TEMAT NUMERU
Kierunek – nowoczesne technologie • • • •
magazynowanie energii energetyka jądrowa inteligentne ciepłownictwo ogniwa paliwowe
Niebezpieczna i toksyczna > 17
Inteligentne ciepło > 24
W rytmie miasta > 46
Temat numeru: Nowoczesne technologie 8 OZE w systemie i co dalej? Paweł Mirek, Wojciech Nowak 14 Nie każdy rezultat będzie produktem wywiad z Aleksandrem Sobolewskim, dyrektorem IChPW w Zabrzu 17 Niebezpieczna i toksyczna Tomasz Chmielniak, Edyta Misztal, Izabela Mazurek 24 Inteligentne ciepło Krzysztof Wojdyga, Maciej Chorzelski 30 W oczekiwaniu na prototyp Andrzej Strupczewski
8 OZE w systemie i co dalej?
Fot. www.photogenica.pl
SPIS TREŚCI
Paweł Mirek, Wojciech Nowak
36 Energia z ogniwa paliwowego Daniel Węcel
Ciepłownictwo 42 Ciepło na 20 lat Aldona Senczkowska-Soroka
54 Emisyjne obowiązki Katarzyna Mędraś 58 Co ze służebnością przesyłu? Aldona Senczkowska-Soroka, Ewelina Niwerzoł
wywiad z Aleksandrem Sobolewskim
14
Rynek energii 62 Naśladowcy wywiad z prof. Janem Popczykiem
Ochrona środowiska 66 Energia odzyskana wywiad z Ryszardem Langerem, prezesem zarządu KHK S.A. oraz MPWiK S.A. w Krakowie 70 Bezawaryjna droga Paweł Regucki, Artur Andruszkiewicz, Wiesław Wędrychowicz, Barbara Engler, Piotr Synowiec 76 13 lat starań, 45 lat dłużej Aldona Senczkowska-Soroka, Sabina Szewczyk
Utrzymanie ruchu 78 STOP hałasowi Antoni Tarnogrodzki, Andrzej Szummer 81 Wiedza – Przyszłość – Technologia Piotr Bera
fot.: Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu
46 W rytmie miasta Zygmunt Katolik, Dariusz Tomaszewski
Nie każdy rezultat będzie produktem
Wbili łopaty w Turowie Aldona Senczkowska-Soroka
84
fot.: PGE S.A.
44 Wybraliśmy kogenerację na gazie wywiad z Mirosławem Elickim, dyrektorem technicznym MEC Piła
Z życia branży 84 Wbili łopaty w Turowie Aldona Senczkowska-Soroka 86 Co piszczy w ciepłownictwie Aldona Senczkowska-Soroka, Ewelina Niwerzoł
Felieton 90 Trudne pytania czy trudne na nie odpowiedzi? Jerzy Łaskawiec
3
od redakcji Wydawca: „BMP bis” spółka z ograniczoną odpowiedzialnością spółka komandytowa KRS: 0000406244, REGON: 242 812 437 NIP: 639-20-03-478 ul. Morcinka 35 47-400 Racibórz tel./fax (032) 415-97-74 tel.: (032) 415-29-21, (032) 415-97-93 energetyka@e-bmp.pl www.kierunekenergetyka.pl
Aldona Senczkowska-Soroka redaktor wydania tel. 32/415 97 74 wew. 20 tel. kom. 792 809 881 e-mail: aldona.soroka@e-bmp.pl
(Po)nowocześni Naukowcy nie są zgodni co do tego, czy żyjemy jeszcze w epoce geologicznej zwanej holocenem, czy może już w antropocenie – epoce, w której to człowiek najsilniej wpływa na funkcjonowanie procesów przyrodniczych, w tym szybkie wyczerpywanie się paliw kopalnych. Termin ten zaproponował Paul Crutzen, laureat Nagrody Nobla, pracownik Instytutu Oceanografii im. Scrippsa. Nowoczesność jest już przeszłością, mamy zatem ponowoczesność… Przyzwyczajeni (choć wiadomo, że nikt ich nie lubi) do ciągłych zmian, prześcigamy się w odkrywaniu coraz to nowszych technologii. Również w energetyce, czemu poświęcamy sporo miejsca w tym numerze. Trudno mówić o nowoczesnych technologiach bez współpracy nauki i przemysłu, o czym opowiada Aleksander Sobolewski, dyrektor IChPW w Zabrzu: – Możemy znaleźć przykłady dobrej współpracy, złej, a także jej zupełnego braku. Przemysł także powinien do tej współpracy dojrzeć. Na razie jest nieprzygotowany, musi zrozumieć, że nie ma innowacyjności bez ryzyka. Przed branżą energetyczną stoi dzisiaj wiele wyzwań, jednym z nich jest dekarbonizacja technologii energetycznych wynikająca z pakietu energetyczno-klimatycznego. Istotną rolę odgrywać ma zwiększenie udziału odnawialnych źródeł energii (OZE): „To duże wyzwanie dla systemu energetycznego, w którym kluczową rolę odegrają układy magazynowania energii” – czytamy w artykule na s. 8. Prof. Andrzej Strupczewski pisze o małych reaktorach modułowych SMR, których pierwszych prototypów należy się spodziewać na koniec 2021 roku. Z kolei znaczenie ogniw paliwowych dla energetyki przedstawia w swoim tekście dr inż. Daniel Węcel z Politechniki Śląskiej. Nowoczesne technologie muszą być przede wszystkim inteligentne – o inteligentnym ciepłownictwie piszą prof. Wojciech Wojdyga oraz dr inż. Maciej Chorzelski. O tym, co czeka energetykę w perspektywie roku 2050 opowiada prof. Jan Popczyk: – Będzie to zdecydowanie energetyka prosumencka, z partycypacją prosumencką, czyli trochę kupuję, ale dużo robię sam, na własne potrzeby. Niech się więc rozwijają coraz to nowocześniejsze technologie dla energetyki, bo jak powiedział Thomas Edison: „Naszą największą słabością jest poddawanie się. Najpewniejszą drogą do sukcesu jest próbowanie po prostu, jeden, następny raz”. Trzymajmy zatem kciuki za naukowców i ich pomysły służące przemysłowi.
Rada Programowa: prof. Jan Popczyk – przewodniczący, Politechnika Śląska prof. Andrzej Błaszczyk – Politechnika Łódzka Wiesław Chmielowicz – prezes ECO Opole SA dr hab. inż. Maria Jędrusik – prof. nadzw. Politechniki Wrocławskiej Mieczysław Kobylarz – dyrektor GDF SUEZ Energia Polska S.A. prof. Stanisław Mańkowski – Politechnika Warszawska Katarzyna Muszkat – prezes zarządu ZE PAK SA dr inż. Mariusz Pawlak – Politechnika Warszawska Waldemar Szulc – wiceprezes zarządu PGE Górnictwo i Energetyka Konwencjonalna SA PGE Elektrownia Bełchatów S.A. prof. dr hab. inż. Artur Wilczyński – Politechnika Wrocławska Adam Witek – prezes zarządu „Energetyka” sp. z o.o. Grupa Kapitałowa KGHM Polska Miedź S.A. prof. nadzw. dr hab. inż. Krzysztof Wojdyga – Politechnika Warszawska prof. Jacek Zimny – Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie
Prezes zarządu BMP’ Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością Sp. k. Adam Grzeszczuk Redaktor naczelny Przemysław Płonka Redakcja Joanna Jaśkowska, Aldona Senczkowska-Soroka Redakcja techniczna: Maciej Rowiński, Marek Fichna Prenumerata, kolportaż Aneta Jaroszewicz Sprzedaż: Beata Fas, Magda Kozicka, Ewa Zygmunt, Jolanta Mikołajec, Małgorzata Pozimska
Druk: FISCHER POLIGRAFIA Cena 1 egzemplarza – 25,00 zł Wpłaty kierować należy na konto: Bank Spółdzielczy w Raciborzu Nr konta: 40 8475 0006 2001 0014 6825 0001 Prenumerata krajowa: Zamówienia na prenumeratę instytucjonalną przyjmuje firma Kolporter Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością S.K.A.. Informacje pod numerem infolinii 0801 40 40 44 lub na stronie internetowej http://dp.kolporter.com.pl/
Magazyn kierowany jest do prezesów, dyr. ds. technicznych i głównych specjalistów (mechaników, automatyków, energetyków) reprezentujących branżę energetyczną, organizatorów targów, sympozjów, imprez branżowych, urzędów, ministerstw, instytutów, wyższych uczelni oraz biur projektowych. Redakcja nie odpowiada za treść reklam. Niniejsze wydanie jest wersją pierwotną czasopisma Wykorzystywanie materiałów i publikowanie reklam opracowanych przez wydawcę wyłącznie za zgodą redakcji. Redakcja zastrzega sobie prawo do opracowywania nadesłanych tekstów oraz dokonywania ich skrótów, możliwości zmiany tytułów, wyróżnień i podkreśleń w tekstach. Artykułów niezamówionych redakcja nie zwraca. Fot. BMP’. Fot na okładce: photogenica.
4
ECiZ 4/2015
zdjęcie numeru
Fot. BMP
zdjęcie numeru
KAMIEŃ WĘGIELNY 22 maja wmurowano kamień węgielny pod budowę nowej elektrociepłowni Grupy Azoty ZAK S.A. oraz symbolicznie rozpoczęto budowę nowej instalacji do produkcji płynnych nawozów saletrzano-mocznikowych RSM. Nowa elektrociepłownia będzie produkować 25 MW energii elektrycznej i 140 Mg/h megawatów energii termicznej. Głównym wykonawcą I etapu jest RAFAKO S.A.
ECiZ 4/2015
5
z portalu kierunekenergetyka.pl Ogrzewanie największym pożeraczem energii
GPZ Kasztanowa zasili klientów KSSE
Z badania opinii publicznej „Energooszczędność w moim domu 2015” wynika, że ponad połowa Polaków nadal nie wie, że najwięcej energii w ich domach pochłania ogrzewanie. Fot. freeimages.com
W przeprowadzonym w kwietniu 2015 r. sondażu opinii publicznej „Energooszczędność w moim d o mu ” 4 6 % re spondentów stwierdziło, że najwięcej energii w ich domach pochłania zasilanie urządzeń elektrycznych. Tylko 24% badanych wskazało na ogrzewanie pomieszczeń. W rzeczywistości na ogrzewanie zużywamy ponad 70% energii pobieranej na potrzeby funkcjonowania gospodarstw domowych. Takie wyniki niepokoją, gdyż rośnie zagrożenie związane z nadmierną emisją dwutlenku węgla oraz wyczerpywaniem się nieodnawialnych źródeł energii. Badanie opinii publicznej „Energooszczędność w moim domu 2015” zrealizowano w ramach kampanii edukacyjnej, prowadzonej z inicjatywy firm z branży budownictwa zrównoważonego: NSG Group, OSRAM, ROCKWOOL i VELUX. Źródło: www.energooszczednoscwmoimdomu.pl
Wiecha na chłodni kominowej w Kozienicach Chłodnia kominowa w Kozienicach osiągnęła docelową wysokość 185,1 metra. To największa chłodnia w Europie. Budowa płaszcza chłodni rozpoczęła się w marcu 2014 roku. Jednym z pierwszych etapów było wykonanie podparcia płaszcza w postaci prefabrykowanych 44 słupów i zwieńczonych 44 belek. Następnie rozpoczął się montaż systemu wspinającego oraz żurawia wieżowego, którego docelowa wysokość osiągnęła 191,5 m pod hak. Po zainstalowaniu tych elementów, można było ruszyć z budową płaszcza chłodni. Wykonanie całej powłoki konstrukcji podzielono na 147 cykli roboczych po ok. 1,2 m. Na zewnętrznej stronie płaszcza chłodni ukształtowano 64 pionowe żebra wiatrowe o wymiarach 8 x 6 cm, które mają kierować przepływami mas powietrza wokół chłodni. To bardzo ważne rozwiązanie, bo silny wiatr mógłby zagrażać stateczności konstrukcji. Dodatkowo ukształtowano kolejne 64 pionowe żebra prowadzące dla systemu wspinającego. Źródło i fot.: Polimex-Mostostal
6
ECiZ 4/2015
Zasilana kablami o mocy 110 kV, sterowana zdalnie, z nowoczesnymi zabezpieczeniami cyfrowymi – tym wyróżnia się nowo otwarta stacja elektroenergetyczna GPZ „Kasztanowa”. Inwestycja gliwickiego oddziału TAURON Dystrybucja zasili przedsiębiorców Gliwickiej Podstrefy KSSE. Inwestycja o wartości 16,5 mln zł stworzyła warunki techniczne do zasilania firmy NGK Ceramics Polska oraz pozwoli na przyłączanie do sieci inwestorów, którzy mają w tym rejonie do dyspozycji 40 hektarów katowickiej strefy. Budowa Głównego Punktu Zasilania 110/20 kV Kasztanowa rozpoczęła się w kwietniu 2012 r. Włączono go do sieci dwoma liniami kablowymi o długości 750 m każda. Źródło i fot.: TAURON Polska Energia
Polsko-japońska umowa o współpracy w zakresie rozwoju inteligentnych sieci Polskie Sieci Elektroenergetyczne, Energa Operator S.A., Energa Wytwarzanie S.A. oraz Hitachi, Ltd. podpisały umowę o współpracy w zakresie rozwoju inteligentnych sieci w Polsce. Umowa dotyczy przeprowadzenia studium wykonalności dla realizacji projektu, który ma zwiększyć bezpieczeństwo polskiego systemu elektroenergetycznego. Zakres projektu obejmuje budowę dedykowanego systemu automatyki wraz z bateryjnym magazynem energii elektrycznej, który pozwoli m.in. na lepsze wykorzystanie źródeł odnawialnych o niestabilnym charakterze pracy. Zakres projektu demonstracyjnego zakłada stworzenie narzędzia do ograniczania skutków awarii i przeciążeń w sieci z wykorzystaniem m.in. automatycznego zaniżania mocy wybranych farm wiatrowych oraz magazynu energii elektrycznej. Źródło i fot. PSE
zdjęcie numeru z portalu kierunekenergetyka.pl
MPEC Tarnów modernizuje system ciepłowniczy
Elektrownie cieplne – co nas czeka w najbliższym czasie?
Trwa ostatni etap realizacji innowacyjnego projektu modernizacji systemu ciepłowniczego w Tarnowie. Zakończenie realizacji planowane jest na ostatni kwartał tego roku.
Ponad 230 ekspertów sektora wytwarzania energii i przedstawicieli świata nauki debatowało w Słoku niedaleko Bełchatowa o nowych elektrowniach systemowych oraz potrzebach dostosowania energetyki do wymogów ochrony środowiska.
Projekt realizowany jest przez MPEC Tarnów od 2010 roku. Zmodernizowano już m.in. Magistralę Wschodnią Tarnowa, węzły i sieci ciepłownicze na osiedlu przyfabrycznym w Tarnowie-Mościcach oraz sieci ciepłownicze na Osiedlu Zielonym i Osiedlu Legionów H. Dąbrowskiego. Łącznie w ramach projektu MPEC Tarnów zmodernizuje 17,6 km sieci oraz 272 węzły cieplne, a metropolitalna sieć światłowodowa Tarnowa wydłuży się o 37,4 km. Całkowita wartość projektu to 54 833 397,53 złotych, kwota współfinansowana przez Unię Europejską ze środków Funduszu Spójności w ramach Programu Infrastruktura i Środowisko wynosi 30 868 488,38 złotych. Źródło i fot.: MPEC Tarnów
27-29 maja odbyła się 12. Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna Elektrownie Cieplne. Eksploatacja – Modernizacje – Remonty. Trzydniowe obrady poświęcone były problemom sektora wytwarzania energii ze szczególnym uwzględnieniem dużych elektrowni cieplnych. – Konferencja odbywa się w czasach niezmiernie ciekawych dla energetyki – ocenia Marek Ciapała, dyrektor PGE GiEK SA Oddział Elektrownia Bełchatów, gospodarza konferencji. – Szczególnie interesujące jest dla nas dziś to, co dzieje się w otoczeniu prawnym energetyki. Dajemy sobie dziś szansę na dyskusje w gronie osób zarówno reprezentujących ośrodki naukowe, jak i firmy elektroenergetyczne, ale też i samych energetyków, którzy zastanawiają się nad rozwiązywaniem problemów, które mogą nas dotknąć w najbliższym czasie. Podczas konferencji dyskutowano o problemach eksploatacyjnych, zagadnieniach elektrycznych, mechanicznych, cieplnych, systemowych i innych – adekwatnie do specyfiki pracy elektrowni cieplnych. Organizatorami konferencji, od pierwszej jej edycji są: Koło Stowarzyszenia Elektryków Polskich działające przy bełchatowskiej elektrowni, Instytut Elektroenergetyki Politechniki Łódzkiej i Elektrownia Bełchatów. Źródło i fot.: PGE GiEK Reklama
Zamów prenumeratę Bądź na bieżąco Zapraszam do kontaktu,
Aneta Jaroszewicz
koordynator ds. prenumeraty e-mail: aneta.jaroszewicz@e-bmp.pl tel.: 32/415 97 74 wew. 23 www.kierunekenergetyka.pl
Po szczegóły wejdź na lub zeskanuj kod
TEMAT NUMERU: Nowoczesne technologie
OZE w systemie i co dalej? Potencjał i ewolucja układów magazynowania energii cz. 1 dr hab. inż. Paweł Mirek
prof. w Politechnice Częstochowskiej
prof. dr hab. inż. Wojciech Nowak Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie
Jednym z głównych zadań wynikających z pakietu energetyczno-klimatycznego jest dekarbonizacja technologii energetycznych. Zadanie to planuje się wykonać poprzez zwiększenie udziału odnawialnych źródeł energii (OZE) w technologiach produkcji ciepła i elektryczności, który w roku 2050 powinien stanowić 57% globalnego zapotrzebowania na energię (przy udziale energii z wiatru i słońca na poziomie 15%). To duże wyzwanie dla systemu energetycznego, w którym kluczową rolę odegrają układy magazynowania energii.
P
rzewiduje się, że w nowoczesnych systemach energetycznych podstawowymi źródłami zasilania będą farmy wiatrowe, panele fotowoltaiczne, kolektory słoneczne, elektrownie opalane biomasą, ogniwa paliwowe, elektrownie wodne, a także elektrociepłownie wyposażone w turbiny gazowe oraz hybrydowe układy zasilania. Niestety, zastąpienie paliw kopalnych źródłami odnawialnymi stanowi ogromne wyzwanie dla całego systemu energetycznego. Wynika to z dużego rozproszenia tego typu źródeł oraz stochastycznej natury wiatru i insolacji, które powodują dużą zmienność dostaw elektryczności do sieci. Z tego względu, w nowoczesnych systemach energetycznych kluczową rolę odgrywać będą układy magazynowania energii (UME), które pozwalają skutecznie stabilizować nierównomierną charakterystykę dostaw prądu do sieci, jak również zapewniać ciągłość jego dostawy w chwilach podwyższonego zapotrzebowania [2,3,4]. Pierwotnie ich zadaniem było efektywne deponowanie energii w okresach jej nadprodukcji lub zmniejszonego zapotrzebowania. Obecnie, zakres potencjalnych zastosowań UME jest znacznie szerszy,
8
ECiZ 4/2015
a ich zadania wynikają z poziomu, na którym układy te zostają zintegrowane z systemem energetycznym i obejmują m.in.: • poprawę efektywności wykorzystania zasobów energetycznych, • zwiększenie wykorzystania źródeł odnawialnych o zmiennej charakterystyce dostaw energii, • zwiększenie dostępu do samodzielnych systemów energetycznych (np. systemów fotowoltaicznych), • poprawę stabilności i niezawodności sieci energetycznych, • zwiększenie elektryfikacji sektora odbiorców energii (np. poprzez rozwój elektryfikacji transportu). Zainteresowanie UME wynika nie tylko z konieczności realizacji polityki „20-20-20” [7], ale przede wszystkim z prognozowanego wzrostu zapotrzebowania na elektryczność, które w roku 2050 szacowane jest na poziomie 39% [8]. W tym czasie całkowita produkcja energii elektrycznej będzie oparta w większości na źródłach odnawialnych zintegrowanych z magazynami
„
energii. Jednak o tym, która z technologii magazynowania okaże się najbardziej odpowiednia, zadecydują czynniki techniczne i ekonomiczne, wśród których najczęściej wymienia się: dojrzałość techniczną, wydajność, moc znamionową, sprawność, dostępność, okres zwrotu oraz koszty inwestycyjne i eksploatacyjne. Celem artykułu jest przegląd rozwijanych obecnie UME, ze szczególnym uwzględnieniem technologii, które mają szansę na wdrożenie w sektorze energetyki zawodowej.
Konwersja elektryczności Terminem „magazynowanie energii” określa się proces konwersji elektryczności pochodzącej z ciągłych (źródła konwencjonalne) lub nieciągłych (OZE) źródeł wytwarzania do postaci, która pozwala na jej ponowną transformację w elektryczność. Pierwszy etap tego procesu realizowany jest w okresie niskiego popytu na elektryczność, któremu odpowiada zazwyczaj najniższy
fot.: photogenica.pl
TEMAT NUMERU: Nowoczesne technologie koszt jej wytwarzania. W drugim etapie następuje wykorzystanie zmagazynowanej energii, która dostarczana jest do sieci w okresie największego zapotrzebowania, wysokiej ceny lub braku innych dostępnych źródeł (rys. 1).
Spośród wszystkich dostępnych technologii magazynowania energii, najbardziej rozpowszechniona jest technologia spiętrzania wody w elektrowniach szczytowo-pompowych (PSH)
Każdy układ magazynowania energii tworzą trzy podstawowe komponenty: • zbiornik energii, • układ przetwarzania, • układy peryferyjne.
ZBIORNIK ENERGII Pod pojęciem „zbiornik energii” rozumie się urządzenie, w którym przechowywane mogą być różne jej formy, m.in.: energia mechaniczna, chemiczna lub elektryczna. Zadaniem układów przetwarzania jest konwersja energii z jednej postaci w inną lub konwersja prądu przemiennego na stały i odwrotnie
ECiZ 4/2015
9
TEMAT NUMERU: Nowoczesne technologie • rodzaju przetwarzanej energii, • procesu fizycznego potrzebnego do transformacji energii, • procesu chemicznego potrzebnego do transformacji energii (tab. 1). Spośród wszystkich dostępnych technologii magazynowania energii, najbardziej rozpowszechniona jest technologia spiętrzania wody w elektrowniach szczytowo-pompowych (PSH). Jej udział w globalnej mocy czerpanej ze źródeł magazynowania stanowi aż 99% (rys. 2). Technologia ta dominuje także w całkowitej mocy zakontraktowanych projektów do roku 2020, która wynosi 7,08GW mocy znamionowej. RYS. 1 Zapotrzebowanie na elektryczność w ciągu doby
Najbardziej użyteczne technologie
Ogólnie rzecz biorąc, pod pojęciem „zbiornik energii” rozumie się urządzenie, w którym przechowywane mogą być różne jej formy, m.in.: energia mechaniczna, chemiczna lub elektryczna. Zadaniem układów przetwarzania jest konwersja energii z jednej postaci w inną lub konwersja prądu przemiennego na stały i odwrotnie. Dobór i opracowanie układu przetwarzania dla określonego systemu magazynowania energii stanowi od 33 do 50% całkowitych kosztów realizacji gotowego projektu [2]. W większości przypadków od sprawności tego układu zależy całkowita sprawność całego systemu magazynowania. W skład układów peryferyjnych wchodzą urządzenia, których zadaniem jest sprawowanie kontroli nad środowiskiem pracy systemów magazynowania oraz zapewnienie połączeń elektrycznych z siecią energetyczną. Na obecnym etapie rozwoju istnieje kilkanaście technologii magazynowania energii, które próbuje się klasyfikować według różnych kryteriów, w tym m.in.: TAB. 1 Klasyfikacja technologii magazynowania energii
Technologia
Mechaniczne
Elektryczne
Chemiczne
Termiczne
10
ECiZ 4/2015
Koło zamachowe Elektrownie szczytowo-pompowe Sprężone powietrze Nadprzewodnikowy zasobnik energii Kondensatory dwuwarstwowe Elektroliza i utlenianie wodoru Baterie konwencjonalne i płynne Stopione sole Przemiana fazowa Gorąca woda
Z punktu widzenia integracji ze źródłami odnawialnymi, najbardziej użyteczna jest klasyfikacja UME przedstawiona na rys. 3, gdzie podstawowym parametrem jest czas rozładowania magazynu przy zachowaniu mocy znamionowej układu. Jak wynika z zaprezentowanych danych, układami o najwyższych pojemnościach zapewniającymi jednocześnie najdłuższe okresy dostaw energii są źródła mechaniczne (PSH oraz CAES). Natomiast źródłami o najkrótszych czasach rozładowania charakteryzującymi się najwyższą sprawnością przetwarzania energii są źródła elektryczne. Źródła chemiczne zapewniają wysokie moce znamionowe swoich układów, pozwalając na dostawę elektryczności w czasie od kilku sekund do kilku godzin, a nawet dni [5,6,10]. Źródła te, a w szczególności baterie sodowo-siarkowe (NaS) oraz płynne, mogą w niedługim czasie stanowić silną alternatywę dla technologii PSH oraz CAES. Spośród źródeł mechanicznych na szczególną uwagę zasługuje technologia koła zamachowego, w której sprawność przetwarzania energii dochodzi do 95% [9].
Oznaczenie anglojęzyczne FES – Flywheel Energy Storage
Rodzaj przekształcanej energii Energia kinetyczna
PSH – Pumped-storage hydroelectricity Energia potencjalna (wysokości) CAES – Compressed Air Energy Storage Energia potencjalna (ciśnienia) SMES – Superconducting Magnetic Energia pola elektromagnetycznego Energy Storage EDLC – Electric Double Layer Energia pola elektrostatycznego Capacitors, SC – Supercapacitors HES – Hydrogen Energy Storage
Chemiczna (bez jonizacji)
NiCd, NiMh, Li, NaS, RFB – Redox Flow Batteries, ICB – Iron Chromium Batteries, VRB – Vanadium Redox Flow Elektrochemiczna (z jonizacją) Batteries, ZNBR – Zinc-Bromine Flow Batteries MSES – Molten Salt Energy Storage Ciepło przemiany fazowej PCM – Phase Change Material Storage Ciepło
TEMAT NUMERU: Nowoczesne technologie W tabeli 2 pokazano zestawienie najważniejszych technologii magazynowania energii, uwzględniając m.in.: miejsce integracji technologii z konwencjonalnym systemem energetycznym, sprawność przetwarzania, a także koszty inwestycyjne [6].
Koszty inwestycyjne mogą się różnić Jak wynika z przedstawionych danych, najniższe koszty inwestycyjne wśród technologii, w których wyjściową formą energii jest elektryczność mają technologie FES, SMES oraz SC. Niestety, technologie te są na obecnym etapie rozwoju w fazie badań lub instalacji demonstracyjnych. W przypadku technologii, w których wyjściową formą energii jest ciepło, sytuacja jest odmienna. Wiele z nich jest na etapie komercjalizacji (UTES, Pit storage, magazyno-
wanie ciepła w zimnej wodzie) i może być integrowane z istniejącym systemem energetycznym zarówno na poziomie źródeł wytwarzania, jak i odbiorcy końcowego. Na szczególną uwagę zasługuje tutaj technologia Pit storage. W projekcie sieci ciepłowniczej Marstal ciepło pozyskane z wykorzystaniem próżniowych kolektorów słonecznych o mocy 12,8 MWt magazynowane jest w zbiorniku podziemnym o kubaturze 14 000m3 i dostarczane następnie do 1420 odbiorców.
Miejsce integracji Koszty Sprawność z systemem inwestycyjne (%) energetycznym (USD/kW)
Technologia
Wyjściowa postać energii
PSH
elektryczność
źródło wytwarzania
50-85
500-4600
CAES
elektryczność
źródło wytwarzania
27-70
500-1500
Baterie
elektryczność
źródło wytwarzania, odbiorcy końcowi
75-95
300-3500
Chemicznowodorowa
elektryczność
źródło wytwarzania, odbiorcy końcowi
22-50
500-750
FES
elektryczność
SC
elektryczność
SMES
elektryczność
UTES (podziemne magazynowanie energii) Pit storage (płytkie podziemne magazynowanie energii) Magazynowanie ciepła w stopionych solach Technologie termochemiczne (TCS) Magazynowanie ciepła w lodzie Magazynowanie ciepła w zimnej wodzie
RYS. 2 Globalna produkcja elektryczności z układów magazynowania energii (MW) [9]. LABAT (ang. Lead-acid batteries) – Akumulatory kwasowo-ołowiowe. Pozostałe oznaczenia, jak w tab. 1
Przykładowy projekt Okinawa Yanbaru Seawater PSH (Japonia), Projekt Goldisthal (niemcy) Huntorf (Niemcy) McIntosh (Alabama, USA) Baterie NAS (Presidio, Texas, USA; Projekt Rokkasho Futamata, Japonia), Li-Ion (AES Laurel Mountain, USA) Projekt Utsira Hydrogen (Norwegia), Energy Complementary Systems H2Herten (Niemcy)
przesył i dystrybucja przesył i dystrybucja przesył i dystrybucja
90-95
130-500
Projekt PJM (USA)
90-95
130-510
Hybrid Electric Vehicles (faza R&D)
90-95
130-510
D-MES (USA)
ciepło
źródło wytwarzania
50-90
3400-4500
Drake Landing Solar Community (Kanada)
ciepło
źródło wytwarzania
50-90
100-300
Sieć ciepłownicza Marstal (Dania)
ciepło
źródło wytwarzania
40-93
400-700
Gemasolar CSP Plant (Hiszpania)
ciepło
źródło wytwarzania, odbiorcy końcowi
80-99
1000-3000
Technologia w fazie R&D
ciepło
odbiorcy końcowi
75-90
6000-15000
ciepło
odbiorcy końcowi
50-90
300-600
Uniwersytet Denki (Tokyo, Japonia) Międzynarodowy port lotniczy Shanghai Pudong (Chiny)
TAB. 2 Technologie magazynowania energii: stan obecny oraz miejsce integracji z istniejącym systemem energetycznym [6]
ECiZ 4/2015
11
TEMAT NUMERU: Nowoczesne technologie dziesięcioletnią tradycję, a także technologii baterii litowych i kwasowo-ołowiowych. W fazie demonstracyjnej wciąż pozostają technologie baterii płynnych, SC, SMES, FES – dużej prędkości oraz adiabatycznego magazynowania energii w sprężonym powietrzu (ACAES). Natomiast na etapie badań i rozwoju pozostają wciąż technologie termochemiczne, wodorowe oraz oparte na naturalnym gazie syntetycznym.
[1]
RYS. 3 Porównanie różnych technologii magazynowania energii na podstawie mocy znamionowej oraz całkowitego czasu rozładowania [9]
RYS. 4 Koszty inwestycyjne i ryzyko technologii a poziom dojrzałości technicznej
12
ECiZ 4/2015
Duże zróżnicowanie technologii magazynowania energii charakteryzujących się szerokim zakresem sprawności, jak i kosztów inwestycyjnych rodzi pytanie dotyczące gotowości ich komercyjnego wykorzystania. Na rys. 4 pokazano zestawienie rozwijanych obecnie technologii magazynowania energii pogrupowanych według kryterium poziomu dojrzałości technicznej [6,11]. Jak wynika z rys. 4, technologią o największej dojrzałości technicznej jest technologia PSH. Ten sposób magazynowania energii ma najdłuższą tradycję i charakteryzuje się najmniejszym ryzykiem technicznym. Zauważyć także należy, że w grupie technologii o największym poziomie dojrzałości znaczący udział mają te, których wyjściową postacią energii jest ciepło. W obszarze wdrażania zgrupowane zostały technologie, które wykorzystywane są komercyjnie, ale na niewielką skalę. Dotyczy to zwłaszcza technologii CAES, która w przypadku elektrowni Huntorf ma już kilku-
Literatura
European energy storage technology development roadmap towards 2030. European Association for Storage of Energy, European Energy Research Alliance. Editor Deborah Martens, 2014. [2] Hussein I, Ilinca A., Techno-Economic Analysis of Different Energy Storage Technologies, Rozdział 1 w książce „Energy Storage – Technologies and Applications", Edited by Ahmed Faheem Zobaa, InTech, 2013, str. 1-40. [3] Bindner H., Power Control for Wind Turbines in Weak Grids, The summary of EU Project JOR3-CT95-0067, Risø-R-1117(EN), Risø National Lab, Roskilde 1999. [4] Ruddell A. J., Schoennenbeck G. S., Jones R., Bleijs J. A. M., Power converters flywheel energy storage systems, Final Report of EU Project No JOR3-CT95-0070, 1998. [5] Doetsch, C., S. Berthold, D. Wolf, T. Smolinka, J. Tübke, P. Bretschneider and P. Radgen: Electrical energy storage from 100 kW – state of the art technologies, realisations, fields of use, Second International Renewable Energy Storage Conference (IRES II), Bonn, Germany, 2007, str. 34. [6] Technology Roadmap – Energy Storage, Report of International Energy Agency 2014. [7] http://ec.europa.eu/clima/policies/package/index_ en.htm [8] Energy roadmap 2050’ (COM(2011) 885 final of 15 December 2011) – http://ec.europa.eu/energy/energy2020/ roadmap/index_en.htm [9] IEA analysis and EPRI (Electric Power Research Institute) (2010), „Electrical Energy Storage Technology Options”, Report, EPRI, Palo Alto, California. [10] Wolf D., Methods for design and application of adiabatic compressed air energy storage based on dynamic modeling, PhD Thesis, Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik, 2011. [11] „Electricity storage”, Factbook, Schlumberger Business Consulting Energy Institute.