Battery used Battery charging

LOW←TECH MAGAZINE

Lowtech energieopslag: de persluchtbatterij

Persluchtbatterijen bieden een duurzaam en betrouwbaar alternatief voor chemische batterijen. Ze hebben een veel langere levensduur, zijn goedkoper, en vragen weinig onderhoud.

DIY compressed air energy storage

Het opslaan van zonne-energie in chemische batterijen is duur en niet duurzaam, omdat de productie van batterijen veel fossiele brandstoffen kost. Dankzij een veel langere levensduur en een relatief eenvoudige productiemethode doet de persluchtbatterij het veel beter. Volgens een aantal onderzoekers biedt een kleinschalige toepassing van perslucht een praktisch alternatief voor autonome energieproductie.

Energieopslag is van groot belang in een toekomstig elektriciteitsnetwerk op basis van wind- en zonne-energie. Er wordt veel hoop gesteld in grootschalige opslag van perslucht (vooral bekend onder de benaming ‘CAES’ of ‘Compressed Air Energy Storage’). Deze systemen gebruiken overtollige (of goedkope) elektriciteit om lucht samen te drukken, die vervolgens in ondergrondse geologische formaties wordt opgeslagen. Als de energie opnieuw nodig is, kan de samengeperste lucht weer in elektriciteit worden omgezet door middel van een turbine en een generator.

Ondergrondse energieopslag door middel van perslucht wordt voornamelijk als alternatief gezien voor pompcentrales, die energie opslaan door water omhoog te pompen. In tegenstelling tot pompcentrales is perslucht niet afhankelijk van hoogteverschillen en worden er geen grote gebieden onder water gezet. Maar hoewel de technologie al sinds 1971 is gecommercialiseerd, werden er wereldwijd slechts twee grote persluchtbatterijen gebouwd: eentje in Duitsland en eentje in de Verenigde Staten.

Grootschalige persluchtopslag is afhankelijk van aardgas om te kunnen functioneren.

Een eerste reden voor dat beperkte succes is de lage efficiëntie. Lucht warmt op als ze wordt samengedrukt, zodat bij het opladen van een persluchtbatterij tot 30 procent van de energie verloren gaat als warmte. Omgekeerd koelt lucht zo sterk af tijdens de expansie dat ze kan bevriezen. Om de installatie niet te beschadigen, en om de vermogensopbrengst op te drijven, wordt er in de twee grote persluchtbatterijen aardgas verbrand om de luchttemperatuur te verhogen.

Het gebruik van aardgas maakt de technologie afhankelijk van fossiele brandstoffen en doet de elektrische efficiëntie van de energieopslag dalen tot minder dan 50 procent. Dat is zeer laag in vergelijking met chemische batterijen (70-90%) of pompcentrales (70-85%). Een opslagrendement van 50% betekent dat er twee keer zoveel zonnepanelen of windturbines moeten worden geplaatst.

Een tweede obstakel voor grootschalige systemen is de afhankelijkheid van geschikte ondergrondse reservoirs. Hoewel er meer potentiële sites zijn voor ondergrondse persluchtbatterijen dan voor nieuwe pompcentrales, is het aanbod van geschikte locaties evengoed beperkt.

Kleinschalige persluchtbatterijen

Een aantal onderzoekers is recent een nieuwe weg ingeslagen met de ontwikkeling van decentrale persluchtopslag in bovengrondse containers. Het belangrijkste voordeel is dat deze technologie overal gebruikt kan worden, en dus ook een alternatief kan zijn voor chemische batterijen in autonome zonne-installaties.

compressed air tanks

Compressed air energy storage tanks. Bron.

Op het eerste gezicht lijkt dit een doodlopende weg. Niet alleen heeft een persluchtbatterij een lagere efficiëntie dan een loodzuurbatterij, ze heeft ook veel meer plaats nodig, wat extra nadelig is voor autonome energiesystemen.

Bovendien zijn efficiëntie en opslagvolume als communicerende vaten. Door de luchtdruk te verhogen, kunnen de persluchtcontainers net zo compact worden gemaakt als batterijen. Maar daardoor gaat de efficiëntie verder omlaag: er wordt meer warmte geproduceerd tijdens de compressie, en meer koude tijdens de expansie.

Efficiëntie en opslagvolume zijn als communicerende vaten: hoe compacter het opslagvolume, hoe lager de efficiëntie.

Een aantal voorbeelden maakt het probleem duidelijk. Een simulatie voor een ‘off-grid’ zonne-installatie met persluchtbatterij, bedoeld voor landelijke gebieden in armere landen, haalt met een relatief lage luchtdruk van acht bar een efficiëntie van zestig procent — vergelijkbaar met het rendement van loodzuurbatterijen. Maar voor een opslagcapaciteit van slechts 360 watt-uur heeft de opslagtank een volume van achttien m3 — vergelijkbaar met een kamer van drie op drie op twee meter.

Bij een hoger elektriciteitsverbruik wordt de opslagtank uiteraard nog groter. In een andere studie werd berekend dat er een persluchtreservoir van 65 m3 nodig is om drie kilowatt-uur elektriciteit op te slaan. Dat komt overeen met een dertien meter lange tank met een diameter van 2,5 meter.

Langs de andere kant zijn kleinschalige systemen met een hoge luchtdruk even problematisch. Hoewel de opslagtank zeer compact kan zijn, is de efficiëntie bijzonder laag. Een onderzoek naar een persluchtbatterij voor een huishouden met een elektriciteitsverbruik van 6.400 kWh per jaar bekomt een opslagvolume van slechts 0,55 m3 bij een luchtdruk van 200 bar. Dat is vergelijkbaar met het volume van chemische batterijen, maar de efficiëntie van het systeem bedraagt slechts 11 tot 17%, afhankelijk van de oppervlakte aan zonnepanelen.

Kleinschalig met hoge luchtdruk

Deze resultaten lijken erop te wijzen dat perslucht geen realistische oplossing is voor het kleinschalig opslaan van energie, zelfs niet als de vraag naar energie betekenisvol zou dalen. Bovendien kunnen decentrale systemen geen gebruik maken van meerdere compressie- en expansietrappen om de efficiëntie te verhogen, zoals in grote persluchtbatterijen gebeurt. Dat vraagt immers extra componenten die de complexiteit en de kosten opdrijven.

Voor grootschalige persluchtbatterijen wordt veel onderzoek gedaan naar systemen die zonder aardgas kunnen werken. Dat zou bijvoorbeeld kunnen door de restwarmte van de compressie te gebruiken voor het opwarmen van de lucht bij expansie. Maar dit soort systemen (AA-CAES) is bijzonder complex — er is nog geen enkele installatie gebouwd — en ze zijn niet geschikt voor kleinschalige installaties.

set up small scale compressed air energy storage system

Experimentele opstelling van een kleinschalige persluchtbatterij. Bron: Alami, Abdul Hai, et al. “Low pressure, modular compressed air energy storage (CAES) system for wind energy storage applications.” Renewable Energy 106 (2017): 201-211.

Niettemin zijn er — niet één, maar twee — manieren om persluchtbatterijen praktisch te maken voor ‘off-grid’ energieopslag. Een eerste oplossing zijn systemen met een hoge luchtdruk, die de warmte en koude van compressie en expansie nuttig aanwenden in een huishouden. Door de hoge luchtdruk kan de opslagtank erg compact zijn, wat essentiëel is voor kleinschalige toepassingen, zeker in de stad.

Systemen met hoge luchtdruk kunnen elektrische boilers en koelkasten overbodig maken.

De elektrische efficiëntie van deze ‘trigeneratie’-systemen — ze produceren elektriciteit, warmte en koude — is bijzonder laag. Maar de warmte van compressie en de koude van expansie zijn erg welkom in een huishouden, bijvoorbeeld voor de verwarming van ruimtes, de productie van warm water, en de koeling van voedsel. Bovendien maakt deze aanpak twee belangrijke grootverbruikers van elektriciteit overbodig: koelkasten en elektrische boilers. Deze apparaten kunnen namelijk rechtstreeks op perslucht werken. Koeling door middel van perslucht behoeft bovendien geen schadelijke koelvloeistof.

experimental setup of a micro caes system

Experimenteel prototype voor kleinschalige persluchtopslag. Bron: Sun, Hao, Xing Luo, and Jihong Wang. “Feasibility study of a hybrid wind turbine system–Integration with compressed air energy storage.” Applied Energy 137 (2015): 617 -628.

Verschillende onderzoeksgroepen hebben “trigeneratie”-systemen gebouwd en getest. De hierboven vermelde installatie met een opslagtank van 0,55 m3 is er een voorbeeld van. Zoals vermeld is de elektrische efficiëntie van het systeem slechts elf tot zeventien procent, maar er wordt ook 270 liter warm water per dag geproduceerd. Wordt die warmte mee in rekening gebracht, dan stijgt de efficiëntie van het volledige systeem tot 70%. Andere studies en experimenten halen gelijkaardige resultaten met een luchtdruk van vijtig tot tweehonderd bar.

Kleinschalig met lage luchtdruk

De tweede strategie om een hogere efficiëntie en een kleiner opslagvolume te bekomen volgt precies de omgekeerde weg. Dit soort systemen is gebaseerd op een lage luchtdruk (< 10 bar), waarbij de compressie en decompressie van lucht veel minder grote temperatuurverschillen oplevert. De efficiëntie kan daardoor in het beste geval 100% benaderen (een ‘isotherm’ proces). Er ontstaat dan nauwelijks restwarmte en dus is er evenmin nood om de lucht weer op te warmen.

Het bereiken van een isotherm proces is echter niet eenvoudig. Om te beginnen werkt het alleen met kleine en trage compressoren en expansieturbines. De typische industriële compressor is niet gebouwd voor maximale efficiëntie maar voor een maximum vermogen, en is bijgevolg totaal ongeschikt voor een isotherm proces. Hetzelfde geldt voor de meeste industriële expansieturbines.

air compressor

Een typische industriële luchtcompressor. Bron.

Het gebruik van standaard industriële apparaten verklaart in grote mate waarom de eerder vermelde persluchtbatterijen met lage luchtdruk zo groot zijn. In die onderzoeken wordt immers gebruikt gemaakt van standaard compressoren en expansieturbines die geoptimaliseerd zijn voor een maximaal vermogen.

Zelfs kleine verschillen in de efficiëntie van deze onderdelen kunnen een grote impact hebben op de totale efficiëntie van het systeem. Als de efficiëntie van zowel compressor als expansieturbine daalt van tachtig tot zestig procent, dan daalt de efficiëntie van het gehele systeem van 64% naar 36%.

Met de juiste componenten kan een opslagsysteem met lage druk een efficiëntie van 100% benaderen.

Een aantal onderzoekers heeft daarom zelf deze onderdelen gebouwd, met het oog op een maximale efficiëntie. Zo ontwikkelde een onderzoeksteam een heel eenvoudige en zuinige compressor op basis van waterdruk. De machine is zeer traag (tien tot zestig toeren per minuut) en beperkt de temperatuurverschillen tot twee graden celsius.

Het eenvoudige en goedkope apparaat, dat een minimum aan bewegende onderdelen heeft, haalt een efficiëntie van zestig tot zeventig procent bij een luchtdruk van drie tot zeven bar. Een ander team behaalde 83% efficiëntie met een gelijkaardig systeem door de compressor met een veel efficiëntere motor aan te drijven.

scroll compressor

Een scroll compressor. Bron: Sun, Hao, Xing Luo, and Jihong Wang. “Feasibility study of a hybrid wind turbine system–Integration with compressed air energy storage.” Applied Energy 137 (2015): 617 -628.

Nog een nieuwigheid is de zogenaamde ‘scroll-compressor’, een type dat vooral in koelkasten, warmtepompen en airco-systemen wordt gebruikt. Beide types kunnen ook als expansieturbine worden gebruikt. Ze zijn niet alleen efficiënter maar ook stiller dan traditionele alternatieven.

Dalende luchtdruk

De keuze van compressor en expansieturbine is doorslaggevend voor de efficiëntie van een persluchtbatterij, maar er zijn nog andere factoren die een rol spelen. In een persluchtbatterij treedt ook efficiëntieverlies op omdat de luchtdruk daalt naarmate het opslagreservoir leeg raakt. De expansieturbine is ontworpen voor maximale efficiëntie bij een welbepaalde luchtdruk, en dus zal de efficiëntie dalen naarmate de batterij ontlaadt.

Daar kan een mouw aan worden gepast door lucht op te slaan met een druk die hoger is dan wat de expansieturbine vereist. Het overschot aan luchtdruk — dat steeds kleiner wordt naarmate de batterij verder ontlaadt — kan ontsnappen via een ventiel. Maar ook deze aanpak — die in grootschalige persluchtbatterijen wordt toegepast — verlaagt de efficiëntie.

Om dit probleem op te lossen, ontwikkelde een onderzoeksteam een systeem dat een gelijke luchtdruk behoudt door lucht samen te drukken met behulp van water onder druk. Hoewel de installatie een waterpomp nodig heeft die 15% van de opgewekte energie verbruikt, slaagden de onderzoekers erin om de efficiëntie van het volledige systeem te verhogen.

In een persluchtbatterij daalt de luchtdruk naarmate het reservoir leeg loopt.

Een andere onderzoeker ziet de oplossing in modulaire systemen. Dit systeem is niet alleen gebaseerd op een speciaal ontwikkelde compressor en expansieturbine, maar maakt ook gebruik van verschillende kleine persluchttanks in plaats van één groot reservoir. Deze kleinere tanks zijn allemaal met elkaar verbonden en worden gecontroleerd door elektronica. Het systeem is geïnspireerd door historische toepassingen.

modular compressed air energy storage

small scale caes setup

Een modulaire persluchtbatterij. Bron: Alami, Abdul Hai, et al. “Low pressure, modular compressed air energy storage (CAES) system for wind energy storage applications.” Renewable Energy 106 (2017): 201-211.

De modulaire persluchtbatterij werkt bij een zeer lage luchtdruk van maximum 5 bar. Het prototype bestaat uit drie opslagtanks van elk 7 liter, die in feite afgedankte brandblusapparaten zijn. De containers zijn verbonden met PVC-buizen. Om de luchttoevoer te controleren zijn er drie computergestuurde luchtkleppen geïnstalleerd.

Met een modulair systeem kan zowel een hoge efficiëntie als een compact opslagvolume worden bekomen.

Een modulaire configuratie resulteert in een hogere efficiëntie omwille van twee redenen. Ten eerste is er een effectievere warmteuitwisseling met de omgeving, omdat elke opslagtank als extra warmtewisselaar dienst doet. Ten tweede kan er een veel preciezere controle worden bekomen over de ontlaadsnelheid van het systeem. De tanks kunnen allemaal tegelijk worden ontladen (wat een hoog vermogen oplevert gedurende een korte tijd), of ze kunnen één voor één worden ontladen (wat een langere ontlaadtijd oplevert voor een lager vermogen).

Door de opslagtanks één voor één te ontladen kan de energiedensiteit van het systeem op hetzelfde niveau worden gebracht als de energiedensiteit van loodzuurbatterijen. Op basis van hun prototype berekenden de onderzoekers dat 57 cylinders van elk tien liter twintig uur lang energie kunnen leveren bij een druk van vijf bar. Het opslagsysteem heeft een volume van slechts 0,6 m3 en een opslagcapaciteit van 410 watt-uur.

computer controlled air valves

Computergestuurde luchtkleppen. Bron.

De opslagcapaciteit is vergelijkbaar met het eerder vermelde systeem voor landelijke gebieden in armere landen, dat 360 watt-uur elektrictieit kan opslaan. Maar dat systeem heeft een opslagtank van 18 m3 nodig — dertig keer meer dan het modulaire systeem. Dit dramatische voorbeeld laat zien hoezeer het ontwerp van een persluchtbatterij invloed heeft heeft op de efficiëntie ervan.

De maximale elektrische efficiëntie van het modulaire opslagsysteem (met 3 cylinders) is ongeveer 77% bij een luchtdruk van 3 bar. Met 57 cylinders daalt de efficiëntie tot ongeveer 70%. Deze waarden zijn vergelijkbaar met die van lithium-ion batterijen, maar ze zijn alleen geldig voor hele kleine systemen met zeer lage luchtdruk. Worden er meer opslagtanks toegevoegd, of wordt er gebruik gemaakt van een hogere luchtdruk, dan nemen de energieverliezen toe.

Duurzame energieopslag

In combinatie met een lager energieverbruik kan perslucht wel degelijk een interessant alternatief vormen voor chemische batterijen. Bijvoorbeeld in mijn eigen thuiskantoor heeft de zonne-installatie een opslagcapaciteit van ongeveer 400 watt-uur. Een persluchtbatterij van 0,55 m3 zou meer plaats innemen dan de loodzuurbatterijen die er nu staan, maar niet in die mate dat het onpraktisch wordt.

Het belangrijkste voordeel van de persluchtbatterij is dat ze veel duurzamer is dan een chemische batterij. Dat komt enerzijds door de veel langere levensduur, en anderzijds door het relatief lage energieverbruik tijdens de productie. Bovendien kunnen persluchtcontainers met beperkte middelen lokaal worden geproduceerd, zijn er geen giftige of zeldzame metalen nodig, en beloven de systemen ondanks een hoge investering goedkoper te zijn op lange termijn.

Persluchtbatterijen kunnen lokaal en duurzaam worden geproduceerd.

De investeringskost voor een persluchtbatterij wordt geschat op ongeveer 10.000 euro voor een residentieel systeem. De opslagtank is goed voor de helft van die prijs. De investeringskost ligt hoger dan in het geval van chemische batterijen, maar de persluchtbatterij kan tientallen jaren worden opgeladen en ontladen, terwijl een chemische batterij om de paar jaar moet worden vervangen.

Conclusie: kleinschalige persluchtopslag is een beloftevol alternatief voor chemische batterijen, zeker in combinatie met een lager energieverbruik. Het onderzoek is echter nog in volle ontwikkeling — de allereerste studie werd pas in 2010 gepubliceerd — en er komen ongetwijfeld nog nieuwe ideeën uit de bus.

Voorlopig zijn er nog geen persluchtbatterijen commerciëel verkrijgbaar. Zelf een persluchtbatterij bouwen is natuurlijk wel een optie, maar zoals de voorbeelden in dit artikel aantonen is het niet zo eenvoudig om dat systeem efficiënt te maken.

Kris De Decker

Reacties

Als je op dit artikel wil reageren, stuur dan een mailtje naar solar (at) lowtechmagazine (dot) com. De website wordt elke 24 uur geactualiseerd.

Koen Vandewalle

Ik ben twintig jaar geleden nog technisch-commercieel adviseur geweest voor een grote Duitse fabrikant van persluchtautomatisering.

Alles wat moet bewegen, pompen, vervoeren, snijden, hakken, zagen, klemmen, blazen, afzuigen, nagelen… kan je rechtstreeks en gemakkelijk met perslucht aandrijven. Een van de mooiste toepassingen die ik gezien heb, was een volledig pneumatisch aangestuurde tampon-drukpers, waar men dekseltjes mee bedrukte.

Hèt leuke en duurzame van die technieken is dat je het eigenlijk tot het einde der tijden kunt repareren en ombouwen, omdat de onderdelen demonteerbaar zijn.

Maar ja, nu wil men overal motortjes met frequentiesturing. Bzzzz in plaats van Pssss.

Jeroen Bon

Hier een berekening met FORMULES voor Energie-opslag d.m.v. Perslucht (en ook andere opslagmethoden) http://www.davdata.nl/energie.html#pers

Bart

bij mij valt de frank richting mdi. al jaren bezig met ontwikkeling, maar helaas nog geen auto op de markt in nederland.

https://www.mdi.lu/

Kris De Decker

@ Bart

Perslucht is niet erg geschikt voor mobiele toepassingen zoals auto’s. Energiedensiteit is in dat geval cruciaal.

De luchtdruk verhogen om het opslagvolume te beperken is bij mobiele toepassingen ook niet echt een optie, want een auto heeft niet dezelfde nood aan warmte en koude als een huishouden.

Ik heb het idee dat al die aandacht voor de persluchtauto-die-er-maar-niet-komt de technologie in een slecht daglicht heeft geplaatst. Terwijl ze voor stationaire toepassingen dus wel potentieel heeft.

Auto’s zijn bovendien inefficiënte ondingen, het maakt niet uit welke motor of opslagtank je er instopt.

Wim Baes

PSA peugeot/citroen kwam een 6 tal jaar geleden al met een prototype. Het kwam toen niet op de markt omdat de ontwikkelingskosten te groot waren en subsidies enkel gingen naar electrische wagens.

https://www.groupe-psa.com/en/newsroom/automotive-innovation/hybrid-air/

Didier Grimonprez

De Franse startup Air4Power, een samenwerking van AIA (Frans architecten- en ingenieursbureau, met een personeelsbestand van meer dan 600) met Lightsail Energy, ontwikkelt een duurzame oplossing voor onze steden. Energie van wind en zon wordt opgeslagen als perslucht en levert groene stroom wanneer gewenst, maar ook warmte (fase van het persen) en koelte (fase van ontspanning) en perslucht als aandrijving voor kleine stadsvoertuigen. Zo wordt een rendement van 90% benaderd.Sinds voorjaar 2017 is Air4power met een demonstratie van zijn systeem. De compressie en decompressie worden gemaakt door een RAES-machine (“Regenerative Air Energy Storage”) van LightSail Energy, die 75% rendement haalt. Het demonstratiegebouw staat op het eilandje Ile d’Yeu nabij Nantes (Franse Loirestreek). Laatste nieuws: Lightsail Energy heeft zijn project voor persluchtopslag in de koelkast gestopt en verkoopt alleen nog hoge-druktanks, vanwege financiële en technische problemen. (bron) Ook www.air4power.com is niet meer toegankelijk … Documentatie over Air4power hier: http://docplayer.fr/19664032-Air4power-l-energie-inspire-l-architecture-le-batiment-respire-durablement.html

Lan Bir

Mocht je het drukvat ondergronds kunnen inwerken en het warmte/koudeprobleem kunnen opvangen speelt de omvang weinig rol.

Kan je de historische mazouttank vervangen door een compressietank.

Koen Vandewalle

@ Didier (6). Enige tijd geleden (ik denk 10 jaar of zo) las ik ooit een verklaring van iemand die een ontwerpje van hydraulische windturbines bestudeerde, dat die bedreigd werd.

Met de combinatie van conventionele hydraulische drukken (200 bar tot 310 bar) zou je perfect isotherme (trage) en adiabatische (snelle) compressie van lucht kunnen realiseren, afhankelijk van de beoogde toepassing. Dus koelen, verwarmen, energieopslag…. met materialen die vrij in de handel beschikbaar zijn.

Anderzijds: een drukvat van 300 bar, naast een tank benzine in een camionette, wil ik niet in een ondergrondse parkeergarage aantreffen. Je zou er ook een loodjesgeweer met bollen van een kilogram kunnen mee maken. Bereken de acceleratie in een luchtdrukkanon met een loop van 2 meter.

Grootschalige of kleinschalige toepassingen van die techniek maken niet zo veel verschil als je het materiaal ervoor in de winkel kunt kopen.

Roland

Volgens een aantal onderzoekers biedt een kleinschalige toepassing van perslucht een praktisch alternatief voor autonome energieproductie” - Autonoom ook voor de seizoenen of alleen dag/nacht?

energie opslaan door water omhoog te pompen. In tegenstelling tot pompcentrales worden er geen grote gebieden onder water gezet” - De grootte van het gebied is afhankelijk van de opslag omvang!

voor een huishouden met een elektriciteits-verbruik van 6.400 kWh per jaar bekomt een opslagvolume van 0,55 m3 bij een luchtdruk van 200 bar.” - met welke opslag omvang en voor zo’n 10.000 euro?

Kris De Decker

@ roland

10.000 euro kostprijs komt uit een van deze bronnen:

Petrov, Miroslav P., Reza Arghandeh, and Robert Broadwater. “Concept and application of distributed compressed air energy storage systems integrated in utility networks.” ASME 2013 Power Conference. American Society of Mechanical Engineers, 2013. http://eddism.com/wp-content/uploads/2014/10/Paper-EDD-Concept-and-Application-of-Distributed-Compressed-Air-Energy-Storage-Systems-Integrated-in-Utility-Networks-July-2013.pdf

Tallini, Alessandro, Andrea Vallati, and Luca Cedola. “Applications of micro-CAES systems: energy and economic analysis.” Energy Procedia 82 (2015): 797-804. https://ac.els-cdn.com/S1876610215025758/1-s2.0-S1876610215025758-main.pdf?_tid=92b2b3a2-6a66-4e6c-9b45-a7193ef68b3e&acdnat=1536250357_1f2d522ffdbd1790b78a6a10455ef059

Koen Develter

Ik vind het toch een fascinerend artikel. Ik zie trouwens nog een voordeel; je hebt niet per se elektriciteit nodig om de batterij te laden. Met mijn fietspomp haal ik makkelijk 4 bar, dus kun je zo’n modulaire batterij m.i. ook laden met een mechanische mini-windmolen of met een roeitoestel uit de fitness (ok, meer dan één of twee modules zul je er niet mee laden, maar alle beetjes helpen zeker?)

Bart Van Hecke

Indien het lucht gecomprimeerd wordt op een koude plaats en geëxpandeerd op een warme plaats, kan er zelfs energie gewonnen worden. Zo kunnen er energieoverschotten in Ijsland, Noorwegen, Schotland, … gebruikt worden om lucht samen te persen. Deze zou dan eventueel met schepen naar andere landen getransporteerd worden om daar energietekorten op te vangen, energie te produceren of als koeling te dienen. Pijpleidingen kunnen ook indien de vraag en aanbod groot genoeg is in verhouding tot de afstand. Dit kan ook meer lokaal. Zo kan lucht gecomprimeerd worden om voor ruimte- en waterverwarming te zorgen en geëxpandeerd worden op verder gelegen warmtenetten. Zo zou België in de winter een exporteur kunnen worden van perslucht door de grote warmtevraag en in de zomer een importeur. Dit houdt in dat het elektriciteitsnetwerk meer gebruikt(belast) wordt. Een persluchtinfrastructuur opbouwen om enkele dagen per jaar onze energieoverschotten of tekorten in op te slaan is waarschijnlijk economisch en ecologisch niet rendabel. Een persluchteconomie opbouwen die dan kan gebruikt worden om onze energieoverschotten of tekorten in op te slaan is dit waarschijnlijk wel, rekening houden dat we onze CO² uitstoot enorm zouden moeten verminderen.

Boudewijn Geutjes

Volgens mij te veel bewegende delen die ook onderhoud nodig hebben. Lage rendementen van turbines wanneer je op deelbaar draait. En dan zit je nog met het feit dat drukvaten op hoge druk keuringsplichtig zijn. Helemaal als je de warmte in huis wil gebruiken denk ik dat het aanbod aan duurzame energie in de periode dat je de warmte nodig hebt het kleinste is en dat er dus niks is om op te slaan.

Ik vrees dat kleinschalig te veel nadelen kent. Wel weer een leuk stuk om te lezen met zaken waar ik nog niet bij had stil gestaan.

Niro Ji

Even als ongeïnformeerde leek. Wat als je nu een compressietank binnenin een geisoleerde decompressietank bouwt? Verhoogt dit niet ook de efficientie ? De warmte van compressie verwarmt de decompressieruimte op en bij decompressie omgekeerd. I.d.d. zal er ooit een energie overschot ontstaan dat weer voor (lauw)warmwater e.d. kan worden gebruikt.

Ceriel

Hoezo “Met 57 cylinders daalt de efficiëntie tot ongeveer 70%.”?

De onderzoekers (Alami, Aokal, Abed, Alhemyari) houden 0,36 kWh per cylinder aan, of ze nu 453 cylinders hebben of 57 volgens tabel 4:

7,0 Ah × 24 V = 168,0 Wh ÷ 453 cylinders ≅ 0,371 Wh 4,2 Ah × 24 V = 100,8 Wh ÷ 273 cylinders ≅ 0,369 Wh 1,125 Ah × 24 V = 27,0 Wh ÷ 74 cylinders ≅ 0,365 Wh 0,875 Ah × 24 V = 21,0 Wh ÷ 57 cylinders ≅ 0,368 Wh

Volgens mij nemen de onderzoekers de stelling aan dat sequentieel ontladen van meerdere cylinders zich lineair verhoudt tot het vermogen van 1 cylinder.

Erg snugger zijn ze overigens niet om Hüttinger, een tentoonstellingsontwerper en -bouwer, aan te duiden als de fabrikant van een “air turbine/electrical generator assembly”. De “air turbine” is een luchtdruk motor van PTM mechatronics en de “electrical generator” is de “GR 63x55” brushed DC motor van Dunkermotoren .

Wat is overigens de bron van “De maximale elektrische efficiëntie van het modulaire opslagsysteem (met 3 cylinders) is ongeveer 77% bij een luchtdruk van 3 bar.”?

hkk

Hier nog zo een leek. Als je de warmte tijdens de compressie kunt gebruiken om een stirling motor aan te drijven? Welke de energie voor de compressie -mede- levert? Ander ding: Helpt het als je de compressietanks onder water bouwt om de warmte energie af te voeren?

Kris De Decker

@ hkk

Twee keer ja. Je kan een stirling draaien op de warmte van de compressie en daarmee mee de compressie uitvoeren (maar je kan uiteraard geen perpetuum mobile ontwerpen). En als je compressietanks onder water plaatst, dan heb je in feite een warmtewisselaar gebouwd.

Timothy Verhaeghe

Ik heb momenteel een batterijbank staan (Edison batterij) en ik zou een bijkomende opslag met dit systeem willen bouwen. Ik ben op zoek naar iemand die ervaring heeft om dit te bouwen of iemand die me kan doorverwijzen. Momenteel heb ik zonde-energie die wordt opgeslagen in de batterij. Als de batterij vol is en ik heb geen verbruik dan wordt de PV energie niet in het net geduwd maar blijft die gewoon inactief. Ik zou deze energie willen omzetten in deze lucht opslag om die dan aan te wenden als mijn batterij plat is. Dus de ideale omzetting zou zijn met een DC compressor en een DC generator. Ik zoek nu iemand die dit wil bouwen.

P.A. Van Duijn

ik.had een aantal jaren terug,een idee om met een dalende lift,perslucht te genereren via een tandheugel op de compressor.kan dat?

J.H. Brinker

Het principe van compressie en expansie van lucht of een ander gas is mooi, zeker als dit bij benadering isotherm kan plaats vinden. In de hydrauliek wordt energie opgeslagen in “hydraulische accu’s” In principe wordt hier ook in ene gecomprimeerd gas energie opgeslagen. Echter het overdrachtsmedium is een vloeistof. Het op hoge druk brengen van een vloeistof is d.m.v. bijvoorbeeld plunjer pompen met een goed rendement mogelijk. Andersom is een Pelton turbine meer geschikt voor het omzetten naar mechanische / elektrische energie. (compactheid, regelbaarheid en rendement) Nu is het nog de kunst het gas in de hydraulische accu op constante temperatuur te houden. Bij grote volumes en massa’s is dit goed te realiseren. Voor statische toepassingen zou dit mogelijk een optie zijn.

Jan Van Moer

MDI lijkt wel ook een persluchtbatterij (Air Power) uit te brengen: https://www.mdi.lu/products

Misschien wel een leuk idee voor een start-up.

YJ

MDI & persluchtbatterij? Ik heb ze alvast niet gevonden op hun site. Ik ken MDI van Guy Nègre ook al decennia, sinds begin jaren ‘90. Elk jaar beloven ze hun potentiële klanten dat volgend jaar de “productie” zal starten, maar buiten veel blabla on hun site komt er nooit wat van. Ook nu weer, op hun FAQ gedeelte beloven ze dat 2019-2020 de wagens op de markt zullen komen. Vroeger had ik vertrouwen in hen, maar het lijkt mij eerder een soort pfishing site te zijn. Hoe dat MDI na al die jaren nog steeds kan bestaan en niet vervolgd wordt, is voor mij een raadsel. Opletten met MDI, lijkt mij het minste wat ik kan zeggen. Mijn vertrouwen in hen daarentegen, is volledig weg.

P.A. Van Duijn

Als je direct met windmolen zonder elektronica,een compressor aandrijft in plaats,van de elektromotor,kan je dan op die manier perslucht genereren ,of moet er een constante beweging zijn?

Kris De Decker

@ P.a van duijn

Dat kan inderdaad. Zie deze windmolen: http://www.eolienne-a-depression.fr/index.php?option=com_content&view=article&id=54&Itemid=54

P.A. Van Duijn

als je in een auto een persluchtmotor+tank inbouwd,kan je daar elektriciteit voor de elektromotor van een auto genereren!ik weet niet of dit kan?

bij nummer 26,had ik het over een persluchtmotor inbouwen,maar daar zitten nog al wat bezwaren aan,de perslucht moet in het frame van de auto komen te zitten,maar dan ben je een rijdende bom,elektriciteit produceren,op die manier gaat gepaard met veel geluid!en het duurt misschien wel 20 minuten voor de accu vol is

Het kan denk ik met zonnecellen’perslucht genereren’alleen denk ik dat je dan veel zonnecellen nodig heb’het kan misschien ook met waterstof of kernenergie perslucht genereren’maar met waterstof is dit een omweg’en met kernenergie moet er eerst stroom geproduceerd worden!

Sommige mensen zeggen dat de persluchtmotor een laag rendement heeft maar ik heb begrepen dat hij zo,n 94 procent heeft,+en dat het weinig opslag verlies heeft in tegenstelling tot de elektrische batterij,die nog eens zo,n 30 procent verlies heeft na het laden!heel veel mensen geloven niet erg in perslucht,een reden,is veel verbruik,veel lawaai,laag rendement,enzovoort,maar het heeft zichzelf in het verleden al bewezen,er reden in de 19e eeuw al trams op perslucht,en in de mijnbouw reden er treinen,op perslucht!

Ik had een idee,als je motor maakt met een cilinder waarvan de zuiger in tegenovergestelde richting staat,dan die van een benzinemotor,deze zuiger moet een niet bewegende zuigerstang hebben aan de bovenkant doe je een gewicht,onderaan de cilinder laat je perslucht binnen stromen doordat het gewicht tegenstand geeft kan in de cilinder druk worden opgebouwd,en zal de zuiger omhooggaan,bovenaan in de cilinder moet de perslucht weer kunnen ontsnappen,als dat gebeurd is daalt de zuiger en het gewicht,en herhaalt de cyclus zich,ik denk wel dat zoiets als het werkt een laag rendement heeft,mijn vraag is kan het werken.?

Met een grote zeilwagen op rails’kan je met daarachter een gewicht’die tussen rails loopt over een katrol perslucht opwekken als de wind in de zeilen is gaat het gewicht omhoog zonder de zuiger van de compressor mee te nemen’naar omlaag gaat het gewicht’als de wind uit het zeil is dan rijd de wagen weer terug Het gewicht moet vierkant zijn!

Rob

Mogelijks een goede toepassing van een perslucht-batterij’tje: een IBA beluchten.

Wij wonen in een straat zonder riolering, dus zuiveren ons water in een IBA. De bacterien zuiveren het afvalwater, maar hebben hiervoor zuurstof nodig. Een compressor en controller werken in een cyclus van 15 minuten stil en 15 minuten blazen. Dat kost veel energie. Circa 90W de helft van het jaar is bijna 400 kWh aan electriciteit per jaar ! Ik zou die compressor graag laten draaien op zonne-energie en een drukvat vullen tijdens de dag. Stand-alone, met minimale componenten: zonnepaneel + frequentie-regeling + compressor (zoals bij waterpompen). De bestaande controller kan dienen om de IBA cyclus te regelen. Ik zou dit graag zelf uitvogelen, maar wegens tijdsgebrek (ja, ook tijdens Corona), kom ik er niet aan toe. Weet iemand of dit al ergens draait/te koop is?

Seed7

Naar aanleiding van de opmerking van Rob dd.2020-06-06

Als je appelsap of wort in een fust doet, samen met gist dan worden de suikers in de vloeistof omgezet in CO2 (en alcohol). Bij het bereiken van ~7Bar stopt het proces. Laat men de druk af dan gaat het weer verder. Het stopt natuurlijk ook als de suikers en voedingsstoffen op zijn.

De gedachte, kunnen de bacterien voor de zuivering onder druk werken? Of in het algemeen, welke fermentatieprocessen van ons afval kunnen we onder druk laten verlopen zoals bij de gist hierboven. ‘Suiker’ gaan verbouwen voor het opbouwen van druk is redelijk onzinnig.

Grote brouwerijen hergbruiken hun CO2, maar de gist wordt niet onder zulke hoge drukken ingezet. Dat gebeurt eigelijk alleen maar bij de bereiding van “suessmost” waarbij er ~2% alcohol wordt bereikt op het moment dat de druk 7Bar is.

https://bareau.nl/en/about-us/#How-it-all-started—the-genie-out-of-the-bottle

tot 90 bar druk in een bioreactor met bacterien. Suiker gebaseerd.

Bronnen:

Luo, Xing, et al. “Overview of current development in electrical energy storage technologies and the application potential in power system operation.” Applied Energy 137 (2015): 511-536.

Laijun, C. H. E. N., et al. “Review and prospect of compressed air energy storage system.” Journal of Modern Power Systems and Clean Energy 4.4 (2016): 529-541.

Barnhart, Charles J., and Sally M. Benson. “On the importance of reducing the energetic and material demands of electrical energy storage.” Energy & Environmental Science 6.4 (2013): 1083-1092.

Petrov, Miroslav P., Reza Arghandeh, and Robert Broadwater. “Concept and application of distributed compressed air energy storage systems integrated in utility networks.” ASME 2013 Power Conference. American Society of Mechanical Engineers, 2013.

Tallini, Alessandro, Andrea Vallati, and Luca Cedola. “Applications of micro-CAES systems: energy and economic analysis.” Energy Procedia 82 (2015): 797-804.

Setiawan, A., et al. “Sizing compressed-air energy storage tanks for solar home systems.” Computational Intelligence and Virtual Environments for Measurement Systems and Applications (CIVEMSA), 2015 IEEE International Conference on. IEEE, 2015.

Herriman, Kayne. “Small compressed air energy storage systems.” (2013).

Manfrida, Giampaolo, and Riccardo Secchi. “Performance prediction of a small-size adiabatic compressed air energy storage system.” International Journal of Thermodynamics 18.2 (2015): 111-119.

Kim, Y. M., and Daniel Favrat. “Energy and exergy analysis of a micro-compressed air energy storage and air cycle heating and cooling system.” Energy 35.1 (2010): 213-220.

Kim, Young Min. “Novel concepts of compressed air energy storage and thermo-electric energy storage.” (2012).

Inder, Shane D., and Mehrdad Khamooshi. “Energy Efficiency Analysis of Discharge Modes of an Adiabatic Compressed Air Energy Storage System.” World Academy of Science, Engineering and Technology, International Journal of Electrical, Computer, Energetic, Electronic and Communication Engineering 11.12 (2017): 1101-1109.

Vollaro, Roberto De Lieto, et al. “Energy and thermodynamical study of a small innovative compressed air energy storage system (micro-CAES).” Energy Procedia 82 (2015): 645-651.

Li, Yongliang, et al. “A trigeneration system based on compressed air and thermal energy storage.” Applied Energy 99 (2012): 316-323.

Facci, Andrea L., et al. “Trigenerative micro compressed air energy storage: Concept and thermodynamic assessment.” Applied energy 158 (2015): 243-254.

Mohammadi, Amin, et al. “Exergy analysis of a Combined Cooling, Heating and Power system integrated with wind turbine and compressed air energy storage system.” Energy Conversion and Management 131 (2017): 69-78.

Yao, Erren, et al. “Thermo-economic optimization of a combined cooling, heating and power system based on small-scale compressed air energy storage.” Energy Conversion and Management 118 (2016): 377-386.

Liu, Jin-Long, and Jian-Hua Wang. “Thermodynamic analysis of a novel tri-generation system based on compressed air energy storage and pneumatic motor.” Energy 91 (2015): 420-429.

Lv, Song, et al. “Modelling and analysis of a novel compressed air energy storage system for trigeneration based on electrical energy peak load shifting.” Energy Conversion and Management 135 (2017): 394-401.

Besharat, M. O. H. S. E. N., SANDRA C. Martins, and HELENA M. Ramos. “Evaluation of Energy Recovery in Compressed Air Energy Storage (CAES) Systems.” 3rd IAHR Europe Congress. Book of Proceedings, Portugal. 2014.

Minutillo, M., A. Lubrano Lavadera, and E. Jannelli. “Assessment of design and operating parameters for a small compressed air energy storage system integrated with a stand-alone renewable power plant.” Journal of Energy Storage 4 (2015): 135-144.

Villela, Dominique, et al. “Compressed-air energy storage systems for stand-alone off-grid photovoltaic modules.” Photovoltaic Specialists Conference (PVSC), 2010 35th IEEE. IEEE, 2010.

Paloheimo, H., and M. Omidiora. “A feasibility study on Compressed Air Energy Storage system for portable electrical and electronic devices.” Clean Electrical Power, 2009 International Conference on. IEEE, 2009.

Prinsen, Thomas H. Design and analysis of a solar-powered compressed air energy storage system. Naval Postgraduate School Monterey United States, 2016.

Van de Ven, James D., and Perry Y. Li. “Liquid piston gas compression.” Applied Energy 86.10 (2009): 2183-2191.

Alami, Abdul Hai, et al. “Low pressure, modular compressed air energy storage (CAES) system for wind energy storage applications.” Renewable Energy 106 (2017): 201-211.

Alami, Abdul Hai. “Experimental assessment of compressed air energy storage (CAES) system and buoyancy work energy storage (BWES) as cellular wind energy storage options.” Journal of Energy Storage 1 (2015): 38-43.

Sun, Hao, Xing Luo, and Jihong Wang. “Feasibility study of a hybrid wind turbine system–Integration with compressed air energy storage.” Applied Energy 137 (2015): 617 -628.

433.86KB