Vergiss Batterien: Netzfern mit Druckluft Energie speichern

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Netzfern – Offgrid werden? Denken Sie zweimal darüber nach, bevor Sie in ein Batteriesystem investieren. Druckluftspeicher ist die nachhaltige und belastbare Alternative zu Batterien mit einer viel längeren Lebenserwartung, niedrigeren Lebenszykluskosten, technischer Einfachheit und geringem Wartungsaufwand. Die Entwicklung eines Druckluft-Energiespeichersystems, das hohe Effizienz mit geringer Speichergröße kombiniert, ist nicht selbsterklärend, aber eine wachsende Zahl von Forschern zeigt, dass dies möglich ist.

Druckluftspeicherung (CAES) wird üblicherweise als eine Form der Energiespeicherung im großen Maßstab angesehen, vergleichbar mit einem Pumpspeicherkraftwerk. Eine solche CAES-Anlage komprimiert Luft und speichert sie in einer unterirdischen Kaverne, wobei sie die Energie zurückgewinnt, indem sie die Luft durch eine Turbine, die einen Generator betreibt, expandiert (oder dekomprimiert).

Leider sind große CAES-Anlagen sehr energieeffizient. Das Komprimieren und Dekomprimieren von Luft führt zu Energieverlusten, was zu einem elektrischen / elektrischen Wirkungsgrad von nur 40-52% führt, verglichen mit 70-85% für Pumpwasserkraftwerke und 70-90% für chemische Batterien.

Der niedrige Wirkungsgrad ist hauptsächlich darauf zurückzuführen, dass sich Luft während der Kompression erwärmt. Diese Abwärme, die einen großen Teil des Energieeinsatzes ausmacht, wird in die Atmosphäre abgegeben. Ein damit verbundenes Problem ist, dass die Luft abkühlt, wenn sie dekomprimiert wird, wodurch die Stromerzeugung verringert wird und möglicherweise der Wasserdampf in der Luft gefriert. Um dies zu vermeiden, heizen große CAES-Anlagen die Luft vor der Expansion mit Erdgas an, was den Systemwirkungsgrad weiter verschlechtert und die Speicherung erneuerbarer Energien von fossilen Brennstoffen abhängig macht.

Warum kleine CAES?

Im vorherigen Artikel haben wir einige Ideen skizziert, die – inspiriert von historischen Systemen  – die Effizienz von CAES-Großanlagen verbessern könnten. In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf die kleine, aber wachsende Zahl von Ingenieuren und Forschern, die der Meinung sind, dass die Zukunft nicht in Massenspeicher für komprimierte Luft liegt, sondern in Klein- oder Mikrosystemen mit künstlichen oberirdischen Speicherbehältern anstelle von unterirdischen Reservoirs. Solche Systeme könnten netzfern oder netzgekoppelt sein, entweder allein oder neben einem Batteriesystem.

Der Hauptgrund, dezentralen Druckluftspeicher zu untersuchen, ist die einfache Tatsache, dass ein solches System wie chemische Batterien überall installiert werden kann. Große CAES hingegen sind auf eine geeignete unterirdische Geologie angewiesen. Zwar gibt es für große CAES-Anlagen mehr potentielle Standorte als für große Pumpspeicherkraftwerke, die Suche nach geeigneten Speicherkavernen ist jedoch nicht so einfach wie bisher angenommen. [ 1 – 2 ] [ 3 ]

Einrichten eines kleinen Druckluftspeichersystems

Versuchsaufbau eines kleinen Druckluft-Energiespeichersystems. Quelle: [27]

Im Vergleich zu chemischen Batterien haben Mikro-CAES-Systeme einige interessante Vorteile. Vor allem wäre ein verteiltes Netzwerk von Druckluftspeichersystemen viel nachhaltiger und umweltfreundlicher. Im Laufe ihrer Lebensdauer speichern chemische Batterien nur das Zwei- bis Zehnfache der Energie, die für ihre Herstellung benötigt wird . [ 4 ] Kleine CAES-Systeme leisten vor allem aufgrund ihrer viel längeren Lebensdauer viel mehr.

Im Vergleich zu chemischen Batterien wäre ein verteiltes Netzwerk von Druckluft-Energiespeichern viel nachhaltiger und umweltfreundlicher

Außerdem benötigen sie keine seltenen oder giftigen Materialien und die Hardware ist leicht recycelbar. Dezentrale Druckluftspeicher benötigen zudem keine High-Tech-Produktionslinien und können im Gegensatz zu einem Energiespeicher auf Basis chemischer Batterien von lokalen Unternehmen hergestellt, installiert und gewartet werden. Schließlich hat micro-CAES keine Selbstentladung, toleriert eine größere Bandbreite an Umgebungen und verspricht billiger zu sein als chemische Batterien. [ 5 ]

Nachhaltigkeitsspeicheroptionen barhart 2013

Obwohl die anfänglichen Investitionskosten höher geschätzt werden als bei einem Batteriesystem (etwa 10.000 US-Dollar für eine typische Wohnanlage), und obwohl die oberirdische Lagerung die Kosten im Vergleich zur unterirdischen Lagerung erhöht (das Lagerungsschiff ist für ungefähr gut geeignet) die Hälfte der Investitionskosten) bietet ein Druckluft-Energiespeichersystem eine nahezu unbegrenzte Anzahl von Lade- und Entladezyklen. Batterien müssen dagegen alle paar Jahre ausgetauscht werden, wodurch sie auf lange Sicht teurer werden. [ 5 , 6 ]

Herausforderung: Begrenzung der Speichergröße

Dezentrale CAES stehen jedoch auch vor großen Herausforderungen. Die erste ist die Systemeffizienz, die ein Problem in großen und kleinen Systemen ist, und die zweite ist die Größe des Speicherbehälters, was besonders problematisch für kleine CAES-Systeme ist.

Beide Probleme machen kleine CAES-Systeme unpraktisch. Ausreichend Platz für ein großes Speicherschiff ist nicht immer verfügbar, während eine geringe Speichereffizienz eine größere Solar-PV- oder Windkraftanlage erfordert, um diesen Verlust auszugleichen, die Kosten zu erhöhen und die Nachhaltigkeit des Systems zu verringern.

Erschwerend kommt hinzu, dass die Systemeffizienz und die Speichergröße umgekehrt aufeinander bezogen sind: Die Verbesserung eines Faktors geht oft auf Kosten des anderen. Die Erhöhung des Luftdrucks minimiert die Speichergröße, verringert jedoch die Systemeffizienz, während die Verwendung eines niedrigeren Drucks das System energieeffizienter macht, jedoch zu einer größeren Speichergröße führt. Einige Beispiele veranschaulichen das Problem.

Druckluftbehälter

Druckluft-Energiespeicher. Quelle .

Eine Simulation für eine autonome CAES für ländliche Gebiete ohne Stromversorgung, die an eine Photovoltaikanlage angeschlossen ist und nur für Beleuchtung verwendet wird, arbeitet bei einem relativ niedrigen Luftdruck von 8 bar und erreicht einen Wirkungsgrad von 60% – – vergleichbar mit der Effizienz von Bleibatterien. [ 7 ]

Um jedoch 360 Wh potentieller elektrischer Energie speichern zu können, benötigt das System einen Speicher von 18 m3, die Größe eines kleinen Raumes, der 3x3x2 Meter misst. Die Autoren stellen fest, dass „die Tankgröße zwar sehr groß erscheint, aber für Anwendungen in ländlichen Gebieten immer noch sinnvoll ist“.

Systemeffizienz und Speichergröße stehen in umgekehrter Beziehung zueinander: Die Verbesserung eines Faktors geht oft auf Kosten des anderen.

Ein solches System kann in diesem Zusammenhang tatsächlich von Vorteil sein, insbesondere weil es eine viel längere Lebensdauer als chemische Batterien hat. Eine ähnliche Konfiguration in einem städtischen Kontext mit hohem Energieverbrauch ist jedoch offensichtlich problematisch. In einer anderen Studie wurde berechnet, dass für die Speicherung von 3 kWh Energie ein 65-m3-Luftspeicher erforderlich wäre. Dies entspricht einem 13 Meter langen Druckbehälter mit einem Durchmesser von 2,5 Metern (siehe unten). [ 8 ]

Luft-Empfänger

Darüber hinaus ist der durchschnittliche Stromverbrauch pro Tag in den Industrieländern noch viel höher. Zum Beispiel liegt es in Großbritannien knapp unter 13 kWh pro Tag, in den USA und Kanada sind es mehr als 30 kWh. Im letzteren Fall wären zehn solcher Luftdrucktanks erforderlich, um einen Tag Strom zu speichern.

Kleine CAES-Systeme mit hohen Drücken führen zu entgegengesetzten Ergebnissen. Zum Beispiel arbeitet eine Konfiguration, die für eine typische elektrische Haushaltsnutzung in Europa (6.400 kWh pro Jahr) modelliert wurde, bei einem Druck von 200 bar (fast 4-mal höher als der Druck in großen CAES-Anlagen) und erreicht ein Speichervolumen von nur 0,55 m3, was mit Batterien vergleichbar ist. Der elektrische / elektrische Wirkungsgrad dieses Aufbaus beträgt jedoch nur 11-17%, abhängig von der Größe der Solaranlage. [ 9 ]

Zwei Strategien, um Micro CAES zum Laufen zu bringen

Diese Beispiele scheinen darauf hinzudeuten, dass Druckluftspeicher als kleines Energiespeichersystem keinen Sinn macht, auch wenn der Energiebedarf sinkt . Aber vielleicht überraschend für viele ist dies nicht der Fall.

Kleine CAES-Systeme können nicht den gleichen Ansatz verfolgen wie große CAES-Systeme, die die Speicherkapazität und den Gesamtwirkungsgrad durch mehrstufige Kompression mit Zwischenkühlung und mehrstufiger Expansion mit Nacherwärmung erhöhen. Diese Methode beinhaltet zusätzliche Komponenten und erhöht die Komplexität und die Kosten, was für kleine Systeme unpraktisch ist.

Erhöht 2

Dasselbe gilt für „adiabatische“ Prozesse (AA-CAES), die darauf abzielen, die Kompressionswärme zu nutzen, um die expandierende Luft wieder aufzuwärmen, und die den Hauptforschungsschwerpunkt für große CAES bilden. Für ein Mikro-CAES-System ist es sehr wichtig, die Struktur so weit wie möglich zu vereinfachen. [ 5 , 10 ]

Damit stehen uns zwei Low-Tech-Strategien zur Verfügung, mit denen ähnliche Speicherkapazitäten und Energieeffizienz erreicht werden wie mit Bleibatterien. Erstens können wir Niederdrucksysteme entwerfen, die die Temperaturunterschiede während der Kompression und Expansion minimieren. Zweitens können wir Hochdrucksysteme entwerfen, in denen die Wärme und Kälte von Kompression und Expansion für Haushaltsanwendungen verwendet werden.

Klein, Hochdruck

Kleine Druckluft-Energiespeicher mit hohen Luftdrücken machen die Ineffizienz von Kompression und Expansion zu einem Vorteil. Während AA-CAES im großen Maßstab darauf abzielt, die Kompressionswärme mit dem Ziel der Maximierung der Stromerzeugung zurückzugewinnen, nutzen diese kleinen Systeme die Temperaturdifferenzen, um eine Trigeneration der elektrischen, Heiz- und Kühlleistung zu ermöglichen. Die abgeleitete Kompressionswärme wird für die Heizung und Warmwasserbereitung in Wohngebäuden verwendet, während die kalte expandierende Luft für die Raumkühlung und -kühlung verwendet wird. Chemische Batterien können das nicht.

Kleinere Hochdrucksysteme nutzen die Verlustwärme für die Heizung und Warmwasserbereitung in Wohnhäusern, während die kühle, expandierende Luft für die Kühlung und Kühlung von Räumen verwendet wird.

In diesen Systemen ist der Elektro-zu-Elektro-Wirkungsgrad sehr gering. Es gibt jedoch mehrere Effizienzen, da das System auch Wärme und Kälte liefert. [ 10 , 11 ] Außerdem können durch diesen Ansatz mehrere Elektrogeräte überflüssig werden, wie der Kühlschrank, die Klimaanlage und der Elektroboiler für die Raum- und Warmwasserbereitung. Da die Nutzung dieser Geräte oft für etwa die Hälfte des Stromverbrauchs in einem durchschnittlichen Haushalt verantwortlich ist, hat ein kleines CAES-System mit hohem Druck insgesamt eine geringere Stromnachfrage.

LuftkompressorEin typischer Luftkompressor. Quelle .

Hochdrucksysteme lösen problemlos das Problem der Speichergröße. Wie wir gesehen haben, kann ein höherer Luftdruck die Größe eines Druckluftspeicherbehälters stark reduzieren, jedoch nur auf Kosten einer erhöhten Abwärme. In einem kleinen System, das Temperaturdifferenzen ausnutzt, um für Heizung und Kühlung zu sorgen, ist dies vorteilhaft. Daher sind Hochdrucksysteme ideal für kleine Wohngebäude, wo der Lagerraum begrenzt ist und wo ein großer Bedarf an Wärme und Kälte sowie Elektrizität besteht. Die einzigen Nachteile sind, dass Hochdrucksysteme stärkere und teurere Lagertanks benötigen und dass für Wärmetauscher ein zusätzlicher Platz benötigt wird.

Versuchsaufbau Sun 2015

Versuchsaufbau eines Mikro-CAES-Systems. Quelle: [30]

Mehrere Forschungsgruppen haben kleine KWK-Kraft-Wärme-Kopplungs-Einheiten entworfen, modelliert und gebaut, die sowohl Heizung als auch Kühlung sowie Strom liefern. Das von uns bereits erwähnte Hochdrucksystem mit einem Speichervolumen von nur 0,55 m3 ist ein Beispiel für diese Art von System. [ 9 ] Wie bereits erwähnt, beträgt sein elektrischer Wirkungsgrad nur 11-17%, aber das System erzeugt auch genug Wärme, um 270 Liter heißes Wasser pro Tag zu produzieren. Wenn diese thermische Energiequelle ebenfalls berücksichtigt wird, beträgt die „exergetische“ Effizienz des gesamten Systems nahezu 70%. Ähnliche “ Exergie “ -Effizienzen finden sich in anderen Studien mit Systemen, die bei Drücken zwischen 50 und 200 bar arbeiten. [ 11 – 21 ]

Wärme und Kälte aus Kompression und Expansion können mittels Wasser oder Luft auf Heiz- oder Kühlgeräte verteilt werden. Der Aufbau eines Luftzyklus-Heiz- und Kühlsystems ist einem CAES-System sehr ähnlich, mit Ausnahme des Speicherbehälters. Luftzylinderheizung und -kühlung hat viele Vorteile, einschließlich hoher Zuverlässigkeit, Wartungsfreundlichkeit und die Verwendung eines natürlichen Kältemittels, das umweltfreundlich ist. [ 11 ]

Klein, Niederdruck

Die zweite Strategie, höhere Wirkungsgrade und geringere Speichervolumina zu erzielen, ist genau das Gegenteil von der ersten. Anstatt Luft auf einen hohen Druck zu komprimieren und die Wärme und Kälte aus Kompression und Expansion zu nutzen, basiert eine zweite Klasse von kleinen CAES-Systemen auf niedrigen Drücken und „nahezu isothermer“ Kompression und Expansion.

Unterhalb von Luftdrücken von etwa 10 bar zeigen die Verdichtung und Expansion von Luft unbedeutende Temperaturänderungen („fast-isothermisch“), und die Effizienz des Energiespeichersystems kann nahe bei 100% liegen. Es gibt keine Abwärme und folglich ist es nicht notwendig, die Luft bei der Expansion wieder aufzuwärmen.

Hiscox dreistufiger Kompressor bearbeitet

Isotherme Kompression erfordert die geringste Menge an Energie, um eine gegebene Luftmenge auf einen gegebenen Druck zu komprimieren. Ein isothermer Prozess ist jedoch weit von der Realität entfernt. Es funktioniert zunächst nur mit kleinen und / oder langsam laufenden Kompressoren und Expandern. Leider sind typische industrielle Kompressoren nicht für maximale Effizienz, sondern für maximale Leistung ausgelegt und arbeiten daher unter schnell zyklischen, nicht-isothermen Bedingungen. Das Gleiche gilt für die meisten industriellen Expander. [ 22 – 24 ]

Unter Luftdrücken von 10 bar zeigen Kompression und Expansion von Luft unbedeutende Temperaturänderungen und der Wirkungsgrad kann nahe bei 100% liegen.

Die Verwendung von industriellen Kompressoren und Expandern erklärt zum großen Teil, warum die Niederdruck-CAES-Systeme, die am Anfang dieses Artikels erwähnt wurden, solch große Lagerbehälter haben. Beide Systeme basieren auf Geräten, die außerhalb ihrer optimalen oder bewerteten Bedingungen betrieben werden. [ 25 ] Da sich Ineffizienzen während der Energieumwandlung vervielfachen, können selbst relativ kleine Unterschiede in der Effizienz von Kompressoren und Expandern große Auswirkungen haben. Zum Beispiel führt eine Variation der Geräteeffizienz von 60% auf 80% zu einer Systemeffizienz von 36% bis 64%.

Neue Arten von Kompressoren und Expandern

Da die Leistung eines Kompressors und eines Expanders die Gesamteffizienz eines kleinen CAES-Systems erheblich beeinflusst, haben mehrere Forscher eigene Kompressoren und Expander gebaut, die speziell auf die Energiespeicherung ausgerichtet sind. Zum Beispiel entwarf, baute und untersuchte ein Team einen einstufigen, leistungsarmen isothermen Kompressor, der einen Flüssigkeitskolben verwendet. [ 22 ] Er arbeitet mit einer sehr niedrigen Kompressionsrate (zwischen 10-60 U / min), die der Leistung von Solar-PV-Modulen entspricht, und begrenzt die Temperaturschwankungen während der Kompression und Expansion auf 2 Grad Celsius.

Das kostengünstige Gerät hat minimale bewegliche Teile und erzielt Wirkungsgrade von 60-70% bei 3 bis 7 bar Druck. [ 22 ] Dies ist eine sehr hohe Effizienz für solch ein einfaches Gerät, wenn man bedenkt, dass ein hochentwickelter dreistufiger Radialverdichter, der in großen CAES-Systemen oder in industriellen Umgebungen verwendet wird, ungefähr 70% effizient ist. Darüber hinaus stellen die Forscher fest, dass die Effizienz durch den Standardmotor begrenzt ist, den sie für den Betrieb ihres Kompressors verwenden. Ein anderes Forschungsteam erreichte 83% Effizienz. [ 26 ]

Scroll Kompressor Sun 2015

Ein Scroll-Kompressor. Quelle: [30]

Eine weitere Neuheit ist der Einsatz von Scrollverdichtern, die heute in Kühlschränken, Klimaanlagen und Wärmepumpen zum Einsatz kommen. Sowohl Fluidkolben- als auch Scrollverdichter haben ein großes Verhältnis von Volumen zu Volumen, was die Wärmeproduktion minimiert und die zweiphasige Strömung leicht bewältigen kann, was bedeutet, dass sie auch als Expander verwendet werden können. Sie sind außerdem leichter und geräuschärmer als typische Kolbenkompressoren. [ 24 ]

Variierender Luftdruck

Obwohl Kompressoren und Expander die wichtigsten Determinanten der Systemeffizienz in kleinen CAES-Systemen sind, sind sie nicht die einzigen. Beispielsweise wird in jedem Druckluft-Energiespeichersystem ein zusätzlicher Wirkungsgradverlust dadurch verursacht, dass während der Expansion das Speicherreservoir erschöpft ist und daher der Druck abfällt. Unterdessen muss der Eingangsdruck für den Expander nur in einem minimalen Bereich variieren, um eine hohe Effizienz sicherzustellen.

Druckluftmesser

Dies wird normalerweise auf zwei Arten gelöst, obwohl keine wirklich zufriedenstellend ist. Erstens kann Luft in einem Tank mit Überdruck gespeichert werden, wonach sie auf den erforderlichen Expander-Eingangsdruck gedrosselt wird. Diese Methode, die in großen CAES verwendet wird, erfordert jedoch zusätzlichen Energieverbrauch und führt somit zu Ineffizienz. Zweitens kann der Expander unter variablen Bedingungen arbeiten, aber in diesem Fall sinkt die Effizienz mit dem Druck, während der Speicher geleert wird.

Während der Expansion ist das Speicherreservoir erschöpft und daher fällt der Druck ab.

Angesichts dieser Probleme hat ein Forscherteam einen kleinen CAES mit einem kleinen Pumpwasserkraftwerk kombiniert, was zu einem System führte, das während der vollständigen Entleerung des Speicherbehälters einen konstanten Druck aufrechterhält. Es besteht aus zwei Druckluftbehältern, die durch ein Rohr verbunden sind, das an ihren unteren Teilen befestigt ist: jede von diesen hat getrennte Räume für Luft (unten) und Wasserspeicher (oben). Die Konfiguration hält eine Wasserhöhe mittels einer Pumpe aufrecht, die 15% der erzeugten Energie verbraucht. Trotz dieses zusätzlichen Energieverbrauchs ist es den Forschern gelungen, sowohl die Effizienz als auch die Energiedichte des Systems zu erhöhen. [ 11 ]

Externer Stromspeicher

Um eine Vorstellung davon zu geben, was eine Kombination der richtigen Komponenten bewirken kann, werfen wir einen Blick auf ein letztes Forschungsprojekt. [ 27 ] Es handelt sich um ein System, das auf einem hocheffizienten, maßgeschneiderten Kompressor / Expander basiert, der direkt an einen DC-Motor / Generator gekoppelt ist. Neben seinen effizienten Komponenten führt dieses CAES-Projekt auch eine innovative Systemkonfiguration ein. Es wird kein großer Luftspeicher verwendet, sondern mehrere kleinere, die miteinander verbunden und computergesteuert sind.

Der Aufbau besteht aus der Kompressions- / Expansionseinheit, die mit drei kleinen (7L) Zylindern gekoppelt ist, die zuvor als Luftlöscher verwendet wurden, und arbeitet bei niedrigem Druck (max. 5 bar). Die Speichergefäße sind über PVC-Rohrleitungen und Messingbeschläge verbunden. Um den Luftstrom zu steuern, sind drei computergesteuerte Luftventile am Einlass jedes Zylinders installiert. Das System kann durch Hinzufügen von mehr Druckbehältern erweitert werden. [ 27 ]

Kleines Caes-Setup

Eine modulare Konfiguration führt hauptsächlich aus zwei Gründen zu einer höheren Systemeffizienz und Energiedichte. Erstens hilft es, eine effektivere Wärmeübertragung zu erreichen, da jeder Luftbehälter als zusätzlicher Wärmetauscher wirkt. Zweitens ermöglicht es eine bessere Kontrolle über die Abgaberate des Speicherbehälters. Die Zylinder können entweder gemeinsam entladen werden, um eine Nachfrage nach hoher Leistungsdichte (mehr Leistung auf Kosten einer kürzeren Entladezeit) zu erfüllen, oder sie können sequentiell entladen werden, um eine Nachfrage nach hoher Energiedichte zu erfüllen (längere Entladezeit auf Kosten) maximaler Leistung).

Durch sequentielles Entladen modularer Speicherzylinder kann die Entladezeit stark erhöht werden, wodurch das System hinsichtlich der Energiedichte mit Blei-Säure-Batterien vergleichbar ist.

Durch sequentielles Entladen der Zylinder kann die Entladezeit stark erhöht werden, wodurch das System in Bezug auf die Energiedichte mit Bleibatterien vergleichbar ist. Basierend auf ihrer Versuchsanordnung berechneten die Forscher die Wirkungsgrade für unterschiedliche Startdrücke und Zylinderzahlen. Sie fanden heraus, dass 57 miteinander verbundene Zylinder von je 10 Litern, die bei 5 bar arbeiten, die Aufgabe von vier 24V-Batterien für 20 aufeinander folgende Stunden erfüllen konnten, während sie alle eine erstaunlich kleine Stellfläche von nur 0,6 m3 hatten.

Interessanterweise beträgt die Speicherkapazität 410 Wh, was vergleichbar ist mit dem zuvor erwähnten 360 Wh-System, das ein 18-m3-Speichergefäß benötigt – das ist dreißig Mal größer als das modulare Speichersystem.

Computergesteuerte LuftventileComputergesteuerte Luftventile. Quelle .

Der elektrische / elektrische Wirkungsgrad für den 3-Zylinder-Aufbau erreichte einen Spitzenwert von 85% bei 3 bar Druck, während der geschätzte Wirkungsgrad für den 57-Zylinder-Aufbau 75% beträgt. Dies sind Werte, die mit Lithium-Ionen-Batterien vergleichbar sind, jedoch führt das Hinzufügen von mehr Speicherbehältern oder der Betrieb bei höheren Drücken zu größeren Verlusten aufgrund von Kompression, Wärme, Reibung und Armaturen. [ 27 – 29 ]

Als ich jedoch Abdul Alami, den Hauptautor der Studie, per E-Mail übermittelte, dass die Ergebnisse zu gut klingen, um wahr zu sein, sagte er mir, dass die Zahlen eigentlich zu konservativ waren: „Wir hielten an niedrigem Druck fest, um nahezu isotherm zu werden Kompression und um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten. Ein Betrieb bei Drücken über 10 bar würde ernsthafte Wärmeverluste verursachen, aber ein Druck von 7-8 bar kann in Bezug auf Energie und Leistungsdichte von Vorteil sein, wenn auch nicht in Bezug auf die Effizienz. “

Selbst bauen?

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass ein kleiner Energiespeicher für komprimierte Luft eine vielversprechende Alternative zu Batterien sein könnte, aber die Forschung befindet sich noch in einem frühen Stadium – die erste Studie über kleine CAES wurde 2010 veröffentlicht – und neue Ideen werden weiter beleuchten wie man die Technologie am besten entwickelt. Im Moment gibt es keine kommerziellen Produkte und die Einrichtung eines eigenen Systems kann ziemlich einschüchternd sein, wenn Sie neu in der Pneumatik sind. Die richtigen Komponenten und Beschläge zu finden, bereitet Kopfschmerzen, da sie in einer verwirrenden Vielfalt vorkommen und nur an die Industrie verkauft werden.

Wenn Sie jedoch geduldig und nicht zu unhandlich sind, und wenn Sie entschlossen sind, ein nachhaltigeres Energiespeichersystem zu verwenden, ist es durchaus möglich, Ihr eigenes CAES-System zu bauen. Wie die Beispiele in diesem Artikel gezeigt haben, ist es nur ein bisschen schwieriger, einen guten zu bauen.

Kris De Decker

Im vorherigen Artikel gibt es weitere Ideen für kleine CAES-Systeme: Geschichte und Zukunft der Druckluftwirtschaft .

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Referenzen & Notizen:

[1] Luo, Xing, et al. „Überblick über die aktuelle Entwicklung der Energiespeichertechnologien und das Anwendungspotential im Netzbetrieb.“ Angewandte Energie 137 (2015): 511-536. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261914010290

[2] Laijun, CHEN, et al. „Überprüfung und Aussicht auf Druckluft-Energiespeichersystem.“ Zeitschrift für moderne Energiesysteme und saubere Energie 4.4 (2016): 529-541. https://link.springer.com/article/10.1007/s40565-016-0240-5

[3] Es gibt eine zunehmende Konkurrenz um potentielle CAES-geologische Einheiten, da viele auch für die Speicherung von Erdgas oder abgeschiedenem Kohlenstoff geeignet sind. Darüber hinaus stellt die Kavernenlagerung hohe Anforderungen an die geographischen Bedingungen. Zum Beispiel wurde das ursprünglich geplante CAES-Projekt in Iowa in den USA aufgrund seines porösen Sandsteinzustands eingestellt. [2]

[4] Barnhart, Charles J. und Sally M. Benson. „Zur Bedeutung der Reduzierung der energetischen und materiellen Anforderungen an die Speicherung elektrischer Energie.“ Energie- und Umweltwissenschaften 6.4 (2013): 1083-1092. https://gcep.stanford.edu/pdfs/EES_reducingdemandsoenergystorage.pdf

[5] Petrow, Miroslav P., Reza Arghandeh und Robert Broadwater. „Konzept und Anwendung von dezentralen Druckluftspeichersystemen, die in Versorgungsnetze integriert sind.“ ASME 2013 Power Konferenz . Amerikanische Gesellschaft der Maschinenbauingenieure, 2013.  http://eddism.com/wp-content/uploads/2014/10/Paper-EDD-Concept-and-Application-of-Distributed-Compressed-Air-Energy-Storage-Systems- Integrated-in-Utility-Netzwerke-Juli-2013.pdf

[6] Tallini, Alessandro, Andrea Vallati und Luca Cedola. „Anwendungen von Mikro-CAES-Systemen: Energie- und ökonomische Analyse.“ Energy Procedia 82 (2015): 797-804.

[7] Setiawan, A., et al. „Dimensionierung von Druckluft-Energiespeichern für Solar-Home-Systeme.“ Computational Intelligence und Virtual Environments für Messsysteme und Anwendungen (CIVEMSA), 2015 IEEE International Conference on . IEEE, 2015.  https://www.researchgate.net/profile/Ardyono_Priyadi/publication/274898992_Sizing_Compressed-Air_Energy_Storage_Tanks_for_Solar_Home_Systems/links/5670e2c408ae2b1f87acf927.pdf

[8] Herriman, Kayne. „Kleine Druckluft-Energiespeichersysteme.“ (2013). https://eprints.usq.edu.au/24651/1/Herriman_2013.pdf

[9] Manfrida, Giampaolo und Riccardo Secchi. „Leistungsvorhersage eines kleinen adiabatischen Druckluftspeichersystems.“ International Journal of Thermodynamics 18.2 (2015): 111-119. http://dergipark.ulakbim.gov.tr/eoguijt/article/download/5000071710/5000113411

[10] Kim, YM und Daniel Favrat. „Energie- und Exergieanalyse eines Mikro-Druckluft-Energiespeichers und Luftkreislauf-Heiz- und Kühlsystems“ Energie 35.1 (2010): 213-220.

[11] Kim, Junge Min. „Neuartige Konzepte von Druckluft-Energiespeichern und thermoelektrischen Energiespeichern.“ (2012). https://infoscience.epfl.ch/record/181540/files/EPFL_TH5525.pdf

[12] Inder, Shane D. und Mehrdad Khamooshi. „Energieeffizienzanalyse von Entladungsmodi eines adiabatischen Druckluftspeichersystems“ Weltakademie für Wissenschaft, Technik und Technologie, Internationale Zeitschrift für Elektrotechnik, Computer, Energetik, Elektronik und Nachrichtentechnik 11.12 (2017): 1101-1109.

[13] Vollaro, Robert De Lieto, et al. „Energie- und thermodynamische Untersuchung eines kleinen innovativen Druckluftspeichers (micro-CAES).“ Energy Procedia 82 (2015): 645-651.

[14] Li, Yongliang, et al. „Ein Kraft-Wärme-Kälte-System auf Basis von Druckluft und Wärmeenergie.“ Angewandte Energie 99 (2012): 316-323. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261912003479

[15] Facci, Andrea L., et al. „Mikroklima-Energiespeicher Trigenerative: Konzept und thermodynamische Bewertung.“ Angewandte Energie 158 (2015): 243-254. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261915009526

[16] Mohammadi, Amin, et al. „Exergie-Analyse eines kombinierten Kühl-, Heiz- und Energiesystems mit integriertem Wind- und Druckluftspeicher.“ Energieumwandlung und -management 131 (2017): 69-78. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261915009526

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[18] Liu, Jin-Long und Jian-Hua Wang. „Thermodynamische Analyse eines neuartigen Drei-Generationen-Systems basierend auf Druckluftspeicher und Druckluftmotor.“ Energie 91 (2015): 420-429. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360544215011317

[19] Lv, Song, et al. „Modellierung und Analyse eines neuartigen Druckluft-Energiespeichersystems für Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung basierend auf der Lastspitzenverschiebung elektrischer Energie.“ Energieumwandlung und -management 135 (2017): 394-401. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0196890416311839

[20] Besharat, MOHSEN, SANDRA C. Martins und HELENA M. Ramos. „Bewertung der Energierückgewinnung in Druckluftspeichersystemen (CAES).“ 3. IAHR Europa Kongress. Tagungsband, Portugal. 2014. https://www.researchgate.net/profile/Mohsen_Besharat2/publication/270896130_Evaluation_of_Energy_Recovery_in_Compressed_Air_Energy_Storage_CAES_Systems/links/58a1fce0a6fdccf5e97109b2/Evaluation-of-Energy-Recovery-in-Compressed-Air-Energy-Storage-CAES-Systems.pdf

[21] Minutillo, M., A. Lubrano Lavadera und E. Jannelli. „Bewertung von Entwurfs- und Betriebsparametern für ein kleines Druckluft-Energiespeichersystem, das in ein autarkes, regeneratives Kraftwerk integriert ist.“ Zeitschrift für Energiespeicherung 4 (2015): 135-144. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352152X15300207

[22] Villela, Dominique, et al. „Druckluft-Energiespeichersysteme für autarke netzunabhängige Photovoltaik-Module.“ Photovoltaik-Fachkonferenz (PVSC), 2010 35. IEEE . IEEE, 2010.  https://pdfs.semanticscholar.org/9f1d/4273f8deb4a0a18c86eb4056e2fd378f8f3f.pdf

[23] Paloheimo, H. und M. Omidiora. „Eine Machbarkeitsstudie zum Druckluftspeichersystem für tragbare elektrische und elektronische Geräte.“ Saubere elektrische Energie, 2009 Internationale Konferenz über. IEEE, 2009. https://www.researchgate.net/profile/Michael_Omidiora/publication/224581292_A_Feasibility_Study_on_Compressed_Air_Energy_Storage_System_for_Portable_Electrical_and_Electronic_Devices/links/5640d5d308aebaaea1f6ad44.pdf 

[24] Prinsen, Thomas H. Entwurf und Analyse eines solarbetriebenen Druckluftspeichersystems . Naval Postgraduate School Monterey Vereinigte Staaten, 2016. https://scholar.google.com/scholar?cluster=5783353621699682542&hl=nl&as_sdt=2005&sciodt=0,5

[25] Das auf städtische Gebiete ausgerichtete Kleinanlagensystem mit einem 18 Meter langen Speicherbecken basiert auf einem Kompressor, der „seit 30 Jahren auf Baustellen für verschiedene Druckluftwerkzeuge in Betrieb war und wenig Wartung betrieb „. [8] Dies wirkt sich nachteilig auf die Effizienz des Systems aus, da ein Kompressor, der nicht gut gewartet wird, 30% seiner potenziellen Leistung durch Luftlecks, erhöhte Reibung oder verschmutzte Luftfilter verschwendet. Dieses kleine System verwendete auch einen sehr ineffizienten Expander.Alles zusammen erklärt, warum es ein sehr großes Speichervolumen mit einem sehr niedrigen elektrischen zu elektrischen Wirkungsgrad kombiniert (weniger als 5%).

[26] Van de Ven, James D. und Perry Y. Li. „Flüssigkolben-Gaskompression“ Angewandte Energie 86.10 (2009): 2183-2191. https://experts.umn.edu/en/publications/liquid-piston-gas-compression

[27] Alami, Abdul Hai, et al. „Modulares Druckluft-Energiespeichersystem (CAES) für Energiespeichersysteme mit geringem Druck.“ Erneuerbare Energie 106 (2017): 201-211.

[28] Alami, Abdul Hai. „Experimentelle Bewertung von Druckluft-Energiespeicher (CAES) und Auftrieb arbeitender Energiespeicher (BWES) als zelluläre Energiespeicheroptionen.“ Zeitschrift für Energiespeicherung 1 (2015): 38-43.

[29] Abdul Alami, e-mail conversation.

[30] Sonne, Hao, Xing Luo und Jihong Wang. „Machbarkeitsstudie einer Hybrid-Windkraftanlage – Integration mit Druckluftspeicher.“ Angewandte Energie 137 (2015): 617 -628. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261914006680