"TEHNOLOGIE INOVATIVĂ DE STOCARE A ENERGIEI PRIN UTILIZAREA DE COMPRESOARE ŞI EXPANDERE CU ŞURUB"

   Institutul Naţional de Cercetare-Dezvoltare Turbomotoare COMOTI, cu preocupări majore în rezolvarea provocărilor din industria energetică a României, a participat la o competiţie pentru Programul Operaţional Competitivitate (POC) organizată de Autoritatea Naţională pentru Cercetare Ştiinţifică şi Inovare în numele şi pentru Ministerul Fondurilor Europene (MFE) cu un proiect dedicat soluţionării stocării de energie, denumit: Tehnologie inovativă de stocare a energiei in sistem CAES prin utilizarea de compresoare şi expandere cu şurub.
   Obiectivul principal al proiectului este transferul de cunostinţe de la entitatea de cercetare la parteneri din mediul economic pentru realizarea unei instalaţii inovatoare de stocare a energie în sistem CAES (Compressed Air Energy Storage) prin utilizarea de compresoare -expandere cu şurub.
Obiectivele secundare care derivă din obiectivul principal sunt:

• Realizarea unei staţii pilot de stocare de energie care să evidenţieze creşterea performanţei sistemului energetic prin introducerea stocării de energie în forma CAES permiţând intrarea pe piaţa energiei cu produse inovatoare şi performante, la nivel mondial;
-Stimularea intreprinderilor partenere pentru asimilarea de cunoştinţe prin asistenţă directă şi identificarea expertizei tehnice şi ştiintifice pe care COMOTI o poate oferi pentru a răspunde nevoilor şi cerinţelor de inovare a produselor cu care unităţile economice intrate pe piaţă (in domeniul pe care-l abordează proiectul, INCD Turbomotoare COMOTI are o vastă expertiză fiind şi producătoare de echipamente de comprimare şi expandere de diferite tipuri şi dimensiuni);
• Accesul personalului tehnic al intreprinderilor partenere la facilităţile pe care le oferă baza de cercetare a institutului, laboratoare de cercetare şi standuri de testare specifice domeniului de interes;
• Realizarea de activităţi de cercetare/dezvoltare şi de sprijinire a inovării de către COMOTI la solicitarea intreprinderilor partenere;
• Participarea personalului tehnic al intreprinderilor partenere la activităţile de cercetare industrială şi dezvoltare experimentală pe care le initiază unitatea de cercetare pentru soluţionarea problemelor tehnice, ştiintifice şi de natura tehnologică pe care le implică realizarea proiectului.

Figura 1-Schema fluxului tehnologic al staţiei de stocare ROCAES.

Un echipament de comprimare al aerului, compresor cu şurub, este pus în funcţiune în intervalele orare în care consumul energetic şi preţul kilowatului de energie este redus. Aerul comprimat este stocat într-un mediu izolat termic în vederea recuperării unei părţi din căldura de proces. Mediul de stocare al aerului comprimat poate fi constituit din vase sub presiune, zăcăminte de gaze sărăcite sau în mine de cărbune sau de sare epuizate sau în conservare. În intervale orare în care cererea de energie electrică este mare iar preţul energiei este mai ridicat porneşte echipamentul "expander cu şurub " care antrenează un generator electric.
Comprimarea aerului se face cu pierdere energetică mare datorită pierderilor de energie acumulate de aerul comprimat încălzit în procesul de comprimare. Pentru a recupera o parte din această căldură de proces se utilizează diverse soluţii constructive care în final dictează eficienţa balanţei energetice a staţie de stocare a energiei. De cele mai multe ori soluţiile de recuperare a energiei sunt stabilite în funcţie de locul pe care-l ocupă staţia de stocare într-un flux de producere a energiei electrice: se aleg anumite soluţii de recuperare a căldurii de proces dacă staţia de stocare este amplasată într-o zonă descentralizată şi alte soluţii de recuperare dacă de exemplu staţia de stocare este amplasată în vecinătatea unei centrale termice, de cogenerare, etc. Funcţie de soluţiile de recuperare ale căldurii de proces eficienţa energetică a unei staţii de stocare a energiei poate să varieze între 41%-75%.
   Desigur şi echipamentele de comprimare şi de destindere ale aerului sunt esenţiale în balanţa energetică. Tehnologia inovativă de stocare a energiei în sistem CAES propusă de INCD Turbotoare constă în utilizarea echipamentelor de comprimare, destindere şi generare a energiei electrice cu randamente ridicate iar pentru recuperarea căldurii de proces propune utilizarea mai multor trepte de recuperare a acesteia în diferite faze ale ale procesului tehnologic. Modelul demonstrativ propus doreşte să demonstreze că soluţia de stocare de energie în sistem CAES este o soluţie fezabilă şi eficientă pentru recuperarea energiei produsă în exces de fermele de turbine eoliele şi de panouri fotovoltaice şi în anumite situaţii pot aduce beneficii economice prin jocul preţului de producere a energei şi a celui de livrare.
Pentru a reuşi să demonstreze cât mai elocvent avantaje le pe care le aduc staţiile de stocare ale energiei, modelul demonstrativ a fost proiectat astfel încât staţia de stocare să poată fi montată în apropierea surselor de energie regenerabilă sau în incinta unor intreprinderi mari consumatoare de energie electrică. Modelul demonstrativ de staţie de stocare, cu acronimul ROCAES este o staţie de stocare a energiei de dimensiuni relativ mici, destinată fermelor de turbine eoliene sau a celor cu panouri fotovoltaice care deservesc zone racordate la reţeaua SEN sau care sunt amplasate în zone izolate (insularizate). Disponibilitatea staţiei este însă limitată de volumul redus al vasului de stocare care implică costuri ridicate şi care în această fază de dezvoltare a proiectului nu se justifică, ţinta proiectului fiind demonstrarea fezabilităţii soluţiei de stocare în sistem CAES, varianta elaborată de COMOTI.
Partenerii proiectului şi atribuţiile lor în programul de cercetare industrială sau experimentală realizată în comun cu organizaţia de cercetare. Încă de la lansarea competiţiei pentru Programul Operaţional Competitivitate (POC) şi-au exprimat dorinţa de participare trei firme: Institutul de Cercetări şi Proiectări pentru Echipamente Electrice-ICPE S.A, SC TURBONED SRL cu sediul în Tîrgu Jiu şi SC PRODEXPRES SRL cu sediul în Popeşti. Fiecare din cei tri parteneri şi-au exprimat dorinţa de a face transfer tehnologic pentru specialităţile caracteristice activităţior pe care le desfăşoară şi care au conexiune cu promovarea staţiilor de stocare ale energiei în sistem CAES.
Astfel, SC ICPE SA şi-a exprimat disponibilitatea de a participa la dezvoltarea echipamentelor electrice de generare a energiei electrice şi la cuplarea lor la reţeaua de consum a beneficiarilor sau la reţeaua SEN.
Contractul încheiat cu acest parteneriat are structura prezentată în figura 2.

Figura 2-Structura contractului de cercetare în parteneriat cu ICPE SA

Figura 3-Structura contractului de cercetare în parteneriat cu TURBONED SRL

   Intreprinderea SC TURBONED SRL şi-a exprimat disponibilitatea de a participa la dezvoltarea mediilor de stocare ale aerului comprimat (în acest proiect prin realizarea vasului metalic de stocare) de a asigura locaţia de amplasare a modelului demonstrativ al staţiei de stocare precum şi exploatarea acestuia pe perioada de durabilitate a proiectului. Structura proiectului este prezentată în figura 3.
   Intreprinderea SC PRODEXPRES P.C.SRL s-a implicat în cercetarea industrială referitoare la vasele separatoare aer-ulei şi la modulele de stocare ale mediilor calde. Structura proiectului, POC 79-4 are structura din figura 4.

Figura 4-Structura contractului de cercetare în parteneriat cu SC PRODEXPRES P.C. SRL

   În cadrul proiectului, organizaţia de cercetare, INCD Turbomotoare COMOTI a asigurat managementul proiectului, a dezvoltat conceptul de staţie de stocare a energiei în sistem CAES şi a dezvoltat echipamentele de comprimare ale aerului comprimat utilizând unităţi de comprimare cu şurub precum şi echipamentele de destindere ale aerului comprimat utilizând de aemenea turbine elicoidale. În figura 5 sunt prezentate echipamentele amintite.

Figura 5-Compresorul cu şurub şi expanderul cu şurub dezvoltate şi realizate de INCD TURBOMOTOARE-COMOTI.

   De asemenea organizaţia de cercetare a conceput schema de funcţionare a modelului staţiei de stocare a energiei, P&ID_ul, a realizat dulapurile de automatizare ale echipamentelor şi a testat pe bancurile de probă ale institutului echipamentele individuale. În figura 6 sunt prezentate cele două echipamente pe standurile de probă în timpul testărilor. Cu această ocazie au fost realizate şi primele achiziţii de date pentru a efectua reglajele necesare.
Intreprinderea ICPE S.A a conceput şi realizat dulapul de forţa al expanderului care asigură cuplarea la consumatorul de energie sau la SEN.

Figura 6-Compresorul cu şurub şi expanderul pe standul de probe al INCD Turbomotoare-COMOTI.

Figura 7-Dulapul de forţă şi conectare la reţea a generatorului electric realizat de ICPE SA.

Intreprinderea PRODEXPRES P.C. SRL a realizat elemente ale vasului de separare aer-ulei, modulul de recuperare al mediului cald precum şi containerul de monitorizare al proceselor. Aceste echipamente se pot vedea în figura 8.

Figura 8-Elemente de separare aer-ulei, Modul de recuperare al căldurii de proces, container cu echipamente de monitorizare şi control al proceselor.

Echipamentele realizate şi testate pe bancul de probă au fost expediate la locaţia modelului demonstrativ al staţiei de stocare a energiei, respectiv la Intreprinderea de Utilaj Greu POPECI Craiova.

Figura 9-Echipa de concepţie, montaj şi testare îşi savureaza realizările gata de expediere la locaţia staţiei.

Intreprinderea TURBONED SRL a conceput şi realizat vasul de stocare al aerului comprimat. Figura 10 prezintă aspecte din timpul execţiei şi testării vasului.

Figura 10-Vasul de stoca al aerului comprimat realizat de SC TURBONED SRL

Echipamentele au fost montate pe locaţie de partenerul TURBONED SRL şi de specialiştii organizaţiei de cercetare. Prezentăm mai jos, figura 11, aspecte cu modelul demonstrativ al staţiei de stocare a energiei ROCAES.

Figura 11-Aspecte cu echipamentele modelului staţiei de stocare a energiei ROCAES montate în vederea testării lor în ansamblu.

Au fost efectuate teste cu echipamentele modelului demonstrativ al staţiei de stocare a energiei ROCAES şi s-au efectuat achiziţii de date. Figura 12 prezintă cîteva aspecte din timpul probelor de testare ale staţiei.

Figura 12-Aspecte cu echipamentele de achiziţie a datelor în timpul testelor vederea testării lor în ansamblu.

La probele de testare au participat membri din partea organizaţiei de cercate, INCD TURBOMOTOARE COMOTI precum şi reprezentanţi din partea partenerilor.
În figura 13 este prezentată o fotografie de grup cu participanţii la ultimile teste efectuate cu ocazia măsurătorilor şi certificării rezultatelor.

Figura 13-Echipa de specialişti care a participat la măsurători şi certificarea rezultatelor: în centru, preşedinte director general dr. ing. Valentin Silivestru. În dreapta fotografiei, dr. ing. Mircea Dan Ionescu, directorul de proiect, dr. ing.Niculae Toma, ing. Adrian Ungureanu, ing. Cristinel Hărăguţă. În stânga fotografiei: dr. marketing ing. Marius Teodorescu, Adrian Săvescu, Mircea Boantă, Mihai Chinţoiu.

Ca urma a finalizării proiectului şi a interesului firmelor partenere în transferul tehnologic şi având la bază Brevetul de invenţie proprietate INCD TURBOMOTOARE COMOTI ( RO133652-A0 RO000255 23 Apr 2019) s-au semnat contracte de licenţă având ca tematică transferul de tehnogii conexe cu domeniul pe care l-au cercetat şi dezvoltat împreună cu organizaţia de cercetare.În figurile 14, 15, 16 sunt prezentate contractele de licenţă acordate de INCD Turbomotoare COMOTI firmelor partenere.

Figura 14-Contractul de licenţa acordat ICPE SA

Figura 15-Contractul de licenţă acordat de INCD Turbomotoare intreprinderii PRODEXPRES P.C. SRL.

Figura 16-Contractul de licenţa acordat TURBONED SRL

Figura 17-Contractul de custodie încheiat între INCD Turbomotoare COMOTI-TURBONED SRL.

   Modelul demonstrativ al staţiei de stocare ROCAES a fost predat în custodie intreprinderii partenere TURBONED SRL pentru activităţi de exploatere şi prezentare pe baza unui contract de custodie şi a unui PV predare-primare (figura 17).
   Instalaţia de stocare energie prin intermediul aerului comprimat reprezintă materializarea unei soluţii inovative în domeniul producerii şi stocarii energiei. Soluţia propusă se încadrează în categoria energiilor "curate" întrucât propune utilizarea surplusului de energie pe care-l pot avea instalaţiile eoliene sau cu celule fotovoltaice pentru comprimarea unui volum de aer care va fi stocat la presiuni mari, de 45-50 bar, în spaţii de depozitare corespunzătoare. Recuperarea energiei pentru a fi folosită atunci când echipamentele de bază nu acoperă necesarul de energie sau parametrii standard de funcţionare se face prin destinderea aerului comprimat stocat într-un expander care antrenează un generator de curent electric. In tot ciclul de comprimare-stocare-recuperare nu se folosesc combustibili fosili sau de alta natură.
    Pe parcursul proiectului, INCD Turbomotoare COMOTI poate oferi cunoştinţe ştiinţifice acumulate ca urmare a cercetărilor intreprinse în domeniul turbomotoarelor, compresoarelor centrifugale şi elicoidale, a proiectării şi exploatării centralelor cogenerative de energie dar şi cunoştinţe şi experienţă în domeniul gestionării energiilor convenţionale. Prezentăm în continuare câteva dintre aceste cunoştinţe şi servicii:

• Cunoştinţe referitoare la necesitatea stocării de energie şi nevoia de flexibilitate a sistemului energetic în vederea securizării funcţionării acestuia şi a obţinerii unui sistem energetic sigur, competitiv şi decarbonizat;
• Cunoştinţe referitoare la funcţionarea sistemelor de stocare în sistem CAES în zone descentralizate şi în funcţionarea acestora în cadrul unor centrale hibride energie;
• Cunoştinţe referitoare la soluţiile tehnice de stocare de energie prin prezentarea ştiintifică a proceselor de stocare adiabatice, diabatice, izoterme şi corelarea lor cu particularităţile intreprinderilor interesate;
• Cunoştinţe referitoare la medii de stocare ale aerului comprimat: în zăcăminte depletate sau în vase sub presiune, zăcăminte izobarice, corelate cu puterea energetică stocată şi nevoia de energie injectată în sistem dar şi cu perspectiva apariţiei unor clădiri şi reţele inteligente;
• Cunoştinţe referitoare la perspectiva creierii şi creşterii pieţei de stocare în perspectiva menţinerii unui trend ridicat al producerii de energie din resurse regenerabile şi reducerii emisiilor de carbon;
• Cunoştinţe referitoare la componente pentru procesele adiabatice temperatură joasă;
• Cunoştinţe referitoare la staţiile de comprimare a aerului utilizând unităţi de comprimare produse de INCD Turbomotoare COMOTI, centrifugale, turbocompresoare, elicoidale, cu performanţe ridicate, la nivel mondial;
• Cunoştinţe referitoare la expanderul centrifugal şi a celui elicoidal, produs inovativ al INCD Turbomotoare COMOTI, care funcţionează la turaţii mai mici decît al expanderelor claşice (6-8000 rot/min) fapt ce permite eliminarea reductoarelor şi ridicarea randamentului global al echipamentului.
• Cunoştinţe referitoare la gestionarea sistemului de stocare şi injectare în reţea a energiei stocate. Dupa finalizarea proiectului institutul poate sprijini firmele implicate în elaborarea unor studii de piaţă şi realizarea unor proiecte industriale cu valori mari ale energiei stocate.