Zaměření vývoje koncepce technologie pro akumulaci elektřiny u decentrálních kogeneračních energetických zdrojů

Klíčová slova: akumulace elektřiny a tepla, tlakový vzduch, špičkový provoz, decentrální kogenerační energetický zdroj, vzduchový kompresor

Představení

Jak již bylo sděleno v úvodu, tento příspěvek již navazuje na předchozí článek Doc. Ing. Ladislava Vilimce, ve kterém byla nastíněna základní problematika akumulace energie a základní (konvenční) cesty, kterými jsou realizovány jednotlivé varianty jejich provedení v rámci již konkrétních aplikací.

V tomto příspěvku bychom se chtěli zaměřit již na jednu konkrétní skupinu technologií pro akumulaci energie, a sice na akumulaci energie do tlakového vzduchu a v rámci použití tohoto akumulačního média na konkrétní technologické zapojení tohoto systému a zvláště klíčové úseky této technologie, které hrají klíčovou roli v následné otázce posuzování efektivity této technologie. Na následujícím obrázku obr. 1 je znázorněno ilustrativní schéma technologie pro akumulaci elektřiny do tlakového vzduchu s vyznačením stěžejních úseků s již výše uvedenou energetickou dominancí.

Obr. 1 – Ilustrativní schéma technologie pro akumulaci elektřiny do tlakového vzduchu

Základní popis technologie

Námi předkládaná technologie pro akumulaci elektřiny u decentrálních energetických zdrojů tvoří celý komplex různých zařízení, které jsou na sebe úzce navázány a jejich efektivní souhra je nutnou podmínkou pro zajištění vysoké energetické efektivity funkce celkového komplexu této technologie.

Základními komponenty tohoto systému jsou tedy kogenerační jednotka (upravená dle požadavků navazující technologie), která je tvořena procesním kompresorem, spalovací komorou a spalovací turbínou a technologie pro akumulaci elektřiny, která je tvořena v prvé řadě základními prvky a to nabíjecím kompresorem a vzduchovým plynojemem a dále technologiemi, o nichž bude zmínka v následujících částech tohoto příspěvku.

Nabíjení

V této fázi bychom se chtěli věnovat první fázi akumulačního procesu a tím je proces nabíjení, který se sestává z několika dílčích operací.

Komprimace vzduchu

Prvním článkem v procesu nabíjení je proces komprimace vzduchu. Tento proces je ilustrativně znázorněn na následujícím obrázku obr. 2.

Obr. 2 – Ilustrativní schéma procesu komprimace vzduchu

Tento proces probíhá za použití standardní koncepce vícestupňového kompresoru, jehož účelem je dosažení požadovaného tlaku vzduchu o co možná nejnižší teplotě. Tohoto jevu je zde dosaženo pomocí instalovaných chladičů mezi jednotlivými stupni kompresoru, které mají za úkol odvést kompresní teplo ze vzdušiny. Tento klíčový úsek je prvním z řady těch, které hrají dominantní roli v zajištění vysoké výsledné efektivity celého akumulačního procesu. 

V rámci konvenčních koncepcí je toto teplo běžně odváděno ze systému a kromě omezených možností (dle možností primární technologie použití tepla pro vytápění, nebo technologické procesy) je bez účelu odváděno do okolí. Námi navrhovaná koncepce je založena na způsobu maximálního využití tohoto kompresního tepla a to nejen pro zpětnou dodávku tepelné energie, ale také pro poměrnou dodávku energie elektrické a to v době dodávky špičkové energie.

Dodávka vzduchu do plynojemu

Jedním z klíčových úseků je zde samotná dodávka vzduchu do plynojemu. Tento úsek je zobrazen na následujícím obrázku obr. 3.

Obr. 3 – Ilustrativní schéma procesu dodávky vzduchu do plynojemu

Vzhledem ke skutečnosti, že v rámci dané koncepce je plynojem uzavřená nádoba o konstantním objemu, která se střídavě plní tlakovým vzduchem, dochází zde také k odpovídající změně tlakových poměrů uvnitř tohoto plynojemu.

Tak abychom docílili konstantních teplotních poměrů za jednotlivými stupni kompresoru a tedy požadovaného efektu konstantní produkce kompresního tepla, jež byl popsán v předchozím bodu, je nutné dosažení konstantního tlaku kompresorem a to v rámci celého procesu nabíjení. Jako i v přechozím bodu, i zde se tento úsek stává klíčovým, a to z pohledu dosažení energeticky efektivního způsobu jeho provedení. Tohoto efektu lze docílit v prvé řadě standardními cestami, mezi něž lze zařadit instalaci různých koncepcí škrtících orgánů, které splní požadovanou funkci, jsou investičně nenáročné, je zde ovšem nutno počítat s jistou energetickou ztrátou, která se poté negativně projeví v celkové energetické bilanci.

V druhé řadě tady stojí další možnost a to v podobě možné instalace redukčního zařízení, které je sice investičně náročnější, tento efekt nabízí shodně jako předchozí koncepce, ovšem s výrazně nižšími energetickými ztrátami.

Vybíjení

Tento proces, stejně jako proces nabíjení v sobě taktéž skrývá určitou řadu dílčích procesů, jejichž provedení a to hlavně po stránce přeměn energií má stěžejní vliv na celkovou 4energetickou bilanci. Hlavním úkolem tohoto procesu je zde uvolňování naakumulovaného vzduchu z plynojemu, který zde byl uskladněn o definovaném tlaku, do základního (primárního) procesu a to definovaným průtokem této vzdušiny o definované teplotě. Stejně jako v přechozích případech bude způsob zajištění těchto parametrů hrát klíčovou roli v otázce energetické efektivnosti celkového akumulačního procesu.

Zajištění konstantního průtoku vzduchu

Podle počátečních předpokladů této technologie, které vzešly z úvodních úvah o její celkové koncepci, výsledků základních matematických simulací a investičních odhadů, bylo stanoveno, že vzduch bude v plynojemu uskladněn při tlaku vyšším, než je tlak v základní technologii kogenerační jednotky. Na základě této skutečnosti tedy zde nyní vyvstává fakt zvládnutí regulace průtoku vzduchu do této primární technologie a zajištění tak její správné funkce. Tento úsek v rámci celkového procesu je znázorněn na následujícím obrázku obr. 4.

Obr. 4 – Ilustrativní schéma procesu dodávky vzduchu KGJ (špičkový provoz)

Úkol lze opět řešit dvěma různými směry. V prvé řadě se zde nabízí možnost využití konvenční cesty, která je založena na aplikaci standardních potrubních prvků (škrtících armatur), které budou tento úkol za zcela nízkých investičních nákladů vykonávat. Opět se zde ovšem potýkáme s nízkou energetickou efektivností, která bude hrát opět svou negativní roli v celkové energetické bilanci. Tuto záležitost lze tedy řešit i jinak. Naprosto adekvátní variantou by zde bylo využití obdobné koncepce, která již byla použita v rámci již podobného (reverzního) procesu a tedy procesu nabíjení. Je jím instalace redukčního zařízení (namísto redukčního ventilu), který vykonává stejnou funkci, jako již zmiňovaný redukční ventil, ovšem s mnohem vyšším podílem navrácené energie, konkrétně energie elektrické. Je to sice varianta nákladnější, ale působí svým pozitivním vlivem taktéž pozitivně na celkovou energetickou bilanci.

Zajištění požadované teploty vzduchu

Jak již bylo v minulé kapitole sděleno, jedním z podstatných parametrů, který je nutno dosáhnout v uvolňovaném vzduchu z plynojemu při vybíjecím procesu je jeho teplota. Tohoto parametru lze opět dosáhnout dvěma způsoby. Buď lze využít konvenční cesty a tedy dosažení požadované teploty zvýšením spotřeby fosilních paliv (v tomto případě zemního plynu), což je opět řešení investičně poměrně nenáročné, ale z pohledu energetické bilance se zde opět jedná o negativní prvek, protože zvyšuje spotřebu paliva a to navíc v době dodávky špičkové energie.

Tak jako v předchozích případech se zde ovšem nabízí i alternativní řešení a tedy řešení pomocí předem připravených a naakumulovaných zdrojů tepla, které se zde mohou využít jako vhodné médium pro předehřev vzduchu na požadovanou teplotu. Z pohledu vyšší komplikovanosti se tato technologie může jevit jako investičně náročnější v porovnání s konvenční variantou, ale opět jako v přechozích případech zde stojí tato alternativa v pozici pozitivního prvku z pohledu celkové energetické bilance této technologie pro akumulaci elektřiny.

Další směr vývoje

Výše uvedené varianty, u nichž byla snaha, o co nejvyšší stupeň rekuperací jednotlivých druhů energie v rámci akumulace a následného špičkového provozu byly založeny na předem stanovené koncepci použití kogenerační jednotky na bází spalovací turbíny. Tato koncepce energetického zdroje v sobě přináší různá specifika, která jsou ovšem silně závislá na aktuálních podmínkách použití a bývají značně limitována specifickými podmínkami, které jsou vyžadovány pro jejich provoz.

Proto byla vytvořena alternativní koncepce této technologie, u níž je primární energetický zdroj ve formě kotle na spalování fosilních paliv i alternativních paliv (včetně pevných), ke kterému je opět připojena technologie pro akumulaci elektřiny a to ve svém specifickém zapojení pro provoz v součinnosti s tímto typem primárního energetického zdroje. Tato technologie a její základní koncepce je v současnosti pouze v úrovni základních návrhových výpočtů, proto se jí již v současnosti nebudeme zabývat.

Další alternativou, teď ovšem z jiného pohledu, je možnost specifické modifikace některých již výše zmiňovaných prvků, které jsou základními kameny celé akumulační technologie. Řeč je zde o vzduchovém akumulátoru. V rámci výše popisované koncepce byla tato součást vnímána jako uměle vytvořený tlakový zásobník o specifikovaném objemu, který je umístěn v rámci celkového komplexu technologie a který plní svou funkci dle výše zmíněného popisu.

Na základě specifických podmínek, zvláště daných lokalitou aplikace, lze ovšem jako zásobníky plynu využít i jiná uložiště. Řeč je zde o podzemních zásobnících a zvláště zde o zásobnících, které jsou tvořeny vytěženými důlními ložisky, které nabízejí mnoho možností jejich využití a v mnoha případech i modifikací základního procesu, které opět povedou k vyšší energetické efektivitě celkového procesu akumulace. V současné době jsou tyto varianty ve formě prvotních úvah a jsou sestavovány základní koncepce dané technologie v této variantě.

Závěr

Jak již bylo řečeno v úvodu, tento článek navazuje na předchozí teoretickou část Doc., Ing. Ladislava Vilimce, a konkretizuje tuto problematiku na úzkou část akumulace elektřiny s využitím tlakového vzduchu. Na základě úvodního (specifického) konceptu této technologie zde byly představeny dílčí procesy a úseky této technologie, jejichž provedení má nemalý vliv na celkovou energetickou bilanci a zcela jistě budou hrát dominantní úlohu v rámci posuzování energetické efektivnosti celkového komplexu této akumulační energie.

Jako doplňková část zde byly uvedeny alternativní varianty provedení buď celkové technologie, nebo jejích specifických komponent, které v souhrnu značným způsobem rozšiřují jejich variabilitu použití a tedy aplikovatelnost v rámci specifických podmínek konkrétní realizace.

Surveying the development of a technological concept for accumulating electricity in decentralized co-generation energy sources.
This contribution follows up a previous one made by Doc. Ing. Ladislav Vilimce at the 2017 Boilers and Power Equipment Conference entitled “The accumulation of electricity in decentralized energy sources” and conceives it in the particular form of the possible development of an electricity accumulation unit, namely from the perspective of presenting both the basic technology and the core parts that make up that technology. The key sections that affect the operation of this technology and their mutual coordination in the framework of the overall solution will be discussed here.

Keywords: accumulation of heat and electricity, compressed air, peak traffic, decentralized co-generating energy source, air compressor.

Autoři

• Doc. Ing. Vilimec Ladislav
• Ing. Konvička Jaroslav Ph.D.
• Ing. Maier Miloš