압축 공기 에너지 저장소

Compressed-air energy storage
파리 메트로에서 디젤 발전기를 시동하는 데 사용되는 가압 공기 탱크

압축 공기 에너지 저장소(CAES)는 압축 공기를 사용하여 나중에 사용할 수 있도록 에너지를 저장하는 방법입니다.유틸리티 스케일에서는 수요가 적은 기간 동안 생성된 에너지가 피크 부하 [1]기간 동안 방출될 수 있습니다.

최초의 유틸리티 스케일 CAS 프로젝트는 독일 헌토프에서 건설되어 아직 가동 [2]중입니다.Huntorf CAS 공장은 처음에는 화석 연료 생성 전기의 부하 균형자로 개발되었지만, 재생 에너지로 전환됨에 따라 광전지와 풍력과 같은 매우 간헐적인 에너지원이 변동하는 [4]전력 수요를 충족시킬 수 있도록 지원하는 CAS [3]시스템에 대한 관심이 다시 높아지고 있습니다.

대규모 CAES 설계에서 현재 진행 중인 과제 중 하나는 열 에너지 관리입니다. 공기의 압축은 운영 효율성을 저하시킬 뿐만 아니라 손상으로 이어질 수 있는 원치 않는 온도 상승으로 이어지기 때문입니다.다양한 CES 아키텍처 간의 주요 차이점은 열 공학에 있습니다.한편, 소규모 시스템은 광산 기관차의 추진력으로 오랫동안 사용되어 왔다.기존 배터리에 비해, CAES 시스템은 더 오랜 시간 동안 에너지를 저장할 수 있고 유지보수가 적습니다.

종류들

공기를 압축하면 열이 발생하며 압축 후에는 공기가 더 따뜻해집니다.팽창에 의해 열이 제거된다.열을 더하지 않으면 팽창 후 공기가 훨씬 차가워질 것입니다.압축 중에 발생하는 열을 저장하여 확장 중에 사용할 수 있으면 스토리지 효율이 [5]크게 향상됩니다.CES 시스템이 열을 처리할 수 있는 몇 가지 방법이 있습니다.공기 저장고는 단열, 단열, 등온 또는 근등온일 수 있습니다.

단열성

단열 저장소는 압축에 의해 생성된 에너지를 계속 저장하여 발전하기 위해 확장될 때 이를 공기로 돌려보냅니다.이는 진행 중인 연구의 주제이며, 2015년 현재 효용 규모 발전소는 없다.단열 스토리지의 이론적인 효율은 완벽한 단열재로 100%에 가깝지만, 실제로는 왕복 효율이 70%[6]로 예상됩니다.열은 콘크리트나 돌과 같은 고체나 뜨거운 오일(최대 300°C) 또는 용융 염액(600°C)과 같은 유체에 저장할 수 있습니다.뜨거운 물에 열을 저장하면 약 65%[7]의 효율성을 얻을 수 있습니다.

패킹 베드는 A-CAES 시스템의 열 저장 장치로 제안되었습니다.충전층 열 에너지 저장소를 사용하여 단열 압축 공기 에너지 저장 시스템을 수치적으로 시뮬레이션한 연구.연속 운전 시 시뮬레이션 시스템의 효율성은 70.5% ~ 71%로 계산되었습니다.

디아바틱

디아바틱 스토리지는 인터쿨러(따라서 등온 압축에 근접한)를 통해 압축 열의 대부분을 폐기물로 대기 중으로 방출하여 압축 작업을 수행하는 데 사용되는 에너지를 기본적으로 낭비합니다.저장공간에서 제거될 때 이 압축공기의 온도는 이 공기에 남아 있는 저장된 에너지의 양을 나타내는 하나의 지표입니다.따라서 에너지 회수 프로세스에서 공기 온도가 낮을 경우 터빈 에서 팽창하기 전에 공기를 실질적으로 재가열하여 발전기에 전력을 공급해야 한다.이러한 재가열은 효용 등급 저장용 천연 가스 연소식 버너 또는 가열된 금속 질량을 사용하여 수행할 수 있습니다.재생 가능한 소스가 정지 상태일 때 복구가 가장 필요한 경우가 많기 때문에 연료를 연소하여 낭비된 열을 보충해야 합니다.이로 인해 스토리지-복구 주기의 효율성이 저하됩니다.이 접근방식은 비교적 간단하지만, 연료 연소는 회수된 전기 에너지 비용을 증가시키고 대부분의 재생 에너지원과 관련된 생태학적 편익을 훼손한다.그럼에도 불구하고, 지금까지 상업적으로 시행된 시스템은 이것이 유일하다.

앨라배마 주 McIntosh, CAS 플랜트에서는 에너지 출력 MJ당 2.5 MJ의 전기와 1.2 MJ의 낮은 가열값(LHV)의 가스가 필요하며, 이는 에너지 회수 효율 약 27%[9]에 해당합니다.General Electric 7FA 2x1 복합 사이클 플랜트는 가동 중인 가장 효율적인 천연가스 플랜트 중 하나로 [10]MJ당 1.85MJ(LHV)의 가스를 사용하여 54%의 열효율을 자랑합니다.

등온

등온 압축 및 팽창 접근법은 환경에 대한 지속적인 열 교환을 통해 작동 온도를 유지하려고 시도합니다.왕복 압축기에서 이는 핀이 있는 피스톤과 저사이클 [12]속도를 사용하여 달성할 수 있습니다.효과적인 열 교환기에 대한 현재의 과제는 저전력 수준에서만 실용적이라는 것을 의미합니다.환경으로의 완벽한 열 전달을 위해 등온 에너지 저장소의 이론 효율은 100%에 근접합니다.실제로는 이러한 완벽한 열역학 사이클을 얻을 수 없습니다. 왜냐하면 일부 열손실은 피할 수 없기 때문에 거의 등온 프로세스를 초래할 수 있기 때문입니다.

근등온

근등온 압축(및 팽창)은 가스가 흡열 및 방출 구조(HARS) 또는 물 [13]분무와 같이 압축할 수 없는 큰 열질량에 매우 근접하게 압축되는 과정입니다.HASS는 보통 일련의 평행 지느러미로 구성됩니다.가스가 압축되면 압축열이 열질량에 빠르게 전달되므로 가스온도가 안정된다.그런 다음 외부 냉각 회로를 사용하여 열질량의 온도를 유지합니다.등온 효율(Z)[14]은 공정이 단열 공정과 등온 공정 사이의 위치에 대한 측도입니다.효율이 0%이면 완전 단열이고 효율이 100%이면 완전 등온입니다.일반적으로 등온에 가까운 프로세스에서는 90~95%의 등온 효율을 기대할 수 있습니다.

다른.

등온 CES의 구현 중 하나는 고압, 중압 및 저압 피스톤을 직렬로 사용합니다.각 단계에는 에어블라스트 벤추리 펌프가 이어지며, 이 펌프는 각 확장 단계 사이의 공기 대 공기(또는 공기 대 항해기) 열 교환기를 통해 외기를 흡입합니다.초기 압축 공기 어뢰 설계에서도 유사한 접근법을 사용하여 바닷물을 공기 대신 사용했다.벤추리는 이전 단계의 배기 가스를 따뜻하게 하고 예열된 공기를 다음 단계로 전달합니다.이러한 접근 방식은 H. K. Porter, Inc.의 광산 기관차[15][16]트램과 같은 다양한 압축 공기 차량에서 널리 채택되었습니다.여기서 압축열은 효과적으로 대기(또는 바다)에 저장되고 나중에 [citation needed]되돌아옵니다.

압축기 및 팽창기

압축은 전기 동력 터보 압축기로, 팽창은 터보 익스팬더[17] 또는 전기 발전기를 구동하는 공기 엔진으로 수행할 수 있습니다.

보관소

공기 저장 용기는 저장소의 열역학 조건과 사용된 기술에 따라 달라집니다.

  1. 고정 볼륨 스토리지(솔루션 채굴 동굴, 지상 선박, 대수층, 자동차 애플리케이션 등)
  2. 정압저장(수중압용기, 하이브리드 펌프식 하이드로 - 압축공기저장)

정전용량

이 저장 시스템은 특정 경계가 있는 챔버를 사용하여 대량의 공기를 저장합니다.이는 열역학적 관점에서 이 시스템이 정용량 및 가변 압력 시스템임을 의미합니다.이로 인해 압축기와 터빈에서 작동하는 터빈에 일부 작동 문제가 발생하므로 압력 변동은 [18]저장 용기에 유도되는 응력과 마찬가지로 일정 한계 이하로 유지되어야 합니다.

저장 용기는 종종 용액 채굴(소금은 채취를 [19]위해 물에 용해됨) 또는 폐광산을 이용하여 만들어진 동굴이다. 천연가스 저장고가 발견되는 다공질 암석(구멍이 있는 암석 또는 공기가 통과할 수 있는 암석)의 사용도 [20]연구되었다.

경우에 따라서는 지상 파이프라인을 스토리지 시스템으로 테스트하여 좋은 결과를 얻을 수 있었습니다.분명히 시스템의 비용은 더 높지만 설계자가 원하는 곳에 배치할 수 있는 반면 지하 시스템은 특정한 지질 구조(소금 돔, 대수층, 고갈된 가스 광산 등)[18]를 필요로 합니다.

정압 저장

이 경우 저장용기는 일정한 압력으로 유지되고 가스는 가변용기 내에 수용된다.많은 종류의 저장용기가 제안되어 왔다.그러나 작동 조건은 동일한 원칙을 따릅니다.저장용기는 수심 수백m에 위치하고 있으며 저장용기 위 물기둥의 정수압을 통해 압력을 원하는 수준으로 유지할 수 있습니다.

이 설정에서는, 다음의 것이 가능하게 됩니다.

  • 저장된 모든 공기를 사용할 수 있으므로 스토리지 시스템의 에너지 밀도를 개선하십시오(전체 또는 비어 있는 모든 충전 조건에서 압력이 일정하므로 터빈이 이를 이용하는 데 문제가 없는 반면, 잠시 후 압력이 안전 한계 아래로 떨어지면 시스템이 중단되어야 합니다).
  • 일정한 흡기 조건에서 작동하는 터보 기계의 효율성을 개선합니다.
  • CAES 플랜트(해안 라인, 플로팅 플랫폼 등)[21]의 배치를 위해 다양한 지리적 위치를 사용할 수 있습니다.

한편, 이 저장 시스템의 비용은 저장 용기를 선택한 저수지의 바닥(대부분 바다 또는 바다)에 배치해야 하는 필요성과 용기 [21]자체의 비용 때문에 더 높습니다.

다른 접근법은 물 [22]대신 모래 몇 미터 아래에 큰 가방을 파묻는 것이다.

발전소는 매일 작동하며, 밤에 충전하고 낮에는 방전합니다.추출되는 에너지의 양을 늘리기 위해 천연 가스나 지열을 사용하여 압축 공기를 가열하는 것은 Pacific Northwest National [20]Laboratory에 의해 연구되었습니다.

압축 공기 에너지 저장소는 공기차 및 공기 구동식 기관차에 의해 이용되는 등 소규모로 사용될 수 있으며 고강도 탄소 섬유 공기 저장 탱크를 사용할 수 있습니다.압축 공기에 저장된 에너지를 유지하려면 이 탱크를 환경으로부터 열적으로 격리해야 합니다. 그렇지 않으면 공기를 압축하면 온도가 상승하므로 저장된 에너지가 열의 형태로 빠져나갑니다.

역사

전송

도시 전체의 압축 공기 에너지 시스템은 [23]1870년부터 구축되었습니다.프랑스 파리, 영국 버밍엄, 독일 드레스덴, 릭스도르프, 오펜바흐, 아르헨티나 부에노스아이레스같은 도시들이 이러한 시스템을 설치했다.빅터 팝은 포인터 암을 바꾸기 위해 매분마다 공기 펄스를 보내서 클럭을 작동시키는 최초의 시스템을 만들었다.그들은 가정과 산업에 전력을 공급하기 [24]위해 빠르게 진화했다.1896년 당시 파리 시스템은 경공업 및 중공업용 모터용 50km의 공기 파이프에 550kPa로 2.2MW의 발전량을 분배하고 있었다.사용량은 입방 [23]미터로 측정되었다.이 시스템은 그 당시 가정에서 공급되는 에너지의 주요 원천이었고 치과 의사, 재봉사, 인쇄 시설, 빵집 등의 기계에도 동력을 공급했습니다.

보관 시설

  • 1978년 – 최초의 유틸리티 규모의 압축 공기 에너지 저장 프로젝트는 580 MWh의 에너지 [25]효율 42%의 소금 돔을 사용하는 독일의 290 메가와트 Huntorf 발전소였습니다.
  • 1991년 – 26시간 (2,860 MWh 에너지) 용량의 110 메가와트 발전소가 앨라배마 주 맥킨토시에 건설되었다.앨라배마 시설의 6,500만 달러 비용은 발전 용량 1kW당 590달러, 스토리지 용량 1kW시당 약 23달러로 산출되며, 1,900만 입방 피트의 소금 동굴을 채굴하여 최대 1,100psi의 공기를 저장할 수 있습니다.압축 단계는 약 82% 효율이지만, 확장 단계에서는 가스터빈의 1/3 비율로 천연 가스를 연소하여 54%의 [25][26][27][28]효율로 동일한 양의 전기를 생산해야 합니다.
  • 2012년 12월 – General Compression은 세계 세 번째 CAS 프로젝트인 텍사스주 게인스에서 2MW의 근등온 CAS 프로젝트 구축을 완료했습니다.그 프로젝트는 [29]연료를 사용하지 않는다.그러나 2016년에 [30]운행을 중단한 것으로 보인다.
  • 2019년 - Hydrostor는 온타리오주 Goderich에서 최초로 상용 A-CAES 시스템을 완료하여 2.2를 제공온타리오 그리드에 MW / 10MWh 저장.수십 [31]년 만에 상업 운영을 달성한 최초의 A-CAES 시스템.
  • 2022년 - 중국 장쑤성에 60MW/300MWh의 효율이 60%인 설비가 염동([32] ca洞)을 사용하여 문을 열었습니다.
    • 2.5 MWh/4 MWh 압축 CO 시설은 2022년 [33]6월 이탈리아2 사르디니아에서 가동되기 시작했습니다.

프로젝트

  • 2009년 11월 – 미국 에너지부는 캘리포니아 Kern County의 Bakersfield 부근에서 개발 중인 염수 다공질 암석 층을 이용한 300MW, 3억5600만달러의 태평양 가스전기 회사 설비 중 1단계에 대해 2,490만달러의 매칭 자금을 지급했습니다.이 프로젝트의 목표는 고급 [34]설계를 구축하고 검증하는 것입니다.
  • 2010년 12월 – 미국 에너지부는 뉴욕 왓킨스 글렌에서 이버드로라 USA가 개발하고 있는 150MW 소금 기반 CAS 프로젝트에 대한 예비 작업을 수행하기 위해 2,940만 달러의 자금을 제공하고 있습니다.목표는 스마트 그리드 기술을 통합하여 재생 가능한 간헐 에너지원[34][35]균형을 맞추는 것이다.
  • 2013년 – ADELE이라고 하는 200 메가와트 규모의 설비인 최초의 단열 CES 프로젝트가 독일에서 건설될 예정이었습니다.이 프로젝트는 공개되지 않은 이유로 최소 [36]2016년까지 연기되었습니다.
  • 2017년(예정) - Storelectric Ltd는 영국 체셔에 800 MWh 저장 용량을 갖춘 100% 재생 에너지 파일럿 플랜트 40 MW 건설을 계획하고 있습니다.그들의 [37]웹사이트에 따르면, "이는 지금까지 건설된 100% 재생 에너지 CES의 20배에 달하는 규모로, 스토리지 산업의 한 단계 변화를 나타냅니다."
  • 2020년(예상) – Apex는 텍사스 앤더슨 카운티[38]2016년에 가동될 CES 공장을 계획했습니다.이 프로젝트는 지연되어 2020년 [39]여름까지 가동되지 않을 것이다.
  • 북아일랜드의 Larne - 소금 [40][41][42]광산에서 두 개의 동굴을 용해하는 330 MW의 CAS 프로젝트. EU는 9000만 [43][44]유로를 지원했습니다.계획은 2019년 [45]8월에 철회되었다.
  • 오스트리아에서 유럽연합이 후원하는 RICAS 2020(단열) 프로젝트는 효율을 개선하기 위해 압축 공정의 열을 저장하기 위해 쇄석을 사용합니다.이 시스템은 70~80%의 [46]효율을 달성할 것으로 기대되고 있었습니다.
  • 캐나다 기업인 하이드로스토르는 토론토, 고데리히, 앙가스, 로자몬드에 [47]4개의 다른 어드밴스 CES 공장을 건설할 계획이다.이 중 일부는 물에 부분적으로 열을 저장하여 효율성을 65%로 향상시킵니다.캘리포니아 Kern County에 있는 Rosamond의 Gem 프로젝트는 500 MWh/4,000 MWh입니다.캘리포니아루이스 오비스포의 페초 프로젝트는 400MW/3,200MWh입니다.호주 뉴사우스웨일스Broken Hill 프로젝트는 200MW/[48]1,600MWh입니다.

저장 열역학

대부분의 에너지가 시스템 내에서 절약되어 검색될 수 있고 손실이 무시할 수 있도록 열역학적 가역적 가역적 프로세스를 달성하기 위해서는 가역적 등온 프로세스 또는 등엔트로픽 프로세스가 [5]바람직하다.

등온 저장고

등온압축공정에서는 시스템 내의 가스를 일정온도로 유지한다.이를 위해서는 반드시 가스와 열을 교환해야 합니다. 그렇지 않으면 충전 중에 온도가 상승하고 방전 중에 온도가 떨어집니다.이 열 교환은 컴프레서, 조절기 및 탱크의 후속 단계 간에 열 교환기(인터쿨링)를 통해 이루어질 수 있습니다.에너지 낭비를 방지하려면 인터쿨러를 높은 열전달과 낮은 압력 강하에 맞게 최적화해야 합니다.압축실의 부피 대비 표면적의 비율이 상대적으로 높고 그 결과 압축기 본체 자체의 열방산이 개선되기 때문에 소형 압축기는 인터쿨링이 없어도 등온 압축에 근접할 수 있다.

완벽한 등온 저장(및 방전)을 얻으면, 그 과정은 "가역적"이라고 한다.이를 위해서는 주변과 기체 사이의 열 전달이 극히 작은 온도 차이에서 발생해야 합니다.이 경우 열전달 프로세스에서 엑서지 손실이 발생하지 않으므로 압축작업을 확장작업으로 완전 회수할 수 있습니다.즉, 스토리지 효율이 100%입니다.그러나 실제로는 모든 열 전달 프로세스에서 항상 온도 차이가 있기 때문에 모든 실제 에너지 저장소의 효율은 100% 미만입니다.

등온 프로세스에서 압축/팽창 작업을 추정하기 위해 압축 공기는 이상 기체 법칙을 준수한다고 가정할 수 있습니다.

절대온도 T=TA }= 일정하고 초기상태 A에서 최종상태 B까지의 프로세스에서 압축(부극) 또는 팽창(양극)에 의해 이루어지는 작업을 구한다.

서 p V V B { = 등, A B ({ {

서 pp}는 절대 , A 압축된 ( 수 없는) 가스량, B({ 용기의 부피,({ n 가스량, R이상적인 가스 상수입니다.

용기 외부에서 시작 와 같은 일정한 압력이 있는 경우 외압의 양의 작용은 이용 가능한 에너지(부정값)를 감소시킨다.이 경우 위의 방정식에 다음 항이 추가됩니다.

주변 압력이 1bar(0.10MPa)인 경우 70bar(7.0MPa)의 압력으로 1m3 저장 용기에 저장할 수 있는 에너지의 양.이 경우 프로세스 작업은 다음과 같습니다.

=
= 7.0 MPa × 13 m x ln(0.1 MPa/7.0 MPa) + (7.0 MPa - 0.1 MPa) × 13 m = -22.8 MJ (지속적으로 6.33 KWh)

음의 표시는 주변이 가스에 대한 작업을 수행한다는 것을 의미합니다.프로세스 불가역성(열전달 등)은 압축 프로세스에 필요한 에너지보다 확장 프로세스에서 회수되는 에너지가 적습니다.예를 들어 환경이 일정한 온도일 경우 인터쿨러의 열 저항은 압축이 주위 온도보다 약간 높은 온도에서 발생하고 팽창은 주위 온도보다 약간 낮은 온도에서 발생함을 의미합니다.따라서 완벽한 등온 저장 시스템은 실현이 불가능합니다.

단열(등엔트로픽) 스토리지

단열 공정은 유체와 주변 사이에 열 전달이 없는 공정으로, 시스템이 열 전달로부터 절연됩니다.공정이 더 내부적으로 가역적이면(이상적인 한계까지 부드럽고, 느리고, 마찰이 없는 상태) 추가로 등방성이 됩니다.

단열 저장 시스템은 압축 프로세스 중에 인터쿨링을 없애고 압축 중에 가스가 가열되도록 하고 팽창 중에 냉각되도록 합니다.이는 열 전달과 관련된 에너지 손실이 방지되기 때문에 매력적이지만, 단점은 저장 용기를 열 손실로부터 단열해야 한다는 것입니다.또한 실제 압축기와 터빈은 등엔트로픽이 아니라 약 85%의 등엔트로픽 효율을 가지고 있다는 점도 언급해야 한다.단열 시스템의 왕복 스토리지 효율성도 완벽하지 않습니다.

대규모 스토리지 시스템 열역학

에너지 스토리지 시스템은 큰 동굴을 사용하는 경우가 많습니다.이것은 매우 큰 부피로 작은 압력 변화만으로 저장할 수 있는 대량의 에너지로 인해 선호되는 시스템 설계입니다.동굴 공간은 [citation needed]온도 변화(가역 등온 시스템 접근) 및 열 손실(등엔트로픽 시스템 접근) 없이 단열로 단열 압축될 수 있습니다.이러한 이점은 가스 저장 시스템 구축 비용이 저렴할 뿐만 아니라 지하 벽을 사용하여 압력을 억제하는 데 도움이 됩니다.

최근에는 대형 동굴 [49]저장고와 유사한 열역학적 특성을 가진 해저 단열 에어백이 개발되었습니다.

차량 응용 프로그램

수송에 있어서의 실질적인 제약

실제 육상 또는 항공 운송을 위해 차량 또는 항공기에서 공기 저장소를 사용하려면 에너지 저장 시스템이 작고 가벼워야 합니다.에너지 밀도와 비에너지이러한 바람직한 품질을 정의하는 공학 용어입니다.

특정 에너지, 에너지 밀도 및 효율성

상기 가스저장부의 열역학에서 설명한 바와 같이 공기를 압축하여 가열하고 팽창시키면 냉각됩니다.따라서 실용적인 공기 엔진은 지나치게 높은 온도나 낮은 온도를 피하기 위해 열 교환기가 필요하며, 그렇다고 해서 이상적인 일정한 온도 조건이나 이상적인 단열재에 도달하지 않습니다.

그럼에도 불구하고, 위에서 설명한 바와 같이, 약 100 kJ/m3 [ln(PA/PB)]까지 계산되는 등온 케이스를 사용하여 저장 가능한 최대 에너지를 설명하는 것이 유용하다.

따라서 대기 중 1.0m의3 공기가 20MPa(200bar)에서 5L 병으로 매우 천천히 압축될 경우 저장되는 잠재적 에너지는 530kJ입니다.매우 효율적인 공기 모터는 매우 느리게 작동하고 공기를 초기 20MPa 압력에서 100kPa(대기압에서 "완전히 비어 있는" 병)까지 확장할 수 있다면 이를 운동 에너지로 전환할 수 있습니다.높은 효율성을 달성하는 것은 주변의 열 손실과 복구할 수 없는 내부 가스 [50]열로 인한 기술적 과제입니다.위의 병을 1MPa로 비우면 모터 샤프트에서 추출 가능한 에너지는 약 300kJ입니다.

표준 20 MPa, 5 L 강철병의 질량은 7.5 kg으로 5 kg보다 우수합니다.탄소 섬유나 케블라 의 고강도 섬유는 이 크기에서 2kg 미만이 될 수 있으며, 이는 법적 안전 규정에 부합합니다.20°C에서 1입방미터의 공기는 표준 온도 및 [51]압력에서 1.204kg의 질량을 가진다.따라서 이론적인 비에너지는 평강병의 경우 모터 샤프트에서 약 70kJ/kg부터 첨단 섬유 감김병의 경우 180kJ/kg까지이며, 동일한 용기에 대해 실질적으로 달성 가능한 비에너지는 40~100kJ/kg까지입니다.

안전.

대부분의 기술과 마찬가지로 압축 공기는 주로 치명적인 탱크 파열과 같은 안전상의 문제가 있습니다.안전 규정상 이러한 현상은 드물게 발생하지만, 더 높은 무게와 압력 완화 밸브와 같은 추가적인 안전 기능을 희생합니다.규정상 법적 작동 압력은 강철 병의 경우 파열 압력의 40% 미만(안전 계수 2.5)과 섬유 감는 병의 경우 20% 미만으로 제한할 수 있다(안전 계수 5).상업 디자인은 ISO 11439 [52]표준을 채택한다.고압병은 상당히 강하기 때문에 일반적으로 차량 충돌 시 파열되지 않는다.

배터리와의 비교

첨단 섬유 강화병은 에너지 밀도 면에서 충전식 납-산 배터리에 필적합니다.배터리는 전체 충전 레벨에 걸쳐 거의 일정한 전압을 제공하는 반면 압력 용기를 사용할 때 압력은 가득 찬 상태에서 비어 있는 상태로 크게 달라집니다.다양한 압력에서 높은 효율성과 충분한 출력을 유지하기 위해 공기 엔진을 설계하는 것은 기술적으로 어렵습니다.압축 공기는 특히 하이브리드 차량의 경우 운송 시스템의 주요 가속 및 감속 목표를 충족하는 매우 높은 플럭스 속도로 동력을 전달할 수 있습니다.

압축 공기 시스템은 압력 용기의 수명이 길어지고 재료 독성이 낮아지는 등 기존 배터리보다 장점이 있습니다.리튬인산철화학에 기초한 새로운 배터리 설계에서는 이러한 문제가 발생하지 않습니다.압축 공기 비용은 잠재적으로 더 낮지만, 첨단 압력 용기의 개발에는 비용이 많이 들고, 안전성 테스트와 현재에는 양산 배터리보다 더 비싸다.

전기 저장 기술과 마찬가지로 압축 공기는 저장하는 에너지의 원천만큼만 "깨끗"합니다.라이프 사이클 평가는 전력 그리드 상의 발전 조합과 조합된 특정 에너지 스토리지 테크놀로지의 전체적인 배출에 관한 문제에 대처합니다.

엔진

공압 모터 또는 압축 공기 엔진은 압축 공기의 팽창을 사용하여 엔진의 피스톤을 구동하거나 차축을 회전하거나 터빈을 구동합니다.

다음과 같은 방법으로 효율성을 높일 수 있습니다.

  • 고효율 연속 확장 터빈
  • 다중 확장 단계
  • 특히 하이브리드 열 엔진 설계에서 폐열 사용
  • 환경열 사용

매우 효율적인 배열은 고압, 중압 및 저압 피스톤을 직렬로 사용하며, 각 단계에 이어 공대공 열 교환기를 통해 외기를 흡입하는 에어블라스트 벤추리가 사용됩니다.이는 이전 단계의 배기가스를 따뜻하게 하고 이 예열된 공기를 다음 단계로 허용합니다.각 단계에서 배출되는 유일한 배기 가스는 -15°C(5°F)까지 차가울 수 있는 냉기이며,[16] 이 냉기는 차량 내 에어컨에 사용될 수 있습니다.

1904년 화이트헤드 [53]어뢰와 마찬가지로 연료를 연소함으로써 추가 열을 공급할 수 있다.따라서 추가 연료 비용으로 특정 탱크 용량에 사용할 수 있는 범위와 속도가 향상됩니다.

자동차

1990년 이후 몇몇 회사들이 압축 공기 자동차를 개발하고 있다고 주장해 왔지만, 이용 가능한 것은 없다.일반적으로 주장되는 주요 장점은 도로변 오염이 없고, 비용이 저렴하며, 윤활을 위한 식용유 사용 및 통합 에어컨입니다.

고갈된 탱크를 다시 채우는 데 필요한 시간은 차량 용도로 중요합니다."체적 전달"은 사전 압축된 공기를 정지 탱크에서 차량 탱크로 거의 즉각적으로 이동합니다.또는 고정식 또는 온보드 압축기는 필요에 따라 공기를 압축할 수 있으며, 몇 시간이 필요할 수 있습니다.

출하.

대형 선박용 디젤 엔진은 압축 공기(일반적으로 20~30bar)를 사용하여 시동되며, 연료 분사를 시작하기 전에 특수 시동 밸브를 통해 피스톤에 직접 작용하여 크랭크축을 회전시킵니다.이 배치는 전기 스타터 모터가 그러한 규모일 때보다 더 작고 저렴하며 선박의 전기 발전기와 배전 시스템에 과도한 부하를 가하지 않고 필요한 고출력 버스트를 공급할 수 있습니다.또한 압축 공기는 일반적으로 낮은 압력에서 엔진을 제어하고 실린더 배기 밸브에 작용하는 스프링 힘으로 작용하며, 공압 PID 컨트롤러를 포함한 다른 보조 시스템 및 전동 공구를 작동하기 위해 사용됩니다.이 접근법의 장점 중 하나는 정전이 발생하더라도 저장된 압축 공기로 구동되는 선박 시스템이 중단 없이 계속 작동할 수 있고 발전기를 전기 공급 없이 재가동할 수 있다는 것입니다.다른 하나는 감전의 위험 없이 일반적으로 습한 환경에서 공압 공구를 사용할 수 있다는 것입니다.

하이브리드 차량

공기 저장 시스템은 상대적으로 낮은 출력 밀도와 차량 범위를 제공하지만, 그 높은 효율은 기존의 내연기관을 주 동력원으로 사용하는 하이브리드 차량에 매력적입니다.공기 저장고는 회생 제동 및 피스톤 엔진의 사이클 최적화를 위해 사용할 수 있으며, 이는 모든 동력/RPM 수준에서 동일하게 효율적이지 않습니다.

Bosch와 PSA Pugeo Citroén압축 질소 탱크와 에너지를 주고받는 방법으로 유압을 사용하는 하이브리드 시스템을 개발했습니다.푸조 208과 같은 소형 프레임의 경우유럽 주행 사이클(NEC)에서 2.9l/100km(81mpg, 69g2 CO/km)에 해당하는 연료 소비량이 최대 45% 감소했다고 주장되었습니다.이 시스템은 경쟁하는 전기 및 플라이휠 KERS 시스템보다 훨씬 더 저렴하다고 주장되고 있으며 [54]2016년까지 로드 카에 장착될 예정이다.

역사

공기 엔진은 19세기부터 광산 기관차, 펌프, 드릴 및 트램에 동력을 공급하기 위해 도시 차원의 중앙 배전을 통해 사용되어 왔습니다.경주용 자동차는 압축 공기를 사용하여 내연 엔진(ICE)을 시동하고, 대형 디젤 엔진에는 시동 공압 모터가 있을 수 있습니다.

1928년부터 1961년 사이에 홈스테이크 광산에서 사용된 H. K. Porter, Inc.의 압축 공기 기관차.

시스템의 종류

하이브리드 시스템

브레이튼 사이클 엔진은 내연 엔진에 적합한 연료로 공기를 압축하고 가열합니다.예를 들어 천연가스나 바이오가스는 압축공기를 가열하고, 그 후 기존 가스터빈 엔진이나 제트 엔진의 후부를 팽창시켜 작업을 한다.

압축 공기 엔진은 전기 배터리를 충전할 수 있습니다.Energine은 Pne-PHEV 또는 공압 플러그인 하이브리드 전기차 시스템을 홍보했습니다.[citation needed][55]

기존 하이브리드 시스템

1978년 독일 헌터프와 1991년 미국 앨라배마 주 매킨토시가 하이브리드 발전소를 [17][56]위탁했다.두 시스템 모두 공기 압축에 오프피크 에너지를 사용하고 발전 단계 동안 압축 공기에서 천연 가스를 연소시킵니다.

미래의 하이브리드 시스템

Iowa Stored Energy Park(ISEP)는 동굴 저장소 대신 대수층 스토리지를 사용합니다.대수층 내 물의 변위는 물의 일정한 정수압에 의해 기압이 조절되는 결과를 초래한다.ISEP의 대변인은 "항상 [56]압력을 받는다면 기기를 최적화하여 효율을 높일 수 있습니다."라고 주장합니다.McIntosh 및 Iowa 시스템의 출력은 2 ~300 MW 범위입니다.

오하이오 노턴에서 추가 시설이 개발 중입니다.오하이오주 Akron의 전력회사인 First Energy는 2009년 [57]11월에 2,700 MW Norton 프로젝트에 대한 개발권을 취득했습니다.

RICAS2020 프로젝트는 폐광산을 열회수와 함께 단열성 CES에 사용하려고 시도하고 있습니다.압축열은 느슨한 돌이 채워진 터널 부분에 저장되므로 주압축고실 진입 시 압축공기가 거의 냉각된다.차가운 압축 공기는 표면 터빈을 통해 방출될 때 돌에 저장된 열을 다시 회수하여 전체적인 효율을 [58][59]높입니다.2단계 공정은 이론적으로 약 70%[60]의 더 높은 효율성을 가집니다.

호수 또는 해양 저장소

호수와 바다의 깊은 물은 고압 선박이나 소금 동굴이나 대수층에 [61]구멍을 뚫지 않고도 압력을 제공할 수 있습니다.공기는 깊은 호수나 해안에서 떨어진 곳에 있는 비닐봉지와 같은 저렴하고 유연한 용기에 들어갑니다.장애물은 적절한 위치의 제한과 표면과 컨테이너 사이에 고압 파이프라인이 필요하다는 것입니다.용기는 매우 저렴하기 때문에, 큰 압력(및 깊이)의 필요성은 그다지 중요하지 않을 수 있습니다.이 개념을 기반으로 구축된 시스템의 주요 이점은 충전 및 방전 압력이 깊이의 일정한 함수라는 것입니다.이것에 의해, 발전소의 카르노 비효율성을 저감 할 수 있다.카르노 효율은 여러 충전 및 배출 단계를 사용하고 강의 냉수 또는 태양열 연못의 온수와 같은 저렴한 열원과 싱크대를 사용함으로써 높일 수 있다.예를 들어 여름날 펌핑하기 전에 공기를 냉각시키는 등 시스템이 매우 스마트해야 합니다.부적절한 배관 [62]직경으로 인한 낭비적인 압력 변화와 같은 비효율성을 방지하도록 설계되어야 합니다.

압축가스를 사용하여 수력 발전 시스템을 구동하면 거의 등압해법이 가능하다.그러나 이 솔루션을 사용하려면 대형 압력 탱크가 육지(수중 에어백도 포함)에 있어야 합니다.또한, 수소 가스는 다른 기체가 상대적으로 약간의 깊이(예: 500m)에서도 상당한 정수압을 겪기 때문에 선호되는 유체이다.

유럽 전력회사 E.ON은 해저 공기 저장 [63][64]백 개발에 140만 유로(110만 파운드)의 자금을 제공했습니다.캐나다 하이드로스토르는 압축공기 에너지 저장용 수중 저장장치 '어큐뮬레이터'의 상용 시스템을 1~4MW [65]규모로 개발하고 있다.

북아일랜드의 해저 동굴에 압축 공기 에너지 저장소의 어떤 형태에 대한 계획이 있다.[66]

거의 등온

거의 등온 압축기와 팽창기의 개략도.피스톤이 완전히 접힌 상태에서 좌측 뷰, 피스톤이 완전히 삽입된 상태에서 우측 뷰

거의 등온 압축의 많은 방법이 개발되고 있다.Fluid Mechanics에는 왕복 [67]피스톤에 부착된 열 흡수 및 방출 구조(HARS)가 있는 시스템이 있습니다.Light Sail은 왕복 실린더에 [citation needed]물 스프레이를 분사합니다.SustainX는 반맞춤형 120rpm 압축기/[68]팽창기 내부에 공기-물 폼 혼합기를 사용합니다.이 모든 시스템은 압축 속도에 비해 높은확산도로 공기가 압축되도록 보장합니다.일반적으로 이러한 압축기는 최대 1000rpm의 속도로 작동할 수 있습니다.높은 열 확산도를 보장하기 위해 가스 분자가 열 흡수 표면에서 평균 0.5mm 떨어져 있습니다.이러한 거의 등온 압축기는 거의 등온 팽창기로도 사용될 수 있으며, CES의 왕복 효율을 개선하기 위해 개발되고 있다.

「 」를 참조해 주세요.

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외부 링크