Ukladanie energie do stlačeného vzduchu

Energetická výdatnosť a účinnosť

Stláčanie zohrieva plyn a expanzia ho ochladzuje. Preto skutočné vzduchové motory vyžadujú tepelný výmenník, aby sa predišlo veľmi vysokým alebo nízkym teplotám, napriek tomu sa nedosahujú podmienky s ideálne konštantnou teplotou. Je vhodné popísať maximálnu energiu, ktorú je možné uložiť pri izotermickom deji, ktorý funguje zhruba do 110  kJ/m³-N pri 24 °C. jeden m³-N
je kubický meter plynu pri normálnom, čiže atmosférickom tlaku. Preto ak 1,0 m³ je veľmi pomaly stlačený do 5 litrovej fľaše pri 200 baroch, takto uchovaná potenciálna energia je 583 kJ (0,16 kWh). Vysoko účinný vzduchový motor je schopný premeniť ju na kinetickú energiu ak beží veľmi pomaly a zabezpečí expanziu vzduchu z počiatočných 200 barov naspäť na 1 bar (nádoba úplne "prázdna" pri okolitej teplote). Dosahovanie vysokej účinnosti je technickou výzvou, kvôli nelineárnemu ukladaniu energie a termodynamickým úvahám. Ak je nádoba expandovaná na tlak 10 bar, energia, ktorú možno získať je asi 330 kJ. Účinnosť izotermického ukladania energie do plynu je teoreticky 100 %, ale v praxi proces nie je úplne izotermický a dva stroje (kompresor a motor) majú rôzne druhy strát.
Bežná 5 litrová oceľová nádoba na tlak 200 bar má hmotnosť 7,5 kg, vylepšená 5 kg. Nádoby zosilnené alebo vyhotovené z vysoko pevných karbónových alebo kevlarových vlákien môžu mať pri tejto veľkosti hmotnosť pod 2 kg, v súlade s platnými bezpečnostnými predpismi. Jeden kubický meter vzduchu obsiahnutý v naplnenej nádobe má hmotnosť 1,225 kg. Teoretická výdatnosť energie je teda zhruba od 70 do 180 kJ/kg. Tento fakt umožňuje porovnať tlakovú nádobu vystuženú vláknami, čo sa týka výdatnosti energie, k olovenej batérii, vylepšené batériové systémy sú niekoľkokrát lepšie. Batérie tiež poskytujú takmer konštantné napätie pri ľubovoľnej úrovni vybitia, zatiaľ čo tlak vzduchu sa značne mení so stupňom vybitia. Navrhnúť vzduchové motory tak, aby dosahovali vysokú účinnosť a potrebný výkon pri takom veľkom rozsahu tlakov je technicky veľmi náročné. Stlačený vzduch je schopný prenášať výkon s vysokou intenzitou, čo je základná úloha pohonov: zrýchľovať a spomaľovať; obzvlášť pri hybridných vozidlách.
Výhodou stlačeného vzduch oproti elektrickému ukladaniu energie je dlhšia životnosť tlakových nádob v porovnaní s batériami a tiež nižšia toxicita použitých materiálov. Náklady sú potenciálne nižšie, hoci kvalitné tlakové nádoby sú nákladné na vývoj a bezpečnostné testy a v súčasnosti sú drahšie ako masovo vyrábané batérie.
Rovnako ako pri elektrickej technológii treba zdôrazniť, že technológia ukladania energie do stlačeného vzduchu je závislá od externých zdrojov energie a celková spotreba môže byť iba taká "čistá" ako tieto zdroje.

Bezpečnosť

Ako pri väčšine technológii, stlačený vzduch má bezpečnostné riziká, hlavne katastrofické pretrhnutie tlakovej nádoby. Vďaka veľmi prísnym bezpečnostným predpisom sa to často nestáva, no je to o to závažnejšie. Predpisy môžu prevádzkový tlak obmedziť na menej ako 40 % výdržného tlaku pre oceľové nádoby a (bezpečnostný činiteľ 2,5) a na menej ako 20 % pri nádob vyrobených z vlákien (bezpečnostný činiteľ 5). Pravidlá pre návrh sa odvíjajú od normy ISO 11439. Vysokotlakové nádoby sú dostatočne silné a teda vo všeobecnosti počas nehôd neprasknú.

História

Vzduchový motor a myšlienka použitia vzduchu ako nosiča energie nie je nová. Vzduch sa používa od 19. storočia na pohon banských lokomotív a súčasne bol základom pohonu námorných torpéd.
Stlačený vzduch sa v súčasnosti používa v pretekárskych autách na zabezpečenie počiatočnej energie na naštartovanie hlavného pohonu auta: spaľovacieho motora (ICE).
Veľa ľudí pracovalo na myšlienke vozidiel na stlačený vzduch so znovu oživeným záujmom od čias energetickej krízy v 90. rokoch.

Autá

Niekoľko spoločností vyhlasovalo, že vyvíja vozidlo na stlačený vzduch pre komerčné použitie od zhruba roku 1990, ale doteraz nie je žiadne k dispozícii. Typicky sa ako hlavné výhody uvádzajú: žiadne emisie na cestách, nízko nákladová technológia, motor používajúci na mazanie konzumný olej a zabudovaná klimatizácia.
Tlakové nádoby môžu byť doplnené v servisnej stanici (použitím prečerpávania) alebo za pár hodín na domácich parkoviskách zapojením auta na elektrickú sieť prostredníctvom zabudovaného kompresora. Náklady na prevádzku takého auta sú typicky navrhované, aby boli zhruba € 0,75 na 100 km s úplným dobitím na "čerpacej stanici” za zhruba € 1,93.

Ďalšie použitie

Popri používaní vzduchových motorov na pohon sa stlačený vzduch používa na výrobu energie a pri paintbale. Mnohé zubárske remeselné náradia používajú malé turbínové expandéry a mnohé väčšie zariadenia používané vo vysoko nebezpečných prostrediach.

Hybridné systémy

Systém môže používať hybridnú výrobu energie s uloženým stlačeným vzduchom zmiešaným s palivom vhodným pre vnútorný spaľovací motor. Napríklad sa môže pridať zemný plyn alebo bioplyn, potom spáliť, aby ohrial stlačený vzduch, a potom expandoval v klasickej vzduchovej turbíne alebo zadnej časti prúdového motora použitím Braytonovho cyklu.
Navyše, vzduchové motory sa môžu použiť v spojení s elektrickou batériou. Motor na stlčený vzduch, ktorý berie energiu z tlakovej nádoby dobíja elektrickú batériu. Tento systém (nazývaný PHEV alebo Pneumatic Hybrid Electric Vehicle-system) predáva spoločnosťami pod názvom Energine. Momentálne sa tieto PHEV systémy používajú výhradne na pohon vozidiel, nie na výrobu energie.

Existujúce hybridné systémy

Hybridná elektráreň bola uvedená do prevádzky v Huntorfe (Nemecko) v roku 1978 a opäť v McIntosh v Alabame v 1991 (USA). Oba systémy využívajú mimo špičkovú energiu na stláčanie vzduchu. Doba prevádzky elektrárne McIntosh je 24 hodín s predĺženou dobou prevádzky obsiahnutou pomocou kombinovaného spaľovania zmesi stlačený vzduch/zemný plyn.

Hybridné systémy budúcnosti

Vo vývoji sú ďalšie elektrárne Norton, Ohio a Iowa Stored Energy Park (ISEP). Tento projekt s 2700 MW v Nortone bol spustený v roku 2001, ale na začiatku roku 2007 stavebné práce stále neboli rozbehnuté.
V prípade elektrárne ISEP sa očakáva mimoriadna účinnosť, pretože na ukladanie stlačeného vzduchu sa použije vodonosná vrstva namiesto jaskyne. Konštantný tlak vzduchu je regulovaný presúvaním vody, ktorá udržiava konštantný hydrostatický tlak. Hovorca ISEP tvrdí "ak máte konštantný tlak môžete lepšie optimalizovať vaše zariadenia."  Plánuje sa s 75 – 150 MW kapacitou.