PL245891B1 - System izobarycznych zbiorników na dwutlenek węgla dla systemów magazynowania energii - Google Patents

Abstract

System izobarycznych zbiorników na dwutlenek węgla charakteryzuje się tym, że zbudowany jest z jednego zbiornika niskiego ciśnienia (1) oraz co najmniej jednego zbiornika wysokiego ciśnienia (2), przy czym zbiornik niskiego ciśnienia (1) stanowi elastyczna membrana (3) z zamocowanymi osiowosymetrycznie, w stałych względem siebie odległościach pierścieniami wzmacniającymi (4), wyposażona w dach (5) podwieszony na konstrukcji nośnej (6) przytwierdzonej do gruntu fundamentem (7) i zawierająca ruchome dno (8), które łącznie tworzą zamkniętą, cylindryczną objętość magazynową, wyposażony w przyłącze rurociągu niskiego ciśnienia (9), natomiast zbiornik wysokiego ciśnienia (2), stanowiący jednostronnie zamknięty cylindryczny płaszcz (10) z osadzonym wewnątrz tłokiem (11) połączonym na sztywno przez zastosowanie tłoczyska (12) z ruchomym dnem (8), gdzie kierunki osi symetrii zbiorników gazowych niskiego ciśnienia (1) i wysokiego ciśnienia (2) oraz tłoczyska (12) mają usytuowanie pionowe, wyposażony dodatkowo w przyłącze rurociągu wysokiego ciśnienia (13), znajduje się w studni (14) umieszczonej pod zbiornikiem niskiego ciśnienia (1).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest system izobarycznych zbiorników na dwutlenek węgla, mający zastosowanie w ramach systemów magazynowania energii, gdzie jako nośnik energii stosowany jest dwutlenek węgla, podlegający w cyklu pracy systemu zarówno procesowi sprężania, realizowanemu w sprężarce gazu, jak i procesowi rozprężania, realizowanemu w ekspanderze gazu.

Systemy magazynowania energii wykorzystywane są dla bilansowania systemów elektroenergetycznych, w których występują okresowe nadprodukcje energii elektrycznej względem zapotrzebowania oraz okresowe spadki potencjału źródeł wytwórczych, a w tym głównie potencjału niestabilnych odnawialnych źródeł energii (turbiny wiatrowe, systemy solarne). Przedmiot wynalazku jest rozwiązaniem przewidzianym dla systemów magazynowania energii w sprężonym dwutlenku węgla, które klasyfikowane są w grupie systemów wykorzystujących metody mechaniczne.

Wynalazek jest przewidziany dla wykorzystania w ramach indywidualnych systemów magazynowania energii, w których prócz przedmiotowego systemu zbiorników wyodrębnić można zespół sprężarki, zespół ekspandera, wymienniki ciepła oraz opcjonalnie zasobniki ciepła, lub jako element rozproszonej struktury systemu zbiorników, które pracują na wspólne kolektory niskiego oraz wysokiego ciśnienia, odpowiednio obsługujące centralizowane zespoły maszynowe systemów magazynowania energii. Systemy magazynowania energii w sprężonym dwutlenku węgla są alternatywą wobec bardziej rozpowszechnionych systemów magazynowania energii w sprężonym powietrzu.

W odróżnieniu od systemów magazynowania energii w sprężonym powietrzu systemy te wymagają organizacji dwóch objętości magazynowych dla gazu stanowiącego nośnik energii, szczelnie odseparowanych od powietrza atmosferycznego, przy czym w jednej objętości magazynuje się gaz wysokociśnieniowy, natomiast w drugiej gaz niskociśnieniowy. W cyklu pracy, na etapie ładowania systemu, dwutlenek węgla jest sprężany w zespole sprężarki, który zasilany jest energią elektryczną przewidzianą do zmagazynowania, natomiast na etapie rozładowywania systemu gaz jest rozprężany w zespole ekspandera, który umożliwia generację energii elektrycznej wprowadzanej z powrotem do sieci elektroenergetycznej. Dla zmniejszenia wymaganej objętości zbiorników wysokiego ciśnienia oraz z uwagi na ograniczoną termowytrzymałość stosowanych w ich konstrukcjach materiałów, dwutlenek węgla po procesie sprężania jest chłodzony do temperatury 30-50°C. Ciepło może być rozpraszane w otoczeniu lub magazynowane w zasobniku ciepła. Na etapie rozładowywania dwutlenek węgla przed wprowadzeniem do ekspandera jest podgrzewany, co ma miejsce na drodze wykorzystania zewnętrznego źródła ciepła (w przypadku systemów diabatycznych) lub ciepła procesu sprężania, wcześniej zmagazynowanego w zasobniku (w przypadku systemów adiabatycznych). Zbiorniki na dwutlenek węgla są elementami w strukturze systemów magazynowania, najczęściej determinującymi wysokie koszty, z uwagi na wymaganą wytrzymałość (przy stosowaniu wysokiego ciśnienia magazynowania) lub wymaganą dużą objętość (przy stosowaniu niskiego ciśnienia magazynowania). Jako zbiorniki wykorzystywane mogą być podziemne struktury geologiczne (kawerny solne, komory skalne, warstwy wodonośne, wyrobiska pokopalniane) lub zbiorniki naziemne. Przedmiot wynalazku stanowi naziemną konstrukcję hybrydową, zapewniającą możliwość magazynowania wysoko- oraz niskociśnieniowego dwutlenku węgla.

W literaturze przedmiotu prezentowane są głównie rozwiązania zbiorników wysokiego oraz niskiego ciśnienia, przewidziane dla wykorzystania w systemach magazynowania energii w sprężonym dwutlenku węgla, w których gaz utrzymywany jest zawsze przy ciśnieniu nadkrytycznym (ponad 7,38 MPa). Takie rozwiązanie pozwala na utrzymywanie CO2, w pełnym cyklu pracy systemu, przy stosunkowo wysokiej gęstości, co istotnie redukuje objętość zbiorników, jaka wymagana jest dla zmagazynowania określonej ilości nośnika energii, oraz ogranicza gabaryty stosowanych sprężarek i ekspanderów. Niedogodnością rozwiązania jest stosunkowo krótka ścieżka sprężania oraz rozprężania dwutlenku węgla, co powoduje, iż wartości jednostkowych wskaźników pracy, określane zarówno dla procesu sprężania, jak i procesu rozprężania, są stosunkowo niskie (decyduje o tym odpowiednio niski przyrost entalpii właściwej CO2 w procesie sprężania oraz niski spadek entalpii właściwej CO2 w procesie ekspansji). W literaturze przedmiotu proponuje się stosowanie zarówno zbiorników o stałej objętości, gdzie zmianie ilości dwutlenku węgla towarzyszy, zgodnie z równaniem stanu dla gazu, zmiana ciśnienia, jak również zbiorników izobarycznych, gdzie stałe ciśnienie jest gwarantowane, niezależnie od ilości zgromadzonego gazu, przez zmianę dostępnej dla gazu objętości zbiornika. Zmiana objętości dostępnej dla gazu może mieć miejsce na drodze działania tłoka, membrany lub objętości wody wprowadzanej do zbiornika z wykorzystaniem pompowania lub działania ciśnienia hydrostatycznego, wynikającego z wysokiego słupa wody, co zapewnia usytuowanie zbiornika np. na dnie zbiornika wodnego lub w głębokim wyrobisku, do którego woda wprowadzana jest rurociągiem ze zbiornika umieszczonego na powierzchni gruntu. Wykorzystywanie zbiorników nieizobarycznych wymusza stosowanie zaworów dławiących, które zapewnić mogą stałe (lub zmienne w niewielkim zakresie) ciśnienie dwutlenku węgla na wlocie do maszyn, tj. odpowiednio do sprężarki, w przypadku nieizobarycznego zbiornika niskiego ciśnienia oraz do ekspandera, w przypadku nieizobarycznego zbiornika wysokiego ciśnienia. Proces dławienia decyduje o wysokich, względnych stratach energii, co przekłada się na spadek sprawności procesu magazynowania energii w systemie. Wykorzystanie zbiorników izobarycznych wysokiego oraz niskiego ciśnienia umożliwia pracę maszyn w punkcie nominalnego obciążenia, co jest korzystne z punktu widzenia ich efektywności.

Firma Energydome oferuje rozwiązania systemów magazynowania energii w sprężonym dwutlenku węgla, gdzie gaz po etapie rozprężania magazynuje się przy ciśnieniu atmosferycznym. W tym celu stosuje się zbiorniki kopułowe z wykorzystaniem membrany elastycznej, która dzięki działaniu na nią naporu od ciśnienia powietrza atmosferycznego pozwala na zachowanie stałego ciśnienia dwutlenku węgla, niezależnie od stopnia wypełnienia zbiornika gazem. Proponowana konstrukcja zbiornika niskiego ciśnienia jest znana z aplikacji, jakie stosuje się dla magazynowania biogazów, na przykład pochodzenia fermentacyjnego. Niedogodnością systemów oferowanych przez firmę Energydome jest brak rozwiązania zapewniającego stałe ciśnienie w zbiornikach wysokiego ciśnienia.

Dla magazynowania gazów przy niewielkim nadciśnieniu stosuje się zbiorniki z ruchomym dachem. Nadciśnienie w zbiorniku utrzymywane może być tutaj przez działanie siły naporu gazu na dach cylindrycznego płaszcza, który połączony jest teleskopowo i szczelnie, dzięki wodzie zgromadzonej w korycie pierścieniowym zabudowanym na zewnątrz, na dolnej krawędzi tego płaszcza, z płaszczem cylindrycznym o większej średnicy, który podobnie może być połączony z płaszczem o jeszcze większej średnicy. W takim systemie płaszcz o największej średnicy jest nieruchomy i umieszczony w basenie z wodą.

Dla zapewnienia stałego ciśnienia magazynowania gazu w objętości zbiorników wysokiego ciśnienia stosować można konstrukcje właściwe dla hydroakumulatorów, w których na gaz zamknięty w szczelnej objętości, z odpowiednio dobieraną siłą, działa tłok lub membrana. W takich rozwiązaniach tłok lub membrana oddziela objętość gazową od objętości wodnej, która zmieniana jest na drodze wykorzystania układu pompowego. Niedogodnością rozwiązań jest potrzeba zastosowania układu pompowego oraz potrzeba ponoszenia wydatku energii na pracę tego układu.

Zagadnieniem technicznym wymagającym rozwiązania jest zapewnienie utrzymywania stałego ciśnienia dwutlenku węgla, bez ponoszenia do tego celu nakładów energetycznych, zarówno w zbiorniku wysokiego, jak i zbiorniku niskiego ciśnienia, które stanowią elementy systemu magazynowania energii elektrycznej, gdzie na etapie ładowania energia elektryczna podlega konwersji do energii potencjalnej gazu wysokociśnieniowego, co ma miejsce dzięki zastosowaniu zespołu sprężarki gazu, i na etapie rozładowywania ponownie konwersji do energii elektrycznej, co ma miejsce na drodze wykorzystania zespołu ekspandera gazowego.

Cel ten osiągnięto na drodze zastosowania co najmniej dwóch zbiorników cylindrycznych, przy czym jeden jest izobarycznym zbiornikiem niskiego ciśnienia, z kolei pozostałe są izobarycznymi zbiornikami wysokiego ciśnienia. We wszystkich zbiornikach, niezależnie od ilości zgromadzonego gazu, stałe ciśnienie utrzymywane jest dzięki zmienianej objętości magazynowej zbiorników, co ma miejsce na drodze dopasowania wysokości cylindrów stanowiących ich efektywną objętość, na drodze wyrównania sił, jakie w skutek naporu od ciśnienia zgromadzonego gazu działają na ruchome elementy, tj. ruchome dno w przypadku zbiornika niskiego ciśnienia oraz tłoki w przypadku zbiorników wysokiego ciśnienia. Siły działające zarówno na ruchome dno zbiornika niskiego ciśnienia, jak i na tłoki zbiorników wysokiego ciśnienia mają te same kierunki, ale przeciwne zwroty. Siły te równoważą się wzajemnie dzięki zastosowaniu tłoczysk, na sztywno łączących dno ruchome zbiornika niskiego ciśnienia z tłokami zbiorników wysokiego ciśnienia. Ciśnienia magazynowania dwutlenku węgla w zbiorniku niskiego ciśnienia oraz zbiorniku wysokiego ciśnienia są dobierane na etapie projektowania systemu i decydują o stosunku powierzchni ruchomego dna zbiornika niskiego ciśnienia oraz łącznej powierzchni tłoków zbiorników wysokiego ciśnienia, na które działają siły naporu gazów zgromadzonych w zbiornikach.

System izobarycznych zbiorników na dwutlenek węgla charakteryzuje się tym, że zbudowany jest z jednego zbiornika niskiego ciśnienia oraz co najmniej jednego zbiornika wysokiego ciśnienia, przy czym zbiornik niskiego ciśnienia stanowi elastyczna membrana z zamocowanymi osiowosymetrycznie, w stałych względem siebie odległościach pierścieniami wzmacniającymi, wyposażona w dach podwieszony na konstrukcji nośnej przytwierdzonej do gruntu fundamentem i zawierająca ruchome dno, które łącznie tworzą zamkniętą, cylindryczną objętość magazynową, wyposażony w przyłącze rurociągu niskiego ciśnienia, natomiast zbiornik wysokiego ciśnienia, stanowiący jednostronnie zamknięty cylindryczny płaszcz z osadzonym wewnątrz tłokiem połączonym na sztywno przez zastosowanie tłoczyska z ruchomym dnem, gdzie kierunki osi symetrii zbiorników gazowych niskiego ciśnienia i wysokiego ciśnienia oraz tłoczyska mają usytuowanie pionowe, wyposażony dodatkowo w przyłącze rurociągu wysokiego ciśnienia, znajduje się w studni umieszczonej pod zbiornikiem niskiego ciśnienia.

Korzystnie system magazynowania energii według wynalazku ma na konstrukcji nośnej zamontowane prowadnice pierścieni do przemieszczania w kierunku pionowym cięgien przymocowanych do pierścieni wzmacniających.

Wynalazek został przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym Fig. 1 oraz Fig.2 przedstawiają przekroje pionowe przez system zbiorników, odpowiednio w stanie całkowitego wypełnienia zbiornika niskiego ciśnienia, oraz całkowitego wypełnienia pięciu zbiorników wysokiego ciśnienia, a Fig.3 przedstawia przekrój poprzeczny przez system.

W systemie zbiorników według wynalazku możliwe jest izobaryczne magazynowanie gazów w trakcie pełnego cyklu pracy systemu magazynowania energii, gdzie jako nośnik energii wykorzystuje się sprężony dwutlenek węgla. Taka cecha systemu zbiorników daje możliwość prowadzenia pracy systemu magazynowania energii bez potrzeby wykorzystywania zaworów dławiących, których stosowanie, w układach bez zbiorników izobarycznych, jest na ogół konieczne z uwagi na potrzebę zasilania zarówno sprężarki, jak i ekspandera gazem o stałym ciśnieniu lub ciśnieniu zmieniającym się w niewielkim zakresie. Takie dławienie gazu prowadzi zawsze do dyssypacji energii, wpływającej na obniżenie sprawności procesu magazynowania energii. Podczas pracy systemu magazynowania energii, na etapie ładowania, gaz zgromadzony w zbiorniku niskiego ciśnienia (przy niewielkim nadciśnieniu względem ciśnienia atmosferycznego), jest transportowany dzięki pracy sprężarki dwutlenku węgla do zbiorników wysokiego ciśnienia, gdzie gaz utrzymywany jest przy ciśnieniu rzędu 10-30 MPa, przy czym przed wprowadzeniem do objętości zbiorników jest chłodzony, najkorzystniej, do temperatury bliskiej temperaturze otoczenia zbiorników. Na etapie rozładowywania systemu magazynowania energii dwutlenek węgla opuszcza zbiorniki wysokiego ciśnienia (2), następnie kierowany jest do wymiennika ciepła, gdzie podgrzewa się, po czym kierowany jest do ekspandera. Po wykonaniu pracy w ekspanderze dwutlenek węgla kierowany jest do zbiornika niskiego ciśnienia (1). Przed wprowadzeniem gazu do zbiornika dwutlenek węgla jest chłodzony, najkorzystniej, do temperatury bliskiej temperaturze otoczenia. W dowolnym rozpatrywanym czasie pracy systemu magazynowania energii zmiana ilości dwutlenku węgla zgromadzonego w zbiorniku niskiego ciśnienia (1) jest równa zmianie ilości dwutlenku węgla zgromadzonego w zbiornikach wysokiego ciśnienia (2). Utrzymywanie stałego ciśnienia w zbiornikach, przy zmieniającej się ilości gazów, jest możliwe dzięki zmianie objętości magazynowej tych zbiorników, przy czym względnej zmianie ilości dwutlenku węgla w każdym zbiorniku towarzyszyć musi taka sama względna zmiana jego objętości magazynowej. Zmiana objętości w obu zbiornikach prowadzona jest na drodze zmiany usytuowania elementów ruchomych, tj. dna ruchomego (8) w przypadku zbiornika niskiego ciśnienia oraz tłoków (11) w przypadku zbiorników wysokiego ciśnienia. Sztywne połączenie dna ruchomego (8) z tłokami (11), przez zastosowanie tłoczysk (12), decyduje o tym, że względnej zmianie ilości dwutlenku węgla zgromadzonego w zbiornikach towarzyszy takie same względne przemieszczenie elementów ruchomych w osiach zbiorników.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest samoregulacja ciśnień magazynowania dwutlenku węgla w zbiornikach oraz brak potrzeby wydatku energii dla realizacji takiej regulacji. Dla zapewnienia oczekiwanego stosunku ciśnień magazynowania dwutlenku węgla w zbiorniku wysokiego ciśnienia (2) oraz zbiorniku niskiego ciśnienia (1) wymagane jest zastosowanie odpowiednio tego samego stosunku powierzchni dna ruchomego oddziaływującego na gaz w zbiorniku niskiego ciśnienia oraz sumy powierzchni tłoków oddziaływujących na gaz w zbiornikach wysokiego ciśnienia.

Niewielkie zmiany ciśnienia w zbiornikach wynikają w cyklu rocznym oraz cyklu dobowym z okresowych zmian temperatury dwutlenku węgla, co może być następstwem zmian temperatury otoczenia oraz zmian natężenia promieniowania słonecznego. Korzystna jest w przypadku zbiorników wysokiego ciśnienia ich zabudowa w studniach, gdzie otoczenie zbiorników charakteryzuje się mniejszą zmiennością temperatury i brakiem promieniowania słonecznego. W przypadku zbiornika niskiego ciśnienia korzystne jest zastosowanie materiału membrany zapewniającej wysoką szczelność dla dwutlenku węgla o powierzchni refleksyjnej dla promieniowania słonecznego, co ograniczy stopień absorpcji promieniowania i w konsekwencji tego ograniczy podgrzew zgromadzonego w zbiorniku dwutlenku węgla. Korzystne może być stosowanie materiału mocowanego do konstrukcji systemu, który będzie absorbował promieniowanie słoneczne, nim to trafi na materiał membrany. Dla zniwelowania wpływu zmian temperatury otoczenia występujących w cyklu rocznym korzystne jest, aby zmieniać ilość gazu zgromadzonego w systemie na drodze wykorzystania zewnętrznego buforu (butli) dwutlenku węgla. Korzystne jest takie zlokalizowanie mocowań tłoczysk z dnem ruchomym, które pozwolą na ustalenie symetrycznego i możliwie najbardziej jednorodnego rozkładu naprężeń mechanicznych w dnie ruchomym zbiornika niskiego ciśnienia. Korzystne jest takie zamontowanie zbiorników wysokiego ciśnienia w studniach, które umożliwi przeprowadzanie operacji ich wyciągania na powierzchnię, celem przeprowadzania przeglądów oraz zabiegów konserwacyjnych. Korzystne jest wykonanie studni do zabudowy zbiorników wysokiego ciśnienia w monoblokach, stanowiących zarazem stopy fundamentowe dla konstrukcji nośnej zbiornika niskiego ciśnienia. Taka konstrukcja zapewni brak oddziaływania sumy sil wynikających z naporu wysokociśnieniowego oraz niskociśnieniowego dwutlenku węgla, w systemie zbiorników przenoszonych odpowiednio na studnie oraz konstrukcję nośną, na grant, na którym posadowiona jest konstrukcja, co mogłoby być ryzykowne z punktu widzenia stabilności fundamentu konstrukcji. Dopuszcza się magazynowanie w zbiornikach systemu innych gazów, pod warunkiem braku takich właściwości tych gazów, które mogłyby działać w sposób degradacyjny na materiały, z których wykonane są elementy systemu.

Claims (2)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. System izobarycznych zbiorników na dwutlenek węgla znamienny tym, że zbudowany jest z jednego zbiornika niskiego ciśnienia (1) oraz co najmniej jednego zbiornika wysokiego ciśnienia (2), przy czym zbiornik niskiego ciśnienia (1) stanowi elastyczna membrana (3) z zamocowanymi osiowosymetrycznie, w stałych względem siebie odległościach pierścieniami wzmacniającymi (4), wyposażona w dach (5) podwieszony na konstrukcji nośnej (6) przytwierdzonej do grantu fundamentem (7) i zawierająca ruchome dno (8), które łącznie tworzą zamkniętą, cylindryczną objętość magazynową, wyposażony w przyłącze rurociągu niskiego ciśnienia (9), natomiast zbiornik wysokiego ciśnienia (2), stanowiący jednostronnie zamknięty cylindryczny płaszcz (10) z osadzonym wewnątrz tłokiem (11) połączonym na sztywno przez zastosowanie tłoczyska (12) z ruchomym dnem (8), gdzie kierunki osi symetrii zbiorników gazowych niskiego ciśnienia (1) i wysokiego ciśnienia (2) oraz tłoczyska (12) mają usytuowanie pionowe, wyposażony dodatkowo w przyłącze rurociągu wysokiego ciśnienia (13), znajduje się w studni (14) umieszczonej pod zbiornikiem niskiego ciśnienia (1).
2. 2. System magazynowania energii według zastrz. 1 znamienny tym, że na konstrukcji nośnej (6) zamontowane są prowadnice pierścieni (15) do przemieszczania w kierunku pionowym cięgien (16) przymocowanych do pierścieni wzmacniających (4).