WYBRANE ZAGADNIENIA MODELOWANIA MATEMATYCZNEGO ORAZ OCENY POD KĄTEM ENERGETYCZNYM I EGZERTYCZNYM UKŁADÓW MAGAZYNUJĄCYCH ENERGIĘ PRZY POMOCY SPRĘŻONEGO POWIETRZA

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

SPIS TREŚCI
Streszczenie 7
Abstract 8
Przedmowa. 9
Wykaz wybranych oznaczeń i skrótów 10
1. Wprowadzenie 13
Podsumowanie rozdziału 26
2. Klasyfikacja układów CAES. 27
Podsumowanie rozdziału 34
3. Perspektywy rozwoju technologii CAES 35
Podsumowanie rozdziału 42
4. Modelowanie pracy wybranych układów CAES 43
4.1. Charakterystyki maszyn wirnikowych 47
4.2. Układy o stałej objętości 49
4.2.1. Diabatyczny CAES 50
4.2.2. Adiabatyczny CAES 53
4.2.3. Układ do zastosowań mobilnych 56
4.3. Układy o stałym ciśnieniu 61
4.3.1. Podwodny układ do magazynowania energii w sprężonym powietrzu 62
4.4. Podsumowanie rozdziału 66
5. Analiza energetyczna 67
5.1. Podstawy teoretyczne 67
5.2. Przykłady obliczeniowe 68
5.2.1. Układy o stałej objętości 69
5.2.2. Układy o stałym ciśnieniu 85
5.3. Podsumowanie rozdziału 92
6. Analiza egzergetyczna 93
6.1. Konwencjonalna analiza egzergetyczna 94
6.1.1. Podstawy teoretyczne 94
6.1.2. Przykłady obliczeniowe 95
6.2. Zaawansowana analiza egzergetyczna111
6.2.1. Podstawy teoretyczne 112
6.2.2. Przykład obliczeniowy 114
6.3. Podsumowanie rozdziału 121
7. Podsumowanie końcowe 123
Literatura 125