E-materiały do kształcenia zawodowego

Magazynowanie energii

ELE.10. Montaż i uruchamianie urządzeń i systemów energetyki odnawialnej – Technik urządzeń i systemów energetyki odnawialnej 311930

bg‑cyan

Budowa, działanie i obsługa układów magazynowania energii cieplnej, mechanicznej i elektrycznej wraz z układami sterowania

ATLAS INTERAKTYWNY

9

Spis treści

  1. Klasyfikacja metod magazynowania energii.Klasyfikacja metod magazynowania energii.

  2. Zasada działania układów magazynowania energii.Zasada działania układów magazynowania energii.

  3. Konstrukcja i budowa przydomowych układów magazynowania energii cieplnej.Konstrukcja i budowa przydomowych układów magazynowania energii cieplnej.

  4. Zasady regulacji i sterowania układów magazynowania energii.Zasady regulacji i sterowania układów magazynowania energii.

1

1. Klasyfikacja metod magazynowania energii

R142KVtXh2ti1
Nagranie dźwiękowe tożsame z treścią.

Magazynowanie energii umożliwia zapobieganie przerwom w dostawach energii elektrycznej oraz cieplnej, spowodowanym m.in. kończącymi się zasobami paliw kopalnych oraz niestabilną produkcją energii przez źródła odnawialne (wpływ warunków atmosferycznych). Technologie te poprawiają efektywność gospodarki energetycznej zarówno dla gospodarstw domowych, zastosowań przemysłowych, jak i dla całego systemu elektroenergetycznego. W zależności od potrzeb, zadań, możliwości i rodzaju medium energii rozróżniamy kilka metod magazynowania (akumulacji).

1
R17pxNGrQjf091

Widoczna jest grafika przedstawiająca treści w formie mapy myśli. Centralny węzeł reprezentuje główny temat. Są nim metody magazynowania energii. Gałęzie przedstawiają podkategorie, które są z nim powiązane. Są to etykiety umieszczone w ramkach, które wyjaśniają i uzupełniają treści, jest ich siedem. Każda posiada od jednej do trzech podkategorii.

1. Mechaniczne systemy akumulacji energii i trzy podkategorie: elektrownia szczytowo‑pompowa, magazyn sprężonego powietrza i koło zamachowe. 2. Elektrochemiczne systemy akumulacji energii. Podkategoria; akumulatory. 3. Wykorzystanie pola magnetycznego. Podkategoria; nadprzewodnikowy zasobnik energii (SMES).4. Termiczne metody akumulacji energii. Podkategoria; wykorzystanie ciepła przemian chemicznych. 5. Biologiczne systemy akumulacji energii. Podkategoria ;biopaliwo, biogaz, biomasa. 6. Chemiczne systemy akumulacji energii. Podkategoria ; magazynowanie energii w postaci metanu, magazynowanie energii w postaci wodoru. Elektryczne systemy akumulacji energii. Podkategoria; superkondensatory.

R1T8YMbXr7bKw
Nagranie

Energię  można  gromadzić  w  postaci  mechanicznej,  elektrycznej,  chemicznej, biologicznej, w formie ciepła lub wykorzystując pole magnetyczne. Do gromadzenia energii mechanicznej (kinematycznej) wykorzystuje się np. elektrownie szczytowo‑pompowe lub bardziej współczesne alternatywne metody, jakimi są komory gromadzące sprężone powietrze oraz koła zamachowe. Energię elektryczną magazynuje się dzięki wykorzystaniu m.in. akumulatorów, ogniw galwanicznych oraz magazynowaniu produktów powstałych z elektrolizy wody. Najpopularniejszym sposobem gromadzenia energii termicznej jest wykorzystywanie pojemności cieplnej różnego rodzaju materiałów.

Wybór i zastosowanie właściwego systemu zależy jednak od kilku czynników. Projektując np. całoroczny cykliczny proces (ładowanie oraz rozładowanie magazynu), należy wziąć pod uwagę czas trwania poszczególnych etapów, wymogi odbioru temperatury, pojemność, straty ciepła oraz dostępność miejsca.

Powrót do spisu treściPowrót do spisu treści

2

2. Zasada działania układów magazynowania energii

Zestawienie pierwotnych źródeł energii, ich konwersja i metody magazynowania energii
1
R1L1rS6Ts0N4s1
Źródła energii pierwotnej, ich konwersja i metody magazynowania energii.
Źródło: Akademia Finansów i Biznesu Vistula Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Widoczna jest tabela z tekstem. Składa się z pięciu pionowych kolumn. Kolumna pierwsza, trzecia i piąta posiadają po dwa poziome wiersze. W pierwszych wierszach znajdują się nagłówki o następującej treści: Źródła energii, Rodzaj energii, Magazynowanie energii. Kolumna pierwsza. Źródła energii;  paliwa kopalne, paliwa jądrowe odnawialne źródła energii: biomasa, geotermia, wiatr, woda, energia promieniowania słonecznego. Kolumna druga zawiera napis proces przetwarzania oraz rysunek strzałki skierowanej grotem w kierunku następnej kolumny. Kolumna trzecia. Rodzaj energii; energia elektryczna, ciepło, chłód, energia potencjalna, energia kinetyczna, sprzężone powietrze, skroplone powietrze. Kolumna czwarta zawiera napis proces przetwarzania oraz rysunek strzałki z grotami skierowanymi na prawo i na lewo. Kolumna piąta. Magazynowanie energii: bateria, pola elektromagnetyczne, odwracalne ogniwa paliwowe, zbiorniki ciepła i chłodu, koła zamachowe, elektrownie pompowe, elektrownie na sprężone powietrze.

RDVORd0czj2TH
Nagranie dźwiękowe tożsame z treścią.

Aktualnie energia pochodząca z pierwotnych źródeł, jak paliwa kopalne, paliwa jądrowe czy energia odnawialna, w znacznym stopniu musi zostać przetworzona (konwersja) na taki rodzaj energii, który w sposób techniczny i ekonomiczny umożliwi jej przesyłanie oraz magazynowanie. Procesy te oparte są na wykorzystaniu różnych zjawisk opisanych powyżej.

Magazyn energii oraz proces magazynowania/odzyskiwania dobierany jest w zależności od funkcji, jaką ma pełnić dla odbiorcy, oraz od zastosowanego źródła energii. Może się zdarzyć, że dla danego rozwiązania korzystne będą różne metody akumulacji energii ze względu na zapotrzebowanie mocy i energii w danym momencie dla użytkownika. Bardzo duże znaczenie przy wyborze sposobu konwersji energii ma sprawność magazynowania. Elementy konstrukcyjne i pomocnicze magazynu charakteryzują się stałym poborem mocy,  występują też straty związane z samą zasadą magazynowania, np. straty ciepła do otoczenia czy samorozładowywanie się akumulatorów. Po określeniu całkowitego kosztu magazynowania (koszt inwestycji i przewidywany koszt eksploatacji magazynu) na etapie projektowania wybieramy odpowiednią metodę magazynowania energii.

Magazynowanie energii może przynieść szereg korzyści, np.:

  • redukcję kosztów energii,

  • zwiększenie bezpieczeństwa energetycznego,

  • zmniejszenie zużycia energii,

  • poprawę stanu środowiska, redukcję zanieczyszczeń emitowanych do atmosfery,

  • wzrost elastyczności systemów energetycznych.

1
RCP3e6tLvq4MJ
Wersja alternatywna: Mapa interaktywna. Lista elementów:
    Schemat układu źródło–odbiorca z magazynem energii i konwersją energii.
    Źródło: Akademia Finansów i Biznesu Vistula Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

    Grafika to schemat blokowy, przedstawiający układ źródło‑odbiorca z magazynem energii i jej konwersją. Widoczne są bloki, które przedstawiają poszczególne elementy. Pierwszy z lewej strony to źródło energii, w górnej części schematu znajduje się magazyn, po prawej stronie schematu widoczny jest odbiorca. Blok znajdujący się wewnątrz schematu opisano jako miejsce konwersji energii. Pomiędzy nimi widoczne są strzałki, które wskazują na powiązania pomiędzy blokami. Magazyn energii pozwala na przechowywanie energii wytworzonej przez źródła, konwerter energii pozwala na dostosowanie formy energii do potrzeb odbiorców.

    Powrót do spisu treściPowrót do spisu treści

    3

    Metody magazynowania energii

    1
    R18HrWvPd4mWd1
    Źródło: Akademia Finansów i Biznesu Vistula Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

    Widoczny jest ekran spisu treści. Na długim panelu wyświetlają się tytuły zakładek, które możemy zmieniać za pomocą znaczków znajdujących się po jego obu stronach. Tytuły tych zakładek umieszczone są także po lewej stronie ekranu na panelach ułożonych jeden pod drugim. Po kliknięciu na zakładkę rozwija się slajd przedstawiający grafikę, tekst oraz nagranie audio. Nad tekstem znajduje się pasek umożliwiający odtworzenie nagrania dźwiękowego, zgodnego z treścią zamieszczoną poniżej.

    Mechaniczne metody magazynowania energii

    Elektrownia szczytowo‑pompowa

    Nagranie dźwiękowe tożsame z treścią.

    Metoda ta, wykorzystująca wodę, należy do najbardziej rozpowszechnionych technologii na świecie. Elektrownia zbudowana jest z dwóch zbiorników położonych na różnych poziomach o dużej różnicy wysokości. Energia potencjalna opadającej wody zamieniana jest na energię kinetyczną napędzającą turbinę generatora. Zjawisko to wykorzystuje się w przypadku dużego zapotrzebowania na prąd. Pompowanie z powrotem do zbiornika na wyższym poziomie może się odbywać np. z użyciem energii wyprodukowanej przez odnawialne źródła energii. Jeśli nie, to odbywa się w okresach, gdy zapotrzebowanie na energię elektryczną jest mniejsze lub jej cena jest niższa. Wówczas energia elektryczna do zasilania pompy pochodzi z sieci elektroenergetycznej.

    Grafika przedstawia schemat ideowy koła zamachowego. Widoczne są dwa zbiorniki wodne. Dolny, umieszczony jest poniżej w gruncie, górny natomiast powyżej gruntu. Strzałką zaznaczono kierunek pobierania wody ze zbiornika niższego w górę. Pompa i turbina zainstalowane na poziomie dolnego zbiornika. Połączone są bezpośrednio z siecią energetyczną. Na rysunku widoczna jest podpora sieci i przewody prowadzące od niej do turbiny.

    Zbiorniki sprężonego powietrza

    Nagranie dźwiękowe tożsame z treścią.

    Metoda ta wykorzystuje zamknięte sprężone powietrze do wytwarzania energii elektrycznej przez turbiny. W odpowiednio przygotowanych szczelnych przestrzeniach lub pojemnikach powietrze pompowane przez sprężarki (w chwilach małego zapotrzebowania) zamykane jest pod wysokim ciśnieniem. Parametrem opisującym tę metodę jest gęstość energii, która wynosi od jednej do dwóch kilowatogodzin na metr sześcienny. W przypadku zapotrzebowania uwalniane powietrze napędza łopatki turbiny, a energia mechaniczna zostaje przekształcona w energię elektryczną, dostarczaną następnie do odbiorników lub sieci energetycznej.

    Grafika przedstawia instalację do przechowywania energii w formie sprężonego powietrza. Poniżej gruntu znajduje się magazyn. Ma kształt kulisty. Jego powierzchnia składa się z trzech warstw. Pierwsza, to hermetyczny uszczelniacz, druga to prefabrykaty betonowe, a trzecia to betonowa powłoka. Ze zbiornika wyprowadzone są na powierzchnię dwa przewody, pomiędzy którymi zainstalowano wymiennik ciepła. Na rysunku jest to prostokątny zbiornik wypełniony kruszoną skałą. Jeden z dwóch przewodów prowadzi do kompresora a drugi do turbiny. Pozostałe elementy schematu na powierzchni to generatory, które łączą się z transformatorami. Na końcu jednego stoi budynek mieszkalny. Na końcu drugiego widnieje podpora sieci energetycznej.

    Koło zamachowe

    Nagranie dźwiękowe tożsame z treścią.

    Jeśli trzeba odzyskać energię w ciągu kilku sekund lub nawet milisekund, najlepszą do tego metodą będzie koło zamachowe (bezwładniki), które magazynuje energię w postaci kinetycznej. Urządzenie takie rozpędzamy w przypadku nadmiaru energii, a przy zwiększonym zapotrzebowaniu wyhamowujemy, odzyskując ją. Energia elektryczna pochodzi z wyhamowania energii kinetycznej obracającej się masy.

    Grafika przedstawia model koła zamachowego związanego z układem elektrycznym do magazynowania i zwrotu energii elektrycznej. Widoczna jest komora próżniowa w kształcie walca. Wewnątrz niej znajduje się koło zamachowe zbudowane z pionowo zamontowanego wałka i różnej wielkości elementów w kształcie walca. Za pomocą strzałki wskazano na ich obrotowy ruch. Obok komory widoczny jest silnik elektryczny, którego obudowa ma prostopadłościenny kształt. Z drugiej strony komory znajduje się sześcienny magazyn służący do przechowywania wytworzonej energii.

    Elektryczne metody magazynowania energii

    Superkondensator

    Nagranie dźwiękowe tożsame z treścią.

    Rodzaj kondensatora elektrolitycznego. Zbliżony konstrukcją do konwencjonalnych kondensatorów stosowanych w przemysłach elektrycznym i elektronicznym, jednak cechuje się dużą pojemnością elektryczną (rzędu kilku tysięcy faradów) przy napięciu pracy 2,7 Voltów. Superkondensatory magazynują energię w polu elektrycznym powstającym pomiędzy dwiema elektrodami węglowymi, nanorurki węglowe pozwalają na uzyskanie dużej powierzchni czynnej, dzięki czemu wzrasta pojemność. Urządzenia te charakteryzuje wysoka wartość mocy wyjściowej, jaką może dostarczyć system magazynowania energii, np. pięćdziesiąt do stu kilowatów . Zaletą superkondensatorów jest bardzo krótki czas ładowania i rozładowania w porównaniu z innymi urządzeniami (np. akumulatorami).

    Grafika przedstawia zasilacz buforowy. Urządzenie ma kształt sześcianu. Na obudowie zewnętrznej widoczne są dwa panele z oznaczeniami w postaci cyfr, znaku plus i minus oraz otwór gniazda wejściowego. Widoczne są także diody w kolorach zielonym i czerwonym. Wewnątrz urządzenia ułożone są jeden na drugim superkondensatory o cylindrycznym kształcie.

    Elektrochemiczne metody magazynowania energii

    Nagranie dźwiękowe tożsame z treścią.

    Akumulatory (baterie) przechowują energię elektryczną, magazynując prąd stały np. o napięciu dwunastu  Vat, w postaci chemicznej. Najczęściej używane rodzaje akumulatorów to: kwasowo‑ołowiowe, litowo‑jonowe (Li‑Ion), niklowo‑kadmowe (Ni‑Cd), niklowo‑metalowo‑wodorkowe (NiMH).
    W fazie ładowania (prąd płynie w przeciwnym kierunku niż w trakcie jego pracy) urządzenie jest odbiornikiem energii, wewnątrz energia elektryczna jest przetwarzana na energię chemiczną. Po podłączeniu do urządzeń elektrycznych lub elektronicznych następuje tryb pracy i akumulator staje się źródłem prądu, zamieniając energię chemiczną na energię elektryczną.

    Widoczne są dwie ilustracje przedstawiające kierunek ruchu kationów i anionów w procesie ładowania i rozładowywania baterii elektrochemicznych. Rysunek pierwszy przedstawia fazę ładowania baterii. Przepływ prądu odbywa się w kierunku od bieguna dodatniego po prawej stronie do ujemnego po lewej stronie. Przepływ elektronów natomiast w kierunku odwrotnym. Wnętrze baterii wypełnione jest elektrolitem. Po prawej stronie znajduje się elektroda dodatnia, katoda. Z  drugiej elektroda ujemna, anoda. Na rysunku przedstawione są jako prostokąty. Przedstawiono tutaj dwie fazy. Jedna to utlenianie, gdzie aniony, które znajdują się w elektrolicie kierują się do anody. Na rysunku przedstawione są w formie cząsteczek mniejszej i większej w kolorze różowym i białym. Druga faza to redukcja, gdzie kationy przemieszczają się w kierunku katody. Na rysunku przedstawione w kolorze granatowym i białym.

    Rysunek drugi przedstawia ruch cząsteczek przy napięciu stałym. Ruch elektronów odbywa się w kierunku od bieguna dodatniego po prawej stronie do ujemnego po lewej. Przepływ prądu odbywa się w odwrotnym od bieguna ujemnego do dodatniego. Wewnątrz baterii faza utleniania anionów odbywa się w kierunku do elektrody dodatniej, a faza redukcji kationów odbywa się w kierunku do elektrody ujemnej.

    Termiczne metody magazynowania energii

    Akumulacja ciepła

    Nagranie dźwiękowe tożsame z treścią.

    Magazynowanie ciepła (akumulację) definiujemy jako tymczasowe przechowywanie energii cieplnej w niskich lub wysokich temperaturach. W zależności od zakresu temperatury magazynującego medium dzielimy ten proces na trzy rodzaje:

    niskotemperaturowe - do stu dwudziestu stopni Celsjusza , średniotemperaturowe - od stu dwudziestu do pięciuset stopni Celsjusza , wysokotemperaturowe - powyżej pięciuset stopni Celsjusza.

    Przykładowo możemy gromadzić ciepło promieniowania słonecznego i wykorzystać je w ciągu kilku dni lub przechowywać chłód powstały w zimie, aby wykorzystać go w lecie.

    Wyróżnia się trzy systemy magazynowania energii cieplnej:

    poprzez wykorzystanie ciepła właściwego, wykorzystanie energii przemian fazowych (PMC), wykorzystanie ciepła przemian chemicznych.

    Instalacje, które realizują te założenia, nazywamy ogólnie zasobnikami ciepła TES (ang. TES - Thermal Energy Storages).

    Rysunek przedstawia magazyny energii cieplnej. Jest to schemat blokowy. Widoczne są rodzaje magazynów i przechowywane w nich płyny, substancje chemiczne oraz ciała stałe. Dzielą się one na magazyny ciepła jawnego. W nich mogą być przechowywane płyny (na przykład woda) lub ciała stałe (na przykład skały). Kolejne magazyny to magazyny ciepła utajonego. Dzielą się na nieorganiczne, w których znajdują się hydraty oraz organiczne z parafiną. Ponadto schemat wskazuje na magazyny sorbcyjne i chemiczne.

    Wykorzystanie ciepła właściwego

    Nagranie dźwiękowe tożsame z treścią.

    Jedną z najlepszych metod akumulacji energii w przypadku magazynowania w dłuższym czasie jest wykorzystanie ciepła właściwego ciał stałych lub cieczy.

    Materiały stałe wykorzystywane do tego celu to głównie fundamenty, bloki i pale betonowe oraz skały, wilgotne gleby i piasek. Do najczęściej stosowanych cieczy zaliczamy: wodę, oleje oraz czynniki chłodnicze.
    Magazynowanie energii cieplnej odbywa się poprzez ogrzewanie lub chłodzenie materiału (czynnika akumulacyjnego). W tym wypadku ilość zgromadzonej energii będzie zależna od masy i różnicy temperatur pomiędzy stanem początkowym i końcowym danego medium.
    Ze względu na szerokie zastosowanie w elektrociepłowniach, sieciach ciepłowniczych oraz małych obiegach hydraulicznych woda jest najlepszym i najtańszym medium do tego rodzaju metody (poniżej stu stopni Celsjusza, najlepszy zakres od dwudziestu do siedemdziesięciu stopni Celsjusza).

    Widoczna jest grafika przedstawiająca wodny zasobnik ciepła. Jest to urządzenie do magazynowania i uwalniania energii cieplnej. Zasobnik w kształcie prostokąta podzielony jest na dwie części. Za pomocą strzałek ukazano przemieszczanie się wody w zbiorniku. W jego dolnej części zaznaczono ruch wody ze źródła ciepła i powrót do źródła ciepła. W części górnej zasobnika znajduje się woda podgrzana, która oddaje energię do odbiornika, a następnie powraca do części dolnej zbiornika i ponownie trafia do źródła ciepła.

    Wykorzystanie ciepła przemian fazowych PCM

    Nagranie dźwiękowe tożsame z treścią.

    Metoda ta znajduje się obecnie w fazie badań i prac nad polepszeniem właściwości. Materiał PCM (z angielskiego  Phase Change Material) to substancja zmiennofazowa lub grupa związków będących w stanie absorbować, akumulować i oddawać dużą ilość energii w zakresie temperatury przemiany fazowej (zmiana stanu skupienia medium i przechodzenie z jednej fazy w drugą).
    Podczas przemiany fazowej materiałów następuje wydzielanie lub pochłanianie znacznej ilości ciepła przy praktycznie niezmiennej temperaturze materiału. Wykorzystuje się przemiany faz ciało stałe–ciecz, ciało stałe–gaz, ciecz–gaz oraz ciało stałe–ciało stałe.
    Do zalet układów zmiennofazowych należą wysoka pojemność magazynowania przy niewielkich wahaniach temperatury.
    Jako materiał PCM wykorzystuje się materiały organiczne (parafiny, alkany, kwasy tłuszczowe, ciecze jonowe) oraz substancje nieorganiczne (uwodnione sole, hydrat soli).

    Widoczne są dwa slajdy. Pierwszy to grafika w formie wykresu przedstawiająca działanie magazynu PCM. Widoczne są trzy fazy. Pierwsza to faza stała zaznaczona kolorem niebieskim. Kolejna, to faza, gdzie następuje topnienie i krystalizacja i ostatnia zaznaczona kolorem czerwonym faza ciekła z największą ilością energii.

    Druga grafika przedstawia cykliczny sposób wymiany ciepła w procesach zmiany fazy. Na schemacie zaznaczono proces topnienia i krzepnięcia. W górnej części schematu na etykiecie w kształcie prostokąta zaznaczono topnienie, które pochłania ciepło. Następnie za pomocą strzałek wskazano spadek temperatury, który doprowadza do ukazanej w dolnej części schematu fazy krzepnięcia, która ciepło uwalnia. Następnie strzałki wskazują na wzrost temperatury, który ponownie doprowadza do fazy topnienia.

    Wykorzystanie ciepła przemian chemicznych

    Nagranie dźwiękowe tożsame z treścią.

    Magazynowanie ciepła wykorzystujące przemiany chemiczne jest oparte na reakcjach endotermicznych (w celu ich przebiegu należy dostarczyć ciepło). Magazyn taki pracuje, wykorzystując odwracalną reakcję chemiczną, używaną do przechowywania i uwalniania energii znajdującej się w określonych substancjach. Oznacza to, że związki chemiczne przechodzą w wyższy stan energetyczny. Zgromadzoną energię uwalnia się w reakcji egzotermicznej. Magazynowanie energii cieplnej za sprawą przemian chemicznych umożliwia uzyskanie dużej ilości energii z danej jednostki objętości oraz długotrwałe przechowywanie w temperaturze otoczenia.

    Widoczny schemat blokowy. Przedstawia sposoby magazynowania energii cieplnej. W pierwszych trzech blokach czytamy: Odzysk energii cieplnej pochodzący z procesów chemicznych, petrochemicznych z wentylacji, klimatyzacji, z procesu kogeneracji i z kolektorów słonecznych oraz innych źródeł. Strzałka prowadzi do bloku drugiego; magazynowanie energii cieplnej trafia do magazynów energii cieplnej i blok trzeci informuje o tym, że energia jest wykorzystywana w czasie szczytów zapotrzebowania na energię cieplną, z pompą ciepła do ogrzewania, w wentylacji i klimatyzacji do odladzania i odśnieżania. Poniżej przedstawiono kolejny schemat przedstawiający sposoby magazynowania energii z wykorzystaniem pojemności cieplnej, ciepła przemian fazowych (PCM) oraz przemian chemicznych i fotochemicznych.

    Chemiczne systemy magazynowania energii

    Magazynowanie energii w postaci wodoru oraz metanu

    Nagranie dźwiękowe tożsame z treścią.

    Widoczny jest schemat blokowy. Składa się z prostokątnych bloków z nazwami i krótkimi opisami. Przepływ danych pomiędzy blokami zaznaczony jest za pomocą linii. Przedstawiono wszystkie fazy od produkcji przez dostawę, pierwotne magazynowanie, transport, przechowywanie końcowe, do wyrobu końcowego. W części górnej znajdują się bloki z nazwami rodzajów energii. Są to paliwa kopalne, energia jądrowa, energia wodna, energia słoneczna i energia wiatru. Wszystkie połączone są z panelem o nazwie wodór, to jest faza dostawy. Kolejno oznaczono zbiorniki podziemne i kriogeniczne, jako miejsce pierwotnego magazynowania. Transport odbywa się za pomocą rurociągów, pojazdów i tankowców. Transport rurociągami, przechowywanie końcowe to sprężony gaz a produkt końcowy to urządzenia elektryczne. Transport za pomocą pojazdów, przechowywanie wodorki metali a produkt końcowy to sektor mieszkaniowy i przemysł. Transport tankowcami, przechowywanie końcowe, zbiorniki kriogeniczne produkt końcowy transport.

    Metan w postaci gazu jest łatwiejszy do przechowywania przez dłuższy czas i może być wykorzystany również jako paliwo dla elektrowni gazowych. Obecnie najczęściej stosowanymi surowcami do otrzymywania wodoru są: gaz ziemny, ropa naftowa i węgiel. Jednak cały czas trwa udoskonalanie technik jego produkcji, np. ze źródeł niekonwencjonalnych, m.in. z siarkowodoru czy przetwarzania biomasy. Wodór jest przechowywany w postaci gazowej lub płynnej ( minus dwieście pięćdziesiąt trzy stopnie Celsjusza ). Może on być wykorzystywany jako wysokoenergetyczne paliwo samochodowe lub ogniwa paliwowe przy zerowej emisji składników toksycznych podczas procesu spalania. Wodór oraz metan mogą być wykorzystywane na dużą skalę do magazynowania energii. Produkcja wodoru odbywa się na przykład poprzez elektrolizę wody lub reforming parowy (produkcja z metanu i pary wodnej).

    Biologiczne metody magazynowania energii

    Biomasa, biopaliwo, biogaz

    Nagranie dźwiękowe tożsame z treścią.

    Biomasa to wszystkie substancje pochodzenia roślinnego i zwierzęcego powstałe w sposób naturalny na skutek procesów biochemicznych (uległy biodegradacji). Zaliczamy do nich m.in. drewno, odpady roślinne oraz zwierzęce. Biomasa to sposób na „pozbycie się” resztek i utylizację odpadów pochodzenia organicznego. Decydującym ogniwem w pozyskiwaniu energii z biomasy jest proces fotosyntezy. Pod wpływem promieniowania słonecznego (strumień fotonów mających określoną porcję energii) z cząsteczek wody i dwutlenku węgla powstają tlen oraz glukoza. Dzięki cząsteczkom glukozy roślina uzyskuje energię do budowy komórek i tkanek. W późniejszym procesie spalania biomasy węgiel znajdujący się w roślinach przetwarzany jest w energię cieplną, którą z kolei możemy zamienić np. na energię elektryczną czy ciepło do ogrzewania domów. Biomasa może być również wykorzystywana do produkcji paliw ciekłych i gazowych. Biopaliwo, czyli forma ciekła, to przykładowo etanol, uzyskiwany na drodze fermentacji alkoholowej kukurydzy czy trzciny cukrowej. Może on zastąpić tradycyjne paliwa, jest też wykorzystywany do produkcji biokomponentów.
    Biogaz to surowce pochodzenia organicznego przetworzone z odpadów z oczyszczalni ścieków czy produkcji rolnej. Powstaje w wyniku fermentacji beztlenowej i składa się w głównej mierze z metanu i dwutlenku węgla. Pozyskany w ten sposób gaz wykorzystuje się, podobnie jak w przypadku pozostałych metod biologicznych, do ogrzewania lub zasilania generatorów prądu. Do tymczasowego magazynowania biogazu stosuje się odpowiednie zbiorniki umożliwiające nierównomierną produkcję w ciągu dnia, wynikającą z procesu fermentacji. Oddzielne instalacje wykonane najczęściej w pobliżu komór fermentacyjnych to „zbiorniki suche”, natomiast „zbiorniki mokre” instalowane są bezpośrednio nad zbiornikiem fermentacyjnym. Pozostałe substancje wytwarzane dzięki biomasie to: butanol, glikol, metanol, kwasy tłuszczowe oraz celuloza. Cały proces od wzrostu roślin, przetworzenia oraz wytworzenia energii z odpadów, możemy nazwać długoterminową akumulacją energii.

    Widoczny jest schemat blokowy przedstawiający przykładowe źródła biomasy oraz jej zastosowanie. Trzy górne bloki przedstawiają: Leśnictwo, pochodzące stąd na przykład gałęzie i wióry drzewne. Rolnictwo i pochodzące stąd siano i słomę oraz odpady na przykład organiczne. Wszystkie trzy bloki posiadają wyjście w postaci linii prostych prowadzące do głównego panelu tworzącego biomasę. Stąd kolejne linie wyjścia prowadzą do paneli określających wykorzystanie w ogrzewaniu, elektryczności i transporcie.

    Wykorzystanie pola magnetycznego do magazynowania energii

    Nagranie dźwiękowe tożsame z treścią.

    W polu elektrycznym pomiędzy okładkami kondensatora magazynowana jest energia. Podobnie możemy gromadzić energię również w polu magnetycznym cewki indukcyjnej. Prąd elektryczny płynący przez cewkę wytwarza pole magnetyczne jako formę czystej energii, którą można przechowywać. Dla pełnego wykorzystania cewki indukcyjnej do magazynowania energii stosuje się technologię materiałów nadprzewodnikowych, które przewodzą prąd bez strat rezystancyjnych, dzięki czemu zapewniają wysoką sprawność do dziewięćdziesięciu pięciu procent. Należą do nich nadprzewodnikowe zasobniki energii SMES (z angielskiego Supercoducting Magnetic Energy Storage). Niezawodność, brak strat, szybki czas rozładowania oraz reakcji, wysoka jakość dostarczanej energii powodują, że układy te znajdują doskonałe zastosowanie w przemyśle, m.in. energetycznym. Jedynym procesem konwersji energii w układzie SMES jest zamiana prądu przemiennego (AC) na stały (DC) i odwrotnie. Brak ruchomych elementów, toksycznych materiałów eksploatacyjnych, duży przewidywany czas eksploatacji oraz działanie oparte wyłącznie na przemianach energii elektrycznej powodują, że zasobniki energii SMES powinny odegrać ważną rolę w rozwoju i modernizacji sieci przemysłowych oraz ich integracji z odnawialnymi źródłami energii.

    Rysunek przedstawia schemat podłączenia urządzenia SMES do sieci prądu przemiennego. W górnej części rysunku widoczne jest wejście sieci elektrycznej AC. System sterowania składa się z magnesu nadprzewodzącego DC, który znajduje się w dolnej części rysunku. Z jego lewej strony oznaczono kriostat z systemem chłodzenia.  Nad magnesem widoczny jest prostownik i falownik, a  nad nimi znajduje się transformator. Ta część schematu opisana jest jako System kondycjonowania mocy.

    Powrót do spisu treściPowrót do spisu treści

    4

    Podsumowanie – parametry oceny zdolności magazynu dla różnych technologii

    R1CPVS2A6f5oo
    Rozkład mocy i zdolności magazynowania energii dla różnych technologii.
    Źródło: Akademia Finansów i Biznesu Vistula Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
    1

    Grafika przedstawia rozkład mocy magazynowanej energii dla różnych technologii. Przedstawiono oś współrzędnych. Zastosowano jednostkę w postaci do jednej kilowatogodziny, następnie do jednej megawatogodziny i powyżej. Nad osią widoczne są oznaczenia umieszczone w elipsach i okręgach. Są to superkondensatory, magnesy nadprzewodzące, koła zamachowe. Drugi przedział zajmują akumulatory cieplne, systemy magazynowania sprzężonego powietrza, akumulatory elektromechaniczne i ogniwa paliwowe, a najwyższy poziom mocy elektrownie szczytowo‑pompowe.

    RSiL1N9tB02Pz
    Nagranie

    Główna klasyfikacja technologii magazynowania energii elektrycznej to podział ze względu na rodzaj wykorzystywanego zjawiska:

    • mechaniczne (sprężone powietrze, skroplone powietrze, elektrownie szczytowo‑pompowe),

    • elektrochemiczne (akumulatory, ogniwa paliwowe),

    • termiczne (wykorzystanie ciepła i chłodu),

    • elektromagnetyczne (superkondensatory),

    • chemiczne (produkcja wodoru),

    • biologiczne (biomasa, biopaliwo, biogaz),

    • magnetyczne (układy nadprzewodzące SMES).

    Największy udział w magazynowaniu energii na świecie mają elektrownie szczytowo‑pompowe – powyżej 90%.

    Ze względu na zastosowanie magazyny energii dzielą się na stacjonarne, przenośne i mobilne, wykorzystywane np. w pojazdach hybrydowych czy elektrycznych.
    Ze względu na  przeznaczenie zasobników energii można podzielić je na: bilansujące moc sieci, równoważące ilość energii w sieci oraz poprawiające jej jakość.

    Opłacalność magazynowania energii elektrycznej zależy od kosztu końcowego jej wytwarzania w aktualnych elektrowniach. Jeśli jest większy od jednoczesnego kosztu przechowywania, odzyskiwania, magazynowania (uwzględniając również straty energii), inwestycję taką uznaje się za opłacalną.

    Propozycja multimedium
    Przejdź do trybu wizualnego aby dodać plik

    Powrót do spisu treściPowrót do spisu treści

    5

    3. Konstrukcja i budowa przydomowych układów magazynowania energii cieplnej

    1
    R1GFWLq60Paj01

    Widoczny jest ekran spisu treści. Na długim panelu wyświetlają się tytuły zakładek, które możemy zmieniać za pomocą znaczków znajdujących się po jego obu stronach. Tytuły tych zakładek umieszczone są także po lewej stronie ekranu na panelach ułożonych jeden pod drugim. Po kliknięciu na zakładkę rozwija się slajd przedstawiający grafikę, tekst oraz nagranie audio. Nad tekstem znajduje się pasek umożliwiający odtworzenie nagrania dźwiękowego, zgodnego z treścią zamieszczoną poniżej.

    Urządzenia hydroenergetyczne

    Pasek z nagraniem dźwiękowym tożsamym z treścią.

    Najpopularniejszymi magazynami energii na świecie są elektrownie szczytowo‑pompowe wykorzystujące energię potencjalną różnicy poziomu wód zbiorników znajdujących się na różnych wysokościach. O możliwości zastosowania takiego urządzenia decydują warunki środowiskowe. W przypadku mniejszych instalacji przemysłowych i przydomowych każda instalacja będzie indywidualnie dopasowana do warunków źródła, stale lub okresowo płynącej (lub pozyskiwanej) wody. Wymaga to zastosowania urządzeń (prądnice, koła wodne) dostosowujących się do zmieniającej siły płynącej wody lub czynników pogodowych. Energia pozyskana w przypadku takiej operacji może zostać zmagazynowana w akumulatorach lub wykorzystana do podgrzewania wody w zasobniku ciepła.

    Podstawowy układ małej  elektrowni szczytowo‑pompowej. Nagranie dźwiękowe.

    Grafika przedstawia schemat elektrowni. Poszczególne elementy ukazano za pomocą prostokąta, kwadratu, trapezów i linii wskazujących zależności. Wewnątrz schematu znajduje się układ z hydrogeneratorem i pompą w kształcie kwadratu. W części górnej po jego lewej stronie i w części dolnej po jego prawej stronie znajdują się zbiorniki górny i dolny. Wyrysowane są w formie odwróconego trapezu. Ostatnim elementem układu jest przedstawiona za pomocą prostokąta sieć energetyczna. To stąd płynie energia elektryczna zasilająca pompę. Także tutaj trafia energia z hydrogeneratora. Proces rozładowywania rozpoczyna się w zbiorniku górnym prowadzi do hydrogeneratora a następnie do zbiornika dolnego.

    Nagranie dźwiękowe tożsame z treścią.

    Jeśli warunki naturalne na to pozwalają, najłatwiejszym sposobem na uzyskiwanie energii z przydomowego źródła jest montaż jednej lub nawet kilku turbin wirowych. Instalacja będzie generować energię praktycznie przez całą dobę. Producenci takich urządzeń oferują kompleksowy układ do pracy w systemie on‑grid (układ przyłączony do sieci elektrycznej) i off‑grid (układ niezależny od sieci elektrycznej).

    Nagranie dźwiękowe tożsame z treścią.

    Turbina wirowa o mocy pięciu i pięciu dziesiątych kilowatów dostarczająca energię dla prywatnego domu, projekt wykonany przez firmę Turbulent.

    Nagranie dźwiękowe tożsame z treścią.

    Klasyczne urządzenia, jak generator o budowie koła wodnego, do zastosowań domowych, umożliwiają zamianę energii kinetycznej wody na energię do wykorzystania chwilowego, jak oświetlenie czy monitorowanie, lub do ładowania urządzeń zasilanych bateriami, np. telefonów komórkowych i sprzętu elektronicznego.

    Generator w formie koła wodnego o mocy pięćdziesięciu Watów.

    Grafika przedstawia urządzenie koła wodnego. Zamontowane jest na obracającej się osi. Koło połączone jest z przekładnią. Całość stoi na dwóch podporach.

    Zasobniki ciepła

    Nagranie dźwiękowe z treścią tożsamą treścią.

    Najbardziej rozpowszechnionymi magazynami ciepła (z angielskiego Thermal Energy Storage, TES) są bardzo dobrze zaizolowane wodne zbiorniki akumulacyjne (buforowe), będące elementem domowych instalacji ciepłej wody użytkowej i centralnego ogrzewania. Taki magazyn ciepła umożliwia np. magazynowanie energii elektrycznej w postaci ciepła – gorącej wody. Do urządzeń tych możemy również podłączyć: piece na paliwo stałe, kominki, kolektory słoneczne, pompy ciepła lub instalację fotowoltaiczną. Większość dużych wodnych magazynów TES wykorzystuje do działania zjawisko stratyfikacji termicznej (uwarstwienia). Stratyfikacja termiczna bardzo utrudnia mieszanie się wody gorącej z zimną. Pomiędzy obszarem z wodą zimną a wodą gorącą występuje strefa mieszania, tzw. termoklina. Im cieńszy jest obszar termokliny, tym magazyn TES działa lepiej. Aby zapobiec mieszaniu się wody gorącej z zimną, zbiornik musi być odpowiednio wysoki, a sam proces ładowania i rozładowywania magazynu nie może przebiegać zbyt szybko.

    Zasada działania magazynu TES

    Widoczne są dwie grafiki. Jedna przedstawia ładowanie magazynu TES a druga jego rozładowanie. Oba przedstawiono za pomocą prostokątów, wewnątrz których znajduje się w dolnej części woda zimna, zaznaczona kolorem niebieskim, a w górze woda gorąca, zaznaczona kolorem czerwonym. Widoczne są również strzałki oznaczające ruch wody. Pośrodku znajduje się strefa mieszania, inaczej termoklina. Przy ładowaniu woda zimna wyprowadzana jest z magazynu, a woda gorąca dostarczana do niego. Przy rozładowaniu kierunki się zmieniają. Woda zimna jest dostarczana a woda gorąca wyprowadzana z magazynu.

    Nagranie dźwiękowe tożsame z treścią.

    Najprostszym rozwiązaniem jest instalacja, która wykorzystując elektryczny piec w okresie tanich taryf prądu z sieci energetycznej (np. nocą), gromadzi ciepło w postaci gorącej wody w zbiorniku akumulacyjnym. Taki, można powiedzieć, całkowicie bezobsługowy system, umożliwia zgromadzenie energii gwarantującej ciepło do ogrzewania i ciepłą wodę użytkową na całą dobę w domach jednorodzinnych.

    Zasobnik ciepłej wody

    Grafika przedstawia zasobnik ciepłej wody w przekroju. Bojler służy do przechowywania i ogrzewania ciepłej wody. Wewnątrz znajduje się grzałka w kształcie spirali. Obudowa ma kształt cylindryczny i widoczne są tworzące go warstwy izolacyjne.

    Nagranie dźwiękowe tożsame z treścią.

    W przypadku instalacji fotowoltaicznej panele słoneczne produkują najwięcej energii w czasie, kiedy właściwie nie potrzebujemy jej w tak dużej ilości. W tym przypadku nie zaplanujemy całkowitej produkcji prądu ze słońca. Możemy jednak wykorzystać tę energię, zamieniając ją na ciepło (przechowywanie ciepła jest tańsze niż np. przechowywanie energii w akumulatorach). Nadmiar energii elektrycznej może być wykorzystywany do produkcji ciepła w zasobniku. Układ ten zbilansuje niestabilność produkcji energii ze źródeł odnawialnych. W zależności od zastosowanej pojemności zbiornika może on zakumulować energię cieplną nawet na kilka dni (pochmurne zimowe dni).

    Wielofunkcyjny domowy zasobnik ciepła w układzie kilku źródeł energii odnawialnej

    Grafika przedstawia wielofunkcyjny domowy zasobnik ciepła. W części centralnej znajduje się zbiornik o cylindrycznym kształcie. W jego dolnej części widoczna jest spiralnie skręcona grzałka. W dolnej części znajduje się woda zimna, w górnej już podgrzana. Po lewej stronie widoczna jest pompa ciepła i ogrzewanie podłogowe. W obu elementach instalacji dokonuje się wymiana wody gorącej i zimnej pochodzącej ze zbiornika. Zaznaczono to liniami w kolorach szarym, który oznacza zimną i czerwonym oznaczającym gorącą wodę. W części górnej zbiornika widoczny jest wlot wody zimnej i wyprowadzenie gorącej. Z prawej strony zbiornika znajduje się kocioł, a obok widnieje rysunek przedstawiający kolektor. Tutaj także zaznaczono ruch i wymianę wody gorącej i zimnej. Wymiana dokonuje się pomiędzy kotłem i zbiornikiem a także kolektorem i zbiornikiem.

    Układ przemian fazowych i chemicznych.

    Nagranie dźwiękowe tożsame z treścią.

    Ogrzewanie i przygotowanie ciepłej wody w gospodarstwach domowych pochłania wiele energii. Aktualnie trwają badania i testy, które pozwoliłyby wykorzystać do tego celu materiały PCM. Jednym z materiałów stosowanych w PCM jest parafina; jej obecna produkcja umożliwia dobranie temp. przemiany fazowej np. 50°C. Roztopienie kilograma parafiny (jak wynika z doświadczeń) przy takiej temperaturze wymaga takiej ilości ciepła, jaką należałoby doprowadzić do wody, aby podgrzać ją o sześćdziesiąt stopni Celsjusza (np. z trzydziestu do dziewięćdziesięciu stopni Celsjusza). Powoduje to, że materiał PCM bardzo szybko może pochłonąć lub uwolnić ilość ciepła w temperaturze swojego przejścia fazowego. Znajduje to zastosowanie przy produkcji zasobników ciepła, które częściowo są wypełniane np. kulkami średnicy kilku centymetrów. Podczas doprowadzania energii cieplnej materiał zawarty w kulkach (po osiągnięciu właściwej temperatury) ulega przemianie fazowej (topi się). Gdy temperatura wody w zasobniku spadnie poniżej określonego poziomu, materiał PCM ulegnie krystalizacji (przemiana odwrotna), oddając ciepło pobrane podczas topienia się. Wykorzystanie tego typu materiałów pozwala akumulować więcej ciepła w tej samej objętości oraz przynosi mniejsze straty ciepła, ponieważ magazynowanie może się odbywać w niższej temperaturze.

    Magazyn ciepła wypełniony PCM

    Grafika przedstawia urządzenie służące do magazynowania i udostępniania ciepła. Składa się z wymiennika ciepła, zbiornika na materiały umożliwiające magazynowanie ciepła, warstwę izolacji termicznej oraz obudowy w kształcie prostopadłościanu.

    Układ akumulatorów

    Nagranie dźwiękowe tożsame z treścią.

    Najbardziej uniwersalnym rozwiązaniem pośród magazynów energii dla zastosowań domowych jest akumulator elektryczny. Umożliwia on bezpośrednie wykorzystanie energii elektrycznej w ciągu całej doby, zakupienie energii w tańszej taryfie oraz pełni funkcję zasilania awaryjnego w sytuacjach przerw w dostawach prądu z sieci energetycznej. Do najczęściej stosowanych akumulatorów zaliczamy: litowo‑jonowe z oznaczeniem LFP, kwasowo‑ołowiowe do głębokiego rozładowania.

    AKUMULATORY LITOWO‑JONOWE

    Nagranie dźwiękowe tożsame z treścią.

    Sprawność gromadzenia energii w akumulatorach litowo jonowych oscyluje wokół osiemdziesięciu procent i jest wyższa niż w kwasowo‑ołowiowych. Urządzenia te zapewniają znacznie wyższą gęstość przechowywanej energii, co przekłada się na niższą wagę, oraz mają wysoką gęstość mocy, dzięki czemu akumulator o małej pojemności może być ładowany i rozładowywany dużymi prądami. Dla zastosowań domowych jest to ważne, gdy pojawiają się duże, lecz krótkie pobory mocy. Akumulatory te muszą być precyzyjnie ładowane, a zaburzenia tego procesu lub uszkodzenie akumulatora grożą samozapłonem ogniwa. Cechą pozytywną tych urządzeń jest to, że można je rozładować niemal do zera. Zastosowanie akumulatorów w instalacji PV najczęściej odbywa się zgodnie z dwiema koncepcjami: zastosowanie osobnego falownika obsługującego tylko akumulatory (magazyn AC), integracja obsługi akumulatorów i modułów PV przez jeden falownik hybrydowy.

    Schemat ogólny instalacji PV z magazynem energii AC i DC

    Grafika przedstawia schemat ogólny instalacji PV z dwoma magazynami energii. Jeden to AC, magazyn prądu przemiennego a drugi DC, który magazynuje prąd stały. Na schemacie wykorzystano bryły i strzałki obrazujące zależności. W magazynie energii AC od góry zaznaczono panel kolektora słonecznego. Następne urządzenia to położone obok siebie inwentery hybrydowe w kształcie kwadratów. Jeden z nich łączy się z położoną poniżej prostokątną baterią, wewnątrz której widnieje ostrzegawczy rysunek błyskawicy, a drugi dociera do infografiki przedstawiającej budynek mieszkalny, który opisany jest jako najważniejsze obwody. Dalej strzałka biegnie i rozdziela się dwie i dociera do mniej ważnych obwodów oraz do sieci. Drugi rysunek przedstawia magazyn energii DC z awaryjnym zasilaniem. Z baterii i kolektora słonecznego strzałki prowadzą do inwentera hybrydowego. Poniżej znajduje się rysunek budynku opisany jako najważniejsze obwody. Znajduje się tu strzałka skierowana grotami w kierunku górnym do inwentera, bocznym do najważniejszych obwodów oraz w dół schematu. Tutaj rozdziela się na dwie. Jedna strzałka prowadzi do mniej ważnych obwodów a druga do sieci.

    AKUMULATORY KWASOWO‑ZASADOWE DO GŁĘBOKIEGO ROZŁADOWANIA

    Nagranie dźwiękowe tożsame z treścią.

    System kwasowo‑ołowiowy zbudowany jest najczęściej na podstawie ogniwa 2 V, wstępnie dobranego jako ciąg dwudziestu czterech ogniw, co w efekcie daje napięcie systemowe czterdzieści osiem Volt. Konstruktorzy dodatkowo założyli przewymiarowanie energetyczne z uwagi na pracę cykliczną i założono pięćdziesięcio procentową głębokość rozładowania w celu wydłużenia żywotności baterii. Wydajność tych akumulatorów w stanie niepełnego naładowania jest niższa niż litowo‑jonowych i może prowadzić do utraty pojemności. Najczęściej używane typy akumulatorów kwasowo‑ołowiowych to: MF (z płynnym elektrolitem i w zamkniętej obudowie), AGM (ze szklaną masą absorpcyjną),żelowe  (z elektrolitem żelowym).Podstawowe parametry systemu pracującego dwadzieścia cztery godziny z użyciem akumulatora: instalacja off‑grid wyspowa małej skali, energia użytkowa dwadzieścia cztery kilowatogodziny  nominalne napięcie czterdzieści osiem Volt , czas ładowania osiem  godzin czas rozładowania szesnaście godzin.

    Przykładowa instalacja wyspowa z wykorzystaniem akumulatora typu AGM

    Grafika przedstawia działanie instalacji z wykorzystaniem akumulatora typu AGM. Schemat prezentuje panel fotowoltaiczny, który jest źródłem energii. Energia przemieszcza się z niego poprzez falownik solarny i dociera do budynku mieszkalnego, zasilając go. Nad tą częścią instalacji widoczne jest jeszcze rezerwowe źródło mocy. W niższej części schematu znajduje się inwerter bateryjny a nad nim strzałka z grotami skierowanymi w górę i w dół. Pod inwerterem widoczny jest wspomniany akumulator typu AGM, który jest głównym magazynem energii.

    Akumulatory chemiczne

    Nagranie tożsame z treścią.

    Aktualnie w wielu ośrodkach prowadzone są badania nad wykorzystaniem wodoru do zamiany energii elektrycznej wytworzonej z instalacji fotowoltaicznych na energię chemiczną. Umożliwi to ekonomiczne przechowywanie i wykorzystanie zmagazynowanej energii w dłuższym okresie i większej ilości. Akumulator wodorowy wykorzystuje nadmiar pobranej energii, działając na zasadzie elektrolizy wody. Następnie powstały w ten sposób wodór przechowuje się w opatentowanym przez firmę LAVO magazynie, tzw. gąbce wodorkowej, pod ciśnieniem 30 barów.

    Urządzenie firmy LAVO z wodorowym magazynem energii.

    Grafika przedstawia mężczyznę stojącego za prostokątnym, systemem magazynującym energię wodorową. Prostokątny sytstem magazynowania energii wodorowej składa się z włożonych krótkich tub w niego, kratki oraz jednolitej obudowy. Mężczyzna trzyma w rękach dwie złączone tuby trochę większe od jego głowy. Prostokątny system magazynujący jest niewiele niższy od niego samego.

    Powrót do spisu treściPowrót do spisu treści

    6

    4. Zasady regulacji i sterowania układów magazynowania energii

    7

    Sterowanie siecią energetyczną oraz jej magazynami.

    RFDG2xcV4ikup
    Nagranie dźwiękowe tożsame z treścią.

    Główne zadanie systemów sterowania energią polega na wzajemnym oddziaływaniu oraz wymianie informacji pomiędzy dostawcami a odbiorcami. Wykorzystuje się do tego celu technologię inteligentnych sieci, magazynowanie energii oraz wyrównywanie obciążeń ze źródeł odnawialnych i w godzinach szczytu. Jeśli obciążeń nie udaje się uregulować, wówczas załączane są systemy magazynujące energię poza godzinami szczytu.

    Dodatkowo systemy magazynowania energii zapewniają również optymalizację, maksymalne wykorzystanie dostaw energii oraz jej jakość. Lokalne magazyny energii mogą łagodzić wahania mocy wyjściowej ze źródeł odnawialnych przez regulację układów sterowania przyrostami, wyrównanie skoków napięć oraz szybką reakcję na spadki mocy poprzez wprowadzenie zmagazynowanej energii elektrycznej.

    Aktualnie do głównych zadań OSD (operatora systemu dystrybucyjnego) i osób zarządzających siecią energetyczną należy bardziej zarządzanie rozproszoną siecią oraz magazynami energii niż samo dostarczanie jej do użytkowników końcowych.

    1
    R1ZfZmulcE4BW1
    Schemat obrazujący system sterowania siecią rozproszoną oraz jej uczestników.
    Źródło: Akademia Finansów i Biznesu Vistula Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

    Widoczna jest grafika przedstawiająca schemat systemu sterowania siecią rozproszoną i jej uczestników. Jest to diagram. W centrum znajduje się punkt sterowania. Jest to okrąg, wewnątrz którego znajdują się cztery strzałki z obustronnymi grotami. Kierowane są w kierunkach góra dół lewo i prawo. Wokół punktu, który reguluje produkcję energii znajdują się rysunki uczestników sieci. Są to: budynki elektrowni, panele słoneczne,turbiny wiatrowe, budynek mieszkalny.

    Powrót do spisu treściPowrót do spisu treści

    8

    Zadania systemów sterowania magazynem oraz wytwarzaniem energii (regulacja i sterowanie)

    RxhC48BJAW8qr
    Nagranie dźwiękowe tożsame z treścią.

    Cechą wspólną wszystkich przedsięwzięć związanych z wykorzystaniem energii przez użytkownika końcowego jest zawsze opłacalność ekonomiczna bez względu na to, czy zarządzamy aspektami energii dla dużego zakładu produkcyjnego, czy domu jednorodzinnego.

    Oprócz optymalizacji zużycia energii, aby kontrolować opłacalność danego przedsięwzięcia, musimy mierzyć zużycie na bieżąco, analizować oraz wprowadzać korekty do systemu sterowania procesem wytwarzania i magazynowania.

    Przykładowe zadania, które powinien realizować system sterowania:

    • unikanie wyższych opłat sieciowych poprzez rozładowanie układu magazynującego w okresach szczytowego obciążenia i naładowanie w okresie niskiego,

    • nadzór mocy magazynu, aby zapobiec jego niepotrzebnemu rozładowaniu,

    • załączanie/wyłączanie poszczególnych urządzeń zgodnie z ważnością zastosowania, na przykład uruchomienie ogrzewania danego pomieszczenia zamiast podgrzewacza wody, który zapewnia wodę do mycia, ale aktualnie nikt z niego nie skorzysta (harmonogram dzienny),

    • wybór układu, który w danym momencie może przechować nadwyżki czy to w postaci ciepła, energii mechanicznej, czy energii elektrycznej,

    • przełączanie źródła ładowania akumulatorów (np. w nocy na energię z sieci) w zależności od aktualnie generowanej mocy przez instalację fotowoltaiczną,

    • przełączanie do sieci w przypadku, gdy instalacja fotowoltaiczna przekracza zużycie, a np. magazyn akumulatorowy jest pełny,

    • w przypadku produkcji bioenergii bezpieczne nadzorowanie automatyzacji w przestrzeni Ex (wybuchowej),

    • podłączenie oraz przekazywanie informacji do nadrzędnego systemu SCADA w celu wizualizacji lub sterowania np. mocą turbin wodnych,

    • precyzyjna regulacja i odczyt temperatury w układzie węzłów cieplnych,

    • zdalne zarządzanie wytworzoną energią np. drogą radiową.

    To tylko kilka wymagań, jakie stawiamy urządzeniom sterującym, każdy układ może być dzisiaj zaprojektowany i dostosowany indywidualnie do danego systemu energetycznego. Jednak wszystkie jego elementy powinny być dobrane do charakteru pracy całego systemu oraz jego funkcji.

    Najczęściej produkuje się urządzenia uniwersalne, które jednocześnie umożliwiają wymianę informacji pomiędzy magazynem energii, siecią energetyczną, systemem dostarczającym energię (np. fotowoltaicznym) i urządzeniami konsumenckimi. Funkcję jednostki sterującej i komunikacyjnej pełnią najczęściej sterowniki PLC. O realizacji zadań decyduje zaprojektowany i zaimplementowany do sterownika odpowiedni algorytm.

    1
    R12vZfiwCVROh1
    Sterownik PLC koordynuje przepływ energii między źródłem energii, magazynem, siecią i urządzeniami konsumenckimi.
    Źródło: WAGO, licencja: CC BY-SA 3.0.

    Grafika przedstawia urządzenie elektroniczne. Obudowa ma kształt dwóch zintegrowanych prostokątów różniących się wielkością. Posiada na powierzchni liczne otwory umożliwiające wentylację. Na powierzchni  górnej większego widoczne są przyciski stop i reset. Mniejszy zawiera wejścia i wtyczki, które umożliwiają podłączenie kabli i przewodów.

    R15nTmQ4ExCtK
    Nagranie dźwiękowe tożsame z treścią.

    Elementy układu:

    • przetwornica dwukierunkowa (falownik/prostownik)

    • moduły baterii (np. akumulatorów chemicznych)

    • kontroler baterii BMS (ang. Battery Management System)

    • sterownik PLC

    • urządzenie nadzoru i wizualizacji pracy GUI (ang. Graphic User Interface)

    • elementy pomocnicze, umożliwiające podłączenie do sieci, oraz pomiarowe prądu i napięcia.

    1
    REOA3LWuSzjfj1
    Przykładowa konfiguracja magazynu energii dla mocy od kilkudziesięciu do kilku megawatów.
    Źródło: Akademia Finansów i Biznesu Vistula Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

    Widoczna jest grafika przedstawiająca przykładową konfigurację magazynu energii dla mocy od kilkudziesięciu do kilku megawatów. Na schemacie widoczne są prostokąty i kwadraty przedstawiające poszczególne połączone ze sobą elementy układu. Na ich powierzchni znajdują się znaczniki od jeden do pięć. Po ich kliknięciu widoczna jest treść objaśnienia;  Pierwszy to Inwerter czyli Przetwornica dla powyższego układu kontroluje proces ładowania i rozładowania akumulatora. Powinna zapewnić przepływ mocy w pełnym zakresie i w obu kierunkach (magazyn–sieć, sieć–magazyn).2. Poniżej znajduje się moduł bateryjny. Po naciśnięciu znacznika numer dwa widoczna jest treść objaśnienia; Moduły baterii odpowiadają za magazynowanie energii. Na rysunku widoczny jest jako prostokąt położony poniżej Inwentera. Po lewej stronie schematu od góry znajduje się urządzenie pracy GUI. Urządzenie GUI to układ pomocniczy umożliwiający wizualizację pracy, najczęściej zintegrowany z aplikacją (na telefon lub komputer).Pod tym urządzeniem widoczny jest Programable logic constroler czyli sterownika PLC. Sterownik PLC w pełni programowalny zarządza pracą wszystkich elementów magazynu. W najniższej części schematu znajduje się Kontroler BMS. Na podstawie wprowadzonego algorytmu zarządza przepływem energii. Wprowadzony algorytm powinien przewidywać możliwe zakłócenia, stany niestabilne sieci, analizować sygnały pochodzące z elementów pomocniczych (peryferyjnych) oraz sterować pracą magazynu.

    R1HkhF2YHtzT9
    Nagranie dźwiękowe tożsame z treścią.

    W przypadku samodzielnych układów magazynowania ciepła nie ma potrzeby stosowania rozbudowanych sterowników PLC. Najczęściej wykorzystywane są regulatory, czyli urządzenia wytwarzające sygnał sterujący na podstawie odpowiednich zadanych zakresów temperatur. W naszym przykładzie urządzeniem wykonawczym są pompy oraz zawory trójdrożne regulujące ilość przepływającego medium (np. wody).

    1
    R1GBNBgOCGPXe1
    Przykład regulacji instalacji z zasobnikiem ciepła.
    Źródło: Akademia Finansów i Biznesu Vistula Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

    Grafika przestawia schemat regulacji instalacji z zasobnikiem ciepła. Pierwszym elementem jest kolektor w postaci prostokątnego panelu położonego pod pewnym kątem w stosunku do linii dachu. Pod kolektorem umieszczony jest niewielki czujnik a pod nim regulator. Z kolektora  wyprowadzone są dwa przewody. Obydwa prowadzą do kotła parowego. Woda z jednego jest ogrzewana i przez turbiny prowadzi do zasilania. Poniżej znajduje się układ mieszania, z którego odprowadzana jest ciepła woda. W całej instalacji zastosowano zawory. Poniżej odprowadzenia znajduje się kanał zimnej wody, która powraca poprzez dolną część zbiornika i trafia do kolektora, aby ponownie pozyskać energię i powrócić do systemu.

    Powrót do spisu treściPowrót do spisu treści

    Powiązane ćwiczenia