Maailmanlaajuisessa siirtymässä puhtaaseen energiaan vaihtelevat uusiutuvat energialähteet, kuten aurinko ja tuuli, tarjoavat valtavasti potentiaalia, mutta myös suuria haasteita. Niiden ajoittaisuus-johtuen säästä, päivä{2}}yöjaksoista ja vuodenaikojen vaihteluista- johtaa usein rajoituksiin (energiahukkaan) tai verkon epävakauteen. Compressed Air Energy Storage (CAES) on kypsä, laajamittainen ratkaisu, joka muuntaa ylijäämäsähkön paineilmaksi varastointia varten ja vapauttaa sen tarpeen mukaan energian tuottamiseksi, absorboi ja hyödyntää tehokkaasti tuuli- ja aurinkoenergiaa samalla kun varmistetaan verkon vakaus ja tasapaino.
CAES varastoi sähköenergiaa mekaanisena potentiaalina puristamalla ilmaa, mikä mahdollistaa varastoinnin tunneista viikkoihin minimaalisilla häviöillä. Tarvittaessa paineilmaa vapautetaan turbiinien käyttämiseksi ja sähkön tuottamiseksi. Tämä tekniikka-soveltuu erityisen hyvin laajamittaiseen-pitkäaikaiseen-varastointiin, jolloin uusiutuvat energialähteet muunnetaan lähetettäväksi, luotettavaksi sähköksi, joka täyttää kellon--vuorokauden verkkovaatimukset.
Taustalla oleva tekniikka ja periaatteet
CAES:n ydin on kaasun puristuksen ja laajenemisen termodynamiikassa. Ilma lämpenee puristuksen aikana ja jäähtyy laajeneessaan. Korkea hyötysuhde riippuu tehokkaasta lämmönhallinnasta:
Perinteinen (diabaattinen) CAES: Puristuslämpö haihtuu välijäähdyttimien kautta, ja polttoainetta (yleensä maakaasua) käytetään ilman lämmittämiseen ennen paisumista. Meno-paluu-tehokkuus on yleensä 40–55 %.
Kehittynyt adiabaattinen CAES (AA-CAES): Puristuslämpö otetaan talteen ja varastoidaan lämpöenergian varastointijärjestelmiin (TES)-kuten pakattuihin kivikerroksiin, sulaan suolaan tai lämpööljyyn-käyttöä varten uudelleen laajenemisen aikana. Hyötysuhde saavuttaa 70 % tai enemmän ilman fossiilisten polttoaineiden kulutusta.
Isoterminen/lähes{0}}isoterminen CAES: Kehittyneet lämmönvaihtimet tai vesisuihkut pitävät lähes{0}}vakiolämpötilan puristuksen ja laajenemisen aikana, ja teoreettinen tehokkuus on 80–95 % kehitysjärjestelmissä.
Nykyaikaiset CAES-laitokset toimivat 4–7 MPa (40–70 bar) paineissa ja luottavat ihanteelliseen kaasulakiin energian varastoinnissa. Toisin kuin akut, CAES loistaa pitkän-keston, gigawatin-mittakaavassa sovelluksissa, joiden heikkeneminen on merkityksetöntä vuosikymmenten aikana.
Tärkeimmät laitteet ja komponentit
Tyypillinen CAES-laitos koostuu:
Kompressorit: Monivaiheiset sähköiset turbo-kompressorit, jotka toimivat ylijäämäsähköllä ja jotka paineistavat ympäröivää ilmaa käyttämällä matala-- ja korkea-painevaiheita välijäähdytyksellä.
Ilman varastointi: maanalaiset luolat (suolakupolit, tyhjentyneet kaasukentät tai pohjavesikerrokset) tai -maan päällä tiheät-keinotekoiset alukset (kuten putkijärjestelmät). Suolaluolat ovat suosittuja niiden läpäisemättömyyden ja paineen-kestävyyden vuoksi 300–1 500 metrin syvyydessä.
Lämmönhallintajärjestelmä(edistyneissä malleissa): Lämmönvaihtimet ja TES-yksiköt, jotka keräävät ja varastoivat puristuslämpöä.
Laajentimet/turbiinit ja generaattorit: Korkean{0}} ja matalan paineen-turbo-laajentimet, jotka on kytketty generaattoreihin. Perinteisissä järjestelmissä käytetään polttokammiota uudelleenlämmitykseen; Kehittyneet adiabaattiset järjestelmät käyttävät uudelleen TES-lämpöä.
Apujärjestelmät: Paineensäätimet, kaksisuuntaiset moottorit/generaattorit ja verkkojen liitäntälaitteet.
|
Ei. |
Laitteen nimi |
Päätoiminto |
Tekniset ominaisuudet ja periaatteet |
Tukikuvan kuvaus |
|
1 |
Kompressorit |
Lataus-vaiheen voimalaitos: muuntaa ylijäämäsähkön paineilman-potentiaalienergiaksi |
Monivaiheiset sähköiset turbo-kompressorit (aksiaaliset tai keskipakoiset), toimivat 4–7 MPa:n (40–70 baarin) paineella ja jotka on varustettu välijäähdyttimillä ja lämmön{6}}talteenottojärjestelmillä; vaihtuva-nopeuksinen taajuusmuuttaja mahdollistaa nopean reagoinnin uusiutuvan energian vaihteluihin |
Täydellinen järjestelmäasettelu, joka korostaa kompressorijonoa |
|
2 |
Ilman varastointijärjestelmät |
Pitkä{0}}paineilman varastointi (tuneista viikkoihin) |
maanalaiset suolaluolat (syvyys 300–1 500 m) tai suuri-tiheys-maanalaisten putkien- yläpuolella; suunniteltu toistuvaan paineenkiertoon lähes -nolla vuodolla |
Poikkileikkauskaavio, jossa näkyy sekä maanalainen luola että pinnan lämpö{1}}hallintaliittymä |
|
3 |
Lämmönhallinta- ja lämpöenergian varastointijärjestelmät (TES). |
Kaappaa, varastoi ja käytä uudelleen puristuslämpöä korkean-tehokkuuden, polttoaine-vapaan toiminnan varmistamiseksi |
Lämmönvaihtimet (HX1/HX2), jotka on yhdistetty TES-väliaineisiin (keraamiset pedit, sulatettu suola tai lämpööljy), jotka varastoivat lämpöä jopa 600 asteeseen; suljetun-silmukan palautuminen saavuttaa edestakaisen-edellytystehokkuuden yli 70 % |
Lataus-vaiheen lämpö-virtauskaavio + täydellinen järjestelmän integrointikaavio |
|
4 |
Laajentimet, turbiinit ja generaattorit |
Purkaus{0}}vaiheen voimalaitos: muuntaa varastoidun paineilman sähköksi |
Monivaiheiset turbo-laajentimet (korkea- ja matala-paine), jotka on kytketty suoraan synkronisiin generaattoreihin; täysi kuorma saavutetaan alle 10 minuutissa ilman palamispäästöjä edistyneissä malleissa |
Real{0}}expander-generaattorin asennusvalokuva |
|
5 |
Apujärjestelmät |
Varmista laitoksen turvallinen, tehokas toiminta ja verkkointegraatio |
Paineen{0}}säätöventtiilit, kaksisuuntaiset moottorin-generaattorit, SCADA-valvonta, verkkokytkinlaitteet, jäähdytystornit ja laajat putkistot |
Sisäkuva turbiinihallista, jossa näkyy integroidut putkistot ja sähköjärjestelmät |
CAES:n modulaarinen rakenne mahdollistaa pakkaus-, tallennus- ja laajennuskapasiteetin itsenäisen optimoinnin, mikä tarjoaa toiminnallista joustavuutta, jota ei voi verrata moniin muihin tallennustekniikoihin.
Toimintaprosessit
CAES toimii kahdessa päävaiheessa:
Latausvaihe (kompressio).: Korkean uusiutuvan energian tai alhaisen kysynnän aikoina ylijäämäsähkö käyttää kompressoreja. Ilmaa puristetaan useassa vaiheessa (lämpeneminen), jäähdytetään ja ruiskutetaan varastoon. Edistyneissä adiabaattisissa järjestelmissä erotettu lämpö varastoidaan TES:iin.
Purkausvaihe (laajennus/sukupolvi).: Kun kysyntähuiput tai uusiutuvat energialähteet eivät riitä, paineilmaa vapautetaan, esilämmitetään (käyttäen TES-lämpöä tai lisäpolttoainetta), laajennetaan turbiinien kautta generaattoreiden käyttämiseksi ja poistetaan viileämpänä ilmana. Järjestelmä saavuttaa täyden kuorman alle 10 minuutissa, mikä tekee siitä ihanteellisen verkon tasapainottamiseen, taajuuden säätöön ja pyörimisreserveihin.
Kasvit voivat pyöräillä päivittäin tai kausittain erittäin alhaisella{0}}itsepurkautumisnopeudella. Vakiintuneita hyötykäyttö{2}}esimerkkejä ovat Huntorfin laitos Saksassa (321 MW, toiminnassa vuodesta 1978) ja McIntoshin laitos Yhdysvalloissa (110 MW, vuodesta 1991).
Real{0}}Maailman tapaustutkimus: 100 MW:n edistyneen paineilmaenergian varastoinnin demonstraatioprojekti
Lippulaivaesimerkkinä onnistuneesta CAES-projektin toteutuksesta Kiinan 100 MW:n edistyksellinen paineilmaenergian varastoinnin kansallinen demonstraatiohanke esittelee teknologian kypsyyttä ja laajamittaista sovelluspotentiaalia. Kiinan tiedeakatemian Institute of Engineering Thermophysics -instituutin johdolla kehitetty se on maailman ensimmäinen 100 MW{4}}luokan edistynyt CAES-asema ja tällä hetkellä suurin ja tehokkain{5}}tehokas CAES-laitos.
Järjestelmän kokoonpanotiedot:
Kapasiteetti: 100 MW lähtöteho / 400 MWh energian varastointi.
Teknologian tyyppi: Edistyksellinen adiabaattinen CAES (AA-CAES), joka sisältää ylikriittisen lämmönvaraston, ylikriittisen lämmönvaihdon, korkean-kuorman puristuksen/laajenemisen ja täydellisen järjestelmäintegraation,-joka eliminoi täysin riippuvuuden fossiilisista polttoaineista.
Varastointimenetelmä: Tiheät -keinoilman varastointiastiat (putki-järjestelmä), lisäävät energiatiheyttä ja vähentävät riippuvuutta suurista maanalaisista luolista.
Tehokkuus: Meno-paluu{0}}tehokkuus 70,4 %.
Suorituskykyparametrit: Vuotuinen tuotanto ylittää 132 miljoonaa kWh, mikä riittää kattamaan noin 50 000 kotitalouden huippusähkön kysynnän; säästää 42 000 tonnia tavallista hiiltä ja vähentää CO₂-päästöjä noin 109 000 tonnia vuodessa.
Keskeiset laitteet: Monivaiheiset kompressorit, turbiinien laajentimet/generaattorisarjat, ylikriittinen TES-lämpövarastojärjestelmä ja korkeapaineputki-varastoastiat.
Sijainti: Guyuan County, kaupunki, Hebein maakunta, Miaotan Cloud Computing Industrial Parkissa; pinta-ala on noin 5,7 hehtaaria. Projekti liitettiin verkkoon vuonna 2022, ja se on alkanut kaupallisen toiminnan valmisteluun.
Tämä projekti osoittaa kykymme toteuttaa menestyksekkäästi suuria{0}}CAES-hankkeita ottamalla talteen puristuslämpöä, optimoimalla lämmönhallintaa ja käyttämällä modulaarista suunnittelua, jotta voimme voittaa perinteiset tehokkuuden, polttoaineriippuvuuden ja sijainnin valinnan rajoitukset. Se tarjoaa arvokasta todellista-tekniikan validointia ja skaalautuvan mallin maailmanlaajuista uusiutuvan energian integroimista varten.
Kuinka CAES helpottaa tuuli- ja aurinkoenergian tehokasta imeytymistä ja hyödyntämistä
Tuuli- ja aurinkovoiman vaihtelu johtaa usein ylijäämäsähkön määrään, jota verkko ei pysty täysin absorboimaan. CAES toimii ruudukon "iskunvaimentimena" ja ratkaisee suoraan tämän ongelman:
Ylimääräisen tehon imeminen: Voimakkaiden tuulien tai auringon huippusäteilyn aikana ylimääräistä energiaa käytetään ilman puristamiseen ja varastoimiseen maan alle, mikä estää supistumisen.
Tasoituslähtö: CAES irrottaa tuotannon kulutuksesta vapauttaen varastoitua energiaa rauhallisina aikoina tai auringonlaskun jälkeen tuottaakseen vakaata, ennustettavaa tehoa.
Verkon vakaus ja integrointi: Sen nopea vaste tukee taajuuden säätöä, jännitteen ohjausta ja musta{0}}käynnistyspalveluita. Tuuli-aurinko-hybridijärjestelmät luovat "virtuaalisia peruskuormituslaitoksia", mikä vähentää riippuvuutta fossiilisten-polttoaineiden huipuista.
Taloudelliset ja ympäristöhyödyt: CAES alentaa merkittävästi varastointikustannuksia, parantaa uusiutuvien energialähteiden käyttöastetta ja vähentää hiilidioksidipäästöjä (etenkin edistyneissä adiabaattisissa kokoonpanoissa). Se on erityisen kilpailukykyinen laajamittaisessa-pitkäkestoisessa-uusiutuvassa integraatiossa.
CAES:n sijoittaminen yhdessä tuulipuistojen tai aurinkovoimaloiden kanssa optimoi siirtoinfrastruktuurin ja vapauttaa lisätuloja energian arbitraasin, kapasiteettimarkkinoiden ja oheispalvelujen kautta.
Katse eteenpäin: CAES uusiutuvan energian voimaloiden kulmakivenä
CAES on kehittynyt 1970-luvulta joustavaksi, pitkäkestoiseksi-tallennustekniikaksi, jolla on gigawatti-tunti{3}}skaalapotentiaali. Kehittyneet adiabaattiset ja isotermiset versiot eliminoivat fossiilisten polttoaineiden käytön kokonaan ja ovat täydellisesti linjassa netto{5}}nollatavoitteiden kanssa. Sen skaalautuvuus ja maantieteellinen mukautuvuus (jos sopiva geologia on olemassa) mahdollistavat ajoittaisten tuuli- ja aurinkoresurssien muuntamisen luotettavaksi, arvokkaaksi{7}}sähköksi.
Onnistuneet projektit, kuten vahvistavat, että CAES-tekniikka on täysin valmis kaupalliseen{0}}mittakaavaiseen käyttöön. Ottamalla käyttöön CAES, uusiutuvan energian sektori voi voittaa suurimman haasteensa-vaihtelu-nopeuttaa puhtaaseen energiaan siirtymistä ja tarjota taloudellista joustavuutta ja energiavarmuutta yleishyödyllisille, teollisuudenaloille ja yhteisöille maailmanlaajuisesti. Kiinassa ja kansainvälisesti meneillään olevat projektit osoittavat, että integroidut tuuli-aurinko-CAES-voimalaitokset eivät ole enää visio vaan nykyinen todellisuus-ja tuottavat puhdasta, lähetettävää sähköä milloin ja missä sitä tarvitaan.
