Sprężone powietrze jako akumulator energii

Odnawialna energetyka wykorzystująca energię słoneczną i energię wiatru, ma jeden poważny problem. Ten problem to zapewnienie dostaw energii wtedy, gdy jest ona potrzebna, a nie tylko wtedy, gdy wieje wiatr / świeci słońce. Z tego właśnie powodu każda elektrownia słoneczna czy wiatrowa w małej skali powinna posiadać baterię akumulatorów do magazynowania prądu. Podobnie, jak kolektor słoneczny, który w ciągu dnia podgrzewa wodę magazynowaną w dużym zbiorniku, zużywaną wieczorem i następnego dnia rano.

Oprócz szeregu metod chemicznego magazynowania energii elektrycznej w najróżniejszych akumulatorach (kwasowo-ołowiowe, zasadowe, litowo-jonowe, i tak dalej), mamy i inne metody. Jedną z nich, o której dziś chciałem napisać, jest sprężone powietrze.

Sprężone powietrze jest nośnikiem energii łatwym do wytworzenia, dość łatwym do przechowania i dającym się całkiem łatwo zamienić na inny rodzaj energii. Czy więc jest dobrym sposobem na magazynowanie energii elektrycznej?

Sprężone powietrze w energetyce

Energetyka w dużej skali potrzebuje magazynować energię nie tylko ze źródeł alternatywnych. Również konwencjonalne, cieplne elektrownie parowe, wymagają magazynowania prądu. Chodzi o to, by móc zaspokoić nagły wzrost zapotrzebowania na energię elektryczną, który następuje w czasie przerwy w popularnym serialu, gdy 1/3 Polaków nagle włącza czajnik by zrobić herbatę. Chodzi też o przeniesienie części produkcji energii elektrycznej z nocy (gdy jest tania) na dzień, gdy zapotrzebowanie jest największe.

W tym celu stosuje się przede wszystkim (w Polsce) elektrownie wodne i elektrownie szczytowo-pompowe. Te pierwsze po prostu mniej prądu produkują przy niskim zapotrzebowaniu na prąd a więcej, gdy jest taka potrzeba. Elektrownie szczytowo-pompowe zaś spuszczają wodę z górnego zbiornika wtedy, gdy prąd jest potrzebny a pompują go z powrotem, gdy można prąd tanio odkupić z sieci — w nocy.

Innym rozwiązaniem tego problemu jest magazynowanie energii pod postacią sprężonego powietrza w podziemnych zbiornikach podłączonych do elektrowni z turbinami gazowymi.

Schemat działania elektrowni gazowej na sprężone powietrze.

Schemat takiego rozwiązania widać na powyższym rysunku. W dużym skrócie działa to następująco:

  • elektrownie z turbinami gazowymi składają się ze sprężarki, komory spalania, turbiny i generatora, wszystko spięte jest na jednym wspólnym wale,
  • elektrownie takie działają w cyklu Braytona, tzn. najpierw powietrze atmosferyczne jest sprężane, później spala się w nim paliwo a następnie gorące spaliny pod ciśnieniem trafiają do turbiny,
  • większość mocy turbiny (mniej więcej 2/3) zużywana jest na napęd sprężarki, reszta trafia do generatora i produkuje prąd,
  • w nocy, gdy prąd jest tani, sprężarkę napędza się silnikiem elektrycznym, produkuje ona sprężone powietrze wtłaczane do podziemnego zbiornika,
  • w dzień, gdy zapotrzebowanie na prąd jest duże, uruchamia się elektrownię, ale zamiast zużywać 2/3 energii z turbiny na napęd sprężarki, wykorzystuje się powietrze zmagazynowane w zbiorniku, co znacznie zwiększa produkcję prądu.

W tym miejscu należy wspomnieć, że sprawność magazynowania energii w ten sposób sięga 80%.

Samochody na sprężone powietrze

Sprężone powietrze bywa też uważane za jedną z alternatyw dla konwencjonalnych silników spalinowych w motoryzacji, podobnie jak napęd elektryczny. O ile w przypadku energetyki gęstość magazynowania energii nie ma większego znaczenia (po prostu można wykopać większy zbiornik), o tyle w przypadku motoryzacji wielkość zbiornika jest chyba najistotniejsza.

A pod tym względem sprężone powietrze nie jest rewelacyjne…

Compressed Air Engine

Powyższy pojazd to w zasadzie tylko samo podwozie, na którym miało być zbudowane później nadwozie z włókna szklanego. Podobno miało mieścić cztery osoby a 200 000 litrów powietrza sprężone do 200 atmosfer miało rozpędzać to podwozie do prędkości 50 km/h. Na zdjęciu widoczny jest prawdopodobnie konstruktor, Vittorio Sorgato, przedstawia ono podwozie w czasie testów w pobliżu Mediolanu. Nie mam niestety informacji o tym, jaki zasięg ten pojazd miał osiągać. Sądząc po zbiorniku, nieduży.

Encyklopedia sprężonego powietrza (tutaj) podaje taką oto informację odnośnie gęstości magazynowania energii w formie sprężonego powietrza:

  • ilość zmagazynowanej energii w jednym metrze sześciennym jest rzędu 100 × ln (Pa/Pb) [kJ/m3]
  • 1 m3 powietrza atmosferycznego sprężony powoli do objętości 5 litrów i ciśnienia 200 barów pozwala na zmagazynowanie 583 kJ = 0,16 kWh, w zbiorniku o masie minimum 2 kg,
  • dla takiego zbiornika (wzmocnionego włóknem szklanym) gęstość przechowywania energii jest rzędu 300 kJ/kg, a dla porównania wartość opałowa benzyny wynosi ok. 44 000 kJ/kg,
  • w przeliczeniu na objętość zbiornika, mamy tu gęstość energii rzędu 50 kJ/l, podczas gdy wartość opałowa benzyny wynosi ok. 38 000 kJ/l.

Komentarzy do wpisu “Sprężone powietrze jako akumulator energii”: 8.

  1. Widziałem w necie kilka samochodów właśnie na sprężone powietrze. Z racji tego o czym piszesz (dosyć małej ilości energii, którą można magazynować) samochody te są stosunkowo lekkie i mają małą moc. Nie mniej na codzienne dojazdy do pracy czy standardowy shoping to jak znalazł…

    Tutaj takie cacko można zobaczyć
    http://www.mdi.lu/english/

  2. Z tej strony co podałem linka wynika, że na 100 km zużywają energii za 0,5 E czyli jakieś 2 zł. Niestety nie znalazłem ceny takiego samochodu.

  3. jako says:

    Pojazdy zasilane sprężonym powietrzem mają zarówno wady, jak i zalety.
    Wadą jest mały zasięg, ale w miejskim scenariuszu, rekompensowane jest to łatwym i szybkim tankowaniem, czego nie można powiedzieć o pojazdach elektrycznych.
    Latem zaletą jest darmowa klimatyzacja (rozprężające się powietrze bardzo się ochładza).
    Zimą problemem jest niższa moc i brak ogrzewania.

    W zastosowaniach stacjonarnych, magazynowanie energii w sprężonym powietrzu daje dużą sprawność tylko wtedy, gdy działamy w trybie ‚kogeneracji’. Przy sprężaniu wydziela się dużo ciepła, które należy zużyć, lub zmagazynować (np. w wodzie). Podczas rozprężania należy jednocześnie dostarczać ciepło – może być to zmagazynowane, lub inne, np odpadowe, lub z gruntu.

  4. Był kiedyś w telewizji pokazywany Włoch, który zrobił silnik zasilany sprężonym powietrzem. To nie jest klasyczny silnik tłokowy jak obecne silniki benzynowe, czy Diesle, ale raczej coś bliżej Wankla. Polecam więcej informacji: http://oszczedzaj.info/oszczedzaj-paliwo-silnik-zasilany-powietrzem/ jak twiedzą autorzy programu układ jest cholernie wydajny 🙂

  5. Piotr says:

    Witam wszystkich odnoszę wrażenie że artykuł jest napisany tendencyjnie sprawność na poziomie 80% bardzo wątpliwe. Czy ktoś to w ogóle sprawdzał. Nie wiem czy zdajecie sobie sprawę jakie straty powstają podczas sprężania powietrza. Dla tych co niewiedzą wyjaśniam że podczas sprężania powietrza podnosi się jego temperatura. Jeżeli do butli będziemy pakować już schłodzone powietrze to ulatująca część energii w postaci ciepła (schłodzenie sprężanego powietrza) to są straty energii. Można teoretycznie na krótki czas wyobrazić sobie magazynowanie sprężonego powietrza w izolowanych termicznie butlach. Ale jest to tylko teoretycznie gdyż po pewnym czasie nawet z najlepiej izolowanej termicznie butli ciepło w końcu i tak ucieknie do otoczenia tak jak w zwykłym termosie i to są główne straty. Po drugie teoretycznie chociażby z tego względu że zwiększając ciśnienie do 200atmosfer w izolowanej termicznie butli temperatura butli podniesie się na tyle że żaden sensowny materiał nie wytrzyma jednocześnie takiego ciśnienia w połączeniu z tak wysoką temperaturą. Praw fizyki nie zmienicie i wraz z podnoszeniem ciśnienia gazu będzie rosła jego temperatura, natomiast przy rozprężaniu temperatura będzie malała. Więc jeszcze raz teoretycznie w 100% – izolowanej termicznie bańce po sprężeniu gazu jego temperatura wzrośnie natomiast po jego rozprężeniu temperatura spadnie z powrotem do wartości jaką miał gaz przed sprężeniem. Jeżeli będziemy ładować do butli już schłodzony wstępnie sprężony gaz to przy rozprężaniu uzyskamy mniejszą objętość gazu ponieważ jego temperatura spadnie znacznie poniżej temperatury z jaką był ładowany do butli lub będziemy musieli dostarczyć dodatkową energie z zewnątrz w celu podgrzania rozprężającego się gazu. A dochodzą jeszcze straty mechaniczne w silniku i straty w generatorze prądu nie wspomnę że izolacja termiczna takiego podziemnego zbiornika ciśnieniowego gazu jest mizerna. Więc sprawność na poziomie 80% można włożyć między bajki lub jako artykuł na prymaprylis choć z pewnością znajdą się ludzie którzy uwierzą w takie bzdury o tak wysokiej sprawności przemiany energii elektrycznej w energie sprężonego gazu i z powrotem.

    Pozdrawiam: Piotr

  6. Pingback: Samochód na sprężone powietrze... z klocków Lego

  7. Pingback: AirPod. Rewolucja w motoryzacji? | Moto blog

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *