Paineilma-energiavarasto korvaamaan likaiset litium- ja lyijyakut?

Olisiko paineilmasta korvaamaan likaiset (ympäristö) ja kuluvat akustot off-grid käytössä?

Paineilmaenergiavarastolaitoksia on jo nyt käytössä eri puolilla maailmaa, usein nk. diabaattista tyyppiä, mikä saavuttaa noin 40 % hyötysuhteen ja käyttää maakaasua paineilman lämmitykseen, ilmeisesti jäätymisen (paineilma jäähtyy laajetessaan, kun se tekee mekaanista työtä) estämiseksi ja tehon parantamiseksi. Samoin myös paineilman tuottamisessa hukkuu energiaa, tällöin paineilma lämpiää ja lämpö hukataan varastointitavan puutteessa ympäristöön.

Mutta, voisiko paineilmaenergiavaraston rakentaa lähes isotermiseksi (vakiolämpötila) off-grid käyttöön? Isotermisen paineilmaenergiavaraston teoreettinen maksimihyötysuhde on 100 %. Isotermisessä järjestelmässä paineilman lämpötila pyritään pitämään koko ajan samana, mikä onnistuu hitaasti kiertävillä kompressoreilla ja moottoreilla, joissa puristettavan/laajennettavan ilman lämmöllä on aikaa tasaantua ympäristön lämpötilan kanssa puristus/laajennusprosessien aikana.

Kuinka monta litraa 10 bar paineilmaa tarvitaan 1 kWh varastoimiseen, jos hyötysuhde saadaan 70 %?

Paineilmaenergiavaraston hyviä puolia olisi ainakin yksinkertaisuus, korkea syklien kesto ja ympäristöystävällisyys, haittapuolena ainakin huolto ja koko.
Voi ehkä tulla halvemmaksikin kuin kemialliset akut...

Rakensin muutama viikko sitten käytetyistä paineilmasylintereistä paineilmamoottorin, ainakin se toimi hyvin, mutta suurempaa testailua en ole vielä tehnyt. Sillä voisi olla mahdollisuus olla lähes isoterminen kierrosnopeuden puolesta.

Tuolta sain idean: https://www.lowtechmagazine.com/2018/05/ditch-the-batteries-off-the-grid-compressed-air-energy-storage.html
 

denzil dexter

Active member
Ongelma on se, että paineilmakäytön kokonaishyötysuhde on hyvin huono. Atlas Copcon käyrien mukaan jos ilma käytetään kuumana, olisi max 25% ja jos ilma saa välillä jäähtyä, niin 14%.
Hiukan paremman hyötysuhteen saisi vesivaraajalla, jossa paineilma toimii vain jousena ja vesi tekee työn. Vesikäytössä päästään jo hyviinkin hyötysuhteisiin, eli ainoaksi ongelmaksi jää kuinka käsitellä paineenmuutosten tekemää kylmää/kuumaa ilmaa.
 
Ongelma on se, että paineilmakäytön kokonaishyötysuhde on hyvin huono. Atlas Copcon käyrien mukaan jos ilma käytetään kuumana, olisi max 25% ja jos ilma saa välillä jäähtyä, niin 14%.
Hiukan paremman hyötysuhteen saisi vesivaraajalla, jossa paineilma toimii vain jousena ja vesi tekee työn. Vesikäytössä päästään jo hyviinkin hyötysuhteisiin, eli ainoaksi ongelmaksi jää kuinka käsitellä paineenmuutosten tekemää kylmää/kuumaa ilmaa.
Jutun juju olikin rakentaa paineilmamoottori ja paineilmakompressori itse, vaikkapa paineilmasylintereistä (toimilaite), ja tehdä järjestelmä niin hidaskiertoiseksi, että se muistuttaisi isotermistä järjestelmää, jonka teoreettinen maksimihyötysuhde on 100 %. Kaupalliset kompressorit tässä mielessä ovat nk. diabaattisia, eli puristus hukkaa lämpöä, ja paineilman laajennus paineilmatyökalussa tuottaa kylmää, kumpikin hukaten energiaa.

Kaupallisen kompressorin suunnittelussa ei hyötysuhde paina, vaan koko ja teho.

Tuo vesipaineastia luultavasti onnistuisi pääsemään hyvin lähelle isotermistä järjestelmää, jossa siis lämpötilat suuren lämmönsiirtopinta-alan takia pysyvät lähes vakiona, ja hyötysuhde paranee. Toisaalta, voihan sen veden pumpata johonkin korkeallekin. Tosin 10 m vesipatsaskin tarkoittaa vain 1 bar painetta.
 
Viimeksi muokattu:

kotte

Active member
Noita ns. CAES-järjestelmiä on käytössäkin (isossa mittakaavassa), mutta kuitenkin yleensä niin, että ideana on varastoida paineenalaista ilmaa halpojen pörssisähkötuntien aikana maanalaiseen luolaan (jollaisen saa syövyttämällä veden avulla suolakerrostumaan, vanhasta kaivoksesta tms.) tai sitten järeisiin teräsputkiin (jollaisia tavataan vaikkapa maakaasurunkolinjoissa). Huippukuormakaasuturbiiniin voidaan sitten syöttää suoraan ko. paineilmaa, jolloin ahtimen tehoa ei tarvitse ottaa sillä hetkellä turbiinin tuotosta. Ahtimessahan voi olla tehokas välijäähdytys (jolloin lähestytään isotermistä kompressiota), eli mitään ei oikeastaan hyötysuhteenkaan kannalta menetetä.

Pelkkänä energiavarastona varjopuolena ovat nuo Denzil Dexterin mainitsemat haitat, eli puristetun kaasun lämpötila nousee ahtimessa jopa satoja asteita (aivan puhtaasti adiabaattisella puristusprosessillakin) ja energiaa purettaessa taas jäähtyy vastaavasti. Ahtimessa pitäisi olla moniasteinen välijäähdytys tai jokin muu tapa ottaa talteen eri lämpötiloissa kyseinen puristuslämpö, lämpö pitäisi varastoida (koko lämpötilakirjolla) purkuvaiheeseen ja purkuvaiheessa lämpö pitäisi purkaa vaiheittain kuumemmasta kylmempään useampivaiheisella paisunnalla turbiinissa (tai vaihtoehtoisesti monivaiheisessa mäntäpaisunnassa). Kokonaisuus on hankala ja kallis toteuttaa eikä silti ole mahdollista päästä kovin paljon 50% parempaan kokonaishyötysuhteeseen (kun joka värkki aiheuttaa omat häviönsä).

Fiksuin ratkaisu pienehkössä mittakaavassa prosessille on omasta mielestäni Dearman-koneena tunnettu ratkaisu, jossa paisunta tapahtuu niin, että kaasukuplien ja huomattavan suuren lämpökapasiteetin omaavan puristumattoman nesteen välillä tapahtuu tehokas lämmönsiirtymä paisunnassa. Tällä tavoin päästään melko lähelle isotermistä paisuntaa. Varsinaisessa Dearman-koneessa ajoaineena on tyypillisesti nestemäinen typpi (joka siis hankitaan muualta valmiina) ja se ruiskutetaan suoraan nestemäisenä vaahdotusaineella terästetyn veden tai sopivan öljyn sekaan männän aktiivisessa paisuntatilassa. Vastaavaa on kehitelty myös kaasukompressoripuolelle ja nesterengaskompressorit toimivat hieman noin jo periaatteensakin takia. Nesterengaskompressoreissa vain on kiusana virtausvastuksesta aiheutuvia lisähäviöitä.
 
Noita ns. CAES-järjestelmiä on käytössäkin (isossa mittakaavassa), mutta kuitenkin yleensä niin, että ideana on varastoida paineenalaista ilmaa halpojen pörssisähkötuntien aikana maanalaiseen luolaan (jollaisen saa syövyttämällä veden avulla suolakerrostumaan, vanhasta kaivoksesta tms.) tai sitten järeisiin teräsputkiin (jollaisia tavataan vaikkapa maakaasurunkolinjoissa). Huippukuormakaasuturbiiniin voidaan sitten syöttää suoraan ko. paineilmaa, jolloin ahtimen tehoa ei tarvitse ottaa sillä hetkellä turbiinin tuotosta. Ahtimessahan voi olla tehokas välijäähdytys (jolloin lähestytään isotermistä kompressiota), eli mitään ei oikeastaan hyötysuhteenkaan kannalta menetetä.

Pelkkänä energiavarastona varjopuolena ovat nuo Denzil Dexterin mainitsemat haitat, eli puristetun kaasun lämpötila nousee ahtimessa jopa satoja asteita (aivan puhtaasti adiabaattisella puristusprosessillakin) ja energiaa purettaessa taas jäähtyy vastaavasti. Ahtimessa pitäisi olla moniasteinen välijäähdytys tai jokin muu tapa ottaa talteen eri lämpötiloissa kyseinen puristuslämpö, lämpö pitäisi varastoida (koko lämpötilakirjolla) purkuvaiheeseen ja purkuvaiheessa lämpö pitäisi purkaa vaiheittain kuumemmasta kylmempään useampivaiheisella paisunnalla turbiinissa (tai vaihtoehtoisesti monivaiheisessa mäntäpaisunnassa). Kokonaisuus on hankala ja kallis toteuttaa eikä silti ole mahdollista päästä kovin paljon 50% parempaan kokonaishyötysuhteeseen (kun joka värkki aiheuttaa omat häviönsä).

Fiksuin ratkaisu pienehkössä mittakaavassa prosessille on omasta mielestäni Dearman-koneena tunnettu ratkaisu, jossa paisunta tapahtuu niin, että kaasukuplien ja huomattavan suuren lämpökapasiteetin omaavan puristumattoman nesteen välillä tapahtuu tehokas lämmönsiirtymä paisunnassa. Tällä tavoin päästään melko lähelle isotermistä paisuntaa. Varsinaisessa Dearman-koneessa ajoaineena on tyypillisesti nestemäinen typpi (joka siis hankitaan muualta valmiina) ja se ruiskutetaan suoraan nestemäisenä vaahdotusaineella terästetyn veden tai sopivan öljyn sekaan männän aktiivisessa paisuntatilassa. Vastaavaa on kehitelty myös kaasukompressoripuolelle ja nesterengaskompressorit toimivat hieman noin jo periaatteensakin takia. Nesterengaskompressoreissa vain on kiusana virtausvastuksesta aiheutuvia lisähäviöitä.
Eli siis tuo hitailla kierroksilla toimiva mäntäkompressori/laajennin ei toimisi hyvällä tai edes kohtuullisella hyötysuhteella CAES:issa?

No eipä tuo energiatiheyskään 10 bar paineella huikea ole, lienee noin 400 Wh/1000 l.
 

kotte

Active member
Eli siis tuo hitailla kierroksilla toimiva mäntäkompressori/laajennin ei toimisi hyvällä tai edes kohtuullisella hyötysuhteella CAES:issa?
Riippuu siis ihan siitä, miten puristuksessa väistämättä syntyvän lämmön ja paisunnassa syntyvän kylmän kanssa onnistutaan menettelemään. Pelkkä paineen varastointi ei riitä, vaan myös syntyvä lämpö pitää onnistua varastoimaan ja kierrättämään puristuksesta paisuntaan mahdollisimman tehokkaasti (so. ilman suuria entropiamuutoksia), jos mielitään päästä edes lähelle heikompienkin akkujen hyötysuhdetta. Hitaalla kompressorilla ja paisuntalaitteella ei sinällään ole etua nopeampiin nähden, vaan viisaus piilee tavassa, millä laitteiston yksityiskohdat on ratkaistu. Sekä hitaalla, nopealla että siltä väliltä olevalla voi päästä melko samantasoiseen suorituskykyyn, mutta yksityiskohtaiset menetelmät painottuvat osittain eri asioihin.
 
Riippuu siis ihan siitä, miten puristuksessa väistämättä syntyvän lämmön ja paisunnassa syntyvän kylmän kanssa onnistutaan menettelemään. Pelkkä paineen varastointi ei riitä, vaan myös syntyvä lämpö pitää onnistua varastoimaan ja kierrättämään puristuksesta paisuntaan mahdollisimman tehokkaasti (so. ilman suuria entropiamuutoksia), jos mielitään päästä edes lähelle heikompienkin akkujen hyötysuhdetta. Hitaalla kompressorilla ja paisuntalaitteella ei sinällään ole etua nopeampiin nähden, vaan viisaus piilee tavassa, millä laitteiston yksityiskohdat on ratkaistu. Sekä hitaalla, nopealla että siltä väliltä olevalla voi päästä melko samantasoiseen suorituskykyyn, mutta yksityiskohtaiset menetelmät painottuvat osittain eri asioihin.
Siis eikö isotermisessä puristuksessa/laajennuksessa ole tarkoituksena pitää työaineen lämpötila lähes vakiona? Jotenkin epäintuitiivista, mutta englanninkielisen Wikipedian mukaan näin päästään lähelle 95 % hyötysuhdetta, hukkaamalla tuo puristuksessa syntynyt lämpö mahdollisimman pienellä lämpötilaerolla ympäristöön, jolloin sitä eksergiaa ei pääse pakenemaan niin paljon lämmön muodossa varmaan.

https://en.wikipedia.org/wiki/Compressed-air_energy_storage#Isothermal

Siellä myös kerrotaan, että tuo toimisi lähinnä vain matalille tehotasoille.

Siitä ei sitten tiedä, riittääkö jäähdytetty paineilmasylinteri tuoksi stabiloivaksi rakenteeksi.

Taitaa kyllä olla kuopattu juttu tämä off-grid CAES :).
 

maanma

energiaonnellinen
Äkkiseltään kuulosti, että jäähtymisen lauhdutukseen voisi käyttää kaukokylmä linjaa ja lämmön jäähdytykseen kaukolämpö puolta.

Mitenkähän lämpötila asiaa oli ratkottu siinä ranskalaisten prototyyppi autossa, joka toimi vakiopaine säiliöin?
 
Äkkiseltään kuulosti, että jäähtymisen lauhdutukseen voisi käyttää kaukokylmä linjaa ja lämmön jäähdytykseen kaukolämpö puolta.

Mitenkähän lämpötila asiaa oli ratkottu siinä ranskalaisten prototyyppi autossa, joka toimi vakiopaine säiliöin?
Eli siis lämpö käytettäisiin hyödyksi lämmitykseen ja kylmä viilennykseen vai? Jos meinasit lämmön pitämistä tasaisena tuossa lähes isotermisessä puristus/laajennusprosessissa, siihen käy mikä tahansa tasalämpöinen varaaja, mikä on samassa lämpötilassa kuin laajennettava ilma, jos oikein tuon Wikipedian jutun ymmärsin.

CAES off-grid käyttöön voi olla käyttökelpoinen korkeapaineisena, mutta silloin hyötysuhde laskisi entisestään...

Täytyypä katsoa tuota paineilma-autojuttua, veikkaan jotakin välijäähdyttimen vastakohtaa (välilämmitintä), mikä olisi laajennusasteiden välissä. Toivottavasti eivät fossiileilla lämmitä sitä ilmaa :)...
 

kotte

Active member
Siis eikö isotermisessä puristuksessa/laajennuksessa ole tarkoituksena pitää työaineen lämpötila lähes vakiona? Jotenkin epäintuitiivista, mutta englanninkielisen Wikipedian mukaan näin päästään lähelle 95 % hyötysuhdetta, hukkaamalla tuo puristuksessa syntynyt lämpö mahdollisimman pienellä lämpötilaerolla ympäristöön, jolloin sitä eksergiaa ei pääse pakenemaan niin paljon lämmön muodossa varmaan.
Suuri kompressori voi toimia niin kuin Wikipedia kertoo, mutta ongelma on siinä, että kun paineinen ilma pumpataan lämpövarastoon, se sekoittuu siellä jo olevan ilman kanssa ja lämpötila laskee (ja entropia kasvaa). Ilma myös jäähtyy varastoon johtavissa putkissa, jo kompressorin sisällä jne. Tässä on perimmäinen häviöiden syy. Vaikka lämpö pyrittäisiin keräämään heti puristuksen jälkeen, lämpöhän ei siirry varastoaineeseen ilman lämpötilaeroa tai sitten tarvitaan lisäenergiaa. Käänteinen ongelma tulee paisunnassa, eli kaasua pitäisi jatkuvasti lämmittää koko paisunnan ajan lämpövaraston optimaalisesta kohdasta otetulla lämmöllä. Lämmön varastointi yhdessä lämpötilassa ei periaatteessa riitä, vaan tarvitaan koko ympäristön ja puristuksen maksimilämmityksen välinen lämpötilakirjo. Useampivaiheisella puristuksella ja paisunnalla voidaan tosin päästä melko hyvään tulokseen käyttäen yhtäkin lämpötilatasoa varastoinnissa, mutta tässä puolestaan syntyy erilaisia virtaushäviöitä. Laitteisto on myös varsin kallis. Periaatteessa paras mahdollinen laite varastointiin on aksiaalinen kaasuturbiini, jossa joka kompressoriasteen välissä on puristuspuolella välijäähdytin lämmön talteenottoon ja turbiinipuolella lämpövarastoa purkava välilämmitin jokaisen turbiinin asteen välillä.
 

kotte

Active member
Äkkiseltään kuulosti, että jäähtymisen lauhdutukseen voisi käyttää kaukokylmä linjaa ja lämmön jäähdytykseen kaukolämpö puolta.
Tuosta on suuren teollisuus- ja laivapolttomoottoriyrityksen periaatesuunnitelmakin (so. laskelmat ja tarvittavat muuhun tarkoitukseen tuotteistetut osakomponentit valmiina) ja kaiketi prototyyppikin olemassa, https://www.man-es.com/energy-storage/solutions/energy-storage/electro-thermal-energy-storage. En vain ole kuullut, että tuota olisi sovellettu suuressa mitassa edes pilottihankkeissa ainakaan toistaiseksi. Tuolla tavoin ei tarvita edes painevarastoa, vaan lämpö- ja kylmävarastot korvaavat senkin osuuden.
 
Tuosta on suuren teollisuus- ja laivapolttomoottoriyrityksen periaatesuunnitelmakin (so. laskelmat ja tarvittavat muuhun tarkoitukseen tuotteistetut osakomponentit valmiina) ja kaiketi prototyyppikin olemassa, https://www.man-es.com/energy-storage/solutions/energy-storage/electro-thermal-energy-storage. En vain ole kuullut, että tuota olisi sovellettu suuressa mitassa edes pilottihankkeissa ainakaan toistaiseksi. Tuolla tavoin ei tarvita edes painevarastoa, vaan lämpö- ja kylmävarastot korvaavat senkin osuuden.
Onko tuo siis suljettu Braytonin kierto kylmä ja kuumapuolen välillä? Ja ladattaessa toimii taas lämpöpumppuna?

Tuosta hiilidioksidista tuli mieleen joskus kuulemani juttu, että nestemäisellä hiilidioksidilla (kaasupullossa) pystyy käyttämään paineilmatyökaluja hyvinkin pitkään paikoissa, joissa ei kompressorista tulevaa paineilmaa ole saatavilla, ja myös ilman isoja tankkeja. Olisikohan tuosta energiavarastoksi, samoja ongelmia on tietty mitä paineilmallakin...
 

kotte

Active member
Onko tuo siis suljettu Braytonin kierto kylmä ja kuumapuolen välillä? Ja ladattaessa toimii taas lämpöpumppuna?
Latausvaiheessa ei siis painetta lasketa kuristusventtiilillä, vaan paisuntaturbiinilla, kun joudutaan toimimaan hiilidioksidin kriittisen lämpötilan yläpuolella (eli laitteisto on samantapainen kuin Braytonin kiertoprosessilla, mutta käyttötapa on toinen). Tarkasti ottaen Braytonin kierto viittaa voimakoneeseen ja sitähän ei tässä tarvitse toteuttaa, vaan Rankinen tyyppinen höyryturbiinikiertoprosessi toimii ihan hyvin, kun nestemäinen hiilidioksidi höyrystetään kaukolämpövaraston lämmöllä, kaasun annetaan paisua turbiinissa, mahdollisesti välitulistaen ja lopuksi lauhtua jäävaraston lauhduttimella takaisin nesteeksi. Tarvitaan tietenkin paineenkorotuspumppu nestemäiselle hiilidioksidille höyrykattilan syöttövesipumpun tapaan.
 
Kesällä tuli tuota paineilmamoottoria nyt sitten kokeiltua. Nyt sain siitä videonkin upattua:


Eipä tällä systeemillä mitään käytännön sovellusta ole, vaikka parantelemalla energiakapasiteetin voisikin saada jotenkin käyttökelpoiseksi. Kuitenkin jo aiemmin kävi selväksi, että off-grid CAES vaatisi melko järjettömän kokoiset paineilmatankit. Vettäkin tiivistyi, joten isotermisyydestä ei voida puhua. Paremman kapasiteetin voisi tietysti saavuttaa korkeapainetankeilla. Ehkä jopa lyijyakkuja vastaavalla energiatiheydellä, mutta matalaa painetta huonommalla hyötysuhteella. Syklien kesto olisi tällaisen järjestelmän pääasiallinen hyvä puoli. Voihan se olla, että joku tästä vielä jonkun innostuksen saa...

Olkoon tämä projekti siis kuopattu, liian korkean hinta-hyötysuhteen vuoksi.

Kausivaraajan prototyypin testitulokset ovat luultavasti tulossa lähikuukausina, jos on aikaa rakentaa IBC-kontille eristevaippa.

Termokemiallistakin systeemiä saatan kokeilla, siihen saisi osat tehtyä samalla kun teen uuden "häkäpöntön" osia. Materiaalit on jo lähes kaikki kerätty, enää puuttuu muutama teräslevy.
 
Ylös