Accumulo di energia con aria compressa

[Stregatto]

In un sito di ricercatori che frequento (Research Gate), un matto di russo (che seriamente voleva parlare di moto perpetuo) citava una ignota invenzione di ingegneri norvegesi, che pensano di accumulare energia in fondo al mare.
Perchè proprio in fondo al mare, mi sono chiesto ? L'unica risposta è che in fondo al mare c'è alta pressione.
E ho pensato (non so se è la stessa idea dei norvegesi) che nelle profondità marine si può tenere, stabilmente e senza bisogno di costosi recipienti in pressione, dell'aria compressa da usare come accumulo di energia.
Pensate a un recipiente alla profondità, per esempio, di 100 metri, dove la pressione idrostatica è di 10 atmsfere. Il recipiente sia cilindrico, stagno, e contenga un pistone che viene sollevato immettendo aria compressa a 10 atmosfere. Le pressioni dell'aria compressa e del mare sono in equilibrio e quindi non occorrerebbero pareti spesse per resistere a una pressione esterna che è in equilibrio con quella interna.
Il reipiente sia in comunicazione con l'ambiente sopra la superficie del mare tramite un tubo, attraverso cui si può immettere aria compressa e prelevarla per utilizzarla per produrre energia, espandendola in una macchina.

E' un modo poco costoso di accumulare energia, sfruttando la pressione idostatica del mare e praticamente senza limiti di capacità. Basta disporre del mare. Se poi il mare non c'è, basta fare un buco per terra di diametro sufficiente, infilarci in fondo il cilindro che dicevo e riempirlo d'acqua, per avere un sistema di accumulo dell'energia semplice e poco costoso.

Per ancora maggiore semplicità, non c'è bisogno nemmeno di un complicato cilindro col pistone, perchè sarebbero le stesse pareti del foro a fare le funzioni del cilindro. Basta un involucro flessibile, di plastica, collegato con un tubo alla superficie, attraverso cui verrebbe prelevata e immessa l'aria compressa.

L'accumulo di energia avrebbe bisogno solo (!) di un compressore d'aria e di una macchina di espansione dell'aria compressa collegata a un generatore di corrente. Nessun accumulo con batterie, il foro nel terreno (o qualunque cavità carsica) pieno d'acqua sarebbe l'accumulatore.

Non so cosa hanno concepito quegli ingegneri norvegesi, ma questa mi pare una buona idea. Che ne dite ?

[Elisabetta Meli]

Leggi bene qui

[Stregatto]

Grazie. Ma guarda che l'accumulo di energia con aria compressa in un recipiente in pressione non è una novità. Solo richiede recipienti adatti a resistere alla pressione, cioè bombole, pesanti e costosi.
La mia idea è quella di mettere il recipiente sott'acqua sotto un certo battente, in modo che la pressione dell'acqua bilanci la pressione dell'aria compressa, così da permettere l'uso di recipienti con pareti sottili, al limite con pareti flessibili in plastica. Basta collegare i recipienti con la superficie con un tubo. A me pare molto più pratico.

[Stregatto]

Aggiungerei (perchè mi è venuto in mente dopo) che anche una cavità sommersa in profondità chiusa superiormente potrebbe fungere, senza nessuna modifica (salvo una verifica che sia davvero stagna), da serbatoio di aria compressa.
Tutta l'attrezzatura si ridurrebbe al tubo dell'aria e al macchinario in superficie (pompa e espansore, magari nella stessa macchina, più un generatore). Meno di così non si può.

Interessante anche il problema di ridurre al minimo le dispersioni nel ciclo di carica/scarica, cioè di compressione/espansione dell'aria, operazioni che dovrebbero essere realizzate in modo il più possibile isotermico. Potrebbe essere un pistone che funge da compressore ed espansore, termostatizzato con acqua di mare.

[serman]

C'è qualcosa che ti sfugge : se usi la pressione esterna al contenitore per compensare quella interna che succede appena prelevi aria compressa riducendo quindi la pressione interna ? Niente se le pareti del contenitore sono dimensionate per la massima pressione esterna in caso contrario avrai il collasso verso l'interno delle pareti.In pratica non cambia assolutamente nulla rispetto ad un contenitore classico tipo bombola : in ogni caso il contenitore deve essere dimensionato per la pressione massima.Altro particolare non trascurabile : se vuoi immettere aria in un contenitore sottoposto ad una pressione di 10 atm devi ovviamente pompare ad una pressione superiore a 10 atm e quindi devi usare un'energia molto maggiore rispetto a quella necessaria per immettere aria in un contenitore che parte dalla normale pressione atmosferica.A questo punto dove stanno i vantaggi ?

[marcober]

Giusto Serman. Però se il contenitore è flessibile, se è vuoto sarà schiacciato da 10 atm ma non per questo se è essere robusto,,,e quando arriva a 10 atm in pratica è in equilibrio. Se la stessa cosa la fai con 1 atm esterna, il contenitore deve resistere ad un Delta 9 ma da dentro verso fuori....e non da vuoto ..che per un contenitore elastico non è proprio la stessa cosa...

[serman]

Marcober, se vuoi comprimere a 10 atm dell'aria in un contenitore elastico sottoposto a una pressione esterna di 10 atm devi pomparla a 20 atm perché a 10 atm non entrerebbe niente visto che è la situazione di equilibrio interno/esterno.Ciò significa che il contenitore deve comunque essere dimensionato per il Delta P che in questo caso è sempre di 10 atm sia in terra che in fondo al mare.

[marcober]

ma non devi per forza pompare a 20 ..basta pompare a 11...e hai Delta 9 con la zona da dove pompi...ma hai 1 sul contenitore. Poi quando lo svuoti , se anche hai 10 arm che spingono sul palloncino sgonfio....non succede nulla...perché spingono su entrambi i lati...

[serman]

Che te ne fai di aria compressa a 1 atm ? Dovresti avere volumi del contenitore dieci volte più grandi che a 10 atm per la stessa energia. È comunque il discorso vale anche per un contenitore a terra che per reggere 1 atm potrebbe essere una semplice vescica di gomma...Perché pompare aria a 11 atm sott'acqua quando posso avere la stessa energia stoccata a terra pompando la stessa aria a solo 1 atm ?

[marcober]

Perché pompare aria a 11 atm

Che te ne fai di aria compressa a 1 atm ?

Non vedi che sei in contraddizione?

se pompi a 11 per iniziare a riempire..poi hai 11 da fruttare..ma sulla vescica hai 1.

Infatti il delta fra zona di presa e serbatoio è 10 (11-1)..mentre il serbatoio è "precaricato" a 10...solo che sino a 10 in pratica non si apre..ma quando è chiuso (vuoto) pur essendo sottoposto a 10 , di fatto la parete non è sollecitata perchè la pressione è uguale su ogni lato.
Se passi 10 inizi a dilatare la vescica, ma a 11 l'hai dilatata come se in aria semplice l'avesi riempita a 2 (assoluti)..ottenendo a setssa dilatazione...ma rispetto a dove hai la pompa-generatore..hai delta 10, sia pewr pompare che epr utilizzare..e questo significa che per unita di volume del serbatoio hai molta piu energia stoccata (penso aumenti col quadrato o col cubo della pressione)

[serman]

Ma quanto ti è costata quell'energia ? Per pompare a 11 atm hai bisogno di molta più potenza che a 1 atm per cui il bilancio è sempre in pari : ottieni sempre quello che hai dato (meno le perdite) sia a terra che in fondo al mare. Solo che a terra e molto più semplice e molto meno costoso.

[marcober]

Ma quanto ti è costata quell'energia ? Per pompare a 11 atm hai bisogno di molta più potenza che a 1 atm per cui il bilancio è sempre in pari : ottieni sempre quello che hai dato (meno le perdite) sia a terra che in fondo al mare. Solo che a terra e molto più semplice e molto meno costoso.

esatto..ottieni quello che dai (meno le perdite)..per cui pompi in modo costoso ma ottieni poi elevata pressione relativa da sfruttare.

Solo che stoccare 1000 lt di aria 10 atm a terra devi avere un serbatoio che resiste 10 atm..se lo fai 100 mt sotto il mare ti basta un sacchetto della spesa da 1000 lt che resista il suo peso...se lo riempi a 999 lt lui di fatto non è in pressione..cioè non sta forzando le catene polimeriche che lo costituiscono..è a 10 atm ma è "floscio" come una medusa...insomma..non puo esplodere, la massimo se si fora..sale la bolla d'aria...devi solo ancorarlo al fondo per vincere la risalita.

Se è "vuoto" è impaccato su se stesso..ma un sacchetto non lo distruggi se lo comprimi vuoto..ma lo distruggi s elo gonfi oltre la resistenza strutturale.

Quindi idea di stregatto..che con materiali poveri puoi stoccare una pressione relativa elevata è corretta.

Che poi ci sia convenienza a farlo... posso anche dubitare..ma bisognerebbe fare dei conti.

Di certo accumulare energia sotto forma di aria compressa mi pare che sia poco efficiente..salvo che (forse) puoi sfruttare l'energia termica/frigorifera che produci quando comprimi/ espandi l'aria..in tal caso forse il bilancio energetico avrebbe senso...quando comprimo scaldo un arete di riscaldamento..quando espando raffreddo celle frigo per alimenti (esempio pesce visto che siamo al mare..)

[experimentator]

Ci sono altri problemi , Marco a comprimere un pallone elastico o un tubolare gonfiabile in fondo al mare , in quanto devi considerare che il pallone riempiendosi riceve una spinta dal basso verso l'alto .
Ci vorrebbe un sistema complicato per tenere il pallone in fondo al mare a 100 o 1000 metri , da considerare anche le correnti marine che distruggono tutto .
Insomma l'idea mi sembra poco fattibile .

[Al Mizar]

Io metterei l'accento su Rendimento di compressione e Rendimento di espansione; ossia, quanta dell'energia impiegata per comprimere l'aria, è possibile recuperare facendo espandere questa aria? Mi sa che siamo vicini al 30% del 30%, ossia circa il dieci per cento.
Quanto a realizzare compressione ed espansione isoterme sott'acqua ...

[marcober]

concordo che è complicato ...e probabilmente di scarso interesse , penso a causa della scarsa efficienza dei compressori e turbine ad aria rispetto all'acqua.

In ogni caso i Norvegesi avevano in mente un sistema diverso... A storage power plant on the seabed

creare serbatoi sottomarini da svuotare e riempire di acqua..sfruttando il delta di pressione con la superficie..ma in questo caso i serbatoi devono resistere alla pressione.

L'idea di stregatto di usare aria e un "accumulo floscio" mi intriga di più...specie se, come detto, si riesce ad usare la parte termica delle operazioni di compresisone-decompresione.

La decompressione del gas è gia una attività che viene fatta con recupero energetico (generazione elettrica) e termico (frigorifero)..per cui stiamo parlando di tecnologie disponibili..e comunque ci sono 2 impianti ad aria operativi https://www.eon.com/content/dam/eon-...ntorf_engl.pdf e CAES < McIntosh Power Plant < Generation < Energy Resources < PowerSouth Energy Cooperative

Per cui con dei serbatoi magari collassabili (a fisarmonica?) , magari potrebbero funzionare anche in mare...ovvio...con tutti i problemi connessi con ambienti poco ospitali..se ci fosse caverna oppure miniera esaurita,meglio

[serman]

Scusa Macober ma non capisco perché pensi che una pressione alta sia più "sfruttabile " . L'energia che ottieni è legata sia alla pressione che al volume per cui puoi ricavare la stessa energia con una bassa portata ad alta pressione o una grande portata a pressione inferiore.A terra non sono costretto a usare una pressione alta come in fondo al mare : semplicemente uso un contenitore più grande a bassa pressione. Trattandosi di applicazioni statiche non ho problemi di ingombro come su un mezzo mobile. In fin dei conti la pressione del mare di per se è una grandezza statica paragonabile alla forza di gravità (che di fatto la genera) se compi del lavoro per contrastarla al massimo avrai di ritorno lo stesso lavoro al ristabilimento dell'equilibrio. Tralasciando le quasi insuperabili problematiche tecniche ben evidenziate da altri interventi alla fine mi chiedo : ma che vantaggi ho ?

[experimentator]

Concordo .
Si potrebbe pensare a un serbatoio con grosso pistone a tenuta ermetica , con un peso di tonnellate sopra , che si alza e si abbassa in base alla pressione .
Oppure parimenti un robusto tubolare o pallone con un peso sopra che si abbassa o si alza in base alla pressione interna .

[marcober]

Trattandosi di applicazioni statiche non ho problemi di ingombro come su un mezzo mobile. In fin dei conti la pressione del mare di per se è una grandezza statica paragonabile alla forza di gravità (che di fatto la genera) se compi del lavoro per contrastarla al massimo avrai di ritorno lo stesso lavoro al ristabilimento dell'equilibrio. Tralasciando le quasi insuperabili problematiche tecniche ben evidenziate da altri interventi alla fine mi chiedo : ma che vantaggi ho ?

Non è (o potrebbe non essere) una questione di ingombro ma di costo.
Se lo faccio i superficie, devo avere enormi serbatoi con parete spessa in modo da resistere lle pressioni che servono.
Nel link che ho messo, di dice che il range migliore per immagazzinare aria è fra 46 e 66 bar... e l'accumulo sono 2 caverne diametro 40 e alte 150 metri.
Cosa costa costruire un accumulo in ferro di queste dimensioni e che resista a 70 bar?

Se invece lo metto 600 metri sotto il mare, ho gia 60 bar.
E se ho un contenitore collassabile e lo riempo a 60 bar..sino a quando non ho messo i litri di capacita nominale del contenitore, non ho pressione differenziale sula parete del contenitore.
Se anche avessi il sacco vuoto (pressione interna ZERO) la parete non è sottoposta a stress.
Se la riempo di aria a 60 bar, compenos la pressione esterna..stress del contenitore zero.
Ma se il contenitore è in comunicazione co superficie, sfrutto 60 bar ..ovvio che devo poi pompare 60 bar..ma il discorso è proprio legato al rapporto fra potenza e pressione.
Se accumulo a 60 bar, nello stesso volume riesco a metere una potenza molto maggiore a parita di litri del contenitore..penso sia una funzione logaritmica..per cui il Megawh incrementale che immagazzino (alla pressione marginale sempre piu alta) mi aumenta moltissimo l'energia immagazzinata..ma di fatto sempre dentro lo stesso contenitore..quindi a costi fissi costanti.
se invece di un contenitore a 60 bar dovessi fermarmi a 20 bar..non mi basterebbero nemmeno 3 contenitori..ma probabilmente decine di contenitori di egual dimensione..per via della curva logaritmica.


Poi esiste un secondo fattore..la pressione costante.

Se hai un contenitore in superficie...la sua pressione varia man mano che lo riempi e lo svuoti...ma l'efficienza del compressore e della turbina varia al variare della pressione ..con una P ottimale che puo essere ottimizzata in base a certi parametri costruttivi. Presumo che efficienza di produzione dela turbina che sfrutta sia funzione del delta P che hai..piu è elevato, piu efficienza sale.

Se hai accumulo in fondo al mare..la pressione è costante dal primo all'ultimo litro che metti nel serbatoio...e questo pare sia un bel vantaggio nella resa.

Per capire guarda pg 12 del secondo link..e immagina che il serbatoio con battente sia un pallone da campo da tennis ancorato sul fondo del mare...avresti un accumulo che puo essere molto economico (non spesso perche mai in pressione positiva)...molot grande...e con battente di acqua in superficie, quindi a pressione costante.

Non dico che sia facile...o che sia economico...ma nemmeno generare idrogeno sembra comunque particolarmente efficiente come sistema di stoccaggio energetico....per cui non è detto che possa essere una strada...ripeto, dove sfruttare il calore di compressione e il freddo di decompressione è interessante...cosi come avviene gia per GNL

[marcober]

Concordo .
Si potrebbe pensare a un serbatoio con grosso pistone a tenuta ermetica , con un peso di tonnellate sopra , che si alza e si abbassa in base alla pressione .
Oppure parimenti un robusto tubolare o pallone con un peso sopra che si abbassa o si alza in base alla pressione interna .

pero cosi hai sempre un delta fra interno (metti 70 bar) ed esterno (1 bar)..e quindi il serbatoio deve resistere a tale pressione differenziale.
Se tale serbatoio è in fondo al mare...i 70 bar li hai fuori..se dentro non spingi a 70, non metti nulla...se spingi a 70 lo dilati sino ala sua capacità geometrica ma con pressione fra le 2 facci pari a zero

[serman]

Insisto, non serve avere una pressione elevata per fare un accumulo di aria compressa. Anche 1bar è sufficiente come avviene normalmente per i gasometri cittadini. Perché volete complicarvi la vita ? Se non ci sono problemi di spazio non serve buttare soldi per strutture che devono reggere alte pressioni, oltretutto pericolose. Se non ricordo male in passato sono stati fatti progetti di accumulo aria compressa a bassa pressione che prevedevano come serbatoi il recupero di miniere dismesse o vecchi giacimenti esauriti di metano.

[marcober]

Si..è sufficiente..ma:

1 se in un contenitore da 1 lt a 1 bar metti 100 Wh..nello stesso contenitore a 100 bar metti non 100 volte tanto..ma 1000 o 10 mila..non so..ma di certo è logaritmica e non lineare.
Per cui se in superficie un cntenitore da 1 lt che tiene 1 bar costa 1 euro..in fondo la mare con lo stesso euro tiene 100 bar..egro la spesa per energia stoccabile crolla (almeno quella relativo al serbatoio..poi bisogna collegarlo)

2 se a 1 bar turbina ha efficienza 1..a 100 bar probabilmente ha efficienza 2-3-4 volte superiore..cosi come un elevato delta T aumenta efficienza macchie termiche rispetto ad uno piccolo (seconda termodinamica mi pare)

ti prego..leggi i link che ho messo prima di rispondere..si parla proprio di accumulo in miniera di sale..che ha efficienza massima fra 46 e 66 bar...altro che 1 bar...

[serman]

A me sembra che la relazione sia lineare dato che il prodotto PxV a temperatura costante dovrebbe essere a sua volta costante. Le turbine possono essere anche a bassa pressione ovviamente con elevata portata di aria così come avviene con quelle idroelettriche (Francis o Pelton). Non esistono solo le turbine ci sono anche giranti a bassa velocità : Per muovere le pale di un mulino a vento occorre una grande portata d'aria ma non serve affatto un grande differenziale di pressione. Per quanto riguarda la miniera di sale mi piacerebbe sapere come pensavano di risolvere il problema della tenuta a quelle pressioni in un anfratto sottoterra (a 50 bar parliamo di pressioni specifiche di 500 tonnellate per ogni mq .) senza rischiare di provocare dei soffioni come quelli di Larderello. Sulla carta tutto sembra possibile ma poi quando si passa al concreto ... Le cose cambiano.

[marcober]

Ma guarda che in Germania la stanno usando da decenni....il problema mi pare risolto..mi pare che le miniere di sale sono di fatto già autosigillate, altrimenti l'acqua avrebbe dilavato il sale e non ci sarebbe stato accumulo e quindi la miniera. Ovviamente poi a parità di volume e costo del serbatoio, più energia ci stocchi e meglio è....per quello che idea del fondo del mare non mi pare proprio sballata. Sulla efficienza fra pala eolica e turbina , mi pare ci sia una gran differenza....mi pare che la pala abbia limite teorico del 30% e la turbina del 70. L'esperienza tedesca dice che le migliori rese ci sono fra 40 e 60 bar....non a pressioni inferiori...e quindi deve essere come per le temperature e i motori termici, cioè la resa aumenta all'aumentare del Delta fra prima e dopo il motore.

[experimentator]

..mi pare che le miniere di sale sono di fatto già autosigillate, altrimenti l'acqua avrebbe dilavato il sale e non ci sarebbe stato accumulo e quindi la miniera. e.

Queste affermazioni mi sembrano azzardate ed ipotetiche , sei sicuro ?

Per quello che mi risulta le miniere di sale della Sicilia si sono formate, nelle epoche passate per deposito di sale dall'acqua di mare per concentrazione ed evaporazione dell'acqua di mare . Non perché siano sigillate .

[marcober]

abbastanza.
mi pare che le miniere di sale siano sempre indicate come luogo adatto per depositi radioattivi perche "in teoria" sicure contro infiltrazioni di acqua..tranne un caso in cui appunto, poi hanno trovato la sorpresa..ma i generale dovrebbe essere cosi.

In ogni caso, quella in uso in Germania è propro una ex di sale..e tiene..non leggo che è stata "cementata" per assicurare tenuta...poi, sai..magari tiene al 99% e un 1% è accettabile come perdita...

Non sapevo nemmeno che in Sicilai aci fossero miniere di sale..pensavo fossero solo saline.

Io però ho visitato (e lo cnsiglio a tutti) quelle di salz (sale)burg in A..e sono molto profonde..e non vi è acqua..e appunto spiegavano che le falde di sale si sono depositate nelle epoche precedenti..ma poi inglobate in rocce impermeabili e quinid non dilavate nel tempo..cosa che invece è successa a tanti altri "depositi" non "sigillati"...per cui penso che la tenuta all'aria dipenda da quello (mancanza di falda acquifera)
Se manca falda, penso che gia 20 metri di terra siano una buona barriera all'aria..figuriamoci 500 metri di roccia...

Comuqnue citavo esperienza tedesca 8ed un'altra USA) per dire che accumulo ad aria è realtà e non impossibile o poco interessante...e se lo era gia 30 anni fa con le miniere..perchè non pensare a accumuli in fondo al mare, dove la pressione statica gia potrebbe essere quella vicino ala massima efficienza del ciclo (40-60 bar , si legge...)

Questo perche le coste son tante..le miniere di sale disponibili penso pochine...

[serman]

Prendo atto dell'esperienza in Germania che non conoscevo ma questo evidenzia come sia estremamente più semplice e meno costoso fare l'accumulo a terra ! In pratica non occorre realizzare un contenitore che regga la pressione ma lo abbiamo gratis nel sottosuolo. Per quanto poi riguarda la capacità di accumulo credo che una miniera equivalga a qualche migliaio di palloni sommersi con l'ulteriore vantaggio di avere un'unica stazione di pompaggio e di generazione. E a terra e' sufficente pompare ad una pressione di 50 bar mentre sotto il mare devi pompare a 50bar + la pressione locale. Continuo a non vedere vantaggi di andare sott'acqua....

[marcober]

come vedi..non è "a terra" (con serbatoio)..ma "sotto terra" e senza serbatoio.

questo perche un serbatoio da 300.000 mcubi e 60 bar rischia di essere costosetto eh...

e quindi se si riuscisse mai ad avere un serbatoio flessibile (non serve che sia elastico...basta che sia collassabile)..e quindi di basso costo (non deve reggere alcuna pressione quando pieno o parzialmente pieno..perche lo riempi alla stessa P statica che ha fuori)...conneso con la superficie..ecco che si relizzerebbe una "miniera esausta" in mare..a costi di certo inferiori ad un serbatoio di pari dimensioni che deve resistere 60 bar 8oppure di 60 serbatoi da 1 bar...che pero poi ti danno 1 bar e quidi di fatto poco efficienti..ci riesci giusto a far girare una pala eolica qualche minuto..ma con la resa della pala eolica..bassina..buona perche il vento costa zero..ma se hai speso per comprimere..mmmm)

Non dico che sia possibile farlo..oggi..ma che come modalita di stoccaggio potrebbe essere interessante..specie perche sento dire che la miglior fonte sarà eolico offshore...e quindi gia siamo sul mare aperto e profondo (sento parlare di pale gallegginati)..per cui se alla pala abbiniamo un tendone da circo (chiuso sotto) immerso e ancorato, forse abbiamo fatto tombola

[serman]

Sotto terra è sempre A terra e non è sott'acqua. Ovviamente se ho a disposizione un serbatoio enorme e gratis non mi serve farne uno ad hoc. In sostanza abbiamo già una soluzione collaudata poco costosa e senza problematiche tecniche. Perché dovremmo investire risorse per soluzioni complicate estremamente più costose e tecnicamente tutte da inventare ?

[marcober]

Perché temo che le miniere di sale esaurite e adatte siano pochine

[serman]

Cominciamo con quelle che ci sono, che bastano e avanzano per la poca energia di surplus di cui disponiamo ora...