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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.