9. ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

Transcript

1 9. ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Η αποθήκευση ενέργειας είναι, με τον ένα ή τον άλλο τρόπο, μέρος όλων των γεγονότων και της φύσης και των διεργασιών, που προκαλεί ο άνθρωπος. Υπάρχουν ποικίλα είδη συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας (ΣΑΕ), που μερικά περιέχουν τεράστια ποσά ενέργειας και άλλα πολύ μικρά. Μερικά είναι μέρος των διεργασιών μεταφοράς ενέργειας και άλλα είναι μέρος των συστημάτων μεταφοράς πληροφοριών. Οι παράμετροι κλειδιά, που πρέπει να θεωρούνται, όταν εξετάζονται τα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας είναι: το ποσό της ενέργειας, που πρέπει να αποθηκευτεί (πυκνότητα ενέργειας), η χρονική διάρκεια της αποθήκευσης Ένας ταλαντωτής υψηλών συχνοτήτων μεταφέρει ένα μικρό ποσό ενέργειας περιοδικά από ένα μαγνητικό σ ένα ηλεκτρικό πεδίο, και αντίστροφα, με διάρκεια αποθήκευσης σε κάθε πεδίο κλάσματα μsec. Σε μία μονωμένη δεξαμενή ζεστού νερού ηλιακής θέρμανσης το ενεργειακό περιεχόμενο είναι μεγάλο και η διάρκεια αποθήκευσης μπορεί να είναι αρκετοί μήνες. Η μπαταρία ενός βηματοδότη ισχύος της τάξης μόνο των mw πρέπει να διαρκεί 5-10 έτη. Και μία μονάδα αποθήκευσης ενέργειας για το Ηλεκτρικό Σύστημα πρέπει να δίνει αμέσως ισχύ της τάξης των εκατοντάδων MW και αυτό για λίγες ώρες. Από τη σκοπιά της Ενεργειακής Οικονομίας το ενδιαφέρον εστιάζεται κυρίως στην αποθήκευση μεγάλης κλίμακας, δηλαδή αποθήκευσης σε συστήματα μεταφοράς ενέργειας. Ιστορικά, το πρόβλημα της αποθήκευσης ενέργειας λύθηκε με διάφορους τρόπους, όπως το στοίβαγμα ξύλων ή η κατασκευή φραγμάτων για τη λειτουργία νεροτροχών. Όμως η καλύτερη μορφή αποθηκευμένης ενέργειας είναι τα ορυκτά καύσιμα. Τα ορυκτά καύσιμα, πετρέλαιο, φυσικό αέριο και κάρβουνο, εκτός του ότι είναι οι κύριες πηγές πρωτογενούς ενέργειας, αποτελούν και την καλύτερη μορφή αποθηκευμένης ενέργειας. Η αποθήκευσή τους είναι εύκολη, ιδίως των πετρελαιοειδών, και ο χρόνος αποθήκευσης απλώς εξαρτάται από το πότε θα χρειαστεί να καταναλωθούν. Από την άλλη πλευρά οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας δεν έχουν μια σταθερή παροχή ενέργειας και ούτε μπορούν να αποθηκευτούν άμεσα. ΑΠΘ - 1.

2 Έτσι απαιτούν δευτερογενή αποθηκευτικά συστήματα. Η εξαντλησιμότητα του πετρελαίου και το έντονο ενδιαφέρον για περιορισμό της ατμοσφαιρικής ρύπανσης καθιστούν αναγκαία την πιο αποδοτική χρήση των υπαρχόντων, εξαντλήσιμων ορυκτών καυσίμων και διεύρυνση της χρήσης των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Παράλληλα απαιτούν οικονομική και αποδοτική αποθήκευση ενέργειας με ευκαμψία στην λειτουργία και στην εγκατάσταση. Στα πλαίσια αυτά η ανάπτυξη των συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας έχει αποκτήσει αυξανόμενο ενδιαφέρον. Πίνακας ΑΠΘ-1: Κατηγορίες Αποθήκευσης Ενέργειας Α. Πρωταρχική αποθήκευση ενέργειας (φυσική) Ορυκτά καύσιμα (κάρβουνο, πετρέλαιο, φυσικό αέριο) Βιομάζα, κτλ Β. Αποθήκευση ενέργειας από τον άνθρωπο (τεχνητή) Μέθοδος 1. Αποθήκευση θερμότητας (αισθητής, λανθάνουσας) Συστήματα θερμό νερό, θερμά στερεά αλλαγή φάσης 2. Αποθήκευση χημικής ενέργειας καυσόξυλα (βιομάζα) συνθετικά καύσιμα υδρογόνο συσσωρευτές κυψέλες καυσίμου (fuel cells) 3. Αποθήκευση μηχανικής ενέργειας δυναμική ενέργεια κινητική ενέργεια 4. Αποθήκευση ηλεκτρικής και μαγνητικής ενέργειας νερό σε φράγμα ελατήρια συμπιεσμένα αέρια σφόνδυλοι ηλεκτρικό πεδίο μαγνητικό πεδίο υπεραγώγιμα πηνία Η διαθεσιμότητα κατάλληλων συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας θα έχει ευνοϊκή επίδραση σε ζητήματα, όπως: Ρύθμιση του φορτίου των Ηλεκτρικών Σταθμών, για βελτίωση των συντελεστών φορτίου, μείωση της ρύπανσης σε κατοικημένες περιοχές και για καλύτερη χρήση διαθέσιμων μονάδων παραγωγής και καυσίμων. Αποθήκευση για συστήματα συνδυασμένου κύκλου παραγωγής ισχύος/θερμότητας. για βελτίωση της συνολικής απόδοσης μέσω βελτιστοποίησης της κατανομής ισχύος και θερμότητας ανεξάρτητα από τις απαιτήσεις φορτιου. Αποθήκευση για ηλεκτρικά οχήματα, για αντικατάσταση του πετρελαίου μακροπρόθεσμα, μείωση ρύπανσης της ατμόσφαιρας σε αστικές περιοχές. ΑΠΘ - 2.

3 Χρήση όλων των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, για μετατόπιση του βάρους από τα ορυκτά καύσιμα και βελτίωση των συνθηκών του περιβάλλοντος. Αποθήκευση για παροχή ισχύος σε εφαρμογές που δεν επιτρέπεται να διακοπούν, για βελτίωση της αξιοπιστίας στον εφοδιασμό κρίσιμων εφαρμογών, όπως νοσοκομίων, υπολογιστικών κέντρων, κτλ. Αποθήκευση για εγκαταστάσεις σε απομακρυσμένες περιοχές. όπως τηλεπικοινωνιακοί ή/και μετεωρολογικοί σταθμοί. Αποθήκευση για βιομηχανικές κινητές μονάδες παραγωγής ισχύος. για παροχή καλύτερων συνθηκών εργασίας, ειδικά σε απομονωμένες περιοχές, όπως ορυχεία, αντλιοστάσια, κτλ. Το μεγάλο εύρος δυνατών εφαρμογών για συστήματα αποθήκευσης ενέργειας είναι απίθανο να ικανοποιηθεί με μία μέθοδο. Σε σχέση με τα τεχνικά και τα λειτουργικά χαρακτηριστικά των συσκευών και συστημάτων αποθήκευσης διακρίνουμε δύο ομάδες εφαρμογών. Αυτές είναι είτε ακίνητες (στατικές) εφαρμογές είτε κινητές (μεταφερόμενες). Η επιλογή της μεθόδου αποθήκευσης εξαρτάται από πολλούς παράγοντες. Μερικοί από τους πιο ουσιαστικούς είναι: το χρονικό διάστημα, για το οποίο απαιτείται η αποθήκευση, η ποσότητα της ενέργειας, που απαιτείται να αποθηκευτεί, η μορφή της ενέργειας, που χρειάζεται να αποθηκευτεί, η ποικιλία των ρυθμών κατανάλωσης. Ιδιαίτερα πρέπει να σημειωθεί ότι η αποθήκευση ενέργειας μπορεί να γίνεται στην μορφή, που ήταν αρχικά διαθέσιμη ή να απαιτεί μετατροπή σε άλλες μορφές. ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ Η θερμική ενέργεια μπορεί να αποθηκευτεί ως αισθητή θερμότητα (αλλαγή θερμοκρασίας) λανθάνουσα θερμότητα (ισόθερμη αλλαγή φάσης) με συνδυασμό αυτών των δύο Τα συστήματα αποθήκευσης θερμικής ενέργειας συνήθως περιλαμβάνουν: Μέσο αποθήκευσης Δοχείο/δεξαμενή αποθήκευσης Μόνωση Εναλλάκτες θερμότητας Ρευστό για τη μεταφορά της θερμότητας Αντλίες Συστήματα ελέγχου και έχουν β.α. = output input = input input waste ΑΠΘ - 3.

4 Αποθήκευση αισθητής θερμότητας Αισθητή θερμότητα αποθηκεύεται όταν η θερμοκρασία του μέσου αποθήκευσης αυξάνει. Σαν μέσο αποθήκευσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί κάθε στερεό ή υγρό α) που είναι σταθερό δομικά και χημικά, β) με μεγάλη πυκνότητα, γ) με μεγάλη ειδική θερμότητα (θερμοχωρητικότητα) και δ) με παραδεκτό κόστος. Για θερμική ενέργεια χαμηλής θερμοκρασίας τα πιο κοινά μέσα αποθήκευσης είναι το νερό και τα χαλίκια/βότσαλα, λόγω χαμηλού κόστους και μεγάλης διαθεσιμότητας. Για θερμική ενέργεια υψηλής θερμοκρασίας έχουν προταθεί σαν καταλληλότερα υλικά τα χαλίκια και τα ορυκτέλαια. Στον πίνακα ΑΠΘ-2 δίνονται οι θερμοχωρητικότητες διαφόρων σχετικών υλικών με βάση την μάζα και τον όγκο. Από τον πίνακα φαίνεται ότι για την αποθήκευση ίσης ποσότητας αισθητής θερμότητας χρειαζόμαστε αποθήκη με πέτρες τριπλάσιου όγκου από τον όγκο δεξαμενής νερού. Πίνακας ΑΠΘ-2: Ειδικές θερμότητες κοινών υλικών αποθήκευσης αισθητής θερμότητας Υλικό [kj/kg/ ] [kj/m 3 / ] Νερό 4, Χάλυβας * 0, Πέτρα (χαλύκια 2-4 cm) * 0, Διάλυμα 50/50 κ.ο. νερού/γλυκόλης (15 C) 2, * Για κάλυψη όγκου 70% Αποθήκευση λανθάνουσας θερμότητας Λανθάνουσα θερμότητα μπορεί να αποθηκευτεί μέσω αλλαγής φάσης διαφόρων υλικών. Λόγω προβλημάτων όγκου, ενδιαφέρον έχει η λανθάνουσα θερμότητα τήξης. Έτσι με την τήξη ενός στερεού, π.χ. κερί, αποθηκεύεται θερμότητα και στη συνέχεια παραλαμβάνεται μέσω της στερεοποίησης του υγρού. Ο πίνακας ΑΠΘ-3 δίνει την θερμοκρασία τήξης για διάφορα υλικά κατάλληλα για αποθήκευση λανθάνουσας θερμότητας καθώς και τη θερμότητα τήξης με βάση τη μάζα και τον όγκο. Στα συστήματα αποθήκευσης λανθάνουσας θερμότητας μια πολύ μικρή διαφορά θερμοκρασίας (παραμένει σχεδόν σταθερή) είναι αρκετή για την αλλαγή της φάσης από στερεό σε υγρό, γεγονός που είναι θετικό για τα θερμικά φορτία (και στην περίπτωση ηλιακών συστημάτων και για το συλλέκτη). Το κύριο όμως πλεονέκτημα είναι ότι μπορούν να αποθηκευτούν και να ελευθερωθούν ανά μονάδα μάζας του υλικού μεγάλες ποσότητες ενέργειας με αποτέλεσμα την ανάγκη μικρότερου όγκου αποθήκης. Μειονέκτημα της αποθήκευσης λανθάνουσας θερμότητας είναι ότι πολλά γνωστά υλικά έχουν Το ποσό της ενέργειας που απαιτείται για την αύξηση της θερμοκρασίας της μονάδας όγκου (ή μάζας) ενός υλικού κατά ένα βαθμό. ΑΠΘ - 4.

5 διάρκεια ζωής μόνο λίγα χρόνια και στη συνέχεια απαιτείται αντικατάστασή τους με αποτέλεσμα την οικονομική επιβάρυνση του συστήματος αποθήκευσης επειδή σε σύγκριση με το νερό ή τα χαλίκια το κόστος τους είναι αρκετά υψηλό. Πίνακας ΑΠΘ-3: Υλικά αποθήκευσης λανθάνουσας θερμότητας Θερμοκρασία Τήξης Θερμότητα Τήξης Υλικό [ C] [kj/kg/ ] [10 3 kj/m 3 / ] Νερό Ένυδρα ανόργανα άλατα Ορθοφωσφορικό οξύ Χλωριούχο ασβέστιο (CaCl 2 *6H 2 O) Άλας του Clauber (Na 2 SO 4 *10H 2 O) Άνυδρα οργανικά άλλατα Μεταφωσφορικό οξύ Φωσφορικό οξύ Κεριά και οργανικά στερεά Κερί μέλισσας Κερί άμορφης παραφίνης ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΧΗΜΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Χημική ενέργεια μπορούμε να αποθηκεύσουμε με τις ακόλουθες μορφές: Συνθετικά καύσιμα Υδρογόνο Συσσωρευτές Συνθετικά καύσιμα Είναι υποκατάστατα του πετρελαίου και του φυσικού αερίου, που παρασκευάζονται από το κάρβουνο ή από βιολογικά απόβλητα (βιομάζα). Συνθετικό αργό πετρέλαιο Μεθανόλη Αιθανόλη Μεθάνιο Υδρογόνο Μπορούν να χρησιμοποιηθούν κυρίως σαν καύσιμο στις Μεταφορές και να χρησιμοποιήσουν το ίδιο δίκτυο με τα φυσικά υγρά καύσιμα. Τα σημαντικότερα πλεονεκτήματά τους είναι ότι προέρχονται από ανεξάντλητες πηγές ενέργειας και έχουν μειωμένες αρνητικές επιπτώσεις στο περιβάλλον. ΑΠΘ - 5.

6 Υδρογόνο Το υδρογόνο θεωρείται σαν το βασικό καύσιμο και μέσο αποθήκευσης ενέργειας του μέλλοντος, και αυτό διότι: α. Μπορεί, βασικά, να παραχθεί από το νερό (ανεξάντλητη «πηγή ενέργειας») με τη χρήση κάθε πρωτογενούς πηγής ενέργειας υψηλής ποιότητας. β. Η χρήση του (καύση) δεν έχει αρνητικές επιπτώσεις στο περιβάλλον γιατί παράγεται μόνο νερό. γ. Έχει τη δυνατότητα αποθήκευσης και μεταφοράς σε μεγάλες αποστάσεις με δίκτυα αγωγών. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν καύσιμο σε όλες τις χρήσεις (Βιομηχανία, Μεταφορές, Οικιακός Τομέας, κλπ). Το βασικό του πλεονέκτημα είναι ότι είναι ανανεώσιμη πηγή ενέργειας και δεν έχει αρνητικές επιπτώσεις στο περιβάλλον. Αντίστοιχα τα μειονεκτήματά του είναι ότι έχει μικρή πυκνότητα ενέργειας ανά μονάδα όγκου, καθώς και ότι το κόστος παραγωγής και υγροποίησής του είναι ακόμη υψηλό. Συσσωρευτές ηλεκτροχημικής ενέργειας Η αποθήκευση χημικής ενέργειας με τη βοήθεια συσσωρευτών (μπαταριών) είναι η περισσότερο εφαρμοσμένη μέθοδος. Τα πλεονεκτήματα ενός συστήματος με συσσωρευτές είναι η ικανότητα αποθήκευσης από πλεονάσματα ενέργειας, σε σχέση με τη ζήτηση, η δυνατότητα κάλυψης στιγμιαίων αιχμών ζήτησης φορτίου, ή η ύπαρξη σταθερής τάσης. Από την άλλη, η αυξημένη πολυπλοκότητα του συστήματος, το μεγάλο κόστος αγοράς, ο αυξημένος χρόνος και το μεγάλο κόστος συντήρησης αποτελούν τα σημαντικότερα μειονεκτήματα. Οι συσσωρευτές μπορούν να ταξινομηθούν στις ακόλουθες βασικές κατηγορίες: α. Πρωτογενείς συσσωρευτές (άνθρακα, αλκαλίων, κτλ) Είναι μιας χρήσης. Χρησιμοποιούνται σε συστήματα, που απαιτούν μικρούς ρυθμούς εκφόρτισης και μικρό αρχικό κόστος. β. Δευτερογενείς συσσωρευτές (μολύβδου, νικελίου-καδμίου, νικελίου-σιδήρου, κτλ). Έχουν δυνατότητα επαναφόρτισης. Χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές, που απαιτούν μεγαλύτερες ισχείς. Οι σημαντικότερες κατηγορίες είναι: Συσσωρευτές εκκίνησης (φωτισμός, ανάφλεξη αυτοκινήτων, κτλ) Συσσωρευτές έλξης (ανυψωτικά μηχανήματα, ηλεκτρικοί συρμοί ορυχείων, ηλεκτροκίνητα οχήματα, υποβρύχια) Στάσιμοι συσσωρευτές (τηλεφωνικά συστήματα, συστήματα αδιάλειπτου παροχής, κτλ) Συσσωρευτές για φωτοβολταϊκά συστήματα. Σημαντική παράμετρος των συσσωρευτών, είτε μεταφορών είτε κάλυψης φορτίου, είναι ο αριθμός των δυνατών φορτίσεων και αποφορτίσεων. ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Οι σημαντικότεροι τρόποι αποθήκευσης μηχανικής ενέργειας είναι οι ακόλουθοι. Αποθήκευση κινητικής ενέργειας. Ρυθμιστικοί σφόνδυλοι/βολάν (αγγειοπλαστική, κινητήρες). Αποθήκευση ενέργειας σε φράγματα. Υδροηλεκτρικοί Σταθμοί (απλοί, υδραντλητικοί). Αποθήκευση ενέργειας σε πεπιεσμένο αέρα. Τρυπάνια, δομικές μηχανές. ΑΠΘ - 6.

7 Αποθήκευση ενέργειας σε ελατήρια. Ρολόγια, παιδικά παιγνίδια, πόρτες. Από αυτούς μόνο η αποθήκευση σε φράγματα έχει ενεργειακό ενδιαφέρον, διότι οι άλλες έχουν μικρό βαθμό απόδοσης ή μικρή χωρητικότητα ενέργειας ή και στιγμιαία μετατροπή της δυναμικής ενέργειας σε κινητική. Η αποθήκευση νερού σε φράγματα είναι η μοναδική μέθοδος αποθήκευσης ενέργειας μεγάλης κλίμακας και γενικής χρήσης μέσω της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Ιδιαίτερα οι υδραντλητικοί σταθμοί αποθηκεύουν ενέργεια που παράγεται σε περιόδους μικρής ζήτησης (π.χ. τη νύκτα) από ηλεκτρικούς σταθμούς βάσης (άνθρακα, πυρηνικούς), που έχουν χαμηλό κόστος παραγωγής, και το παρέχουν στο δίκτυο σε περιόδους αυξημένης ζήτησης, μειώνοντας έτσι την ανάγκη για λειτουργία αεριοστροβίλων, που έχουν υψηλό κόστος παραγωγής. ΑΠΘ - 7.