Il principio base del CAES prevede i seguenti passaggi:
• Compressione:l'aria viene compressa adiabaticamente (cioè senza trasferimento di calore significativo da o verso l'ambiente circostante) utilizzando un compressore d'aria, che ne aumenta la temperatura.
• Raffreddamento:l'aria compressa viene quindi raffreddata a temperatura ambiente mediante uno scambiatore di calore, eliminando il calore generato durante la compressione e riducendone ulteriormente il volume.
• Stoccaggio:l'aria compressa raffreddata viene quindi immagazzinata in un idoneo impianto di stoccaggio sotterraneo, come una caverna salina, un serbatoio di gas esaurito o una falda acquifera.
• Espansione:quando necessario, l'aria compressa immagazzinata viene espansa nuovamente a una pressione inferiore attraverso una turbina, convertendo l'energia potenziale immagazzinata in energia cinetica.
• Generazione di energia:l'aria espansa passa attraverso un generatore, dove fa girare il rotore e produce elettricità.
• Recupero del calore:l'aria di scarico della turbina contiene ancora una parte di energia sotto forma di calore, che può essere recuperata utilizzando uno scambiatore di calore per preriscaldare l'aria che entra nel compressore. Ciò migliora l’efficienza complessiva del sistema.
Per illustrare la formula, si consideri un sistema CAES con i seguenti parametri:
• Pressione iniziale dell'aria:1 atm
• Pressione finale dell'aria:10 atm
• Temperatura iniziale dell'aria:25°C
• Temperatura finale dell'aria:35°C
• Efficienza della turbina:80%
• Efficienza del generatore:90%
• Efficienza complessiva del compressore d'aria e dello scambiatore di calore:85%
1. Lavoro di compressione:il lavoro richiesto per comprimere l'aria può essere calcolato utilizzando la formula:
Lavoro di compressione =(P2V2 - P1V1)/n,
dove P1 e P2 sono le pressioni iniziale e finale, V1 e V2 sono i volumi iniziale e finale e 'n' è l'esponente politropico dell'aria (circa 1,4).
2. Lavoro di raffreddamento:Supponendo che il processo di raffreddamento sia isobarico (pressione costante) e presupponendo un perfetto trasferimento di calore, il lavoro richiesto per raffreddare l'aria compressa è:
Lavoro di raffreddamento =m * C_v * (T2 - T1),
dove T1 e T2 sono le temperature iniziale e finale, m è la massa d'aria e C_v è il calore specifico dell'aria a volume costante (circa 718 J/kg-K).
3. Recupero del calore:Il calore che può essere recuperato dall'aria di scarico della turbina può essere calcolato utilizzando:
Recupero di calore =m * C_p * (T3 - T4), dove T3 è la temperatura di scarico, T4 è la temperatura dell'aria in ingresso al compressore e C_p è il calore specifico dell'aria a pressione costante (circa 1004 J/kg-K ).
4. Produzione di energia:la potenza generata dalla turbina è data da:
Potenza =m * (h1 - h2) *n,
dove h1 e h2 sono le entalpie specifiche dell'aria all'ingresso e all'uscita della turbina, e $\eta$ è l'efficienza della turbina.
L’efficienza complessiva del sistema può quindi essere calcolata come:
Efficienza del sistema =(Potenza resa / Lavoro di compressione + Lavoro di raffreddamento)
Inserendo i valori numerici indicati, calcolare ciascuna di queste quantità e determinare l'efficienza complessiva del sistema CAES.
