Engineering
Accumulo ad aria compressa
Carica i serbatoi con un compressore e fai uscire di nuovo l’aria attraverso un espansore. Disperdi il calore di compressione in un refrigeratore, conservalo in un accumulo di rocce o lascialo nell’aria, mantieni la carica per ore e confronta quanto restituisce ogni ciclo.
Cosa succede
Serbatoi d’acciaio da 25 m³ ciascuno contengono l’aria tra 4 e 20 bar. Un compressore con rendimento isentropico dell’85 % vi spinge aria ambiente; più alta è la pressione contro cui lavora, più calda esce l’aria – 459 K a 4 bar, 757 K a 20 bar. L’aria calda entra nel serbatoio così com’è, attraverso un refrigeratore finale che ne disperde il calore, oppure attraverso un accumulo a letto di rocce che lo conserva. All’uscita un espansore porta l’aria dalla pressione del serbatoio a quella atmosferica e aziona un generatore; con l’accumulo, l’aria prima si riprende il calore. La parete del serbatoio scambia calore con l’esterno, 150 W/K.
Un ciclo di 50 m³ da 4 a 20 bar e ritorno a 1 kg/s: tenendo il calore nell’aria si recupera il 65,1 % dell’elettricità, ma solo finché l’aria è calda – dopo due ore di attesa se ne recupera il 23,7 %. Il refrigeratore finale disperde subito il calore: 34,9 %. L’accumulo di rocce restituisce il 52,6 %, e il 35,2 % dopo due ore. Espansa a partire dalla temperatura ambiente, l’aria uscirebbe molto al di sotto del punto di congelamento: da 20 °C a 20 bar lo scarico è a 150 K.
Modello: un gas ideale con calori specifici costanti in un unico serbatoio ben miscelato, il primo principio per un sistema aperto applicato alla sua massa e alla sua energia interna; compressore ed espansore come singoli stadi adiabatici; scambiatori di calore con efficienza 0,9; l’accumulo come un’unica capacità termica di 0,5 MJ/K con una piccola perdita; RK4 con passo di 1 s.
Da provare
Fai un ciclo con ciascun modo di gestire il calore e confronta i rendimenti del ciclo. Poi mantieni la carica per qualche ora: l’aria calda si raffredda e il suo calore si porta via energia.
Equazioni del modulo
Equazioni T_c = T_a·(1 + (π^((γ−1)/γ) − 1)/η_c) d(m·u)/dt = q_in·h_in − q_out·h + UA·(T_a − T) p·V = m·R·T P_e = η_g·q·c_p·(T_in − T_out)
