روشهای ذخیره سازی برق در ایستگاههای قدرت
تحقیق ۲۰۵۱ : روشهای ذخیره سازی برق در ایستگاه های قدرت
ذخیره سازی انرژی برق یکی از مباحث مهم صنعت برق کشور به شمار میآید. از آن گذشته استفاده مداوم از انرژی برق به دلیل کم باری در برخی از ساعات و درمدار قرارداشتن همه نیروگاهها امکانپذیر نیست. در مقالـه پژوهشـی زیـر کـه بـهوسیله دفتر مطالعات اقتصادی و ارتقاء بازار برق شرکت مدیریت شبکه بـرق ایـران بـا همکـاری مهنـدس سـیدمحمد جعفر طباطبایی و مهندس محمدحسین عسگری تهیه شده به روشهای ذخیره سازی برق در ایستگاه های قدرت اشاره شده است.
یکی از مسائلی که امروزه در سیستمهای قدرت به ویژه شبکه قدرت ایران – بسیار مورد توجه برنامه ریزان و بهره برداران سیستم قرار دارد، تغییرات زیاد و عدم یکنواخت بودن منحنی بار در ساعات مختلف شبانه روز است. این موضوع منجر شده است تا تنها در ساعات پیک بار از تمامی ظرفیت نصـب شده تولید کشور استفاده شود و در ساعات کم باری و میان باری مقدار زیادی از ظرفیت نصب شده خارج از مدار باشد که این مطلب بـه معنـای خـواب سرمایه است. این مشکل کمابیش در شبکههای قدرت دنیا که دارای منحنیهای بار با تغییرات زیاد هستند مشاهده میشـود. ایـن موضـوع محققـان را برآن داشته است تا با نگاهی به تجربیات بشر و پیشزمینه ذخیرهسازی از دیرباز، در اندیشه ذخیره کردن انرژی الکتریکی باشند.
از آنجا که هزینه تولید برق و قیمت فروش آن در ساعات مختلف شبانهروز با توجه به راهافتادن بازار برق، تفاوتهای چشمگیری دارد، بنـابراین ایـده ذخیرهسازی برق در ساعات غیر پیک (برق ارزان) و استفاده از آن در ساعات پیک (برق گران) مطرح شد. روشهای مورد مطالعه ذخیـره سـازی بـرق بـه شرح زیر هستند: ذخیره ساز هوای فشرده، ذخیره سازی چرخ طیار، ذخیره ساز حرارتی، ذخیره ساز مغناطیسی ابر رسانا و ذخیره ساز ابرخازن.
ذخیره سازی هوای فشرده (Compressed Air Energy Storage (CAES
اجزای اصلی یک سیستم CAES شامل: موتور، کمپرسور، محفظه ذخیره هوا ، محفظه احتراق، توربین و ژنراتور است.
نحوه عملکرد این سیستم به این صورت است که در ساعات غیر پیک برق را از شبکه میگیرد و به وسیله بک کمپرسور که بـه وسـیله ی موتـوری چرخانده میشود، هوا را فشرده ساخته و در داخل محفظه ای زیرزمینی میدمد. محفظه زیرزمینی نگهداری هوا را میتوان به طور مصنوعی سـاخت کـه هزینه بسیار زیادی دربر خواهد داشت و میتوان از سفره های آب زیرزمینی و یا محفظه معادن مختلف برای این منظور بهره گرفت. هوای فشرده را می توان با تلفات بسیار اندک در محفظه نگاهداری کرد. در مواقع لزوم، هوای فشرده از محفظه خارج شده، در یک اتاق احتراق با مقداری سـوخت مخلـوط میشود و پس از احتراق وارد یک توربین گازی میشود و در نهایت با استفاده از ژنراتور، تولید برق صورت میگیرد. این ذخیره ساز در عمل کار کمپرسور در نیروگاه گازی را به انجام میرساند. از آنجا که بیش از نیمی از ظرفیت تولید توربینهای گازی برای چرخاندن کمپرسور مورد استفاده قـرار مـیگیـرد،
لذا با توجه به روش CAES و همچنین توجیه پذیرتر بودن اسـتفاده از محفظـه هـای طبیعـی از نظـر اقتصـادی، ایـده سـاخت نیروگاههـای گـازی در محلهایی که امکان استفاده از محفظه های زیرزمینی وجود دارد، آشکار میشود. در این صورت می توان در ساعات غیر پیک، کار کمپرسور نیروگاه را با استفاده از CAES انجام داد و در ساعات پیک کمپرسور نیروگاه را از مدار خارج کرده، قابلیت تولید تقریباً دوبرابر را به دست آورد. هوا پـیش از تزریـق به داخل حفره خنک میشود تا از فضا بهترین استفاده صورت گیرد. فشرده سازی تا فشار در حدود ۷۵ bar انجام میشود. بعد از روش تلمبـه ذخیـره ای، سیستم CAES دارای بزرگترین ظرفیت بین دخیره سازها است. ظرفیتهای معمول سیستمهای CAES در حـدود ۵۰ تـا ۳۰۰ مگـاوات اسـت و بـه دلیل کمی تلفات این سیستم، طول دوره ذخیره تا یک سال هم به طول میانجامد. زمان راه اندازی سیستم CAES در حد ۱۰ دقیقه است کـه نسـبت به زمان مشابه برای نیروگاه های گازی (۳۰-۲۰ دقیقه) کمتر است. چگالی انرژی معمول هوای فشرده در حدود ۱۰۸۶ ژول بر گـرم اسـت. نمونـه هـای سیستم CAES ، شامل یک واحد ۲۹۰ مگاواتی در کشور آلمان و یک واحد ۱۱۰ مگاواتی در کشور آمریکا است.
ذخیره ساز چرخ طیار (Flywheel Energy Storage (FES
اجزای اصلی سیستم ذخیره ساز چرخ طیار موتور/ ژنراتور، چرخ طیار، یاتاقانها، محفظه خلا و سیستم کنترل است. طریقه عملکرد این سیستم به این گونه است که در ساعات غیر پیک انرژی را از شبکه گرفته و با استفاده از موتـور خـود، جـرم چـرخ طیـار را بـه گردش در میآورد. سرعت گردش برای روتورهای معمول فلزی در حدود ۴ هزار دور در دقیقه و برای روتورهای جدید ساخته شده از رشته های کـربن-کامپوزیت در محدوده ۲۰ هزار تا ۱۰ هزار دور در دقیقه است.
با توجه به فرمولها و محاسبات به عمل آمده هرچه ممان اینرسی و یا سرعت چرخش روتور افزایش یابـد انـرژی جنبشـی بیشـتری در چـرخ طیـار ذخیره میشود. از این انرژی جنبشی میتوان در ساعات پیک استفاده کرد. مطلبی که در اینجا مطرح میشود اینست که انرژی موجود پس از مـدتی بـه صورت اصطکاک تلف میشود روتور از حرکت باز میایستد و عملاً استفاده ای از FES نمیشود. چاره این مشکل اینگونه پیدا شده است که با اسـتفاده از محفظه خلا و یاتاقانهای مغناطیسی، اصطکاک به حداقل رسانده میشود و تلفات تقریباً ناچیز میشود. یاتاقانهای مغناطیسی روتـور را بـا اسـتفاده از میدان مغناطیسی نگاه میدارند و لذا از تماسهای مکانیکی که در یاتاقانهای معمولی موجب تلفات زیاد میشود جلوگیری میکنند. همچنـین وجـود خـلا مانع از تلفات اصطکاک با هوا میشود. سیستم مزبور برای بهبود کیفیت توان مورد استفاده قرار میگیرد و تا حدودی قابلیت پیکزدایی را داراست. یکـی از معایب FES تنش زیاد وارد شده بر روتور در سرعتهای زیاد و احتمال از هم پاشیدن آن به صورت انفجاری است.
ذخیره سازی حرارتی برق (Electric Thermal Storage (ETS
افزایش روزافزون سیستمهای تهویه مطبوع جهت گرمایش و سرمایش باعث شیفت پیک بار الکتریکی به مدت چند دقیقه تا چند ساعت مـیشـود.
ذخیره انرژی به صورت حرارت یا سرما که بتواند در ساعات اوج مصرف به عنوان سیستم تهویه مورد استفاده قرار گیرد، در جهـت کـاهش ایـن شـیفت راه گشا خواهد بود. به عبارت دیگر در ساعات غیر پیک انرژی الکتریکی به فرم حرارتی ذخیره میشود و در ساعات پیک مورد بهره برداری قرار میگیـرد.
این سیستم میتواند برای هر دو منظور سرمایش و گرمایش مورد استفاده قرار گیرد. در ساعات غیر پیک انرژی برق از شبکه گرفته شده و بـا توجـه بـه هدف گرمایش یا سرمایش، ماده واسط گرم و یا سرد میشود و در ساعت پیک تنها با دمیدن هوا از روی ماده واسط، گرما یا سرمای مطلوب بـه دسـت می آید.
براســاس نــوع مــاده ای کــه بــه عنــوان واســط ذخیــره ســاز انــرژی حرارتــی بــه کــار مــیرود، دو نــوع کلــی ETS وجــود دارد. نــوع اول ETS ها که Sensible نامیده میشوند، از آب ذخیره شده در تانک، لایه های زیرزمینی و یا فونداسیون بتنی ساختمانهـا بـه عنـوان واسـط اسـتفاده میکنند. این نوع ETS دارای چگالی حجمی انرژی به میزان ۲۵ کیلووات ساعت بر متر مکعب هستند. عیب ایـن ETS هـا اینسـت کـه دارای دمـای
متغیر در هنگام دشارژ هستند. نوع دوم ETS ها که Latent نام دارند، از ماده واسطی استفاده میکنند که در هنگام شارژ و دشـارژ قابلیـت تغییـر فـاز دارد. به عنوان مثال اگر از آب به عنوان ماده واسط استفاده شود، چگالی انرژی ۱۰۰ کیلووات ساعت بر متر مکعـب و اگـر از پـارافین اسـتفاده شـود تـا حدود ۳۰۰ کیلووات ساعت بر متر مکعب قابل دسترسی است. با توجه به اینکه در حال تغییر فاز اختلاف دمایی در ماده واسط به وجود نمیآید، لذا دمـای ثابت در هنگام دشارژ از مزایای ETS نوع دوم است. این سیستم برای مناطقی پیشنهاد میشود که روند تهویه مطبوع گرمایش آنهـا نیـز ماننـد تهویـه سرمایش با استفاده از انرژی الکتریکی صورت میگیرد.
ذخیره ساز مغناطیسی ابر رسانا SMES) Superconducting Magnetic Energy Storage)
سیستم ذخیره ساز مغناطیسی ابررسانا از سه بخش اساسی: سیم پیچ ابررسانا، سیستم اصلاح و بهبود توان و سیستم خنک کننـده تشـکیل مـیشـود.
سیم پیچ ابررسانا به صورت یک سلف به کار میرود و در ساعات غیر پیک انرژی الکتریکی از طریق یک جریـان مسـتقیم (DC) بـه صـورت انـرژی مغناطیسی در میدان سلف مذکور ذخیره میشود. سیستم خنک کننده وظیفه کاهش دمای ابررسـانا را بـه منظـور حفـظ خاصـیت ابررسـانایی داراسـت.
ابررسانابودن سیسم پیچ منجر خواهد شد که تلفات سیستم بسیار ناچیز باشد و جریان آن تقریباً بدون تغییر باقی بماند. سیستم اصـلاح تـوان بـه منظـور تبدیل جریان متناوب به مستقیم و مستقیم به متناوب به ترتیب در روال شارژ و دشارژ SMES استفاده میشود که این تبدیلات باعث تلفاتی در حدود ۲ تا ۳ درصد میشود.
با توجه به انرژی زیاد مورد نیاز برای خنکسازی و هزینه زیاد سیمهای ابررسانا، SMES ها در حال حاضر تنها برای ذخیره کوتاه مـدت انـرژی و بهبود کیفیت توان مورد استفاده قرار میگیرند.
براساس فرمول و محاسبه انجام شده انرژی ذخیرهشده به جریان عبوری از سیم پیچ ابررسانا و همچنین اندوکتانس سلف مورد نظـر بسـتگی دارد. از آنجا که اندوکتانس سلف تابع مشخصات ساختمانی آن است، برای ذخیره انرژی زیاد، ابعاد سلف مورد استفاده افزایش چشمگیری خواهد داشت و هزینـه آن نیز متقابلاً بسیار زیاد خواهد شد.
ذخیره ساز ابر خازن (Super Capacitor)
ابرخازنها به عنوان باتری استفاده میشوند و در مقایسه با خازنهای معمولی دارای چگالی انرژی بیشتری هستند. زمان شارژ ابرخازنها (در حـدود چند ثانیه) نسبت به باتری های قابل شارژ سنتی (در حدود چند ساعت) بسیار کمتر است. همچنین تعداد چرخه های قابل شارژ و دشارژ ابرخازن میلیونهـا بار است و نسبت به باتریهای معمولی که تا ۱۰۰۰ بار قابلیت شارژ دارند، عمری طولانیتر دارند. مقاومت داخلی بسـیار کـم و رانـدمان زیـاد ایـن ابـر خازنها از دیگر مزایای آنهاست. ابرخازنها در مقیاس های کوچک برای ذخیره انرژی بهره برداری میشـوند و در صـورت پیشـرفت در افـزایش چگـالی انرژی آنها میتوان انتظار داشت جای باتریهای الکتروشیمیایی را بگیرند. در حال حاضر چگالی انرژی ابر خازنها در حدود چند وات ساعت بر کیلـوگرم است. در پایان باید خاطرنشان کرد دلایل عمده عدم استفاده گسترده از وسایل ذخیره ساز انرژی اینست که اولاً رقیب اقتصـادی تولیدکننـدگان اسـتفاده کننده از سوخت فسیلی نیستند (به عبارت دیگر احداث نیروگاه فسیلی هزینه ای کمتر از برخی ذخیره کننده ها دربر دارد) و ثانیاً قابلیت اطمینان بالای آنها در دوره های طولانی بهره برداری به اثبات نرسیده است.
مجموعه: پروژه های تحقیقاتی