Jak magazynować energię w wirujących przedmiotach? – układy FES

Niestabilne źródła energii elektrycznej w postaci fotowoltaiki i elektrowni wiatrowych wymuszają szukanie rozwiązań umożliwiających magazynowanie energii. Jednak nie jest to tak proste, jak może się wydawać. Trudno znaleźć rozwiązanie, które było odpowiednie do każdego zastosowania. Wśród wielu różnych magazynów energii można wymienić FES (ang. flywheel energy storage), czyli bezwładniki energii kinetycznej.

Czym jest bezwładność?

Kluczowym pojęciem potrzebnym do zrozumienia kinetycznych magazynów energii jest pojęcie bezwładności. Można ją zauważyć w wielu codziennych sytuacjach. Gdy jadący autobus nagle zahamuje, lecimy do przodu. Natomiast kręcąca się turbina wiatrowa nie zatrzyma się w momencie, gdy przestanie wiać wiatr, lecz po pewnej chwili, gdy wytraci swoją prędkość.

W gruncie rzeczy bezwładność polega na tym, że obiekt dąży do tego, by pozostać w stanie, w jakim był chwilę wcześniej. Gdy był w ruchu, będzie chciał dalej się poruszać. Jeżeli będzie w spoczynku, to również będzie dążył do spoczynku.

Najistotniejszym parametrem w opisie bezwładności jest masa obiektu. Mniej energii trzeba włożyć, żeby rozpędzić Seicento, a już więcej, żeby nadać prędkość tirowi. Bezwładność obiektu jest większa, gdy ma większą masę.

Zasada działania FES

Skoro już intuicyjnie wiemy, czym jest bezwładność; to jak ją wykorzystać do magazynowania energii? Zasada działania takich magazynów energii polega na rozpędzeniu masywnego przedmiotu, a następnie odzyskaniu energii, która została włożona w jego rozpędzenie. Z fizycznego punktu widzenia taki magazyn energii opiera się cyklu polegającym na zamianie energii elektrycznej na energię kinetyczną i odwrotnie.

Sam proces działania takich urządzeń można rozłożyć na kilka części. Pierwszy etap magazynowania polega na pobraniu energii elektrycznej, która zasila silnik elektryczny. Silnik wprawia w ruch obrotowy masywne koło zamachowe. Po odłączeniu napięcia od silnika, koło zamachowe będzie dalej wirował. Wtedy następuje etap odzyskania zmagazynowanej energii. Wirujące koło zamachowe napędza generator, który wytwarza prąd elektryczny i zamyka cykl magazynowania energii.

Konstrukcja bezwładnikowych magazynów energii

Podstawowa konstrukcja bezwładnikowych magazynów energii składa się z masywnego koła zamachowego umieszczonego na wale maszyny elektrycznej. W takich urządzeniach stosuje się maszynę elektryczną, która może pełnić funkcję silnika elektrycznego napędzającego koło zamachowe, ale i również generatora elektrycznego, za pomocą którego da się odebrać energię. Do takiego układu dołączona jest również przetwornica, która umożliwia przekazywanie energii elektrycznej w dwóch kierunkach; z sieci i do sieci.

W celu poprawy sprawności takich magazynów energii stosuje się wiele zaawansowanych technologii inżynierskich. Bardzo istotne jest zmniejszenie oporów w łożyskach oraz oporów powietrza. Między innymi dlatego w magazynie FES stosuje się łożyska magnetyczne. Natomiast całe urządzenie jest zamknięte w szczelnej obudowie. Za pomocą pompy wytwarzana jest w niej próżnia, która ma na celu ograniczyć opory powietrza.

Układy FES pracują z bardzo dużą prędkością obrotową. Dlatego wymagane jest zastosowanie materiałów, które są w stanie pracować w takich warunkach. Koła zamachowe wykonuje się między innymi ze stali bądź włókna węglowego. Zastosowanie włókna węglowego pozwala na osiąganie lepszych wyników w magazynowaniu energii. Taki materiał pozwala na osiągnięcie prędkości obrotowych dochodzących do 100 000 obrotów na minutę. Natomiast koła stalowe wykorzystuje się tylko w magazynach wolnoobrotowych, które pracują do prędkości 6 000 obrotów na minutę. Tak duża różnica w prędkościach obrotowych wpływa na prawie dwudziestokrotną większą gęstość energii w urządzeniach z kołem zamachowym z włókna węglowego.

Zastosowanie FES

Układy FES stosuje się do magazynowania wysokiej mocy, jednak tylko krótkookresowo. Nie są stosowane jako magazyny długoterminowe, ponieważ w godzinę są w stanie wytracić nawet 15% zmagazynowanej energii.

Ich potencjał jest wykorzystywany między innymi do stabilizacji sieci elektroenergetycznej, gdzie służą do regulacji napięcia i częstotliwości. W szczególności ich zastosowanie upatruje się przy współpracy z elektrowniami wiatrowymi. Jako przykład można wymienić elektrownię wiatrową w australijskiej miejscowości Coral Bay, gdzie wykorzystywany jest układ FES o mocy 500 kW.

Ponadto bezwładniki znajdują zastosowanie w formie UPS. Gdy następuje zanik napięcia, magazyn energii podtrzymuje zasilanie, aż do momentu włączenia alternatywnego źródła energii elektrycznej. Takie zastosowanie układy FES znalazły na przykład w kalifornijskiej firmie informatycznej EasyStreet Online Services, gdzie zastosowano magazyn o mocy 1 MW. Ponadto układy FES o mocy 900 kW zostały zainstalowane na lotnisku Benito Juarez w Meksyku.

Bezwładniki energii kinetycznej są używane również w mniejszej skali. Można tu wymienić lotnictwo, żegluga morska czy też transport drogowy. Wśród bardziej szczegółowych przykładów można wymienić systemy KERS stosowane w bolidach F1.

Zalety i wady technologii bezwładnikowych

Wśród zalet technologii FES można wymienić wysoką sprawność dochodzącą nawet do 90%. Ponadto ich dużą zaletą jest długa żywotność, jak i duża ilość cykli ładowania i rozładowania. Ich okres pracy szacuje się na około 20 lat, co umożliwia przeprowadzenie nawet 10 milionów cyklów magazynowania energii. Kolejną zaletą jest możliwość szybkiego oddania energii elektrycznej do sieci. Największe dostępne koła zamachowe mogą w ciągu 10 sekund oddać do sieci 1,6 MW mocy. Warto również wspomnieć o kompleksowej budowie takich urządzeń, co wpływa na łatwość ich montażu.

Układy FES mają również wiele wad. Między innymi nie nadają się do długoterminowego magazynowania energii. W stosunku do konkurencyjnych metod magazynowania energii mają niską pojemność energetyczną. Ponadto są wrażliwe na drgania, a podczas ich pracy wydziela się stosunkowo dużo energii cieplnej.

Źródła:
[1] – How It Works: Flywheel Storage – youtube.com/watch?v=J9slIBECva4
[2] – Wojciechowski H – Technologie magazynowania energii
[3] – WWF Poland – Dostępne i przyszłe formy magazynowania energii

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *

Komentarz do “Jak magazynować energię w wirujących przedmiotach? – układy FES”