Perslucht-energieopslag (CAES) is een technologie voor het opslaan van energie in de vorm van perslucht, en deze vervolgens vrij te geven om elektriciteit op te wekken of ander werk te verrichten.

Het basisprincipe van CAES omvat de volgende stappen:

• Compressie:Lucht wordt adiabatisch gecomprimeerd (d.w.z. zonder noemenswaardige warmteoverdracht naar of van de omgeving) met behulp van een luchtcompressor, waardoor de temperatuur stijgt.

• Koeling:De perslucht wordt vervolgens gekoeld tot omgevingstemperatuur met behulp van een warmtewisselaar, waardoor de tijdens de compressie gegenereerde warmte wordt afgevoerd en het volume verder wordt verkleind.

• Opslag:De gekoelde perslucht wordt vervolgens opgeslagen in een geschikte ondergrondse opslagvoorziening, zoals een zoutcaverne, een uitgeput gasreservoir of een aquifer.

• Expansie:Indien nodig wordt de opgeslagen perslucht via een turbine weer geëxpandeerd naar een lagere druk, waarbij de opgeslagen potentiële energie wordt omgezet in kinetische energie.

• Energieopwekking:de geëxpandeerde lucht gaat door een generator, waar deze ervoor zorgt dat de rotor gaat draaien en elektriciteit produceert.

• Warmteterugwinning:De afgevoerde lucht uit de turbine bevat nog wat energie in de vorm van warmte, die kan worden teruggewonnen met behulp van een warmtewisselaar om de lucht die de compressor binnenkomt, voor te verwarmen. Dit verbetert de algehele efficiëntie van het systeem.

Om de formule te illustreren, overweeg een CAES-systeem met de volgende parameters:

• Initiële luchtdruk:1 atm

• Eindluchtdruk:10 atm

• Beginluchttemperatuur:25°C

• Eindluchttemperatuur:35°C

• Turbine-efficiëntie:80%

• Generatorefficiëntie:90%

• Algehele efficiëntie van de luchtcompressor en warmtewisselaar:85%

1. Compressiearbeid:De arbeid die nodig is om de lucht te comprimeren, kan worden berekend met behulp van de formule:

Compressiearbeid =(P2V2 - P1V1)/n,

waarbij P1 en P2 de begin- en einddruk zijn, V1 en V2 de begin- en eindvolumes, en 'n' de polytrope exponent voor lucht is (ongeveer 1,4).

2. Koelwerk:Ervan uitgaande dat het koelproces isobaar is (constante druk) en uitgaande van een perfecte warmteoverdracht, is het werk dat nodig is om de perslucht te koelen:

Koelwerk =m * C_v * (T2 - T1),

waarbij T1 en T2 de begin- en eindtemperatuur zijn, m de massa van de lucht is en C_v de soortelijke warmte van lucht bij constant volume (ongeveer 718 J/kg-K).

3. Warmteterugwinning:De warmte die kan worden teruggewonnen uit de afvoerlucht van de turbine kan worden berekend met behulp van:

Warmteterugwinning =m * C_p * (T3 - T4), waarbij T3 de uitlaattemperatuur is, T4 de temperatuur is van de lucht die de compressor binnenkomt, en C_p de soortelijke warmte van lucht bij constante druk is (ongeveer 1004 J/kg-K ).

4. Energieopwekking:Het door de turbine opgewekte vermogen wordt gegeven door:

Vermogen =m * (h1 - h2) *n,

waarbij h1 en h2 de specifieke enthalpieën zijn van de lucht aan de inlaat en uitlaat van de turbine, en $\eta$ het turbinerendement is.

De totale systeemefficiëntie kan vervolgens als volgt worden berekend:

Systeemefficiëntie =(vermogen / compressiewerk + koelwerk)

Door de gegeven numerieke waarden in te voeren, berekent u elk van deze grootheden en bepaalt u de algehele systeemefficiëntie van het CAES-systeem.