Wybrane zagadnienia modelowania matematycznego oraz oceny pod kątem energetycznym i egzergetycznym układów magazynujących energię przy pomocy sprężonego powietrza

Łukasz Szabłowski

W monografii opisano zagadnienia związane z technologią magazynowania energii przy użyciu sprężonego powietrza (CAES - ang. Compressed Air Energy Storage). Przedstawiono dotychczasowy stan wiedzy na temat tej technologii. Opisano również znaczenie układów do magazynowania energii przy użyciu sprężonego powietrza, definiując tym samym cel prezentowanego opracowania. Zaproponowano hipotezę, że układy CAES mogą być konkurencyjne dla innych wielkoskalowych magazynów energii, takich jak np. elektrownie szczytowo-pompowe. Dokonano klasyfikacji układów CAES według kilku kryteriów. Przedstawiono perspektywy rozwoju technologii CAES - zarówno w Polsce, jak i na świecie. Zaprezentowano możliwe lokalizacje struktur geologicznych mogących być naturalnymi magazynami na sprężone powietrze. Przedstawiono dotychczasowy stan rozwoju technologii CAES, istniejące na świecie instalacje tego typu oraz projekty będące w trakcie realizacji. Następnie zaprezentowano opis matematyczny rożnych układów CAES. Opisano równania użyte do modelowania poszczególnych elementów modeli matematycznych takich układów. Do modelowania układów o stałej objętości magazynu (zmiennociśnieniowych) użyto równań opisujących procesy dynamiczne. Z kolei do modelowania układów stałociśnieniowych wykorzystano równania statyczne. Przedstawiono opisy matematyczne oraz założenia dla modeli stałoobiętościowych i stałociśnienowych, diabatycznych oraz adiabatycznych, stacjonarnych i układów do zastosowań mobilnych. Dokonano analizy energetycznej dla wszystkich rozważanych typów układów CAES. Opisano procesy konwersji energii (oraz straty energii) dla poszczególnych elementów rozważanych typów układów CAES. Obliczono również sprawności magazynowania energii. Następnie do oceny układów CAES wykorzystano analizę egzergetyczną. Analiza ta ukierunkowana jest na poszukiwanie przyczyn niedoskonałości termodynamicznych poszczególnych maszyn i urządzeń wchodzących w skład rozważanych układów oraz tychże układów w ujęciu całościowym. Przedstawiono konwencjonalną oraz zaawansowaną analizę egzergetyczną. Konwencjonalną analizę egzergetyczną przeprowadzono dla wszystkich rozważanych układów CAES, natomiast zaawansowaną analizę egzergetyczną przeprowadzono dla jednego wybranego przypadku - układu do podwodnego magazynowania energii przy użyciu sprężonego powietrza.