Energieopslag met perslucht

Principe van persluchtsystemen

Elektrische energie kan ook worden opgeslagen via perslucht, door lucht onder druk te brengen in een ondergronds reservoir. Wanneer lucht wordt samengeperst wordt lucht warm. Bij een adiabatisch proces kan de lucht zijn warmte tijdens samenpersen niet kwijt. De warmte opgewekt tijdens compressie van de lucht kan, na compressie, worden afgevoerd en opgeslagen. Als de perslucht nodig is voor elektriciteitsproductie wordt de lucht met deze warmte voorverwarmd. Dit is echter geen gebruikelijk methode. Tot nu toe wordt de warme lucht wordt tijdens of vlak na compressie gekoeld. Dit benaderd isothermische compressie. De warmte wordt afgevoerd naar de buitenlucht. Dit systeem wordt toegepast omdat het eenvoudiger is.

Uitvoering van een persluchtsysteem

Een gebruikelijke methode om de perslucht weer te benutten is om de lucht te verwarmen met de afvalwarmte van een bestaande centrale en vervolgens toe te voeren aan expansieturbines waarmee elektriciteit wordt geproduceerd. Andere systemen voeren de lucht toe als verbrandingslucht aan een gasturbine eventueel na voorverwarming met de restwarmte van de centrale. In dit geval is de gebruikelijke compressie-eenheid voor de gasturbine niet nodig omdat lucht al onder druk wordt toegevoerd aan de gasturbine. Onderstaande figuur geeft een schematisch beeld van een dergelijk persluchtsysteem.

In tijden van een elektriciteitsoverschot wordt met de compressor, aangedreven door de motor/generator, lucht samengeperst en opgeslagen in een reservoir. In tijden van een elektriciteitstekort wordt perslucht aan het reservoir onttrokken en in dit geval aan een gasturbine toegevoerd. De gasturbine drijft de motor/generator aan die elektriciteit produceert. In de figuur wordt de perslucht rechtstreeks naar de brander van de gasturbine gevoerd. Ongeveer twee derde van de energie die een gasturbine produceert wordt gebruikt om lucht samen te persen. Bij het gebruik van perslucht wordt deze energie bespaard. Een gasturbine gevoed met perslucht produceert twee tot drie keer meer energie dan een gelijkwaardige gasturbine met een compressoreenheid.

Er worden ook andere persluchtsystemen toegepast. In een systeem wordt de lucht eerst voorverwarmd door de rookgassen van de turbine en daarna aan de brander toegevoerd. Combinaties van bovengenoemde mogelijkheden worden ook onderzocht. Bijvoorbeeld het verwarmen van de perslucht, bij het onttrekken aan het reservoir, met de afvalwarmte van de turbine-eenheid. Vervolgens wordt de lucht geëxpandeerd in een expansieturbine, waarbij elektriciteit wordt opgewekt. Daarna wordt de geëxpandeerde lucht toegevoerd aan een turbine-eenheid die eveneens elektriciteit opwekt. De warmte die daarna nog overblijft wordt gebruikt om de perslucht voor te verwarmen.

Een watergedreven persluchtsysteem

Een variant op het persluchtsysteem is de zogenaamde watergedreven perslucht. Bij het samenpersen van de lucht in een compressor ontstaat warmte, de lucht wordt heet. Bij de gebruikelijke persluchtsystemen wordt deze warmte verwijderd door de lucht te koelen. Daarom moet de lucht vaak ook verwarmd worden als deze wordt onttrokken aan de voorraad. Dit probleem speelt minder bij watergedreven perslucht. Bij dit systeem wordt water in het reservoir gepompt waardoor de lucht boven het water samengeperst wordt. De warmte wordt nu over een groter volume verspreid. Afvoer van warmte of voorverwarmen van de perslucht voor gebruik is dan niet nodig. Bij een energievraag wordt water aan het reservoir onttrokken; het water wordt voortgestuwd door de luchtdruk in het reservoir.

Voorbeelden van persluchtsystemen

Sinds 1978 draait er een 320 MW persluchtopslagsysteem in Huntorf Duitsland. Het was het eerste persluchtsysteem ter wereld. De opslaginstallatie maakt gebruikt van onderaardse zoutgrotten op een diepte van ongeveer 700 meter. Het volume van de grotten is ongeveer 310.000 m3. De druk in de grot kan maximaal 72 bar (7 MPa) bedragen. Tijdens het vullen van het reservoir neemt de temperatuur in het reservoir toe tot ongeveer 40 ^oC. Door de onregelmatige vorm van de grot is er een groot koelend oppervlak waardoor de temperatuur niet hoog oploopt. De perslucht wordt niet voorverwarmd maar wordt rechtstreeks aan de gasturbine toegevoerd. De installatie dient vooral als reserve vermogen in geval van onverwachte uitval van centrales. Hij wordt ook gebruikt voor het afvlakken van de avondpiek en voor het opvangen van het wegvallen van windvermogen uit windturbines.

Een tweede grote persluchtinstallatie staat bij McIntosh, Alabama in de Verenigde Staten. De installatie is sinds 1991 in bedrijf en heeft een vermogen van 100 MW. De lucht wordt hier samengeperst in een onderaardse grot die is overgebleven na zoutwinning. De grot heeft een diameter van 67 meter en is 305 meter hoog, het effectieve volume is 300.000 kubieke meter. De lucht in de grot wordt op een druk van 7,5 MPa gebracht. Bij het opwekken van elektriciteit met behulp van deze luchtdruk daalt de druk tot 4,5 MPa. Per seconde verdwijnt dan 155 kg lucht uit de grot. De grot kan 26 uur achter elkaar energie leveren. De perslucht wordt onttrokken aan de opslag, verwarmd door de uitlaatgassen van de turbine en toegevoerd aan een 100 MW gasturbine. Daardoor is de installatie ongeveer een kwart energiezuiniger dan de Huntorf installatie. Het systeem is binnen 15 minuten opgestart. Vergeleken met toevoer van gewone atmosferische lucht wordt is het gasverbruik van de turbine 60 tot 70% lager.