MEHANIČKO SKLADIŠTENJE ENERGIJE Sistemi za skladištenje energije sa zamajcem

Skladištenje energije u vidu mehaničke kinetičke energije u zamajcu (u relativno kratkom periodu vremena): poznato vekovima, danas se razmatra šira upotreba, kao zamena za akumulatorske baterije U inercionim sistemima, kratak energetski impuls se akumulira u rotacionim masama tako da se rotacija održava pri stabilnoj brzini Primene zamajca: u grnčarijama, kod SUS motora i parnih mašina, u industriji, kod vozila, u EES-u, itd. Zamajac se sastoji od rotora i ležajeva na koje je rotor oslonjen i može slobodno da rotira, zamajac se ubrzava do vrlo velikih brzina pri čemu se energija sistema skladišti u zamajcu kao rotaciona energija, energija se nazad u sistem vraća usporavanjem zamajca Energetski kapacitet zamajca u odnosu na težinu i cenu je do sada bio veoma nizak, primena zamajca se svodila na mogućnost da isporuči veliku snagu u kratkom periodu (uglavnom za specijalne mašine) Primena zamajca za skladištenje električne energije: energija se akumulira ubrzavanjem zamajca pomoću elektromotora, a vraća se tako što se elektromotor usporava i onda radi kao generator Zamajac može biti korišćen da proizvede veoma jak energetski impuls za laboratorijska ispitivanja, gde bi uzimanje energije iz mreže prouzrokovalo pikove napona i struja

Slika 8.1: Primena zamajca kod benzinskog motora koji pokreće testeru i na traktoru i industrijski zamajac

Energija sadržana u rotirajućem mehaničkom sistemu je: gde su: I – moment inercije, ω – ugaona brzina Moment inercije je određen masom i oblikom zamajca: gde je x rastojanje od ose rotacije do mase dmx. Ako se pretpostavi da se celokupna masa nalazi na ivici zamajca poluprečnika r : Za dobijanje veće skladištene energije zamajca važnije je postići veliku ugaonu brzinu nego veliku masu (W srazmerno m i srazmerno ω2). Gustina energije zamajca:

Zapreminska gustina energije zamajca: Naprezanje materijala određuje gornju granicu ugaone brzine (potrebna je velika čvrstoća materijala), naprezanje na ivici zamajca je: Maksimalna zapreminska gustina energije zavisi od čvrstoće materijala (maksimalno dozvoljenog naprezanja): U slučaju primene zamajca u transportu, bitniji je kriterijum maksimalne gustina energije: Maksimalna gustina energije zamajca za dato opterećenje postiže se korišćenjem materijala koji ima malu gustinu i veliku čvrstoću.

Zamajac kao centralno skladište Faktor 0.5 u izrazu za gustinu energije se odnosi na jednostavan zamajac sa masom na obodu, za slučaj zamajca od materijala sa uniformno raspoređenoj gustini: gde je K faktor oblika zamajca koji zavisi od geometrije zamajca Tabela 8.1: Faktor oblika zamajca Oblik zamajca K disk sa konstantnim naprezanjem 0.931 ravan neizbušen disk 0.606 tanak obruč 0.500 štapna ili cirkularna četka 0.333 ravan izbušen disk 0.305

Projektovana čvrstoća 106 N/m Gustina 103 kg/m3 Korisna energija Količina energije koja se može akumulirati pomoću zamajca je određena naprezanjem materijala i gustinom materijala, odnosno ukupnom masom, kao i faktorom oblika K Tabela 8.2: Akumulirana energija zamajaca od različitih materijala Materijal Projektovana čvrstoća 106 N/m Gustina 103 kg/m3 Korisna energija 103 J/kg Masa zamajca 103 kg Relativni troškovi materijala i izrade r.j./J drvo breze 30 0.55 21 1720 1.0 mek čelik 300 7.80 29.5 1220 1.11 E-staklo 60% fiber/epoksidno 250 1.90 50.4 713 0.523 S-staklo 60% fiber/epoksidno 350 70.5 509 0.492 martenzitni čelik 900 8.00 86.4 417 2.18 čelik legiran titanijumom 650 4.50 110.8 325 6.98 ugljenik 60% fiber/epoksidni 750 1.55 185.4 194 0.34 kevlar 60% fiber/epoksidni 1000 1.4 274 131 0.26

Za brzine obrtanja od 6000obr/min do 50000obr/min smatra se da zamajac ima male brzine obrtanja, njegov rotor je od čelika, a sam zamajac može da dostigne specifičnu energiju od oko 5 Wh/kg Da bi se postigle velike brzine koristi se kombinacija čelika i kompozitnih materijala koji imaju povećanu otpornost na mehanička naprezanja i lakši su za red veličine od čelika: - središnji deo zamajca je od čelika, a spoljašnji je od kompozitnih materijala (čelik koji ima veću masu i manju čvrstoću postavljan u središnji deo, bliže osi rotacije jer na njega deluju manje sile) - može da dostigne specifičnu energiju od 100Wh/kg. - ovakvi zamajci dostižu brzine za svega nekoliko minuta, što je u poređenju sa baterijama vrlo mala vrednost uzimajući u obzir da je za njihovo punjenje potrebno i nekoliko sati - zamajci sa velikim brzinama imaju problem aerodinamičkog otpora vazduha koji zagreva zamajac do nekoliko stotina stepeni Celzijusa čime bi moglo da dođe do pogoršanja karakteristika materijala od kojih je zamajac napravljen i do eksplozije zamajca, zbog toga se zamajac smešta u sigurnosno kućište sa vakuumom ili je ispunjen helijumom Današnji zamajci za velike brzine se konstantno usavršavaju u cilju smanjenja gubitaka i povećanja stepena iskorišćenja

Slika 8.2: Sistem za skladištenje energije sa zamajcem

Korišćenje energije iz zamajca Prilikom ‘pražnjenja’ zamajca ne može se koristiti sva akumulirana energija, korisna energija po jedinici mase je: gde je s odnos minimalne i maksimalne radne brzine, obično iznosi 0.2 (što znači da se iz zamajca uzima 96% skladištene energije)

Primene sistema za skladištenje energije sa zamajcem Zamajac se koristi za kratkotrajno skladištenje energije da bi se održala stabilna brzina obrtanja u mašinama Milisekundni impulsi visoke snage za magnete akceleratora atomskih čestica se mogu dobiti iz sistema za skladištenje energije korišćenjem zamajca u kojima se energija može skladištiti u dužem periodu (satima) Upravljači uređaji brodova i aviona takođe koriste zamajac Primena zamajca za skladištenje energije u EES-u, kako malih tako i velikih sistema za pouzdano i sugurno obezbeđivanje energije u periodu od nekoliko sati Elektrodistributivni sistemi zahtevaju sisteme za skladištenje energije pomoću zamajca sa energetskim kapacitetom od 3.6·109 J, ovo se može postići korišćenjem zamajca sa više prstenova od Kevlar fiber/epoksidnih materijala, brzine obrtanja 3000 1/s, prečnika najmanjeg prstne 5 m i ukupne mase 130 ·103 kg Današnja istraživanja su usmerena na proizvodnju malih sistema za skladištnje energije sa zamajcem koji bi se primenili u vozilima

Primena zamajca za pogon u vozilima počela je 1950 Primena zamajca za pogon u vozilima počela je 1950. u Švajcarskoj u takozvanim žirobusevima, ali su bili glomazni i nepraktični Postoji mišljenje da bi u budućnosti sistemi sa zamajcem mogli da zamene konvencionalne hemijske izvore energije koji se koriste u električnim vozilima čime bi se uklonili nedostaci baterija (mali kapacitet, dugo vreme punjenja, velika težina, osetljivost na temperaturne promene, visoka cena) Ugradnja u postojeće električno vozilo: energija zamajca bi se koristila pri polasku ili ubrzavanju, a pri kočenju bi se energija vraćala u zamajac što se koristi kod manjih lokomotiva (napredni zamajac od 133kWh konstruisan na univerzitetu u Teksasu može da pokrene voz iz stanice) Primena zamajca u javnom prevozu, pri kočenju vozila zamajac bi se koristio da skladišti energiju, a između stanica bi se za pogon koristila uskladištena energija preko niza prenosnika (mehanička energija točkova se pretvara u mehaničku energiju zamajca, ne postoji konverzija u električnu energiju), sistem sa zamajcem može da reciklira 65% energije prilikom kočenja (naspram maksimalnih 45% koliko je moguće električnim sistemima) U Formuli 1 koriste se sistemi za recikliranje energije, energija koja nastaje pri kočenju se skladišti i ponovo koristi pri ubrzavanju bolida

MEHANIČKO SKLADIŠTENJE ENERGIJE Sistemi za skladištenje energije sa komprimovanim vazduhom (CAES – Compressed Air Energy Storage)

Prva primena skladištene energije u vidu komprimovanog vazduha za pokretanje turbina potiče iz 1949. godine Komprimovan vazduh je medijum koji omogućava skladištenje energije: vazduh se sabija pomoću klipa pri čemu se skladišti energija, kada je potrebno energija se koristi tako što komprimovan vazduh pokreće klip u suprotnom smeru i pri tome se vrši koristan rad Za idealni gas čiji je pritisak p, zapremina V i temparatura T važi: gde su n broj molova i R gasna kostanta. Prema prvom zakonu termodinamike promena entalpije je jednaka zbiru korisnog rada i toplote koja se oslobađa: Korisna energija koja se može dobiti iz komprimovanog gasa je manja je manja za gubitke u vidu toplote (koji su neizbezni, osim ako se ne radi o adijabatskom procesu)

Za klip koji se kreće bez trenja i sabija vazduh, izvršeni rad je (sila F pri sabijanju vazduha je suprotnog smera u odnosu na usvojeni smer ose po kojoj se vrši pomeranje klipa i promena zapremine komprimovanog vazduha): Slika 8.3: Komprimovan gas pod pritiskom p pokreće klip silom F od rastojanja s1 do rastojanja s2

U slučaju izobarskog procesa, izvršeni rad klipa je: U slučaju izotermičkog procesa, izvršeni rad klipa je: Ako je početna zapremina vazduha od 1m3 i pritisak od 2.03·103 Pa, vazduh sabijen u zapreminu 0.4 pri konstantnoj temperaturi ima zapreminsku gustinu energije:

Slika 8.4: Izobarski, izotermički i realni proces pri kretanju klipa (izvršeni rad predstavlja površinu ispod krive)

Skladištenje energije sa komprimovanim vazduhom kod gasnih elektrana Postrojenje sa gasnom turbinom sa otvorenim toplotnim ciklusom Slika 8.5: Postrojenje sa gasnom turbinom sa otvorenim ciklusom: ks – komora za sagorevanje u kojoj se meša i sagoreva vazduh i gorivo 1 – ulaz vazduha u kompresor 2 – izlaz vazduha iz kompresora 3 – izlaz iz komore za sagorevanje (ks) i ulaz u turbinu (T) mešavine vazduha i produkata sagorevanja 4 – izlaz mešavine vazduha i produkata sagorevanja iz turbine u atmosferu

Postrojenje sa gasnom turbinom sa rekuperacijom, višestepenom kompresijom i višestepenom ekspanzijom Slika 8.6: Postrojenje sa gasnom turbinom sa rekuperacijom, višestepenom kompresijom i višestepenom ekspanzijom: 1÷2, 3÷4, 5÷6 – višestepena kompresija 2÷3, 4÷5 – hlađenje vazduha 6÷7, 8÷9 – zagrevanje energijom goriva 7÷8, 9÷1 – višestepena ekspanizija

Slika 8.7: Kompresorsko akumalaciona gasna elektrana Kompresorsko akumulaciona gasna elektrana - u noćnim režimima EES-a, kada ima viška električne energije, generator (G) radi u motornom režimu i pokreće kompresore koji sabijaju vazduh u rezervoar - u režimu vršnih opterećenja u EES-u, komprimovan vazduh iz rezervoara se meša sa gorivom i sagoreva a zatim se vrši njegova ekspanzija u turbinama T1 i T2 - postoji mogućnost da se komprimovani vazduh vodi u turbinu niskog pritiska bez sagorevanja ali je onda efikasnost jako niska Slika 8.7: Kompresorsko akumalaciona gasna elektrana

Rezervoari sa komprimovanim vazduhom Mali sistemi za skladištenje vazduha kapaciteta do 20 MWh mogu da koriste nadzemne tankove kao rezervoare Veliki sistemi za skladišetenje vazduha koriste podzemne pećine u kojima se vazduh može čuvati godinama: - u velikoj meri ograničava razvoj CAES (Compresses Air Energy Storage) sistema , tj. vezani su za mesto na kome ove pećine postoje - najjednostavniji oblik je kamena pećina koja mora zadovoljiti formu koja će zadržati vazduh tj. neće ga propuštati - ustaljeni način skladištenja gasa u slanim pećinama može se primeniti na vazduh Treći oblik prećina koje se koriste za skladištenje vazduha su izdani (akvifere – podzemni vodonosni sloj) Sva tri tipa moraju da zadovolje oblik koji će da spreči isticanje vazduha Podzemne pećine moraju da budu na veoma velikim dubinama kako bi pritisak mogao da se održi, kod stenovitih pećina je važno da ne sadrže minerale koji bi reagovali sa kiseonikom i ugrozili ceo ciklus.

Slika 8.8: Podzemni rezervoar za skladištenje komprimovanog vazduha Pri upumpavanju vazduha istiskuje se voda iz rezervoara, a pri potrošnji vazduha voda iz jezera vraća se u rezervoar i održava stalni pritisak (4 MPa) Slika 8.8: Podzemni rezervoar za skladištenje komprimovanog vazduha

Sistem za transformaciju snage Kompresor i turbina moraju biti nezavisno dimenzionisani, što je kompresor veći to je manje vremena potrebno da se rezervoar napuni, na primer, postrojenje može da vrši kompresiju i punjenje 4h postrojenje može da generiše maksimalnu snagu u trajanju od 1h, ovaj odnos može da bude i 1:1 što sistemu omogućava efikasan rad i pod punim i pod delimičnim opterećenjem. Specifični rad kompresora je direktno proporcionalan porastu temperature vazduha dTc usled kompresije:. gde su: T1 i p1 temperatura i pritisak vazduha pre komresije, γ=cp/cv, ξc – politropski koeficijent efikasnosti pri kompresiji Efikasnost sistema za skladištenje energije sa komprimovanim vazduhom predstavlja odnos utrošene energije kompresora i dobijene električne energije: