Energian varastointi paineilmaan
Talvi, Micke (2021)
2021
Tekniikan ja luonnontieteiden kandidaattiohjelma - Bachelor's Programme in Engineering and Natural Sciences
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2021-02-23
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202102031901
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202102031901
Tiivistelmä
Uusiutuvan energian käyttäminen sähköntuotantoon on haasteellista, sillä uusiutuvan energian tuottaminen on epäsäännöllistä. Yksi lupaava ratkaisu tähän ongelmaan on energian varastointi paineilmaan (engl. Compressed Air Energy Storage, CAES). Tässä työssä tutkitaan erilaisia paineilman tuotantomuotoja ja paineilmavarastoja, sekä niitä vertaillaan kirjallisuuden perusteella.
Sähköntuotantoa pystytään säätelemään ja tasaamaan paineilmavaraston avulla. Paineilmaa tuotetaan sähköenergialla kompressorien avulla paineilmavarastoon, kun sähkön kysyntä ja hinta ovat alhaiset. Paineilmasta tuotetaan takaisin sähköenergiaa turbiinin ja generaattorin avulla, kun sähkön kysyntä ja hinta ovat taas korkealla. Paineilmaa tuotettaessa ilman puristusvaiheessa ilman lämpötila kohoaa korkeaksi. Esimerkiksi kun ilman painetta kasvatetaan puristuksessa 10 baaria, ilman lämpötila nousee tällöin noin 300 celsiusastetta. Paineilmasta pitää poistaa lämpöenergiaa, jotta paineilman lämpötila laskisi ja paineilman varastointi olisi mahdollista.
Paineilman lämpöenergian käsittely on ratkaisevin tekijä jaoteltaessa eri paineilman tuotanto-muotoja. Tässä työssä käsitellään kolmea eri paineilman tuotantomuotoa: diabaattista, adia-baattista ja isotermistä tuotantomuotoa. Diabaattinen tuotantomuoto on tällä hetkellä ainoa käytössä oleva tuotantomuoto suurissa CAES-laitoksissa. Diabaattisessa tuotantomuodossa ei oteta talteen lämpöenergiaa, kun taas adiabaattisessa tuotantomuodossa lämpöenergia otetaan talteen, ja lämpöenergiaa käytetään ilman laajentumisvaiheessa hyödyksi. Isotermisessä tuotan-tomuodossa taas ilman lämpötilan muutos halutaan minimoida.
Paineilmavarastoja on erilaisia sekä rakenteeltaan että toiminnaltaan. Paineilmavarastot ovat joko isobaarisia tai isokoorisia. Isokooriset paineilmavarastot ovat yksinkertaisempia toimin-naltaan kuin isobaariset varastot. Tällä hetkellä toimivissa CAES-laitoksissa on käytössä vain isokoorisia varastoja. Paineilmavarastona voidaan käyttää maanalaisia luolamuodostelmia tai rakennettuja säiliöitä. CAES-laitosten paineilmavarastoina pyritään hyödyntämään luola-muodostelmia, sillä niiden käyttöönottokustannukset ovat paljon matalammat kuin rakennetuilla säiliöillä.
Kirjallisuuden mukaan adiabaattisella paineilman tuotantomuodolla on eniten potentiaalia yleistyä täysimittaiseen käyttöön. Isotermisellä tuotantomuodolla voidaan saavuttaa adiabaattista tuotantomuotoa korkeampi hyötysuhde, mutta isoterminen tuotantomuoto on kehityksessä vasta laboratorioasteella. CAES-laitoksen sijainti on tärkeä, sillä luolamuodostelmien käyttäminen paineilmavarastona laskee laitoksen hintaa huomattavasti.
Sähköntuotantoa pystytään säätelemään ja tasaamaan paineilmavaraston avulla. Paineilmaa tuotetaan sähköenergialla kompressorien avulla paineilmavarastoon, kun sähkön kysyntä ja hinta ovat alhaiset. Paineilmasta tuotetaan takaisin sähköenergiaa turbiinin ja generaattorin avulla, kun sähkön kysyntä ja hinta ovat taas korkealla. Paineilmaa tuotettaessa ilman puristusvaiheessa ilman lämpötila kohoaa korkeaksi. Esimerkiksi kun ilman painetta kasvatetaan puristuksessa 10 baaria, ilman lämpötila nousee tällöin noin 300 celsiusastetta. Paineilmasta pitää poistaa lämpöenergiaa, jotta paineilman lämpötila laskisi ja paineilman varastointi olisi mahdollista.
Paineilman lämpöenergian käsittely on ratkaisevin tekijä jaoteltaessa eri paineilman tuotanto-muotoja. Tässä työssä käsitellään kolmea eri paineilman tuotantomuotoa: diabaattista, adia-baattista ja isotermistä tuotantomuotoa. Diabaattinen tuotantomuoto on tällä hetkellä ainoa käytössä oleva tuotantomuoto suurissa CAES-laitoksissa. Diabaattisessa tuotantomuodossa ei oteta talteen lämpöenergiaa, kun taas adiabaattisessa tuotantomuodossa lämpöenergia otetaan talteen, ja lämpöenergiaa käytetään ilman laajentumisvaiheessa hyödyksi. Isotermisessä tuotan-tomuodossa taas ilman lämpötilan muutos halutaan minimoida.
Paineilmavarastoja on erilaisia sekä rakenteeltaan että toiminnaltaan. Paineilmavarastot ovat joko isobaarisia tai isokoorisia. Isokooriset paineilmavarastot ovat yksinkertaisempia toimin-naltaan kuin isobaariset varastot. Tällä hetkellä toimivissa CAES-laitoksissa on käytössä vain isokoorisia varastoja. Paineilmavarastona voidaan käyttää maanalaisia luolamuodostelmia tai rakennettuja säiliöitä. CAES-laitosten paineilmavarastoina pyritään hyödyntämään luola-muodostelmia, sillä niiden käyttöönottokustannukset ovat paljon matalammat kuin rakennetuilla säiliöillä.
Kirjallisuuden mukaan adiabaattisella paineilman tuotantomuodolla on eniten potentiaalia yleistyä täysimittaiseen käyttöön. Isotermisellä tuotantomuodolla voidaan saavuttaa adiabaattista tuotantomuotoa korkeampi hyötysuhde, mutta isoterminen tuotantomuoto on kehityksessä vasta laboratorioasteella. CAES-laitoksen sijainti on tärkeä, sillä luolamuodostelmien käyttäminen paineilmavarastona laskee laitoksen hintaa huomattavasti.
Kokoelmat
- Kandidaatintutkielmat [9203]