In Down to Earth van juni 2018, het magazine van Milieudefensie, staat een artikel over een manier van energieopslag waarover je niet vaak hoort: persluchtbatterijen. Dat zou een oplossing kunnen bieden op momenten waarin er met zonne- of windenergie meer elektrische energie wordt opgewekt dan afgenomen kan worden.
a) Leg uit dat dat dit een nieuw probleem is waar Nederland mee te maken krijgt als gestopt wordt met opwekking van elektriciteit met behulp van fossiele brandstoffen.
Elektriciteitscentrales die werken op fossiele brandstoffen kunnen snel reageren op wisselende vraag naar elektriciteit. Dan wordt de toevoer van brandstof verhoogd of verlaagd. Met zonne- en windenergie is dat niet zo gemakkelijk. Het is zonde om bij stevige wind de molens stil te zetten of bij volop zon zonnecentrales uit te schakelen als de vraag naar elektriciteit laag is. Het is onmogelijk de zon harder te laten schijnen of de wind harder te laten waaien als de vraag juist hoog is.
In het artikel staat dat de techniek om energie op te slaan door het samenpersen van lucht al oud is, maar nauwelijks wordt toegepast. De reden is dat bij het vullen van een persluchtbatterij tot 30 procent van de energie in de vorm van warmte verloren gaat. Bij het weer omzetten van de opgeslagen energie in elektrische energie gaat opnieuw veel energie verloren, zodat per saldo het rendement van het hele proces minder dan 50 procent bedraagt.
Bij alle thermische processen, zoals het samenpersen of expanderen van een hoeveelheid gas, geldt de ‘eerste hoofdwet van de warmteleer’ Q = ΔEpot + ΔEkin +Wu. Hierin is Q de toegevoerde warmte, ΔEpot de toename van de potentiële energie van de gasmoleculen, ΔEkin de toename van de kinetische energie van de gasmoleculen en Wu de arbeid die het gas uitoefent op de omgeving. Dit is gewoon een voorbeeld van de wet van behoud van energie.
Een eenvoudig voorbeeld zie je in figuur 1. Een hoeveelheid gas (met volume V en druk p) bevindt zich in een cilinder die is afgesloten door een zuiger, die vrijwel wrijvingloos kan bewegen. Het gas wordt samengeperst door de zuiger in te drukken. Er wordt geen warmte toegevoerd.
b) Waarom verricht het gas hierbij negatieve arbeid?
Het gas oefent druk uit, zodat de zuiger een kracht ondervindt naar beneden (in de tekening). De zuiger gaat echter naar boven. En dus zijn de kracht die het gas op de zuiger uitoefent en de verplaatsing van de zuiger tegengesteld gericht. Dat betekent: de door het gas verrichte uitwendige arbeid Wu < 0.
De moleculen van een gas oefenen een aantrekkingskracht op elkaar uit. Dankzij deze kracht hebben de moleculen van een gas potentiële energie.
c) Leg uit dat ΔEpot negatief is als de gemiddelde onderlinge afstand van de moleculen kleiner wordt.
Je kunt dit vergelijken met de potentiële energie die een voorwerp heeft in het zwaartekrachtsveld van de aarde. Dat is de zwaarte-energie. Deze neemt af als de onderlinge afstand tussen de aarde en het voorwerp vermindert. Zo neemt ook de potentiële energie van de moleculen af als het volume van het gas verkleind wordt, m.a.w. ΔEpot < 0.
d) Leg nu uit dat samenpersen van het gas leidt tot temperatuurstijging.
In de formule Q = ΔEpot + ΔEkin +Wu moet je dan invullen Q = 0 (er wordt immers geen warmte toegevoerd), ΔEpot < 0 en Wu < 0. Met als gevolg ΔEkin > 0. De kinetische energie van de moleculen neemt dus toe, ofwel hun gemiddelde snelheid wordt groter. En dat betekent: temperatuurstijging.
In een persluchtbatterij wordt de lucht samengeperst met een elektrische perspomp (compressor). De temperatuurstijging van de lucht is een verliespost: men maakt er geen nuttig gebruik van. De cilinder met lucht koelt weer af door de lagere omgevingstemperatuur.
Op het moment dat men van de opgeslagen energie gebruik wil maken, laat men de samengeperste lucht een schoepenrad (turbine) aandrijven. De lucht krijgt daarbij natuurlijk een groter volume (expansie). De turbine is met een generator verbonden die elektriciteit opwekt.
e) Leg met de eerste hoofdwet uit wat er met de temperatuur van de lucht gebeurt tijdens het expanderen.
Ook nu is Q =0. De lucht verricht positieve arbeid door de turbine met de daaraan verbonden generator de laten draaien, dus Wu >0. De onderlinge afstand van de luchtmoleculen neemt toe, dus ΔEpot >0. Uit Q = ΔEpot + ΔEkin +Wu volgt dan ΔEkin <0. Ofwel: de temperatuur daalt.
Down to Earth schrijft dat dit in zo sterke mate gebeurt dat men aardgas inzet om de temperatuur weer op peil te brengen. Zo gaat nog meer energie verloren!
Toch ziet het tijdschrift wel een mooie toekomst voor persluchtopslag weggelegd, namelijk bij decentrale toepassing: in het huishouden ligt het rendement hoger.
f) Geef een reden waarom het rendement in het huishouden hoger is.
De temperatuurverhoging die optreedt bij compressie kan benut worden om water warm te maken (voor verwarming en douche). De temperatuurdaling bij expansie is geschikt voor koeling van levensmiddelen.
g) Waarom denk je dat de auteur spreekt van ‘lowtech energieopslag’?
Er zijn geen ingewikkelde apparaten voor nodig en geen ingewikkelde elektronica. Compressoren, turbines, expansieruimtes worden op grote schaal in de industrie gebruikt. De technieken zijn dus al beschikbaar. Inderdaad: lowtech (in tegenstelling tot hightech).
