Basınçlı hava enerji depolama - Compressed-air energy storage

Paris Metrosunda dizel jeneratör setini çalıştırmak için kullanılan basınçlı hava tankı

Basınçlı hava, enerji depolama (CAES) için bir yoldur enerji depolamak kullanılarak daha sonraki kullanım için sıkıştırılmış hava . Bir hizmet ölçeğinde, talebin düşük olduğu dönemlerde üretilen enerji, yoğun yük dönemlerinde serbest bırakılabilir .

İlk kamu hizmeti ölçekli CAES projesi, Almanya'nın Huntorf kentinde inşa edilmiş ve halen faaliyettedir. Huntorf CAES tesisi başlangıçta fosil yakıtla üretilen elektrik için bir yük dengeleyici olarak geliştirilmiş olsa da , yenilenebilir enerjiye küresel geçiş , fotovoltaik ve rüzgar gibi yüksek oranda kesintili enerji kaynaklarının dalgalanan elektrik taleplerini karşılamasına yardımcı olmak için CAES sistemlerine olan ilginin yeniden artmasına neden oldu .

Büyük ölçekli CAES tasarımında süregelen bir zorluk, termal enerjinin yönetimidir, çünkü havanın sıkıştırılması, yalnızca operasyonel verimliliği azaltmakla kalmayıp aynı zamanda hasara da yol açabilecek istenmeyen bir sıcaklık artışına yol açar. Çeşitli CAES mimarileri arasındaki temel fark, termal mühendislikte yatmaktadır. Öte yandan, küçük ölçekli sistemler, uzun süredir maden lokomotiflerinin tahriki olarak kullanılmaktadır . Geleneksel pillerle karşılaştırıldığında, CAES sistemleri enerjiyi daha uzun süre depolayabilir ve daha az bakım gerektirir.

Türler

Havanın sıkıştırılması ısı yaratır; Sıkıştırmadan sonra hava daha sıcaktır. Genişleme ısıyı uzaklaştırır. Ekstra ısı eklenmezse, genleşmeden sonra hava çok daha soğuk olacaktır. Sıkıştırma sırasında üretilen ısı, genleşme sırasında depolanıp kullanılabilirse, depolamanın verimliliği önemli ölçüde artar. Bir CAES sisteminin ısıyla başa çıkmasının birkaç yolu vardır. Hava depolaması adyabatik , diyabatik, izotermal veya izotermal'e yakın olabilir.

adyabatik

Adyabatik depolama, sıkıştırma tarafından üretilen enerjiyi depolamaya devam eder ve güç üretmek için genişletildiğinde havaya geri döndürür. Bu, 2015 yılı itibari ile herhangi bir ölçekli santrali olmayan, devam etmekte olan bir çalışmanın konusudur. Adyabatik depolamanın teorik verimi mükemmel yalıtım ile %100'e yaklaşmaktadır, ancak pratikte gidiş-dönüş veriminin %70 olması beklenmektedir. Isı, beton veya taş gibi bir katıda veya kızgın yağ (300 °C'ye kadar) veya erimiş tuz çözeltileri (600 °C) gibi bir sıvıda depolanabilir.

A-CAES sistemleri için termal depolama birimleri olarak paketlenmiş yataklar önerilmiştir. Bir çalışma, paketlenmiş yataklı termal enerji depolama kullanan bir adyabatik sıkıştırılmış hava enerji depolama sistemini sayısal olarak simüle etti . Simüle edilen sistemin sürekli çalışma altında verimliliği %70,5 ile %71 arasında hesaplanmıştır.

diyabetik

Diyabatik depolama, ara soğutucular ile sıkıştırma ısısının çoğunu (böylece izotermal sıkıştırmaya yaklaşır) atık olarak atmosfere dağıtır , esasen sıkıştırma işini gerçekleştirmek için kullanılan enerjiyi boşa harcar. Depodan çıkarıldıktan sonra, bu sıkıştırılmış havanın sıcaklığı, bu havada kalan depolanmış enerji miktarının bir göstergesidir . Sonuç olarak, enerji geri kazanım işlemi için hava sıcaklığı düşükse , bir jeneratörü çalıştırmak için türbinde genleşmeden önce havanın büyük ölçüde yeniden ısıtılması gerekir . Bu yeniden ısıtma, kullanım dereceli depolama için doğal gazla çalışan bir brülör veya ısıtılmış bir metal kütlesi ile gerçekleştirilebilir. Yenilenebilir kaynaklar sessiz olduğunda geri kazanıma en çok ihtiyaç duyulduğundan, boşa harcanan ısıyı telafi etmek için yakıtın yakılması gerekir . Bu, depolama kurtarma döngüsünün verimliliğini düşürür. Bu yaklaşım nispeten basit olsa da, yakıtın yakılması, geri kazanılan elektrik enerjisinin maliyetine katkıda bulunur ve çoğu yenilenebilir enerji kaynağıyla ilişkili ekolojik faydaları tehlikeye atar. Bununla birlikte, bu şimdiye kadar ticari olarak uygulanan tek sistemdir.

McIntosh, Alabama CAES tesisi , yaklaşık %27'lik bir enerji geri kazanım verimliliğine karşılık gelen, her bir MJ enerji çıkışı için 2,5 MJ elektrik ve 1,2 MJ daha düşük ısıtma değeri (LHV) gaz gerektirir. Bir General Electric 7FA 2x1 kombine çevrim bitki, işlem sırasında en verimli doğal gaz üretim tesisleri, bir MJ üretilen gaz miktarı 1.85 MJ (LHV), bir% 54 termal verimliliği kullanır.

İzotermal

İzotermal sıkıştırma ve genleşme yaklaşımları , çevreye sabit ısı değişimi ile çalışma sıcaklığını korumaya çalışır . Pistonlu bir kompresörde bu, kanatlı bir piston ve düşük devir hızları kullanılarak elde edilebilir. Etkili ısı eşanjörlerindeki mevcut zorluklar , bunların yalnızca düşük güç seviyeleri için pratik olduğu anlamına gelir. Çevreye mükemmel ısı transferi için izotermal enerji depolamanın teorik verimliliği %100'e yaklaşır. Pratikte, bu mükemmel termodinamik çevrimlerin hiçbiri elde edilemez, çünkü bazı ısı kayıpları kaçınılmazdır ve neredeyse izotermal bir sürece yol açar.

yakın izotermal

Yakın izotermal sıkıştırma (ve genleşme), bir gazın, ısı emen ve salan yapı (HARS) veya su spreyi gibi büyük bir sıkıştırılamaz termal kütleye çok yakın bir yerde sıkıştırıldığı bir işlemdir. Bir HARS genellikle bir dizi paralel kanattan oluşur. Gaz sıkıştırılırken, sıkıştırma ısısı hızla termal kütleye aktarılır, böylece gaz sıcaklığı sabitlenir. Daha sonra termal kütlenin sıcaklığını korumak için harici bir soğutma devresi kullanılır. İzotermal verimlilik (Z), sürecin adyabatik ve izotermal süreç arasında nerede olduğunun bir ölçüsüdür. Verimlilik %0 ise, tamamen adyabatiktir; %100 verim ile tamamen izotermaldir. Tipik olarak, izotermal bir prosesle, %90-95'lik bir izotermal verim beklenebilir.

Başka

İzotermal CAES'in bir uygulaması, seri olarak yüksek, orta ve düşük basınçlı pistonlar kullanır. Her aşamayı, her genleşme aşaması arasında havadan havaya (veya havadan deniz suyuna) bir ısı eşanjörü üzerinden ortam havasını çeken bir hava püskürtmeli venturi pompası takip eder. Erken basınçlı hava torpido tasarımları, hava için deniz suyunun yerini alarak benzer bir yaklaşım kullandı. Venturi , önceki aşamanın egzozunu ısıtır ve bu önceden ısıtılmış havayı bir sonraki aşamaya kabul eder. Bu yaklaşım, HK Porter, Inc.'in maden lokomotifleri ve tramvayları gibi çeşitli basınçlı hava araçlarında yaygın olarak benimsenmiştir . Burada sıkıştırma ısısı atmosferde (veya denizde) etkin bir şekilde depolanır ve daha sonra geri döner.

Kompresörler ve genişleticiler

Sıkıştırma, elektrikle çalışan turbo kompresörlerle ve elektrik üretmek için elektrik jeneratörlerini çalıştıran turbo genişleticilerle veya hava motorlarıyla genişletme yapılabilir .

Depolamak

Hava depolama kapları, depolamanın termodinamik koşullarına ve kullanılan teknolojiye göre değişir:

1. Sabit hacimli depolama (çözelti madenciliği yapılmış mağaralar, yerüstü gemileri, akiferler, otomotiv uygulamaları vb.)
2. Sabit basınçlı depolama (su altı basınçlı kaplar, hibrit pompalı hidro - sıkıştırılmış hava deposu)

Sabit hacimli depolama

Bu depolama sistemi, büyük miktarlarda havayı depolamak için belirli sınırları olan bir oda kullanır. Bu, termodinamik açıdan bu sistemin sabit hacimli ve değişken basınçlı bir sistem olduğu anlamına gelir. Bu, kompresörlerde ve üzerlerinde çalışan türbinlerde bazı operasyonel sorunlara neden olur, bu nedenle basınç değişimleri, depolama kaplarında indüklenen stresler gibi belirli bir sınırın altında tutulmalıdır.

Depolama kabı genellikle çözelti madenciliği (özütleme için tuz suda çözülür) veya terk edilmiş bir maden kullanılarak oluşturulan bir mağaradır ; Doğal gaz rezervuarlarının bulunduğu gözenekli kaya oluşumlarının (sıvı veya havanın geçebileceği deliklere sahip kayalar) kullanımı da incelenmiştir.

Bazı durumlarda, bir yer üstü boru hattı bir depolama sistemi olarak test edildi ve bazı iyi sonuçlar verdi. Açıkçası, sistemin maliyeti daha yüksektir, ancak bir yeraltı sistemi bazı özel jeolojik oluşumlara (tuz kubbeleri, akiferler, tükenmiş gaz madenleri vb.) ihtiyaç duyarken, tasarımcının seçtiği her yere yerleştirilebilir.

Sabit basınçlı depolama

Bu durumda, gaz değişken hacimli bir kap içinde tutulurken depolama kabı sabit basınçta tutulur. Birçok depolama gemisi türü önerilmiştir. Ancak çalışma koşulları aynı prensibe göre hareket eder: Depolama kabı su altında yüzlerce metre konumlandırılır ve depolama kabının üzerindeki su kolonunun hidrostatik basıncı, basıncın istenilen seviyede tutulmasını sağlar.

Bu yapılandırma şunları sağlar:

• Depolama sisteminin enerji yoğunluğunu iyileştirin çünkü içerdiği tüm hava kullanılabilir (basınç, dolu veya boş tüm şarj koşullarında sabittir, basınç aynıdır, bu nedenle türbin bunu kullanmakta sorun yaşamaz, sabit hacimli iken sistemler bir süre sonra basınç bir güvenlik sınırının altına düşer ve sistemin durması gerekir).
• Sabit giriş koşullarında çalışacak olan turbo makinelerin verimliliğini artırın.
• CAES tesisinin konumlandırılması için farklı coğrafi konumların kullanımına açılır (kıyı hatları, yüzer platformlar, vb.).

Öte yandan, bu depolama sisteminin maliyeti, depolama gemisini seçilen su deposunun (genellikle deniz veya okyanus) dibine yerleştirme ihtiyacı ve geminin kendisinin maliyeti nedeniyle daha yüksektir.

Farklı bir yaklaşım, su yerine birkaç metre kumun altına gömülmüş büyük bir torbayı gömmektir.

Tesisler, gece şarj ve gündüz deşarj olmak üzere günlük bir döngüde çalışır. Pasifik Kuzeybatı Ulusal Laboratuvarı tarafından, çıkarılan enerji miktarını artırmak için doğal gaz veya jeotermal ısı kullanılarak sıkıştırılmış havanın ısıtılması üzerinde çalışılmıştır .

Basınçlı hava enerji depolaması, hava arabaları ve hava tahrikli lokomotifler tarafından kullanıldığı gibi daha küçük ölçekte de kullanılabilir ve yüksek mukavemetli karbon fiber hava depolama tanklarını kullanabilir. Basınçlı havada depolanan enerjiyi korumak için bu tankın çevreden termal olarak izole edilmesi gerekir; Aksi takdirde, sıkıştırılan hava sıcaklığını yükselttiği için depolanan enerji ısı şeklinde kaçacaktır.

Tarih

Aktarma

Şehir genelinde basınçlı hava enerji sistemleri 1870 yılından beri inşa edilmektedir. Paris, Fransa gibi şehirler ; Birmingham, İngiltere ; Dresden , Rixdorf ve Offenbach, Almanya ve Buenos Aires, Arjantin bu tür sistemleri kurdu. Victor Popp , işaret kollarını değiştirmek için her dakika bir hava darbesi göndererek saatleri çalıştıran ilk sistemleri yaptı. Evlere ve endüstrilere güç sağlamak için hızla geliştiler. 1896 itibariyle, Paris sistemi, hafif ve ağır sanayideki motorlar için 50 km'lik hava borularında 550 kPa'da dağıtılan 2,2 MW'lık üretime sahipti. Kullanım metreküp ile ölçülmüştür. Sistemler o günlerde evlere verilen enerjinin ana kaynağıydı ve aynı zamanda diş hekimlerinin , terzilerin , matbaaların ve fırınların makinelerine de güç sağlıyordu .

Depolama tesisleri

• 1978 – İlk şebeke ölçeğinde diyabatik basınçlı hava enerji depolama projesi, Almanya'da 580 MWh enerji, %42 verimlilik ile bir tuz kubbesi kullanan 290 megavatlık Huntorf tesisiydi .
• 1991 – McIntosh, Alabama'da 26 saat (2.860 MWh enerji) kapasiteli 110 megavatlık bir santral kuruldu (1991). Alabama tesisin 65 milyon $ maliyetli bir 19 milyon metreküp ayak kullanarak, üretim kapasitesinin kW başına $ 590 ve depolama kapasitesinin kW-saat başına yaklaşık $ 23 ortaya eserler çözelti kökenli varan 1100 psi mağaza havaya tuz mağara. Sıkıştırma fazı yaklaşık olarak %82 verimli olmasına rağmen, genleşme fazı, aynı miktarda elektrik üreten bir gaz türbininin üçte biri oranında doğal gazın %54 verimle yanmasını gerektirir.
• Aralık 2012 – General Compression, Gaines, TX'de 2 MW'lık izotermal yakın bir CAES projesinin inşaatını tamamladı; dünyanın üçüncü CAES projesi. Projede yakıt kullanılmamaktadır.
• 2019 - Hydrostor, Ontario Grid'e hizmet sağlayan Goderich, Ontario'daki ilk ticari A-CAES sistemini tamamladı. On yıllardır ticari operasyona ulaşan ilk A-CAES sistemi.

Projeler

• Kasım 2009 – ABD Enerji Bakanlığı, Kern County, California'da Bakersfield yakınlarında geliştirilmekte olan bir tuzlu gözenekli kaya oluşumunu kullanan 300 MW, 356 milyon $'lık Pasifik Gaz ve Elektrik Şirketi kurulumunun birinci aşaması için 24,9 milyon dolarlık denk fon tahsis etti . Projenin hedefleri, gelişmiş bir tasarım oluşturmak ve doğrulamaktır.
• Aralık 2010 – ABD Enerji Bakanlığı, Watkins Glen, New York'ta Iberdrola USA tarafından geliştirilen 150 MW'lık tuz bazlı CAES projesinin ön çalışmalarını yürütmek için 29.4 milyon $ fon sağladı . Amaç, yenilenebilir kesintili enerji kaynaklarını dengelemek için akıllı şebeke teknolojisini dahil etmektir .
• 2013 – ADELE adlı 200 megavatlık ilk adyabatik CAES projesinin Almanya'da inşa edilmesi planlandı. Bu proje, açıklanmayan nedenlerle en az 2016 yılına kadar ertelendi.
• 2017 (öngörülen) - Storelektrik Ltd, Cheshire, İngiltere'de 800 MWh depolama kapasiteli 40 MW %100 yenilenebilir enerji pilot tesisi kurmayı planlıyor . "Bu, şimdiye kadar yapılmış %100 yenilenebilir enerji CAES'lerinden 20 kat daha büyük olacak ve depolama endüstrisinde bir adım değişikliğini temsil edecek." kendi web sitesine göre.
• 2020 (öngörülen) – Apex , Teksas , Anderson County için 2016'da çevrimiçi olacak bir CAES tesisi planladı . Bu proje ertelendi ve 2020 Yazına kadar faaliyete geçmeyecek.
• Larne , Kuzey İrlanda - AB tarafından 90 milyon € ile desteklenen bir tuz yatağında iki mağarada çözüm madenciliği yapmak için 330 MW'lık bir CAES projesi. Planlar Ağustos 2019'da geri çekildi.
• Avusturya'daki Avrupa Birliği tarafından finanse edilen RICAS 2020 (adyabatik) projesi, verimliliği artırmak için sıkıştırma işleminden gelen ısıyı depolamak için ezilmiş bir kaya kullanıyor. Sistemin %70-80 verimliliğe ulaşması bekleniyordu.
• Kanadalı şirket Hydrostor, Toronto, Goderich, Angas ve Rosamond'da dört farklı Advance CAES tesisi kurmayı planlıyor.

Depolama termodinamiği

Enerjinin büyük bir kısmının sistemde tasarruf edilmesini ve geri alınabilmesini ve kayıpların ihmal edilebilir olmasını sağlamak üzere termodinamik tersinir bir işleme ulaşmak için , neredeyse tersinir bir izotermal işlem veya bir izentropik işlem arzu edilir.

izotermal depolama

Bir in izotermal bir sıkıştırma işleminde, sistemindeki gaz boyunca sabit bir sıcaklıkta tutulur. Bu mutlaka gazla bir ısı alışverişini gerektirir; aksi takdirde, şarj sırasında sıcaklık yükselir ve deşarj sırasında düşer. Bu ısı değişimi, kompresör, regülatör ve tanktaki sonraki aşamalar arasında ısı eşanjörleri (ara soğutma) ile sağlanabilir. Enerji israfını önlemek için, ara soğutucular yüksek ısı transferi ve düşük basınç düşüşü için optimize edilmelidir . Daha küçük kompresörler, sıkıştırma odasının nispeten yüksek yüzey alanı/hacim oranı ve bunun sonucunda kompresör gövdesinin kendisinden ısı dağılımındaki iyileşme nedeniyle ara soğutma olmadan bile yaklaşık izotermal sıkıştırmaya ulaşabilir.

Mükemmel izotermal depolama (ve deşarj) elde edildiğinde, işlemin "tersinir" olduğu söylenir. Bu, çevre ile gaz arasındaki ısı transferinin son derece küçük bir sıcaklık farkı üzerinden gerçekleşmesini gerektirir. Bu durumda, ısı transferi sürecinde ekserji kaybı olmaz ve bu nedenle sıkıştırma işi tamamen genleşme işi olarak geri kazanılabilir: %100 depolama verimliliği. Bununla birlikte, pratikte, herhangi bir ısı transfer işleminde her zaman bir sıcaklık farkı vardır ve bu nedenle, tüm pratik enerji depolama, %100'den daha düşük verimler elde eder.

İzotermal bir süreçte sıkıştırma/genleşme işini tahmin etmek için sıkıştırılmış havanın ideal gaz yasasına uyduğu varsayılabilir :

${\displaystyle pV=nRT={\metin{sabit}}.}$

Mutlak sıcaklık sabiti ile A başlangıç ​​durumundan B son durumuna kadar olan bir süreçten sıkıştırma (negatif) veya genişleme (pozitif) için gerekli olan iş bulunur. ${\ Displaystyle T=T_{A}=T_{B}}$

${\displaystyle {\begin{aligned}W_{A\to B}&=\int _{V_{A}}^{V_{B}}p\,dV=\int _{V_{A}}^{ V_{B}}{\frac {nRT}{V}}dV=nRT\int _{V_{A}}^{V_{B}}{\frac {1}{V}}dV\\&=nRT (\ln {V_{B}}-\ln {V_{A}})=nRT\ln {\frac {V_{B}}{V_{A}}}=p_{A}V_{A}\ln {\frac {p_{A}}{p_{B}}}=p_{B}V_{B}\ln {\frac {p_{A}}{p_{B}}},\\\end{hizalı }}}$

nerede , vb . ${\displaystyle pV=p_{A}V_{A}=p_{B}V_{B}}$${\displaystyle {\frac {V_{B}}{V_{A}}}={\frac {p_{A}}{p_{B}}}}$

Burada mutlak basınç , (bilinmeyen) bir birim sıkıştırılmış gaz, kabın hacmi, bir maddenin miktarı, gaz (mol) ve bir ideal gaz sabiti . ${\görüntüleme stili p}$${\displaystyle V_{A}}$${\görüntüleme stili V_{B}}$${\görüntüleme stili n}$${\görüntüleme stili R}$

Başlangıç ​​basıncına eşit olan kabın dışında sabit bir basınç varsa , dış basıncın pozitif çalışması kullanılabilir enerjiyi (negatif değer) azaltır. Bu, yukarıdaki denkleme bir terim ekler: ${\görüntüleme stili p_{A}}$

${\displaystyle W_{A\to B}=p_{A}V_{A}\ln {\frac {p_{A}}{p_{B}}}+(V_{A}-V_{B})p_ {A}=p_{B}V_{B}\ln {\frac {p_{A}}{p_{B}}}+(p_{B}-p_{A})V_{B}.}$

Örnek

Ne kadar enerji 1 m saklanabilir ³ ortam basıncı 1 bar (0.10 MPa) ise, 70 bar (7.0 MPa) bir basınçta depolama kabı. Bu durumda süreç çalışması

${\displaystyle W=p_{B}V_{B}\ln {\frac {p_{A}}{p_{B}}}+(p_{B}-p_{A})V_{B}}$ =

= 7.0 Mpa x 1 m ³ x ln (0.1 MPa / 7.0 MPa) + (7.0 MPa - 0.1 MPa) x 1 m ³ = -22,8 MJ (eşdeğer 6.33 KW-h).

Negatif işaret, çevre tarafından gaz üzerinde iş yapıldığı anlamına gelir. Proses tersinmezlikleri (ısı transferinde olduğu gibi), genleşme prosesinden sıkıştırma prosesi için gerekenden daha az enerjinin geri kazanılması ile sonuçlanacaktır. Örneğin ortam sabit bir sıcaklıktaysa, ara soğutuculardaki termal direnç, sıkıştırmanın ortam sıcaklığından biraz daha yüksek bir sıcaklıkta gerçekleştiği ve genişlemenin ortam sıcaklığından biraz daha düşük bir sıcaklıkta gerçekleştiği anlamına gelecektir. Bu nedenle mükemmel bir izotermal depolama sistemine ulaşmak imkansızdır.

Adyabatik (izentropik) depolama

Bir adiyabatik süreç sıvı ve çevre arasında bir ısı transferi sağlanır biridir: Sistem ısı aktarımına karşı yalıtılmıştır. Proses ayrıca dahili olarak tersinir ise (düzgün, yavaş ve ideal sınıra kadar sürtünmesiz), o zaman ek olarak izentropik olacaktır .

Adyabatik bir depolama sistemi, sıkıştırma işlemi sırasında ara soğutmayı ortadan kaldırır ve gazın sıkıştırma sırasında ısınmasına ve benzer şekilde genleşme sırasında soğumasına izin verir. Bu, ısı transferi ile bağlantılı enerji kayıplarından kaçınıldığı için çekicidir, ancak dezavantajı, depolama kabının ısı kaybına karşı yalıtılması gerektiğidir. Ayrıca gerçek kompresörlerin ve türbinlerin izentropik olmadığı, bunun yerine yaklaşık %85 izentropik verime sahip olduğu belirtilmelidir . Adyabatik sistemler için gidiş-dönüş depolama verimliliğinin sonucu da mükemmel olmaktan çok daha azdır.

Büyük depolama sistemi termodinamiği

Enerji depolama sistemleri genellikle büyük mağaralar kullanır. Bu, çok büyük hacim ve dolayısıyla sadece küçük bir basınç değişikliği ile depolanabilen büyük miktarda enerji nedeniyle tercih edilen sistem tasarımıdır. Mağara boşluğu yalıtılabilir, küçük sıcaklık değişimi (tersinir bir izotermal sisteme yaklaşırken) ve ısı kaybı (izentropik bir sisteme yaklaşırken) ile adyabatik olarak sıkıştırılabilir. Bu avantaj, basıncın tutulmasına yardımcı olmak için yeraltı duvarlarını kullanarak gaz depolama sisteminin düşük maliyetine ek olarak sağlanır.

Son zamanlarda, büyük mağara depolarına benzer termodinamik özelliklere sahip deniz altı yalıtımlı hava yastıkları geliştirilmiştir.

Araç uygulamaları

Ulaşımda pratik kısıtlamalar

Pratik kara veya hava taşımacılığı için araçlarda veya uçaklarda hava depolamayı kullanmak için, enerji depolama sistemi kompakt ve hafif olmalıdır. Enerji yoğunluğu ve özgül enerji , bu istenen nitelikleri tanımlayan mühendislik terimleridir.

Spesifik enerji, enerji yoğunluğu ve verimlilik

Yukarıdaki gaz depolama bölümünün termodinamiğinde açıklandığı gibi, sıkıştırılan hava onu ısıtır ve onu genişleterek soğutur. Bu nedenle, pratik hava motorları, aşırı yüksek veya düşük sıcaklıklardan kaçınmak için ısı eşanjörlerine ihtiyaç duyar ve buna rağmen ideal sabit sıcaklık koşullarına veya ideal ısı yalıtımına ulaşmaz.

Yukarıda belirtildiği gibi Bununla birlikte, 100 kJ / m ila yaklaşık çalışır izotermal durum kullanarak maksimum enerji depolanabilen, tarif etmek için yararlıdır ³ [ln ( P _A / P _B )].

1.0 m Bu nedenle, eğer ³ atmosferden hava çok yavaş bir şekilde 20 MPa (200 bar) 5 L'lik bir şişe içine sıkıştırılır, depolanmış olan potansiyel enerji 530 kJ. Yüksek verimli bir hava motoru, çok yavaş çalışırsa ve havayı ilk 20 MPa basıncından 100 kPa'ya (atmosfer basıncında şişe tamamen "boş") genişletmeyi başarırsa, bunu kinetik enerjiye aktarabilir. Yüksek verimliliğe ulaşmak, hem ortama ısı kaybı hem de geri kazanılamayan dahili gaz ısısı nedeniyle teknik bir zorluktur. Yukarıdaki şişe 1 MPa'ya kadar boşaltılırsa, motor şaftında çıkarılabilir enerji yaklaşık 300 kJ'dir.

Standart bir 20 MPa, 5 L'lik çelik şişenin kütlesi 7,5 kg'dır, daha üstün olanı 5 kg'dır. Karbon fiber veya Kevlar gibi yüksek mukavemetli fiberler , yasal güvenlik kodlarına uygun olarak bu boyutta 2 kg'ın altında olabilir. 20 °C'de bir metreküp hava, standart sıcaklık ve basınçta 1.204 kg kütleye sahiptir . Bu nedenle, teorik spesifik enerjiler düz çelik bir şişe için motor şaftında kabaca 70 kJ/kg'dan gelişmiş fiber sargılı bir şişe için 180 kJ/kg'a kadar iken , aynı kaplar için pratik olarak ulaşılabilir spesifik enerjiler 40 ila 100 kJ arasında olacaktır. /kilogram.

Emniyet

Çoğu teknolojide olduğu gibi, basınçlı havanın güvenlikle ilgili endişeleri vardır, özellikle de yıkıcı tank yırtılması. Güvenlik düzenlemeleri, daha yüksek ağırlık ve basınç tahliye valfleri gibi ek güvenlik özellikleri pahasına bunu nadir görülen bir olay haline getirir. Yönetmelikler, yasal çalışma basıncını çelik şişeler için yırtılma basıncının %40'ından ( güvenlik faktörü 2.5) ve fiber sargılı şişeler için %20'den az ( güvenlik faktörü 5) ile sınırlayabilir . Ticari tasarımlar ISO 11439 standardını benimser . Yüksek basınçlı şişeler, araç çarpışmalarında genellikle yırtılmayacak şekilde oldukça güçlüdür.

Pillerle karşılaştırma

Gelişmiş fiber takviyeli şişeler, enerji yoğunluğu açısından şarj edilebilir kurşun-asit batarya ile karşılaştırılabilir . Piller, tüm şarj seviyeleri boyunca neredeyse sabit voltaj sağlarken, basınç, doludan boşa bir basınçlı kap kullanırken büyük ölçüde değişir. Geniş bir basınç aralığında yüksek verimliliği ve yeterli gücü korumak için hava motorları tasarlamak teknik olarak zordur. Basınçlı hava, özellikle hibrit araçlar için ulaşım sistemlerinin temel hızlanma ve yavaşlama hedeflerini karşılayan çok yüksek akı oranlarında güç aktarabilir .

Basınçlı hava sistemleri, daha uzun basınçlı kap ömrü ve daha düşük malzeme toksisitesi dahil olmak üzere geleneksel pillere göre avantajlara sahiptir . Lityum demir fosfat kimyasına dayalı olanlar gibi daha yeni pil tasarımları bu sorunların hiçbirinden muzdarip değildir. Basınçlı hava maliyetleri potansiyel olarak daha düşüktür; bununla birlikte, gelişmiş basınçlı kapların geliştirilmesi maliyetlidir ve güvenlik testi ve şu anda seri üretilen pillerden daha pahalıdır.

Elektrikli depolama teknolojisinde olduğu gibi, basınçlı hava ancak depoladığı enerjinin kaynağı kadar "temiz"dir. Yaşam döngüsü değerlendirmesi , bir elektrik şebekesinde belirli bir üretim karışımıyla birlikte belirli bir enerji depolama teknolojisinden kaynaklanan genel emisyon sorununu ele alır.

Motor

Bir pnömatik motor veya basınçlı hava motoru, bir motorun pistonlarını tahrik etmek, aksı döndürmek veya bir türbini sürmek için basınçlı havanın genleşmesini kullanır .

Aşağıdaki yöntemler verimliliği artırabilir:

• Yüksek verimlilikte sürekli genleşme türbini
• Çoklu genişleme aşamaları
• Özellikle hibrit ısı motoru tasarımında atık ısı kullanımı
• Çevresel ısı kullanımı

Yüksek verimli bir düzenleme, seri olarak yüksek, orta ve düşük basınçlı pistonları kullanır ve her aşamayı, ortam havasını havadan havaya ısı eşanjörü üzerinden çeken bir hava püskürtme venturi takip eder . Bu, önceki aşamanın egzozunu ısıtır ve bu önceden ısıtılmış havayı bir sonraki aşamaya kabul eder. Her aşamadan çıkan tek egzoz gazı, -15 °C (5 °F) kadar soğuk olabilen soğuk havadır; soğuk hava bir arabada klima için kullanılabilir .

Whitehead torpido için 1904'te olduğu gibi yakıt yakılarak ek ısı sağlanabilir . Bu, ek yakıt pahasına belirli bir tank hacmi için mevcut olan menzili ve hızı iyileştirir.

Arabalar

1990'dan beri birkaç şirket basınçlı hava araçları geliştirdiğini iddia etti, ancak hiçbiri mevcut değil. Tipik olarak iddia edilen başlıca avantajlar şunlardır: yol kenarında kirlilik olmaması, düşük maliyet, yağlama için yemeklik yağ kullanımı ve entegre klima.

Tükenmiş bir tankı yeniden doldurmak için gereken süre, araç uygulamaları için önemlidir. "Hacim transferi", önceden sıkıştırılmış havayı sabit bir tanktan neredeyse anında araç tankına taşır. Alternatif olarak, sabit veya yerleşik bir kompresör , talep üzerine havayı sıkıştırabilir ve muhtemelen birkaç saat gerektirebilir.

gemiler

Büyük deniz dizel motorları , tipik olarak 20 ila 30 bar arasında sıkıştırılmış hava kullanılarak çalıştırılır ve iki veya daha fazla büyük şişede depolanır, yakıt enjeksiyonuna başlamadan önce krank milini döndürmek için özel başlatma valfleri aracılığıyla doğrudan pistonlara etki eder. Bu düzenleme, bu tür ölçeklerde bir elektrikli marş motorundan daha kompakt ve daha ucuzdur ve geminin elektrik jeneratörlerine ve dağıtım sistemine engelleyici bir yük yüklemeden gerekli aşırı yüksek güç patlamasını sağlayabilir. Sıkıştırılmış hava, daha düşük basınçlarda, motoru kontrol etmek ve silindir egzoz valflerine etki eden yay kuvveti olarak hareket etmek ve bazen pnömatik PID kontrolörleri de dahil olmak üzere gemideki diğer yardımcı sistemleri ve elektrikli aletleri çalıştırmak için yaygın olarak kullanılır . Bu yaklaşımın bir avantajı, bir elektrik kesintisi durumunda, depolanmış basınçlı hava ile çalışan gemi sistemlerinin kesintisiz olarak çalışmaya devam edebilmesi ve jeneratörlerin elektrik kaynağı olmadan yeniden çalıştırılabilmesidir. Bir diğeri, pnömatik aletlerin elektrik çarpması riski olmadan yaygın olarak ıslak ortamlarda kullanılabilmesidir.

Hibrit araçlar

Hava depolama sistemi nispeten düşük bir güç yoğunluğu ve araç aralığı sunarken, yüksek verimliliği ana güç kaynağı olarak geleneksel içten yanmalı bir motor kullanan hibrit araçlar için çekicidir. Hava deposu, rejeneratif frenleme için ve tüm güç/RPM seviyelerinde eşit derecede verimli olmayan pistonlu motorun çevrimini optimize etmek için kullanılabilir .

Bosch ve PSA Peugeot Citroën , sıkıştırılmış bir nitrojen deposuna enerji aktarmanın bir yolu olarak hidroliği kullanan bir hibrit sistem geliştirdi. Peugeot 208 gibi kompakt bir şasi için Yeni Avrupa Sürüş Döngüsü'nde (NEDC) 2,9 l/100 km'ye (81 mpg, 69 g CO2/km) karşılık gelen %45'e kadar yakıt tüketiminde azalma olduğu iddia ediliyor . Sistemin rakip elektrikli ve volanlı KERS sistemlerinden çok daha uygun fiyatlı olduğu iddia ediliyor ve 2016 yılına kadar karayolu araçlarında olması bekleniyor.

Tarih

Hava motorları, 19. yüzyıldan beri, merkezi, şehir düzeyinde dağıtım yoluyla maden lokomotiflerine , pompalara, matkaplara ve tramvaylara güç sağlamak için kullanılmaktadır . Yarış arabaları içten yanmalı motorlarını (ICE) çalıştırmak için sıkıştırılmış hava kullanır ve büyük Dizel motorlarda pnömatik motor çalıştırma olabilir .

HK Porter, Inc. tarafından 1928 ve 1961 yılları arasında Homestake Madeninde kullanılan bir basınçlı hava lokomotifi .

Sistem türleri

Hibrit sistemler

Brayton çevrimli motorlar, havayı içten yanmalı bir motora uygun bir yakıtla sıkıştırır ve ısıtır . Örneğin, doğal gaz veya biyogaz sıkıştırılmış havayı ısıtır ve ardından geleneksel bir gaz türbini motoru veya bir jet motorunun arka kısmı iş üretmek için onu genişletir.

Basınçlı hava motorları bir elektrik pilini şarj edebilir . Görünüşe göre feshedilmiş Energine , Pne-PHEV veya Pnömatik Plug-in Hibrit Elektrikli Araç sistemini tanıttı.

Mevcut hibrit sistemler

1978'de Huntorf, Almanya ve 1991'de McIntosh, Alabama , ABD hibrit enerji santrallerini devreye aldı. Her iki sistem de hava sıkıştırması için yoğun olmayan enerji kullanır ve güç üretme aşamasında basınçlı havada doğal gaz yakar.

Geleceğin hibrit sistemleri

Iowa Depolanmış Enerji Parkı (ISEP), mağara deposu yerine akifer deposunu kullanacak . Akiferdeki suyun yer değiştirmesi, suyun sabit hidrostatik basıncı tarafından hava basıncının düzenlenmesiyle sonuçlanır. ISEP'in bir sözcüsü, "sabit bir baskıya sahipseniz ekipmanınızı daha iyi verimlilik için optimize edebilirsiniz" iddiasında bulunuyor. McIntosh ve Iowa sistemlerinin güç çıkışı 2-300 MW aralığındadır.

Norton, Ohio'da ek tesisler geliştirme aşamasındadır . FirstEnergy , Kasım 2009'da 2.700 MW Norton projeye bir Akron, Ohio elektrik yarar elde geliştirme hakları saklıdır.

RICAS2020 projesi, ısı geri kazanımlı adyabatik CAES için terk edilmiş bir madeni kullanmayı deniyor. Sıkıştırma ısısı, gevşek taşlarla dolu bir tünel bölümünde depolanır, bu nedenle, ana basınçlı depolama odasına girerken basınçlı hava neredeyse soğuk olur. Soğuk basınçlı hava, bir yüzey türbininden geri salındığında taşlarda depolanan ısıyı geri kazanarak daha yüksek genel verimliliğe yol açar. İki aşamalı bir süreç teorik olarak yaklaşık %70 daha yüksek verimliliğe sahiptir.

Göl veya okyanus depolama

Göllerdeki ve okyanuslardaki derin sular, yüksek basınçlı kaplara veya tuz mağaralarına veya akiferlere sondaj gerektirmeden basınç sağlayabilir. Hava, derin göllerde veya dik inişli deniz kıyılarında plastik torbalar gibi ucuz, esnek kaplara girer. Engeller arasında sınırlı sayıda uygun yer ve yüzey ile kaplar arasında yüksek basınçlı boru hatlarına duyulan ihtiyaç yer alır. Kaplar çok ucuz olacağından, büyük basınç (ve büyük derinlik) ihtiyacı o kadar önemli olmayabilir. Bu konsept üzerine kurulu sistemlerin önemli bir faydası, doldurma ve boşaltma basınçlarının derinliğin sabit bir fonksiyonu olmasıdır. Carnot verimsizlikleri böylece elektrik santralinde azaltılabilir. Carnot verimliliği, birden fazla şarj ve deşarj aşaması kullanılarak ve nehirlerden gelen soğuk su veya güneş havuzlarından gelen sıcak su gibi ucuz ısı kaynakları ve yutakları kullanılarak artırılabilir . İdeal olarak, sistem çok akıllı olmalıdır - örneğin, yaz günlerinde pompalamadan önce havayı soğutarak. Yetersiz boru çapının neden olduğu savurgan basınç değişiklikleri gibi verimsizlikleri önlemek için tasarlanmalıdır.

Bir hidroelektrik sistemi çalıştırmak için sıkıştırılmış gaz kullanılıyorsa, neredeyse izobarik bir çözüm mümkündür. Ancak bu çözüm, karada bulunan büyük basınç tankları (ve su altı hava yastıkları) gerektirir. Ayrıca hidrojen gazı tercih edilen sıvıdır, çünkü diğer gazlar nispeten mütevazı derinliklerde (500 metre gibi) bile önemli hidrostatik basınçlardan muzdariptir.

Avrupa'nın önde gelen enerji ve gaz şirketlerinden biri olan E.ON, denizaltı hava saklama torbaları geliştirmek için 1,4 milyon € (1,1 milyon £) finansman sağladı. Kanada'daki Hydrostor, 1 ila 4 MW ölçeğinde başlayan, basınçlı hava enerji depolaması için ticari bir sualtı depolama "akümülatörleri" sistemi geliştiriyor.

Kuzey İrlanda'daki denizaltı mağaralarında bir tür basınçlı hava enerjisi depolaması için bir plan var.

neredeyse izotermal

Neredeyse izotermal bir kompresör ve genişleticinin şematik görünümleri. Piston tamamen içeri çekilmiş haldeyken soldan görünüş, piston tamamen içeri çekilmiş haldeyken sağdan görünüş.

Neredeyse izotermal sıkıştırma için bir dizi yöntem geliştirilmektedir. Akışkanlar Mekaniği, pistonlu bir pistona bağlı ısı emici ve serbest bırakıcı yapıya (HARS) sahip bir sisteme sahiptir. Light Sail, pistonlu bir silindire su spreyi enjekte eder. SustainX, yarı özel, 120 rpm kompresör/genişletici içinde bir hava-su köpük karışımı kullanır. Tüm bu sistemler, havanın sıkıştırma hızına kıyasla yüksek termal yayılım ile sıkıştırılmasını sağlar. Tipik olarak bu kompresörler 1000 rpm'ye kadar hızlarda çalışabilir. Yüksek termal yayılımı sağlamak için, bir gaz molekülünün ısı emici bir yüzeyden ortalama uzaklığı yaklaşık 0,5 mm'dir. Bu neredeyse izotermal kompresörler, aynı zamanda neredeyse izotermal genişleticiler olarak da kullanılabilir ve CAES'in gidiş-dönüş verimliliğini artırmak için geliştirilmektedir.

Ayrıca bakınız

• Alternatif yakıtlı araç
• ateşsiz lokomotif
• Şebeke enerji depolama
• Hidrolik akümülatör
• Enerji depolama projelerinin listesi
• Pnömatik
• Sıfır emisyonlu araç
• Kriyojenik enerji depolama

Referanslar

Dış bağlantılar

• Paris Basınçlı Hava Sistemi – teknik notlar Kısım 1 Kısım 2 Kısım 3 Kısım 4 Kısım 5 Kısım 6 (Özel ek, Scientific American, 1921)
• Ülkenin bazı enerji sorunlarına çözüm, sıcak havadan biraz daha fazlası olabilir ( Sandia National Labs , DoE ).
• MSNBC makalesi, Rüzgar Enerjisini Daha Sonra Kullanım İçin Depolayacak Şehirler , 4 Ocak 2006
• Güç depolama: Sıkışmış rüzgar
• Bir Şişede Rüzgarı Yakalamak Bir grup Midwest kamu hizmeti şirketi, fazla rüzgar enerjisini yeraltında depolayacak bir tesis inşa ediyor
• New York Times Makalesi: Teknoloji; Elektriği Depolamak İçin Basınçlı Hava Kullanmak
• Basınçlı Hava Enerji Depolama, Entropi ve Verimlilik