie, hoci kvalitné tlakové nádoby sú nákladné na vývoj a bezpečnostné testy a v súčasnosti sú drahšie ako masovo vyrábané batérie.

Rovnako ako pri elektrickej technológii treba zdôrazniť, že technológia ukladania energie do stlačeného vzduchu je závislá od externých zdrojov energie a celková spotreba môže byť iba taká "čistá" ako tieto zdroje.

Bezpečnosť[upraviť | upraviť zdroj]

Ako pri väčšine technológii, stlačený vzduch má bezpečnostné riziká, hlavne katastrofické pretrhnutie tlakovej nádoby. Vďaka veľmi prísnym bezpečnostným predpisom sa to často nestáva, no je to o to závažnejšie. Predpisy môžu prevádzkový tlak obmedziť na menej ako 40 % výdržného tlaku pre oceľové nádoby a (bezpečnostný činiteľ 2,5) a na menej ako 20 % pri nádob vyrobených z vlákien (bezpečnostný činiteľ 5). Pravidlá pre návrh sa odvíjajú od normy ISO 11439.[4] Vysokotlakové nádoby sú dostatočne silné a teda vo všeobecnosti počas nehôd neprasknú.

Autá na stlačený vzduch[upraviť | upraviť zdroj]

História[upraviť | upraviť zdroj]

Vzduchový motor a myšlienka použitia vzduchu ako nosiča energie nie je nová. Vzduch sa používa od 19. storočia na pohon banských lokomotív a súčasne bol základom pohonu námorných torpéd.

Stlačený vzduch sa v súčasnosti používa v pretekárskych autách na zabezpečenie počiatočnej energie na naštartovanie hlavného pohonu auta: spaľovacieho motora (ICE).

Veľa ľudí pracovalo na myšlienke vozidiel na stlačený vzduch so znovu oživeným záujmom od čias energetickej krízy v 90. rokoch.

Pohon[upraviť | upraviť zdroj]

Motor na stlačený vzduch používa expanziu stlačeného vzduchu na poháňanie piestov motora alebo na pohon turbíny.

Občas sa účinnosť zvyšuje nasledovnými metódami:

  • turbína s postupnou expanziou pri vysokej účinnosti
  • niekoľko stupňov expanzie
  • použitie odpadového tepla, obzvlášť pri hybridných tepelných motoroch
  • využívanie tepla z okolia

Vysoko účinné usporiadanie využíva vysoko, stredno a nízko tlakové piesty, za ktorými nasleduje difuzér, ktorý vťahuje okolitý vzduch do vzdušného tepelného výmenníka medzi každým z expanzných stupňov. Toto ohrieva výfuk predchádzajúceho stupňa a privádza tento predhriaty vzduch do nasledujúceho stupňa.[5].

Jediný výfukový plyn z každého stupňa je studený vzduch, ktorý môže mať až (−15 °C) a môže sa použiť aj na klimatizáciu v aute

Dodatočné teplo môže byť zabezpečené spaľovaním paliva tak ako v roku 1904 vo Whitehadových torpédach[6]. Toto vylepšuje výdrž a možnú rýchlosť pre daný objem nádoby za cenu dodatočného paliva.

Ako alternatíva k piestom alebo turbínam, kvázi turbína je tiež schopná bežať na stlačený vzduch, a preto je tiež vzdušným motorom.

Autá[upraviť | upraviť zdroj]

Niekoľko spoločností vyhlasovalo, že vyvíja vozidlo na stlačený vzduch pre komerčné použitie od zhruba roku 1990, ale doteraz nie je žiadne k dispozícii. Typicky sa ako hlavné výhody uvádzajú: žiadne emisie na cestách, nízko nákladová technológia, motor používajúci na mazanie konzumný olej a zabudovaná klimatizácia.

Tlakové nádoby môžu byť doplnené v servisnej stanici (použitím prečerpávania) alebo za pár hodín na domácich parkoviskách zapojením auta na elektrickú sieť prostredníctvom zabudovaného kompresora. Náklady na prevádzku takého auta sú typicky navrhované, aby boli zhruba € 0,75 na 100 km s úplným dobitím na "čerpacej stanici” za zhruba € 1,93.

Ďalšie použitie[upraviť | upraviť zdroj]

Popri používaní vzduchových motorov na pohon sa stlačený vzduch používa na výrobu energie a pri paintbale. Mnohé zubárske remeselné náradia používajú malé turbínové expandéry a mnohé väčšie zariadenia používané vo vysoko nebezpečných prostrediach.

Druhy systémov[upraviť | upraviť zdroj]

Hybridné systémy[upraviť | upraviť zdroj]

Systém môže používať hybridnú výrobu energie s uloženým stlačeným vzduchom zmiešaným s palivom vhodným pre vnútorný spaľovací motor. Napríklad sa môže pridať zemný plyn alebo bio plyn, potom spáliť, aby ohrial stlačený vzduch, a potom expandoval v klasickej vzduchovej turbíne (alebo zadnej časti prúdového motora použitím Braytonovho cyklu.

Navyše, vzduchové motory sa môžu použiť v spojení s elektrickou batériou. Motor na stlčený vzduch, ktorý berie energiu z tlakovej nádoby dobíja elektrickú batériu. Tento systém (nazývaný PHEV alebo Pneumatic Hybrid Electric Vehicle-system) predáva spoločnosťami pod názvom Energine[7]. Momentálne sa tieto PHEV systémy používajú výhradne na pohon vozidiel, nie na výrobu energie.

Existujúce hybridné systémy[upraviť | upraviť zdroj]

Hybridná elektráreň bola uvedená do prevádzky v Huntorfe (Nemecko) v roku 1978 a opäť v McIntosh v Alabame v 1991 (USA).[2][8] Oba systémy využívajú mimo špičkovú energiu na stláčanie vzduchu[9]. Doba prevádzky elektrárne McIntosh je 24 hodín s predĺženou dobou prevádzky obsiahnutou pomocou kombinovaného spaľovania zmesi stlačený vzduch/zemný plyn.

Hybridné systémy budúcnosti[upraviť | upraviť zdroj]

Vo vývoji sú ďalšie elektrárne Norton, Ohio a Iowa Stored Energy Park (ISEP). Tento projekt s 2700 MW v Nortone bol spustený v roku 2001, ale na začiatku roku 2007 stavebné práce stále neboli rozbehnuté.[10]

V prípade elektrárne ISEP sa očakáva mimoriadna účinnosť, pretože na ukladanie stlačeného vzduchu sa použije vodonosná vrstva namiesto jaskyne. Konštantný tlak vzduchu je regulovaný presúvaním vody, ktorá udržiava konštantný hydrostatický tlak. Hovorca ISEP tvrdí "ak máte konštantný tlak môžte lepšie optimalizovať vaše zariadenia." [8] Plánuje sa s 75 - 150 MW kapacitou.[11]

Pozri aj[upraviť | upraviť zdroj]

Referencie[upraviť | upraviť zdroj]

  1. a b German AACAES project information. prístup: 2008-02-22.
  2. a b Distributed Energy Program: Compressed Air Energy Storage. United States Department of Energyone. prístup: 2006-08-27.
  3. http://www.answers.com/topic/solution-mining?cat=technology ; http://www.saltinstitute.org/12.html
  4. Gas cylinders -- High pressure cylinders for the on-board storage of natural gas as a fuel for automotive vehicles
  5. http://www.aircaraccess.com/images/3stage%201.jpg
  6. A History of the Torpedo The Early Days
  7. Energine PHEV-system schematic
  8. a b Pendick, Daniel (2007-11-17). "Squeeze the breeze: Want to get more electricity from the wind? The key lies beneath our feet". New Scientist 195 (2623): 4. z 2007-11-17.
  9. McIntosh project. CAES Development Company corporation website. CAES Development Company L.L.C.. prístup: 2007-11-17.
  10. Staff investigation report and recommendation. Electric Power Generating Facility in Norton: (2006-08-03). prístup: 2006-08-27.
  11. About the Iowa Stored Energy Park. ISEPA corporate web site. Iowa Stored Energy Plant Agency. prístup: 2007-11-17.

Externé odkazy[upraviť | upraviť zdroj]