Elektrisiteitsvoorsieners is voortdurend besig om die aanbod van elektrisiteitsenergie in ooreenstemming met die vraag na energie te balanseer.  Die vraag na elektrisiteit is nie konstant nie, maar wissel na gelang van die tyd van die dag, die dag in die week en ook volgens die seisoen. Aan die voorsieningskant bestaan die probleem dat kragstasies nie na willekeur aan- en afgeskakel kan word nie en dat boonop voorsiening gemaak moet word vir tye van onderhoud op die kragstasies. Met die klem wat deesdae al hoe meer op alternatiewe energie, soos windkrag en sonkrag geplaas word, het hierdie probleem nie makliker geword nie – inteendeel – dit het moeiliker geword. Voorsiening van wind-en sonkrag is uiters wisselvallig omdat hierdie alternatiewe energie weerafhanklik is. Om hierdie rede is dit nodig om ‘n  aanpasbare opwekkingskapasiteit te bewerkstellig deur elektriese energie in tye van ‘n ooraanbod te berg. In tye van hoë elektrisiteitsaanvraag of ontoerykende elektrisiteitsopwekking, kan hierdie elektriese energie beskikbaar gemaak word ten einde aanbod by die vraag aan te pas. Dít is egter baie makliker gesê as gedoen.

Gepompte Hidro-energieberging

Die tradisionele wyse waarop ‘n aanpasbare opwekkingskapasiteit bewerkstellig word, is deur gebruik te maak van gepompte hidro-elektrisiteitsberging (PHES – pumped hydroelectric energy storage). In tye van ‘n oorskot van elektriese energie word potensiële energie aan water toegevoeg deur die water met behulp van ‘n elektriese pompstasie na ‘n dam of ‘n reservoir op ‘n hoër ligging, byvoorbeeld ‘n berg of ‘n heuwel, te pomp. Sodra ‘n vraag na addisionele elektriese energie ontstaan, word hierdie water weer losgelaat. Die water se potensiële energie word sodoende omgesit in kinetiese of bewegingsenergie waarmee hidro-elektriese turbines aangedryf word om die gevraagde elektrisiteit op te wek. Die doeltreffendheid van energie wat op hierdie wyse geberg en weer opgewek word, is tussen 75% en 85%. In baie lande, veral Europese lande is geskikte terreine om PHES-aanlegte te bou egter nie geredelik beskikbaar nie. Verder word deesdae baie klem op natuurbewaring gelê en is dit daarom belangrik om die natuurlike omgewing ongeskonde te hou. Tog, die vraag na elektrisiteit word nie minder nie en weens ander natuurbewaringsoorwegings word die klem al hoe meer op die benutting van wisselvallige alternatiewe energiebronne soos son en wind geplaas.

Gesamentlik veroorsaak hierdie vereistes geweldige uitdagings vir elektrisiteitsvoorsieners en vir ingenieurs. ‘n Interessante manier  om energie op te wek is ‘n metode wat in die VSA ondersoek word om oorbodige energie te berg is in die volgende video te sien.

‘n Swaar spoorweg-trok word met die oorskot elektriese energie langs ‘n spoor na ‘n hoër ligging beweeg. ‘n Sekere potensiële energie word só aan hierdie trok toegevoeg. Wanneer addisionele elektrisiteit benodig word, rol die trok na die laer gedeelte en wek sodoende met behulp van die trok se kinetiese energie elektriese krag op. ‘n Baie groter energiedigtheid word hiermee bewerkstellig as wat met water bereik kan word.

Saamgeperste lug Energieberging

Nog ‘n ander manier wat gebruik kan word om energie te berg is deur van saamgeperste lug – CAES (Compressed-air Energy Storage) gebruik te maak. Die beginsel van CAES is soortgelyk aan PHES en die gravitasie-spoortrok. In tye wanneer daar ‘n elektriese energie-oorskot is word elektriese kompressors gebruik om lug in ‘n ondergrondse holte of grot saam te druk tot ongeveer 70 bar. Wanneer daar addisionele elektrisiteitsvraag ontstaan, word saamgeperste lug uit die holte vrygelaat wat ‘n lugdrukturbine of -motor wat aan ‘n kragopwekker gekoppel is aandryf. Omdat die bergingsholte ondergronds is, het dit baie min visuele impak op die landskap. Dit is egter vir die skrywer onduidelik in hoe ‘n mate bergingsholtes geredelik beskikbaar is. In Suid-Afrika is dit dalk moontlik dat uitgewerkte myne hiervoor aangewend kan word. Miskien kan van ons lesers wat meer hieroor weet kommentaar lewer.

Wêreldwyd bestaan daar tans slegs twee van hierdie sogenaamde mega-CAES-elektrisiteitbergingsaanlegte. Die een aanleg is in Huntorf Duitsland wat in 1978 in diens gestel is en die ander in McIntosh, Alabama in die VSA wat sedert 1991 in diens is. Die twee aanlegte is egter altwee ongelukkige voorbeelde van die aanwending van CAES omrede die doeltreffendheid van die ouer aanleg  maar 42% is terwyl die latere een slegs 54% doeltreffend is. Dit beteken dat beide die aanlegte se doeltreffendheid meer as 20 persentasiepunte laer as PHES-aanlegte is.

Die vraag kan nou gevra word waarom is die CAES-energiebergingbenadering soveel minder doeltreffend? Die rede hiervoor is tweeledig. Die eerste rede is dat wanneer ‘n gas saamgedruk word, gaan dit gepaard met die opwekking van hitte. Dieselfde effek word waargeneem wanneer ‘n fiets se wiel gepomp word en die pomp warm word. Omdat hierdie hitte onbenut verlore gaan is dit ‘n verlies aan energie wat ‘n ondoeltreffendheid verteenwoordig. Die tweede rede vir ondoeltreffendheid word gevind wanneer die saamgeperste lug vrygelaat word. Dit gaan gepaard met ‘n drukverlaging wat veroorsaak dat daar verkoeling plaasvind. Die afgekoelde lug veroorsaak dat die opwekkingsturbine nie optimaal kan funksioneer nie en dit word dan nodig om hierdie koue lug weer te verhit – dit wil sê – energie by te sit. In genoemde CAES-aanlegte word natuurlike gas gebruik vir verhitting wat verdere ondoeltreffendheid in die stelsel tot gevolg het. Maar… ons wil nie CAES-stelsels hieroor afskryf nie. CAES-stelsels het besliste voordele en daarom sou ek graag in ‘n opvolgartikel wou fokus op Projek ADELE – Adiabatiese saamgeperste-lug-energieberging vir elektrisiteitsvoorsiening.

Saamgeperste lug as Stoormedium en Aandrywingsmedium

As ‘n bygedagte tot die artikel kan ons besin oor saamgeperste lug as stoormedium en as aandrywingsmedium. Die gebruik van saamgeperste lug as aandrywing en stoormedium is geensins nuut nie. So is daar in die 1890’s die eerste lokomotiewe gebou wat met saamgeperste lug gewerk het. ‘n Video is opgespoor van ‘n demonstrasie van die 1906, HK Porter, saamgeperste lug mynlokomotief.

In die jaar 1879 het ‘n Franse ingenieur, ene  Victor Tatin (1843 – 1913) ‘n vlieënde vliegtuigmodel gebou wat met saamgeperste lug twee lugskroewe aangedryf het. Maar, dit is nie al nie. In 1866 is die Whitehead torpedo, die eerste  selfaangedrewe torperdo gebou wat saamgeperste lug as energiebron gebruik het.  Lug is onder ‘n druk van 2,55 MPa gestoor wat dan gebruik is om ‘n suierenjin aan te dryf wat ‘n skroef  teen 100 opm gedraai het. Hierdeur kon die torpedo 180 meter ver teen sowat 12 km/h beweeg. Spoed en afstand op latere modelle is so verbeter dat die torpedo aangewend kon word op ‘n afstand van ‘n 1000 meter teen ‘n spoed van 65 km/h.

Nadat ek bietjie met ‘n lugdrukkompressor wat ‘n pneumatiese hoekslyper aandryf gespeel het, het die gedagte by by my opgekom dat ‘n batterybank van ‘n sonkragstelsel miskien vervang kan word met ‘n saamgedrukte lugreservoir wat deur ‘n elektriese kompressor gevul word en wat ‘n lugdrukmotor of -turbine, gekoppel aan  ‘n kragopwekker, aandryf en sodoende ‘n netlos-sonkragstelsel in staat stel om deurlopend elektriese energie te lewer.

Saamgeperste-lug as volhoubare alternatief vir batterye

Dit blyk uit die literatuur dat energieberging by wyse van saamgeperste lug ‘n volhoubare alternatief vir batterye is, dat dit ‘n langer lewensverwagting en laer lewensiklus-koste het en dat dit tegnies eenvoudiger is om te bedryf en te onderhou. Daarteenoor is batterye op hierdie stadium nog duur en die lewensduur is ook nie te watwonders nie. Verder moet batterye baie goed bestuur word tydens die laai en ontlaai proses.

Daar is egter twee faktore wat teen die gebruik van CAES tel naamlik, energiedigtheid en CAES-ondoeltreffendheid soos alreeds hierbo uitgewys.

• Saamgeperste lug het ‘n baie lae energiedigtheid. Byvoorbeeld, as lug tot 300 bar (i.e. 30 MPa of 296 atmosfere) saamgepers word, het ‘n energiedigtheid van ongeveer 0,14 megajoule per liter (39 Wh/l). Vergelyk dit met die elektrochemiese lood-suurbattery wat ‘n energiedigtheid van 60 – 110 Wh/l het en petrol wat ‘n energiedigtheid van 95 000Wh/l het. As gevolg hiervan sal ‘n mens twee keer moet dink om saamgeperste lug as energiebron vir ‘n voertuig te gebruik. Hierdie beperking hoef egter nie noodwendig te geld vir ‘n sonkragstelsel wat elektrisiteit aan ‘n huishouding, plaas of besigheid voorsien nie. ‘n Lugdrukreservoir kan gemaklik ondergronds gehuisves word, wat uit die oog en uit die pad is.
• Vanuit doeltreffendheidsoorwegings blyk dit dat, in teenstelling met die mega-CAES-stelsels, is die ondoeltreffendheidsgevolge by ‘n kleiner stelsel wat teen ‘n laer druk aangewend word nie so akuut nie. Dit is so omdat die kleiner of mikro-toepassing onbeduidende temperatuurveranderings ondergaan wanneer die stelsel op werkstemperatuur funksioneer. Wanneer die druk waarop ‘n mikro-CAES-stelsel werk minder as ongeveer 1 MPa (10 bar) is veroorsaak samedrukking en uitsetting van lug nalaatbare temperatuur-veranderinge en so ‘n stelsel toon dan naby-isotermiese eienskappe. Dit het tot gevolg dat ‘n mikro-CAES-stelsel se doeltreffendheid tussen 90% en 95% is.

Met hierdie in gedagte is ‘n sommetjie gemaak vir ‘n saamgeperste lug energie-bergingstelsel wat bestaan uit ‘n tenk met ‘n deursnee van 2,5 m en ‘n lengte van 5 m, wat gevul is met saamgeperste lug by ‘n druk van 1,0 MPa of te wel 10 bar. Met so ‘n stelsel is dit moontlik om ongeveer 9,5 kWh se energie te stoor. Hierdie energievermoë is gelykstaande aan agt lood-suurbatterye met ‘n terminaalspanning van 12V wat elk ‘n vermoë van 100 Ah het.

Erkennings:

https://en.wikipedia.org/wiki/Compressed_air_energy_storage

https://en.wikipedia.org/wiki/Whitehead_torpedo

https://en.wikipedia.org/wiki/Victor_Tatin

http://www.lowtechmagazine.com/2018/05/ditch-the-batteries-off-the-grid-compressed-air-energy-storage.html

Gesels saam:

Ons ontvang graag jou kommentaar op hierdie artikel (Gaan na Leave a Comment hieronder). Gebruik ook gerus ons GespreksForum om ‘n gesprek aan die gang te sit deur jou vrae, wenke en insette met die KragDag gemeenskap te deel.

——————————————

Help ons asseblief om hoë gehalte artikels te verseker deur hieronder aan te dui hoeveel sterre jy vir hierdie artikel sou toeken.