Wstępna analiza potencjału zasobników energii typu UWCAES w Zatoce Gdańskiej

• Autorzy: Klonowicz P. , Witanowski Ł. , Jędrzejewski Ł. , Suchocki T. , Surwiło J. , Stępniak D.

Warianty tytułu

EN

Preliminary analysis of potential of UWCAES type energy storage system in the Gulf of Gdańsk

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W artykule przedstawiono wstępne oszacowanie potencjału technologii UWCAES (Underwater Compressed Air Energy Storage) w Zatoce Gdańskiej. Magazynowanie energii układach UWCAES polega na umieszczeniu zbiorników sprężonego powietrza na dnie głębokich zbiorników wodnych. Takie podejście pozwala znacznie zmniejszyć strukturalne obciążenie zbiorników sprężonego gazu, co jest podstawowym problemem w instalacjach naziemnych. Zbiorniki dla syste-mów UWCAES mogą mieć postać giętkich powłok (balonów), które zmieniają swoją objętość w zależności od poziomu napełnienia. W konsekwencji ciśnienie w balonach utrzymywane jest na stałym poziomie, a to jest korzystne z punktu widzenia urządzeń sprężających i rozprężających, ponieważ mogą pracować w swoich punktach projektowych. Głównymi wyzwaniami technologicznymi w układach UWCAES są: zakotwienie zbiorników (które są obciążone znaczną siłą wyporu) do dna oraz doprowadzenie i odbieranie z nich powietrza, co musi być zrealizowane za pomocą rurociągu. Niniejsza praca skupia się przede wszystkim na analizie energetycznej zasobników, natomiast szczegóły technologiczne pozostawia otwarte do dyskusji. Okazuje się, że stosując sprężanie adiabatyczne połączone z zasobnikami ciepła w postaci oleju termalnego, można uzyskać wysoką ogólną sprawność zasobników równą około 70%. W zaprezentowanym przykładzie rozważono zbiorniki zamieszczone na głębokości 70 m na dnie Zatoki Gdańskiej w odległości 7 km od brzegu, które byłyby w stanie zmagazynować około 460 kWh energii. Gęstość magazynowania energii dla tego przypadku wynosi 0,46 kilowatogodziny na metr sześcienny sprężonego powietrza. Gęstość ta jest ściśle powiązana z głębokością, a jej maksimum w Zatoce Gdańskiej wynosi około 1,3 kWh/m3. W przypadku głębszych zbiorników wodnych ta wartość mogłaby przekraczać nawet 10 kWh/m3.

EN

The paper presents preliminary estimations of UWCAES systems potential at the Gulf of Gdansk. The energy storage in UWCAES (Underwater Compressed Air Energy Storage) is based on placing compressed air tanks at the bottom of deep water reservoirs. Such approach allows one to reduce structural load of the compressed air tanks which is a funda-mental problem in the aboveground installations. The tanks for UWCAES systems can be made of flexible fabric (balloons) and can change their volume with respect to the filling level. As a consequence, the pressure in the balloons is kept constant which is favorable from the point of view of compression and expansion devices as they can operate at their design points. The main technological challenges of UWCAES are anchoring the tanks (which are subjected to a significant buoyancy) to the bottom as well as delivery and collection of the air which must be done through a pipeline. The presented work is fo-cused mainly on the energetic analysis of the storage leaving the technological details as open for further discussions. It turns out that by applying adiabatic compression process connected with heat storage in thermal oil it is possible to achieve a high round trip efficiency of up to 70%. In the presented case the tanks placed at the depth of 70 m and 7 km from the coast at the Gulf of Gdansk are considered. The tanks could store about 460 kWh of energy. The storage density for this case is 0.46 kilowatt-hours per cubic meter of compressed air. This density is strictly connected with the depth and its maximum for the Gulf of Gdansk could be about 1.3 kWh/m3. For deeper water reservoirs this density could even exceed 10 kWh/m3.

Słowa kluczowe

PL

magazynowanie energii; UWCAES; energetyka; odnawialne źródła energii

EN

energy storage; UWCAES; power engineering; renewable energy

• Wydawca: KAPRINT
• Czasopismo: Rynek Energii
• Rocznik: 2016
• Tom: Nr 3
• Strony: 100--107
• Opis fizyczny: Bibliogr. 32 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Klonowicz P.

• Zakład Turbin, Ośrodek Energetyki Cieplnej, Instytut Maszyn Przepływowych im. Roberta Szewalskiego PAN

autor

Witanowski Ł.

• Zakład Turbin, IMP PAN

autor

Jędrzejewski Ł.

• Zakład Turbin, IMP PAN

autor

Suchocki T.

• Zakład Turbin, IMP PAN

autor

Surwiło J.

• IMP PAN

autor

Stępniak D.

• Zakład Turbin, IMP PAN

Bibliografia

• [1] Luo X, Wang J, Dooner M, Clarke J.: Overview of current development in electrical energy storage technologies and the application potential in power system operation. Appl Energy 2014;137:511–36.
• [2] Power Engineering, PEi n.d. http://www.powerengineeringint.com/articles/print/volume-20/issue-5/features/strengthening-storage-solutions.html.
• [3] Commission IE. Electrical Energy Storage. n.d.
• [4] Li B, DeCarolis JF.: A techno-economic assessment of offshore wind coupled to offshore compressed air energy storage. Appl Energy 2015;155:315–22.
• [5] Salvini C.: Techno-Economic Analysis of Small Size Second Generation CAES System. Energy Procedia 2015;82:782–8. doi:10.1016/j.egypro.2015.11.812.
• [6] Iglesias A, Favrat D.: Innovative isothermal oil-free co-rotating scroll compressor–expander for energy storage with first expander tests. Energy Convers Manag 2014;85:565–72.
• [7] Wang Z, Ting DS-K, Carriveau R, Xiong W, Wang Z.: Design and thermodynamic analysis of a multi-level underwater compressed air energy storage system. J Energy Storage 2016.
• [8] Wolf D, Budt M.: LTA-CAES – A low-temperature approach to Adiabatic Compressed Air Energy Storage. Appl Energy 2014;125:158–64.
• [9] Hartmann N, Vöhringer O, Kruck C, Eltrop L.: Simulation and analysis of different adiabatic Compressed Air Energy Storage plant configurations. Appl Energy 2012;93:541–8.
• [10] Cheung BC, Carriveau R, Ting DSK.: Multi-objective optimization of an underwater compressed air energy storage system using genetic algorithm. Energy 2014;74:396–404.
• [11] Cheung BC, Carriveau R, Ting DS-K.: Parameters affecting scalable underwater compressed air energy storage. Appl Energy 2014;134:239–47.
• [12] RWE. Adele – Adiabatic Compressed-Air Energy Storage For Electricity Supply. 2010.
• [13] Kotowicz J, Jurczyk M.: Wyznaczanie sprawności diabatycznych instalacji CAES. Rynek Energii 2015;4(119):69–80.
• [14] MvBride T, Bell A, Kepshire D.: ICAES Innovation: FOAM-Based Heat Exchange. 2013.
• [15] Badyda K, Milewski J. Elektorwnie CAES - możliwości akumulacji energii oraz współpracy ze źródłami odnawialnymi. Instal 2010;2.
• [16] Kim YM, Shin DG, Favrat D.: Operating characteristics of constant-pressure compressed air energy storage (CAES) system combined with pumped hydro storage based on energy and exergy analysis. Energy 2011;36:6220–33.
• [17] Laing O, Laing J.: Energy storage for off peak electricity. US4873828 A, 1989.
• [18] Pimm AJ, Garvey SD, de Jong M.: Design and testing of Energy Bags for underwater compressed air energy storage. Energy 2014;66:496–508. doi:10.1016/j.energy.2013.12.010.
• [19] Hydrostor, (2016). http://www.hydrostor.ca/.
• [20] D. Keenedy, Canadian Manufacturing, (2015). http://www.canadianmanufacturing.com/technology/toronto-firm-launches-project-that-uses-giant-underwater-balloons-to-store-energy-157809/.
• [21] Akhil A, Huff G, Currier A, Kaun B, Rastler D, Bingqing S, et al.: DOE/EPRI 2013 Electricity Storage Handbook in Collaboration with NRECA. Albuquerque: 2013.
• [22] Seaflex n.d. http://www.seaflex.co.uk/marine-salvage/air-lift-bags-range.html.
• [23] Doowin-Dooflex n.d. http://www.doowin-dooflex.com/Products&Solutions/Open-Bottom-Air-Lift-Bags.html.
• [24] JW Automarine n.d. http://www.jwautomarine.co.uk/.
• [25] Roberson JA, Crowe CT.: Engineering Fluid Mechanics. Houghton Mifflin; 1990.
• [26] PN-76/M-34034. Rurociągi. Zasady obliczeń strat ciśnienia. Warszawa: Wydawnictwo Normalizacyjne; 1977.
• [27] Lemmon E, Huber M, McLinden M.: REFPROP. National Institute of Standards and Technology; 2010.
• [28] Lemmon EW. Thermodynamic Properties of Air and Mixtures of Nitrogen, Argon, and Oxygen From 60 to 2000 K at Pressures to 2000 MPa. J Phys Chem Ref Data 2000;29:331.
• [29] Seifert T, Tauber F, Kayser B.: A high resolution spherical grid topography of the Baltic Sea – 2nd edition. Balt. Sea Sci. Congr., Stockholm, Poster #147.
• [30] Therminol n.d. https://www.therminol.com/products/Therminol-66.
• [31] Solutia n.d. http://twt.mpei.ac.ru/TTHB/HEDH/HTF-66.PDF.
• [32] de Jong M.: Commercial Grid Scaling of Energy Bags for Underwater Compressed Air Energy Storage. Proc. 2014 Offshore Energy Storage Symp., Windsor, Ontario.