ذخیره‌سازی انرژی هوای فشرده (CAES): فناوری ذخیره‌سازی انرژی قابل اعتماد و مقیاس‌پذیر که آینده انرژی‌های تجدیدپذیر را تامین می‌کند.

در گذار جهانی به انرژی پاک، منابع تجدیدپذیر متغیر مانند خورشیدی و باد پتانسیل فوق‌العاده‌ای را ارائه می‌دهند اما چالش‌های بزرگی را نیز به همراه دارند. متناوب بودن آنها-به دلیل آب و هوا، روز-چرخه های شبانه، و تغییرات فصلی-اغلب منجر به کاهش (اتلاف انرژی) یا ناپایداری شبکه می شود. ذخیره‌سازی انرژی هوای فشرده (CAES) به‌عنوان یک راه‌حل بالغ-در مقیاس بزرگ است که الکتریسیته اضافی را برای ذخیره‌سازی به هوای فشرده تبدیل می‌کند و آن را در صورت تقاضا برای تولید برق آزاد می‌کند، به طور موثر انرژی باد و خورشید را جذب و استفاده می‌کند و در عین حال ثبات و تعادل شبکه را تضمین می‌کند.

CAES انرژی الکتریکی را به عنوان پتانسیل مکانیکی با فشرده سازی هوا ذخیره می کند و مدت زمان ذخیره سازی را از ساعت ها تا هفته ها با حداقل تلفات ممکن می سازد. در صورت نیاز، هوای فشرده برای به حرکت درآوردن توربین ها و تولید برق آزاد می شود. این فناوری به‌ویژه برای ذخیره‌سازی-در مقیاس بزرگ و طولانی مدت مناسب است، و انرژی‌های تجدیدپذیر متناوب را به توان قابل حمل و قابل اطمینانی تبدیل می‌کند که نیازهای شبکه شبانه روزی را برآورده می‌کند.

فناوری و اصول اساسی

هسته CAES در ترمودینامیک فشرده سازی و انبساط گاز نهفته است. هوا در هنگام فشرده سازی گرم می شود و در حین انبساط سرد می شود. راندمان بالا به مدیریت موثر حرارت بستگی دارد:

CAES معمولی (دیاباتیک).: گرمای تراکمی از طریق اینترکولرها پخش می شود و از سوخت (معمولا گاز طبیعی) برای گرم کردن مجدد هوا قبل از انبساط استفاده می شود. راندمان رفت و برگشت معمولاً 40 تا 55 درصد است.

CAES آدیاباتیک پیشرفته (AA-CAES): گرمای تراکمی در سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی حرارتی (TES)-مانند تخت‌های سنگی بسته‌بندی شده، نمک مذاب یا روغن حرارتی-برای استفاده مجدد در حین انبساط جذب و ذخیره می‌شود. راندمان بدون مصرف سوخت فسیلی به 70 درصد یا بیشتر می رسد.

همدما/نزدیک-CAES همدما: مبدل‌های حرارتی پیشرفته یا اسپری‌های آب در طول فشرده‌سازی و انبساط، تقریباً{0}}دماهای ثابتی را حفظ می‌کنند، با راندمان تئوری 80 تا 95 درصد در سیستم‌های توسعه.

نیروگاه های مدرن CAES در فشارهای 4-7 مگاپاسکال (40-70 بار) کار می کنند و برای ذخیره انرژی به قانون گاز ایده آل متکی هستند. برخلاف باتری‌ها، CAES در کاربردهای مقیاس طولانی-گیگاوات{6}}با تخریب ناچیز در طول دهه‌ها برتری دارد.

تجهیزات و اجزای کلیدی

یک مرکز معمولی CAES شامل موارد زیر است:

کمپرسورها: کمپرسورهای-توربوی برقی چند مرحله‌ای-که با برق اضافی کار می‌کنند، که هوای محیط را با استفاده از مراحل فشار کم- و-به همراه خنک‌کننده داخلی تحت فشار قرار می‌دهند.

ذخیره سازی هوا: غارهای زیرزمینی (گنبدهای نمکی، میدان‌های گازی تخلیه‌شده یا سفره‌های زیرزمینی) یا کشتی‌های مصنوعی با تراکم بالای-زمینی (مانند آرایه‌های لوله). غارهای نمکی به دلیل نفوذ ناپذیری و دوام دوچرخه‌سواری فشار{3} در عمق 300 تا 1500 متری مورد علاقه هستند.

سیستم مدیریت حرارتی(در طرح های پیشرفته): مبدل های حرارتی و واحدهای TES که گرمای تراکمی را جذب و ذخیره می کنند.

توسعه دهنده ها/توربین ها و ژنراتورها: انبساط‌کننده‌های فشار بالا- و-توربوی فشار پایین-که به ژنراتورها متصل شده‌اند. سیستم های مرسوم از یک احتراق برای گرم کردن مجدد استفاده می کنند. سیستم های آدیاباتیک پیشرفته از گرمای TES استفاده مجدد می کنند.

سیستم های کمکی: کنترل های فشار، موتور/ژنراتورهای دو طرفه و تجهیزات اتصال به شبکه.

طراحی مدولار CAES امکان بهینه‌سازی مستقل ظرفیت‌های فشرده‌سازی، ذخیره‌سازی و گسترش را می‌دهد و انعطاف‌پذیری عملیاتی را ارائه می‌دهد که با بسیاری از فناوری‌های ذخیره‌سازی دیگر همتا نیست.

فرآیندهای عملیاتی

CAES در دو مرحله اولیه عمل می کند:

فاز شارژ (فشرده سازی).: در طول دوره‌های تولید انرژی تجدیدپذیر بالا یا تقاضای کم، برق مازاد کمپرسورها را به حرکت در می‌آورد. هوا در چند مرحله فشرده می شود (گرم شدن)، سرد می شود و به انبار تزریق می شود. در سیستم های آدیاباتیک پیشرفته، گرمای استخراج شده در TES ذخیره می شود.

فاز تخلیه (توسعه/تولید).: هنگامی که اوج تقاضا یا انرژی های تجدید پذیر ناکافی است، هوای فشرده آزاد می شود، پیش گرم می شود (با استفاده از گرمای TES یا سوخت تکمیلی)، از طریق توربین ها برای به حرکت درآوردن ژنراتورها منبسط می شود و به عنوان هوای خنک تر تخلیه می شود. این سیستم می‌تواند در کمتر از 10 دقیقه به بار کامل برسد و برای متعادل‌سازی شبکه، تنظیم فرکانس و ذخایر چرخشی ایده‌آل است.

گیاهان می‌توانند به صورت روزانه یا فصلی با نرخ تخلیه خود{0} بسیار پایین، چرخه کنند. نمونه‌های تاسیس‌شده در مقیاس{2}} عبارتند از نیروگاه هانترف در آلمان (321 مگاوات، عملیاتی از سال 1978) و کارخانه مک‌اینتاش در ایالات متحده (110 مگاوات، از سال 1991).

-مطالعه موردی واقعی: پروژه نمایشی ذخیره سازی انرژی هوای فشرده 100 مگاواتی پیشرفته

پروژه نمایش ملی ذخیره سازی انرژی هوای فشرده پیشرفته 100 مگاواتی چین به عنوان نمونه ای شاخص از اجرای موفقیت آمیز پروژه CAES، بلوغ فناوری و پتانسیل کاربردی در مقیاس بزرگ- را به نمایش می گذارد. این ایستگاه که تحت رهبری مؤسسه ترموفیزیک مهندسی، آکادمی علوم چین توسعه یافته است، اولین ایستگاه CAES 100 مگاواتی{4}}در کلاس پیشرفته و در حال حاضر بزرگترین و با بالاترین{5}}کارایی نیروگاه پیشرفته CAES در حال کار است.

جزئیات پیکربندی سیستم:

ظرفیت: توان خروجی 100 مگاوات / ذخیره انرژی 400 مگاوات ساعت.

نوع فناوری: CAES آدیاباتیک پیشرفته (AA-CAES) دارای ذخیره‌سازی حرارتی فوق بحرانی، تبادل حرارت فوق بحرانی،-تراکم/انبساط بار بالا، و یکپارچه‌سازی کامل سیستم-که وابستگی به سوخت فسیلی را کاملاً حذف می‌کند.

روش ذخیره سازی: مخازن ذخیره هوای مصنوعی با چگالی بالا-(طراحی لوله-)، افزایش چگالی انرژی و کاهش اتکا به غارهای بزرگ زیرزمینی.

کارایی: راندمان رفت و برگشت-70.4%.

پارامترهای عملکرد: تولید سالانه بیش از 132 میلیون کیلووات ساعت است که برای پاسخگویی به اوج تقاضای برق برای تقریبا 50000 خانوار کافی است. 42000 تن زغال سنگ استاندارد صرفه جویی می کند و انتشار CO2 را حدود 109000 تن در سال کاهش می دهد.

تجهیزات کلیدی: کمپرسورهای چند مرحله‌ای، انبساط‌کننده‌های توربین/مجموعه ژنراتور، سیستم ذخیره‌سازی حرارتی TES فوق بحرانی و مخازن ذخیره‌سازی آرایه‌ای-لوله‌های فشار بالا.

مکان: شهرستان گویوان، شهر، استان هبی، در پارک صنعتی محاسبات ابری Miaotan. حدود 5.7 هکتار را اشغال می کند. این پروژه در سال 2022 به شبکه- متصل شد و وارد آماده سازی عملیات تجاری شده است.

این پروژه توانایی ما را برای اجرای موفقیت‌آمیز ابتکارات CAES در مقیاس بزرگ با بازیابی گرمای فشرده‌سازی، بهینه‌سازی مدیریت حرارتی، و به‌کارگیری طراحی مدولار برای غلبه بر محدودیت‌های سنتی در بهره‌وری، وابستگی به سوخت، و انتخاب مکان نشان می‌دهد. این اعتبار مهندسی واقعی{2}}جهانی و مدلی مقیاس‌پذیر برای یکپارچه‌سازی انرژی‌های تجدیدپذیر جهانی فراهم می‌کند.

چگونه CAES جذب و استفاده موثر از انرژی باد و خورشید را تسهیل می کند

تغییرپذیری نیروی باد و خورشید اغلب منجر به برق اضافی می شود که نمی تواند به طور کامل توسط شبکه جذب شود. CAES به عنوان یک ضربه گیر برای شبکه عمل می کند و مستقیماً به این موضوع می پردازد:

جذب نیروی مازاد: در هنگام بادهای شدید یا اوج تابش خورشید، انرژی اضافی برای فشرده‌سازی و ذخیره هوا در زیر زمین استفاده می‌شود و از محدود شدن آن جلوگیری می‌کند.

خروجی صاف کردن: CAES تولید را از مصرف جدا می کند و انرژی ذخیره شده را در دوره های آرام یا بعد از غروب خورشید آزاد می کند تا توان پایدار و قابل پیش بینی را ارائه دهد.

پایداری و یکپارچگی شبکه: پاسخ سریع آن از تنظیم فرکانس، کنترل ولتاژ و خدمات شروع سیاه- پشتیبانی می کند. سیستم‌های هیبریدی بادی-خورشیدی-CAES، نیروگاه‌های "بار پایه مجازی" ایجاد می‌کنند و وابستگی به سوخت‌های فسیلی{4}}را کاهش می‌دهند.

مزایای اقتصادی و زیست محیطیCAES به طور قابل توجهی هزینه های ذخیره سازی را کاهش می دهد، نرخ استفاده از انرژی های تجدید پذیر را بهبود می بخشد، و انتشار کربن را کاهش می دهد (به ویژه در پیکربندی های پیشرفته آدیاباتیک). مخصوصاً برای ادغام-در مقیاس بزرگ و طولانی{2}}تجدیدپذیر قابل رقابت است.

مشارکت{0}}مکان CAES با مزارع بادی یا ایستگاه های خورشیدی زیرساخت انتقال را بهینه می کند و درآمد اضافی را از طریق آربیتراژ انرژی، بازارهای ظرفیت و خدمات جانبی باز می کند.

نگاه به آینده: CAES به عنوان سنگ بنای نیروگاه های انرژی تجدیدپذیر

CAES از منشاء دهه 1970 خود به یک فناوری ذخیره‌سازی انعطاف‌پذیر-طولانی با پتانسیل مقیاس گیگاوات-ساعت- تبدیل شده است. انواع پیشرفته آدیاباتیک و همدما مصرف سوخت فسیلی را به طور کامل حذف می کنند و کاملاً با اهداف خالص-صفر همسو می شوند. مقیاس پذیری و سازگاری جغرافیایی آن (در مواردی که زمین شناسی مناسب وجود دارد) امکان تبدیل منابع متناوب باد و خورشید را به برق قابل اعتماد و با ارزش- بالا می دهد.

پروژه‌های موفقی مانند تأیید می‌کنند که فناوری CAES برای استقرار تجاری-به‌طور کامل آماده است. با اتخاذ CAES، بخش انرژی های تجدیدپذیر می تواند بر بزرگترین چالش خود غلبه کند-تغییر-تسریع انتقال انرژی پاک و ارائه انعطاف پذیری اقتصادی و امنیت انرژی به شرکت های برق، صنایع و جوامع در سراسر جهان. پروژه‌های در حال انجام در چین و در سطح بین‌المللی نشان می‌دهند که نیروگاه‌های بادی یکپارچه-خورشیدی-CAES دیگر یک چشم‌انداز نیستند، بلکه یک واقعیت کنونی هستند{7}}که برق پاک و قابل ارسال را در هر زمان و هر کجا که لازم باشد ارائه می‌دهند.