Grundprincipen för CAES innefattar följande steg:
• Kompression:Luft komprimeras adiabatiskt (d.v.s. utan betydande värmeöverföring till eller från omgivningen) med hjälp av en luftkompressor, vilket ökar dess temperatur.
• Kylning:Den komprimerade luften kyls sedan till omgivningstemperatur med hjälp av en värmeväxlare, vilket tar bort värmen som genereras under kompressionen och minskar dess volym ytterligare.
• Lagring:Den kylda komprimerade luften lagras sedan i en lämplig underjordisk lagringsanläggning, såsom en salthåla, utarmad gasreservoar eller en akvifer.
• Expansion:Vid behov expanderas den lagrade tryckluften tillbaka till ett lägre tryck genom en turbin, vilket omvandlar dess lagrade potentiella energi till kinetisk energi.
• Kraftgenerering:Den expanderade luften passerar genom en generator, där den får rotorn att snurra och producera elektricitet.
• Värmeåtervinning:Frånluften från turbinen innehåller fortfarande en del energi i form av värme, som kan återvinnas med hjälp av en värmeväxlare för att förvärma luften som kommer in i kompressorn. Detta förbättrar systemets totala effektivitet.
För att illustrera formeln, överväg ett CAES-system med följande parametrar:
• Initialt lufttryck:1 atm
• Slutligt lufttryck:10 atm
• Initial lufttemperatur:25°C
• Slutlig lufttemperatur:35°C
• Turbinverkningsgrad:80 %
• Generatoreffektivitet:90 %
• Total verkningsgrad för luftkompressorn och värmeväxlaren:85 %
1. Kompressionsarbete:Det arbete som krävs för att komprimera luften kan beräknas med formeln:
Kompressionsarbete =(P2V2 - P1V1)/n,
där P1 och P2 är de initiala och slutliga trycken, V1 och V2 är de initiala och slutliga volymerna och 'n' är den polytropiska exponenten för luft (ungefär 1,4).
2. Kylarbete:Förutsatt att kylningsprocessen är isobarisk (konstant tryck) och förutsatt perfekt värmeöverföring, är arbetet som krävs för att kyla den komprimerade luften:
Kylarbete =m * C_v * (T2 - T1),
där T1 och T2 är de initiala och slutliga temperaturerna, m är luftmassan och C_v är luftens specifika värme vid konstant volym (ungefär 718 J/kg-K).
3. Värmeåtervinning:Värmen som kan återvinnas från turbinens frånluft kan beräknas med:
Värmeåtervinning =m * C_p * (T3 - T4), där T3 är avgastemperaturen, T4 är temperaturen på luften som kommer in i kompressorn och C_p är luftens specifika värme vid konstant tryck (ungefär 1004 J/kg-K ).
4. Kraftproduktion:Den effekt som genereras av turbinen ges av:
Effekt =m * (h1 - h2) *n,
där h1 och h2 är de specifika entalpierna för luften vid turbinens inlopp och utlopp, och $\eta$ är turbinens verkningsgrad.
Den totala systemeffektiviteten kan sedan beräknas som:
Systemeffektivitet =(effekt / kompressionsarbete + kylarbete)
Genom att koppla in de givna numeriska värdena, beräkna var och en av dessa kvantiteter och bestäm CAES-systemets totala systemeffektivitet.
