Fizika energijskih virov II Shranjevanje energije Uvod Veina

Fizika energijskih virov II Shranjevanje energije Uvod Večina naprav, ki porabljajo energijo (npr. električne naprave), le-to ne porabljajo časovno konstantno dnevne, tedenske, sezonske spremembe delež celotne proizvodnje % vršna del proizvodnje iz shranjevanja vmesna del osnovne proizvodnje za shranjevanje osnovna poraba primer tedenske porabe energije tipična dnevna poraba energije v večjem mestu Fizika energijskih virov 2005/06 vir: S. W. Angrist, Direct Energy Conversion B. Golob

Fizika energijskih virov II Shranjevanje energije Uvod § osnovne potrebe: osnovne energetske proizvodne zmogljivosti: zadoščanje najbolj stalnih energijskih potreb najvišji izkoristki, najcenejši primarni viri tipično termoelektrarne, hidroelektrarne, jedrske elektrarne § vmesne potrebe: različne energetske zmogljivosti, tipično v uporabi le preko dneva fosilna goriva, nižji izkoristki, plinske turbine § vršne potrebe: tipično najstarejši tipi proizvodnih zmogljivosti, najnižji izkoristki Fizika energijskih virov 2005/06 B. Golob shranjevanje energ.

Fizika energijskih virov II Shranjevanje energije Uvod zbiralniki energije § § § mehanični (kinetična in potencialna energija), toplotni (latentna in specifična toplota), kemični, elektrokemični (baterije in akumulatorji), elektromagnetni jedrski najpomembnejši in najstarejši način “shranjevanja”: manjšanje oscilacij v porabi; od nekdaj elektroenergetski sistemi prodajajo energijo, proizvedeno v periodah manjše porabe, po nižji ceni; Fizika energijskih virov 2005/06 B. Golob

Fizika energijskih virov II Shranjevanje energije mehanični zbiralniki črpalne elektrarne: črpanje vode na večjo višino ob presežku produkcije; hidrolektrarna ob pomanjkanju; izkoristek: črpalka/turbina - izgube zaradi Welek → Wpot → Welek’ izparevanja - mehanske izgube h = Welek’ /Welek ~ 0. 7 -0. 85 (ekonomski izk. boljši) Črpalna HE Avče, http: //www. seng. si/che_avce/ Fizika energijskih virov 2005/06 pomembne pri izračunu stroškov proizvodnih zmogljivosti, ki ne zagotavljajo energije konstantno B. Golob

Fizika energijskih virov II Shranjevanje energije mehanični zbiralniki črpalne elektrarne: Welek → Wpot → Welek’ Maksimalni bruto padec: Hb = 521, 00 m Koristni volumen vode: Vk = 2. 170. 000 m³ Instalirani pretok (turbinski režim): Qi = 40 m³/s Instalirani pretok (črpalni režim): Qč = 34 m³/s Instalirana moč turbine: Pi = 185 MW Instalirana moč črpanja: Pč = 180 MW Letna proizvodnja električne energije: El = 426 GWh Letna poraba energije za črpanje: Eč = 553 GWh Črpalna HE Avče, http: //www. seng. si/che_avce/ Fizika energijskih virov 2005/06 h = Welek’ /Welek ~ 0. 77 B. Golob

Fizika energijskih virov II Shranjevanje energije mehanični zbiralniki kakšna je efektivna gostota shranjene energije – primerjava z drugimi načini shranjevanja? v taki gostoti upoštevamo specifično energijo (d. W/dm ali d. W/d. V) kot tudi izkoristek pretvorbe v uporabno obliko energije; primer črpalne elektr. : za vodo shranjeno v rezervoarju 100 m nad turbino, tipičen izkoristek turbine in generatorja je h~0, 8: d. W’/d. V = h d. W/d. V = h rgh d. V/d. V = h rgh ~ 0, 8 MJ/m 3 ali d. W’/dm = 0, 8 k. J/kg Fizika energijskih virov 2005/06 B. Golob

Fizika energijskih virov II Shranjevanje energije mehanični zbiralniki vztrajniki elektromotor/generator Welek → Wkin → Welek’ rotor: obroč Wkin/m = s/2 r s: natezna trdnost r: gostota za druge oblike rotorjev nekoliko drugače, še vedno s/2 r vir: S. W. Angrist, Direct Energy Conversion kompozitni materiali (Kevlar) magnetni ležaji za zmanjšanje trenja h = Welek’ /Welek ~ 0. 9 specifična uporaba: UPS, avtomobili, vlak material gostota [kg/m 3] F/S [MPa] spec. energ. [MJ/kg] strošek [US$/MJ] bukev 700 125 15, 1 145 Kevlar 1320 180 120 jeklo 7830 2540 44 60 Fizika energijskih virov 2005/06 B. Golob

Fizika energijskih virov II Shranjevanje energije mehanični zbiralniki zrak s povečanim tlakom elek. energ. s pomočjo energije, ki je na voljo, stisnemo zrak in ga s povečanim tlakom shranimo v (podzemni) rezervoar elek. energ. motorgenerator kompresor dodatno hlajenje turbina sklopka gorivo ob potrebi ta zrak zmešamo z gorivom ter vžgemo, da poganja turbino in generator izgorevanje dovedena energija oddana energija povzeto po: S. W. Angrist, Direct Energy Conversion podzemni zračni rezervoar Fizika energijskih virov 2005/06 adiabatsko stiskanje zraka: T 2=(p 1/p 2)(1 -k)/k T 1=293 K, p 1=105 Pa, p 2=100 x 105 Pa k=1, 4 T 2=1094 K=820 o. C dodatno hlajenje, omejitve za rezervoarje! B. Golob

Fizika energijskih virov II Shranjevanje energije termični zbiralniki energija, ki je na voljo, se z izmenjavo toplote pretvori v notranjo energijo snovi specifična toplota (zvišanje T) latentna toplota (fazni prehod) dnevni zbiralniki sezonski zbiralniki nizko-T zbiralniki (izmenjava toplote pri T<~120 o. C) visoko-T zbiralniki (izmenjava toplote pri T>~120 o. C) Fizika energijskih virov 2005/06 B. Golob

Fizika energijskih virov II Shranjevanje energije termični zbiralniki tipično termični zbiralniki namenjeni shranjevanju energije, potrebne za ogrevanje sobna T: voda DT=30 o. C d. W/d. V = rcp. DT = 126 MJ/m 3 zaenkrat ni uporabnih materialov za shranjevanje s pomočjo latentne toplote pri sobni T; magnetit (Fe 3 O 4) d. W/d. V = 115 MJ/m 3 (cp=7, 5 x 102 J/kg, r=5, 1 x 103 kg/m 3) visoke T: železov klorid, Ttal=304 o. C, r=2, 9 x 103 kg/m 3, qtal=2, 6 x 105 J/kg d. W/d. V = rqtal = 763 MJ/m 3 Fizika energijskih virov 2005/06 povzeto po: S. W. Angrist, Direct Energy Conversion B. Golob

Fizika energijskih virov II Shranjevanje energije termični zbiralniki primer naselja v Kanadi sončni kolektorji kratkotrajni termični zbiralnik dolgotrajni termični zbiralnik vir: http: //www. dlsc. ca/how. htm Fizika energijskih virov 2005/06 B. Golob

Fizika energijskih virov II Shranjevanje energije termični zbiralniki primer naselja v Kanadi skupna površina 2, 3 x 103 m 2 generirajo 1, 3 MW sredi sončnega dneva “tipična” dnevna poraba energije v gospodinjstvu ~200 MJ (55 k. Wh); od tega ~120 MJ za ogrevanje ~4 MJ za ogrevanje vode v naselju 52 hiš, potrebuje 0, 64 x 1010 J/dan produkcija 1, 3 MW x 6 ur x 0, 6 (h) ~ 1, 7 x 1010 J preostanek ~1, 0 x 1010 J za shranjevanje vir: http: //www. dlsc. ca/how. htm Fizika energijskih virov 2005/06 B. Golob

Fizika energijskih virov II Shranjevanje energije termični zbiralniki primer naselja v Kanadi kratkotrajni (dnevni) zbiralnik prejema energijo od kolektorjev in jo razporeja med hišami in dolgotrajnim zbiralnikom segreta glikolna raztopina iz sončnih kolektorjev preko toplotnega izmenjevalca ogreje vodo na 75 o. C; 120 m 3, DT=(75 -46) K W=r. Vcp. DT = 1, 5 x 1010 J vir: http: //www. dlsc. ca/how. htm Fizika energijskih virov 2005/06 B. Golob

Fizika energijskih virov II Shranjevanje energije termični zbiralniki primer naselja v Kanadi dolgotrajni (sezonski) zbiralnik segreje okoliško zemljo na 80 o. C kamenje, cp~850 J/kg. K r~2, 7 x 103 kg/m 3 DT=30 K W~1, 9 x 1012 J pri ocenjeni dnevni porabi zadošča za ~100 dni S~900 m 2 V~27 x 103 m 3 vir: http: //www. dlsc. ca/how. htm Fizika energijskih virov 2005/06 B. Golob