การจัดเก็บพลังงานลมอัด (CAES): เทคโนโลยีการจัดเก็บพลังงานที่เชื่อถือได้และปรับขนาดได้ ขับเคลื่อนอนาคตพลังงานทดแทน

ในการเปลี่ยนแปลงระดับโลกสู่พลังงานสะอาด แหล่งพลังงานหมุนเวียนที่เปลี่ยนแปลงได้ เช่น พลังงานแสงอาทิตย์และลมมีศักยภาพมหาศาล แต่ยังนำเสนอความท้าทายที่สำคัญด้วย ความไม่ต่อเนื่อง-ซึ่งขับเคลื่อนโดยสภาพอากาศ กลางวัน-รอบกลางคืน และการเปลี่ยนแปลงตามฤดูกาล- มักส่งผลให้มีการลดจำนวนลง (พลังงานที่สูญเปล่า) หรือความไม่เสถียรของโครงข่ายไฟฟ้า การจัดเก็บพลังงานลมอัด (CAES) ย่อมาจากโซลูชันขนาดใหญ่-ที่แปลงไฟฟ้าส่วนเกินให้เป็นอากาศอัดเพื่อกักเก็บ และปล่อยออกมาตามความต้องการเพื่อสร้างพลังงาน ดูดซับและใช้ประโยชน์จากลมและพลังงานแสงอาทิตย์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในขณะเดียวกันก็รับประกันเสถียรภาพและความสมดุลของโครงข่ายไฟฟ้า

CAES เก็บพลังงานไฟฟ้าเป็นศักยภาพเชิงกลโดยการอัดอากาศ ทำให้มีระยะเวลาในการจัดเก็บตั้งแต่ชั่วโมงถึงสัปดาห์โดยสูญเสียน้อยที่สุด เมื่อจำเป็น อากาศอัดจะถูกปล่อยออกมาเพื่อขับเคลื่อนกังหันและผลิตกระแสไฟฟ้า เทคโนโลยีนี้เหมาะอย่างยิ่ง-สำหรับการจัดเก็บ-ขนาดใหญ่และระยะยาว- โดยเปลี่ยนพลังงานหมุนเวียนที่ไม่ต่อเนื่องให้เป็นพลังงานไฟฟ้าที่สามารถจัดส่งได้และเชื่อถือได้ ซึ่งตรงตาม-ความต้องการ{6}}โครงข่ายนาฬิกาแบบรอบ

เทคโนโลยีและหลักการพื้นฐาน

แกนหลักของ CAES อยู่ที่อุณหพลศาสตร์ของการบีบอัดและการขยายตัวของก๊าซ อากาศจะร้อนขึ้นระหว่างการบีบอัด และเย็นลงระหว่างการขยายตัว ประสิทธิภาพสูงขึ้นอยู่กับการจัดการความร้อนที่มีประสิทธิภาพ:

CAES แบบธรรมดา (Diabatic): ความร้อนจากการอัดจะกระจายผ่านอินเตอร์คูลเลอร์ และใช้เชื้อเพลิง (โดยทั่วไปคือก๊าซธรรมชาติ) เพื่ออุ่นอากาศก่อนการขยายตัว โดยทั่วไปประสิทธิภาพไปกลับ-คือ 40–55%

CAES อะเดียแบติกขั้นสูง (AA-CAES): ความร้อนจากการอัดจะถูกดักจับและเก็บไว้ในระบบกักเก็บพลังงานความร้อน (TES)-เช่น เตียงหินที่บรรจุไว้ เกลือหลอมเหลว หรือน้ำมันร้อน- เพื่อนำกลับมาใช้ใหม่ในระหว่างการขยายตัว ประสิทธิภาพสูงถึง 70% หรือสูงกว่าโดยไม่ต้องใช้เชื้อเพลิงฟอสซิล

อุณหภูมิคงที่/ใกล้- CAES อุณหภูมิคงที่: เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนขั้นสูงหรือสเปรย์น้ำจะรักษาอุณหภูมิให้ใกล้เคียง-คงที่ในระหว่างการบีบอัดและการขยายตัว โดยมีประสิทธิภาพทางทฤษฎี 80–95% ในระบบการพัฒนา

โรงงาน CAES สมัยใหม่ทำงานที่ความดัน 4–7 MPa (40–70 บาร์) และอาศัยกฎหมายก๊าซในอุดมคติสำหรับการจัดเก็บพลังงาน ต่างจากแบตเตอรี่ CAES ใช้งานได้ดีในระยะเวลา-ยาวนาน ในการใช้งานขนาดกิกะวัตต์-โดยมีการเสื่อมสภาพเล็กน้อยตลอดหลายทศวรรษ

อุปกรณ์และส่วนประกอบสำคัญ

สิ่งอำนวยความสะดวกของ CAES โดยทั่วไปประกอบด้วย:

คอมเพรสเซอร์: คอมเพรสเซอร์เทอร์โบไฟฟ้าแบบหลาย-ระดับ-ที่ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าส่วนเกิน ซึ่งเพิ่มแรงดันอากาศโดยรอบโดยใช้ระดับแรงดันต่ำ- และสูง-พร้อมอินเตอร์คูลลิ่ง

ห้องเก็บอากาศ: ถ้ำใต้ดิน (โดมเกลือ แหล่งก๊าซหมด หรือชั้นหินอุ้มน้ำ) หรือเหนือ-ภาชนะเทียมที่มีความหนาแน่นสูงบนพื้นดิน (เช่น ท่ออาร์เรย์) ถ้ำเกลือขึ้นชื่อเรื่องความสามารถในการซึมผ่านและ-ความทนทานต่อแรงกดที่ระดับความลึก 300–1,500 เมตร

ระบบการจัดการความร้อน(ในการออกแบบขั้นสูง): เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนและหน่วย TES ที่ดักจับและเก็บความร้อนจากการอัด

เครื่องขยาย/กังหันและเครื่องกำเนิดไฟฟ้า: เครื่องขยายเทอร์โบแรงดันสูง- และต่ำ--ควบคู่กับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ระบบทั่วไปใช้เครื่องสันดาปเพื่อให้ความร้อนซ้ำ ระบบอะเดียแบติกขั้นสูงนำความร้อน TES มาใช้ซ้ำ

ระบบเสริม: การควบคุมแรงดัน มอเตอร์/เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบสองทิศทาง และอุปกรณ์เชื่อมต่อโครงข่าย

การออกแบบแบบโมดูลาร์ของ CAES ช่วยให้สามารถเพิ่มประสิทธิภาพการบีบอัด การจัดเก็บ และการขยายความจุได้อย่างอิสระ โดยมอบความยืดหยุ่นในการปฏิบัติงานที่ไม่มีใครเทียบได้ด้วยเทคโนโลยีการจัดเก็บข้อมูลอื่นๆ มากมาย

กระบวนการดำเนินงาน

CAES ดำเนินการในสองขั้นตอนหลัก:

เฟสการชาร์จ (การบีบอัด): ในช่วงที่มีผลผลิตหมุนเวียนสูงหรือมีความต้องการต่ำ ไฟฟ้าส่วนเกินจะขับเคลื่อนคอมเพรสเซอร์ อากาศถูกบีบอัดในหลายขั้นตอน (เพิ่มความร้อน) ทำให้เย็นลง และฉีดเข้าไปในที่เก็บ ในระบบอะเดียแบติกขั้นสูง ความร้อนที่ดึงออกมาจะถูกเก็บไว้ใน TES

ระยะการคายประจุ (การขยายตัว/การสร้าง): เมื่อความต้องการสูงสุดหรือพลังงานหมุนเวียนไม่เพียงพอ อากาศอัดจะถูกปล่อย อุ่น (โดยใช้ความร้อน TES หรือเชื้อเพลิงเสริม) ขยายตัวผ่านกังหันเพื่อขับเคลื่อนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า และระบายออกไปเป็นอากาศที่เย็นกว่า ระบบสามารถเข้าถึงโหลดเต็มที่ได้ภายในเวลาไม่ถึง 10 นาที ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการปรับสมดุลกริด การควบคุมความถี่ และการสำรองการปั่น

พืชสามารถหมุนเวียนได้ทุกวันหรือตามฤดูกาลโดยมีอัตราการคายประจุเอง-ต่ำมาก ตัวอย่างระดับสาธารณูปโภคที่จัดตั้งขึ้น- ได้แก่ โรงงาน Huntorf ในเยอรมนี (321 MW ดำเนินการมาตั้งแต่ปี 1978) และโรงงาน McIntosh ในสหรัฐอเมริกา (110 MW ตั้งแต่ปี 1991)

กรณีศึกษาระดับโลก-ที่แท้จริง: โครงการสาธิตการจัดเก็บพลังงานลมอัดขั้นสูงขนาด 100 เมกะวัตต์

ในฐานะตัวอย่างสำคัญของการดำเนินโครงการ CAES ที่ประสบความสำเร็จ โครงการสาธิตระดับชาติด้านการจัดเก็บพลังงานลมอัดขั้นสูงขนาด 100 MW ของจีนแสดงให้เห็นถึงความสมบูรณ์ของเทคโนโลยีและ-ศักยภาพการใช้งานในขนาดใหญ่ ได้รับการพัฒนาภายใต้การนำของสถาบันวิศวกรรมอุณหฟิสิกส์, Chinese Academy of Sciences โดยเป็นสถานี CAES ขั้นสูงระดับ 100 เมกะวัตต์-แห่งแรกของโลก และปัจจุบันเป็นโรงงาน CAES ขั้นสูงที่ใหญ่และมีประสิทธิภาพสูงสุด-ในการดำเนินงาน

รายละเอียดการกำหนดค่าระบบ:

ความจุ: กำลังไฟฟ้าออก 100 MW / การจัดเก็บพลังงาน 400 MWh

ประเภทเทคโนโลยี: CAES อะเดียแบติกขั้นสูง (AA-CAES) ที่มีการกักเก็บความร้อนเหนือวิกฤต การแลกเปลี่ยนความร้อนเหนือวิกฤต -การบีบอัด/การขยายโหลดสูง และการผสานรวมระบบเต็มรูปแบบ- ช่วยลดการพึ่งพาเชื้อเพลิงฟอสซิลโดยสิ้นเชิง

วิธีการเก็บรักษา: ถังเก็บอากาศเทียมที่มีความหนาแน่นสูง- (การออกแบบท่อ-) เพิ่มความหนาแน่นของพลังงานและลดการพึ่งพาถ้ำใต้ดินขนาดใหญ่

ประสิทธิภาพ: ไปกลับ-ประสิทธิภาพการเดินทาง 70.4%

พารามิเตอร์ประสิทธิภาพ: ผลิตไฟฟ้าได้ต่อปีเกิน 132 ล้านกิโลวัตต์ชั่วโมง ซึ่งเพียงพอต่อความต้องการไฟฟ้าสูงสุดสำหรับประมาณ 50,000 ครัวเรือน ประหยัดถ่านหินมาตรฐานได้ 42,000 ตัน และลดการปล่อย CO₂ ได้ประมาณ 109,000 ตันต่อปี

อุปกรณ์สำคัญ: คอมเพรสเซอร์แบบหลาย- ชุดเครื่องขยาย/เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากังหัน ระบบจัดเก็บความร้อน TES ที่วิกฤตยิ่งยวด และภาชนะจัดเก็บอาร์เรย์-ท่อแรงดันสูง-

ที่ตั้ง: เทศมณฑลกู่หยวน เมือง มณฑลเหอเป่ย ภายในสวนอุตสาหกรรมคอมพิวเตอร์คลาวด์ Miaotan ครอบคลุมพื้นที่ประมาณ 5.7 เฮกตาร์ โครงการนี้เชื่อมต่อกริด-ในปี 2022 และได้เข้าสู่การเตรียมการดำเนินการเชิงพาณิชย์

โครงการนี้แสดงให้เห็นถึงความสามารถของเราในการดำเนินโครงการริเริ่ม CAES ขนาดใหญ่-ได้สำเร็จโดยการนำความร้อนจากการอัดกลับคืนมา เพิ่มประสิทธิภาพการจัดการระบายความร้อน และใช้การออกแบบแบบแยกส่วนเพื่อเอาชนะข้อจำกัดแบบดั้งเดิมในด้านประสิทธิภาพ การพึ่งพาเชื้อเพลิง และการเลือกสถานที่ โดยให้การตรวจสอบทางวิศวกรรมระดับโลก-ที่มีคุณค่าและเป็นแบบจำลองที่ปรับขนาดได้สำหรับการบูรณาการพลังงานหมุนเวียนทั่วโลก

CAES อำนวยความสะดวกในการดูดซับและการใช้พลังงานลมและพลังงานแสงอาทิตย์อย่างมีประสิทธิภาพได้อย่างไร

ความแปรปรวนของพลังงานลมและพลังงานแสงอาทิตย์มักนำไปสู่ไฟฟ้าส่วนเกินที่กริดไม่สามารถดูดซับได้เต็มที่ CAES ทำหน้าที่เป็น "โช้คอัพ" สำหรับโครงข่ายไฟฟ้า ซึ่งจัดการปัญหานี้โดยตรง:

ดูดซับพลังส่วนเกิน: ในช่วงที่มีลมแรงหรือรังสีดวงอาทิตย์ถึงจุดสูงสุด พลังงานส่วนเกินจะถูกนำมาใช้ในการอัดและกักเก็บอากาศไว้ใต้ดิน เพื่อป้องกันการลดขนาดลง

เอาท์พุทที่ราบรื่น: CAES แยกการผลิตออกจากการบริโภค โดยปล่อยพลังงานที่สะสมไว้ในช่วงเวลาสงบหรือหลังพระอาทิตย์ตกดิน เพื่อส่งมอบพลังงานที่เสถียรและคาดการณ์ได้

ความเสถียรและบูรณาการของกริด: การตอบสนองที่รวดเร็วรองรับการควบคุมความถี่ การควบคุมแรงดันไฟฟ้า และ-บริการสตาร์ทสีดำ ระบบลูกผสม-พลังงานแสงอาทิตย์- CAES ของลมสร้างพืช "ภาระพื้นฐานเสมือน" ซึ่งช่วยลดการพึ่งพายอดเชื้อเพลิงฟอสซิล-

ประโยชน์ทางเศรษฐกิจและสิ่งแวดล้อม: CAES ลดต้นทุนการจัดเก็บลงอย่างมาก ปรับปรุงอัตราการใช้พลังงานทดแทน และลดการปล่อยก๊าซคาร์บอน (โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการกำหนดค่าอะเดียแบติกขั้นสูง) มีการแข่งขันกันเป็นพิเศษสำหรับการบูรณาการที่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้-ขนาดใหญ่และยาวนาน-

-การระบุตำแหน่ง CAES ร่วมกับฟาร์มกังหันลมหรือสถานีพลังงานแสงอาทิตย์ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพโครงสร้างพื้นฐานการส่งสัญญาณและปลดล็อกรายได้เพิ่มเติมผ่านการเก็งกำไรด้านพลังงาน ตลาดกำลังการผลิต และบริการเสริม

มองไปข้างหน้า: CAES เป็นรากฐานสำคัญของโรงไฟฟ้าพลังงานทดแทน

CAES ได้พัฒนาจากจุดกำเนิดในทศวรรษ 1970 มาเป็นเทคโนโลยีการจัดเก็บข้อมูลที่ยืดหยุ่นและยาวนาน-พร้อมศักยภาพในขนาดกิกะวัตต์-ชั่วโมง- ตัวแปรอะเดียแบติกและไอโซเทอร์มอลขั้นสูงช่วยลดการใช้เชื้อเพลิงฟอสซิลโดยสิ้นเชิง ซึ่งสอดคล้องกับเป้าหมายสุทธิ-เป็นศูนย์อย่างสมบูรณ์แบบ ความสามารถในการปรับขนาดและการปรับตัวตามภูมิศาสตร์ (หากมีธรณีวิทยาที่เหมาะสม) ช่วยให้สามารถแปลงพลังงานลมและพลังงานแสงอาทิตย์ที่ไม่ต่อเนื่องให้เป็นพลังงานไฟฟ้า-ที่เชื่อถือได้และมีมูลค่าสูง

โครงการที่ประสบความสำเร็จ เช่น การยืนยันว่าเทคโนโลยี CAES พร้อมอย่างเต็มที่สำหรับการปรับใช้ในเชิงพาณิชย์- ด้วยการนำ CAES มาใช้ ภาคพลังงานหมุนเวียนสามารถเอาชนะความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ที่สุด-ความแปรปรวน-ที่เร่งให้เกิดการเปลี่ยนแปลงพลังงานสะอาด และส่งมอบความยืดหยุ่นทางเศรษฐกิจและความมั่นคงด้านพลังงานให้กับสาธารณูปโภค อุตสาหกรรม และชุมชนทั่วโลก โครงการที่กำลังดำเนินอยู่ในประเทศจีนและในระดับสากลส่งสัญญาณว่าโรงไฟฟ้าพลังงานลม-พลังงานแสงอาทิตย์-CAES แบบบูรณาการนั้นไม่ใช่วิสัยทัศน์อีกต่อไป แต่เป็นความเป็นจริงในปัจจุบัน-ในการส่งมอบพลังงานไฟฟ้าที่สะอาดและจัดส่งได้ทุกที่ทุกเวลาที่จำเป็น