圧縮空気エネルギー貯蔵

圧縮空気エネルギー貯蔵（CAES）は、圧縮空気を使用して後で使用するためにエネルギーを貯蔵する方法です。ユーティリティ規模では、需要の低い期間に生成されたエネルギーをピーク負荷期間に放出することができます。^[1]

最初の公益事業規模のCAESプロジェクトは、ドイツのエルスフレートにあるフントルフ発電所で行われ、2024年現在も稼働しています^{[アップデート]}。^{[2]フントルフ発電所は当初、}化石燃料発電の負荷分散装置として開発されましたが、再生可能エネルギーへの世界的な移行により、CAESシステムへの関心が再燃しました。 ^[3]太陽光発電や風力発電などの非常に間欠的なエネルギー源が変動する電力需要を満たすのに役立つためです。^[3]

大規模設計における継続的な課題の 1 つは、熱エネルギーの管理です。空気の圧縮により不要な温度上昇が発生し、運用効率が低下するだけでなく、損傷につながる可能性があるためです。さまざまなアーキテクチャの主な違いは、熱工学にあります。一方、小規模システムは、鉱山機関車の推進に長い間使用されてきました。従来のバッテリーとは対照的に、システムはより長い期間エネルギーを蓄えることができ、メンテナンスも少なくて済みます。

空気を圧縮すると熱が発生し、圧縮後は空気が温かくなります。膨張すると熱が除去されます。余分な熱が加わらなければ、膨張後の空気ははるかに冷たくなります。圧縮中に発生した熱を蓄えて膨張時に使用できれば、蓄熱の効率が大幅に向上します。^{[4] CAESシステムでは熱を処理する方法がいくつかあります。空気蓄熱は、}断熱、非断熱、等温、または近等温の いずれかになります。

断熱貯蔵は、圧縮によって生成されたエネルギーを貯蔵し続け、それを膨張させて発電する際に空気に戻します。これは現在も研究が続けられているテーマであり、2015年時点では実用規模のプラントはありません。断熱貯蔵の理論上の効率は、完全な断熱により100%に近づきますが、実際には往復効率は70%になると予想されています。^[5]熱は、コンクリートや石などの固体、または高温の油（最高300℃）や溶融塩溶液（600℃）などの流体に貯蔵できます。熱湯に熱を貯蔵すると、約65%の効率が得られる可能性があります。^[6]

充填床は断熱システム用の蓄熱ユニットとして提案されている。研究^[7]では充填床蓄熱を用いた断熱圧縮空気蓄熱システムの数値シミュレーションを行った。連続運転時のシミュレーションシステムの効率は70.5%～71%と計算された。

断熱 CAES の進歩には、圧縮時に発生する熱を捕捉して再利用する高効率熱エネルギー貯蔵システムの開発が含まれます。この革新により、システム効率は 70% を超え、従来の断熱システムよりも大幅に向上しました。

非断熱貯蔵では、中間冷却器による圧縮熱の多く（したがって等温圧縮に近づく）が廃棄物として大気中に放散され、圧縮作業を実行するために使用されたエネルギーが本質的に無駄になります。貯蔵から取り出された後、この圧縮空気の温度は、この空気に残っている貯蔵エネルギー量の1 つの指標です。したがって、空気の温度がエネルギー回収プロセスには低すぎる場合は、タービンで膨張して発電機に電力を供給する前に、空気を大幅に再加熱する必要があります。この再加熱は、ユーティリティグレードの貯蔵用の天然ガス燃焼バーナーまたは加熱された金属塊で行うことができます。再生可能資源が静止しているときに回収が最も必要になることが多いため、無駄になった熱を補うために燃料を燃やす必要があります。これにより、貯蔵回収サイクルの効率が低下します。この方法は比較的簡単ですが、燃料を燃やすと、回収された電気エネルギーのコストが増加し、ほとんどの再生可能エネルギー源に関連する環境上の利点が損なわれます。ただし、これはこれまでのところ^{（現在？）}商業的に実装されている唯一のシステムです。

アラバマ州マッキントッシュのCAESプラントでは、エネルギー出力1MJあたり2.5MJの電力と1.2MJの低位発熱量（LHV）のガスが必要であり、エネルギー回収効率は約27％に相当します。 ^[8]稼働中の天然ガスプラントの中で最も効率的なプラントの1つであるゼネラルエレクトリック7FA 2x1複合サイクルプラントは、発電量1MJあたり1.85MJ（LHV）のガスを使用し、^[9]熱効率は54％です。

糖尿病 CAES システムの効率を向上させるために、最新の設計では、圧縮中に廃熱を捕捉する熱回収ユニットが組み込まれており、これによりエネルギー損失が削減され、全体的なパフォーマンスが向上します。

等温圧縮および膨張アプローチは、環境との一定の熱交換によって動作温度を維持しようとします。往復動型コンプレッサーでは、フィン付きピストン^[10]と低サイクル速度 [ ^11]を使用することでこれを実現できます。現在^{[いつ? ]有効な}熱交換器の課題は、低電力レベルでのみ実用的であることを意味します。等温エネルギー貯蔵の理論上の効率は、環境への完全な熱伝達に対して 100% に近づきます。実際には、ある程度の熱損失は避けられず、ほぼ等温プロセスにつながるため、これらの完全な熱力学サイクルはどちらも得られません。等温 CAES の最近の開発は、圧縮および膨張中に一定の空気温度を維持し、エネルギー損失を最小限に抑え、システム効率を向上させる高度な熱管理技術と材料に重点を置いています。

近等温圧縮（および膨張）は、熱吸収放出構造（HARS）や水スプレーなどの大きな非圧縮性熱質量の非常に近くでガスを圧縮するプロセスです。^[12] HARSは通常、一連の平行フィンで構成されています。ガスが圧縮されると、圧縮熱が熱質量に急速に伝達されるため、ガスの温度が安定します。次に、外部冷却回路を使用して熱質量の温度を維持します。等温効率（Z）^[13]は、プロセスが断熱プロセスと等温プロセスのどこに位置しているかを示す指標です。効率が0％の場合、完全に断熱であり、効率が100％の場合は完全に等温です。通常、近等温プロセスでは、90〜95％の等温効率が期待できます。

ハイブリッド圧縮空気エネルギー貯蔵（H-CAES）システムは、風力や太陽光発電などの再生可能エネルギー源を従来のCAES技術と統合します。この統合により、需要の低い期間に生成された余剰の再生可能エネルギーを貯蔵し、需要がピークに達したときに放出することで、グリッドの安定性を高め、化石燃料への依存を減らすことができます。たとえば、テキサス州のApex CAESプラントは、風力エネルギーとCAESを組み合わせて安定したエネルギー出力を提供し、再生可能エネルギー源の断続性に対処しています。

等温CAESの1つの実装では、高圧、中圧、低圧のピストンを直列に使用します。各ステージの後には、各膨張ステージ間の空気対空気（または空気対海水）熱交換器を介して周囲の空気を引き込むエアブラストベンチュリポンプが続きます。初期の圧縮空気魚雷の設計では、空気の代わりに海水を使用する同様のアプローチが採用されていました。ベンチュリは前ステージの排気を温め、この予熱された空気を次のステージに送り込みます。このアプローチは、HKポーター社の鉱山機関車^{[14]や路面電車[15]}など、さまざまな圧縮空気車両に広く採用されました。ここでは、圧縮熱が効果的に大気（または海）に蓄えられ、後で戻されます。^{[引用が必要]}

圧縮は電動ターボコンプレッサーで行われ、膨張はターボエキスパンダー^[16]または空気エンジンで発電機を駆動して電気を生成します。

空気貯蔵容器は、貯蔵の熱力学的条件と使用される技術によって異なります。

1. 定容貯蔵（溶液採掘洞窟、地上容器、帯水層、自動車用途など）
2. 定圧貯蔵（水中圧力容器、ハイブリッド揚水式水力/圧縮空気貯蔵）

この貯蔵システムは、特定の境界を持つチャンバーを使用して大量の空気を貯蔵します。これは、熱力学的観点から、このシステムが定容積可変圧力システムであることを意味します。これにより、コンプレッサーとタービンにいくつかの操作上の問題が発生するため、圧力変動は、貯蔵容器に誘発される応力と同様に、一定の制限以下に維持する必要があります。^[17]

貯蔵容器は、溶解採掘（塩を水に溶かして抽出する）^[18]によって作られた洞窟や、廃坑を利用することが多い。また、天然ガスの貯留層が見つかるような多孔質で透水性の岩石層（液体や空気が通過できる、相互につながった穴がある岩石）の利用も研究されている。^[19]

いくつかのケースでは、地上パイプラインが貯蔵システムとしてテストされ、良好な結果が得られました。当然、システムのコストは高くなりますが、設計者が選択した場所に設置できます。一方、地下システムには特定の地質構造（岩塩ドーム、帯水層、枯渇したガス田など）が必要です。^[17]

この場合、貯蔵容器は一定の圧力に保たれ、ガスは可変容積容器に収容されます。多くの種類の貯蔵容器が提案されていますが、一般的には等圧運転を実現するために液体置換に依存しています。このような場合、貯蔵容器は地表から数百メートル下に配置され、貯蔵容器上部の水柱の静水圧（水頭）によって圧力が所望のレベルに維持されます。

この構成により、次のことが可能になります。

• 貯蔵システムのエネルギー密度が向上します。これは、貯蔵システムに含まれる空気をすべて使用できるためです (満杯または空の状態を問わず、圧力は一定であるため、タービンは問題なくそれを活用できますが、定容積システムでは、圧力が安全限度を下回ると、システムを停止する必要があります)。
• 拡張前のスロットル要件の削除。
• 熱エネルギー貯蔵システムにおいて異なる温度の熱が混合して不可逆性が生じるのを防ぐ。^[20]
• 一定の入口条件下で動作するターボ機械の効率の向上。
• CAESプラントの配置にはさまざまな地理的位置（海岸線、浮体式プラットフォームなど）が利用される。^[21]

一方、この貯蔵システムは、貯蔵容器を選択した貯水池（多くの場合は海）の底に設置する必要があり、容器自体のコストもかかるため、コストが高くなります。^[21]

別の方法としては、水の代わりに数メートルの砂の下に大きな袋を埋めるという方法がある。^[22]

発電所は、夜間に充電し、日中に放電するピークカットの毎日のサイクルで稼働しています。圧縮空気を天然ガスまたは地熱で加熱して抽出されるエネルギー量を増やすことが、パシフィック・ノースウェスト国立研究所によって研究されています。^[19]

圧縮空気エネルギー貯蔵は、エアカーや空気駆動機関車などで利用されるような小規模でも利用でき、高強度（例：カーボンファイバー）の空気貯蔵タンクを使用できます。圧縮空気に貯蔵されたエネルギーを保持するには、このタンクを周囲環境から熱的に隔離する必要があります。そうしないと、圧縮空気によって温度が上昇するため、貯蔵されたエネルギーが熱の形で逃げてしまいます。

CAES システムは、空気貯蔵用の塩洞窟や作動媒体としての周囲の空気など、自然に存在する資源に依存しているため、他の大規模なエネルギー貯蔵技術に代わる環境に優しい代替手段と見なされることがよくあります。リチウムやコバルトなどの有限資源の抽出を必要とするリチウムイオン電池とは異なり、CAES はライフサイクル全体で環境への影響が最小限です。

しかし、CAES 施設の建設には特有の課題があります。地下空気貯蔵には、地理的に制限された岩塩ドームなどの地質構造が必要です。不適切な立地や建設中の不適切な管理は、地域の生態系の混乱、地盤沈下、地下水汚染 につながる可能性があります。

プラス面としては、再生可能エネルギー源と統合された CAES システムは、ピーク需要時にクリーンエネルギーを貯蔵および供給で​​きるようにすることで、温室効果ガスの排出量を大幅に削減することに貢献します。さらに、枯渇した天然ガス田やその他の地層を空気貯蔵用に再利用することで、環境への影響を軽減し、既存のインフラストラクチャの有用性を拡張できます。

CAES システムの導入コストは、敷地の地質条件、施設の規模、使用する CAES プロセスの種類 (断熱、非断熱、等温) によって大きく異なります。初期資本支出は大きく、大規模システムの場合は kW あたり 500 ～ 1,200 ドルの範囲になることがよくあります。これらのコストには主に、地下貯蔵洞窟、圧縮および膨張装置、熱エネルギー貯蔵ユニット (高度なシステムの場合) の開発が含まれます。

初期費用は高額ですが、CAES 施設の運用寿命は長く、30 年を超えることも珍しくありません。また、定期的な交換が必要なリチウムイオン電池貯蔵システムに比べて、メンテナンスや運用にかかるコストも低く抑えられます。この長期的なコスト効率により、CAES は電力会社や送電網運営者にとって特に魅力的です。

市場動向は、再生可能エネルギーの統合の増加とグリッド規模のエネルギー貯蔵の必要性により、CAES 技術への関心が高まっていることを示唆しています。政府のインセンティブと、高効率コンプレッサーやタービンなどの先進的なコンポーネントのコスト低下により、CAES の経済的実現可能性がさらに高まっています。

政府の政策と規制の枠組みは、CAES の採用と開発のペースを決定する上で非常に重要です。ドイツや米国などの国では、エネルギー貯蔵技術を促進するために、税額控除や助成金などのさまざまなインセンティブを実施しています。たとえば、米国エネルギー省のエネルギー貯蔵グランドチャレンジでは、研究開発資金の主要な重点分野として CAES が取り上げられています。

CAES にとっての大きな規制上のハードルの 1 つは、地下空気貯蔵施設の許可手続きです。環境影響評価、土地利用の承認、高圧貯蔵システムの安全基準により、CAES プロジェクトが遅れたり、コストが増加したりすることがあります。たとえば、都市部の近くに設置されるプロジェクトは、騒音公害、空気の質、高圧空気貯蔵に関連する潜在的なリスク に関する懸念から、追加の精査を受けることがよくあります。

国際的には、CAES システムの設計、運用、安全プロトコルを標準化する取り組みが進行中です。国際エネルギー機関(IEA) などの組織や欧州連合などの地域機関は、CAES を現代のエネルギー グリッドに統合するためのフレームワークの開発に尽力してきました。再生可能エネルギーの導入が加速するにつれ、間欠性の課題に対処することを目的とした政策では、CAES のようなグリッド規模のソリューションが優先されるようになるでしょう。

圧縮空気を介して機械的動力を直接供給する都市全体の圧縮空気エネルギーシステムは、1870年以来構築されてきました。^{[23]フランスの}パリ、イギリスのバーミンガム、ドイツのドレスデン、リクスドルフ、オッフェンバッハ、アルゼンチンのブエノスアイレスなどの都市がそのようなシステムを導入しました。ビクター・ポップは、毎分空気の脈動を送って針の針を変えることで時計に電力を供給する最初のシステムを構築しました。このシステムはすぐに進化して、家庭や産業に電力を供給するようになりました。^[24] 1896年の時点で、パリのシステムは、軽工業と重工業のモーター用に、50 kmの空気パイプで550 kPaで2.2 MWの発電を行っていました。使用量は立方メートルで測定されました。^{[23]システムは当時、家庭に供給されるエネルギーの主な供給源であり、}歯科医、裁縫師、印刷工場、パン屋の機械にも電力を供給していました。

最初の実用規模の非断熱圧縮空気エネルギー貯蔵プロジェクトは、1978年にドイツで開設された290メガワットのハントルフ発電所で、 580MWhのエネルギーと42%の効率を持つ岩塩ドーム洞窟を使用していました。 ^[25]

1991年、アラバマ州マッキントッシュに、26時間（2,860MWhのエネルギー）の容量を持つ110メガワットの発電所が建設されました。アラバマ州の施設の6,500万ドルのコストは、1kWの容量あたり590ドル、貯蔵容量1kW-時間あたり約23ドルに相当します。この施設は、1,900万立方フィートの溶液採掘された塩の洞窟を使用して、最大1,100psiの空気を貯蔵します。圧縮段階の効率は約82％ですが、膨張段階では、同じ量の電力を54％の効率で生産するガスタービンの3分の1の速度で天然ガスを燃焼させる必要があります。^{[25] [26] [27] [28]}

2012年、ジェネラル・コンプレッション社はテキサス州ゲインズ郡で2MWの近等温プロジェクトの建設を完了した。これは世界で3番目のプロジェクトである。このプロジェクトでは燃料は使用されない。^[29] 2016年に操業を停止したようだ。^[30]

中国江蘇省に塩洞窟を利用した60MW/300MWhの施設が60%の効率でオープンした（2022年）。 ^[31]

2.5MW/4MWhの圧縮CO2_{施設がイタリアの}サルデーニャ島で稼働を開始（2022年）。^[32]

2022年、張家口は世界初の100MWの「先進的」システムを中国北部の電力網に接続した。化石燃料は使用せず、超臨界蓄熱、超臨界熱交換、高負荷圧縮膨張技術を採用している。このプラントは400MWhを70.4%の効率で貯蔵できる。^[33] 350MW / 1.4GWhの地下塩洞窟プロジェクトが山東省で建設を開始^[34]。費用は2億800万ドルで、2024年に64%の効率で稼働する予定。^{[35] [36]}

2009年、米国エネルギー省は、カリフォルニア州カーン郡ベーカーズフィールド近郊で開発中の塩性多孔質岩層を利用したパシフィックガスアンドエレクトリック社の300MW、3億5600万ドルの施設の第1フェーズに2490万ドルのマッチング資金を交付した。このプロジェクトの目標は、高度な設計を構築し、検証することであった。^[37]

2010年、米国エネルギー省は、ニューヨーク州ワトキンスグレンでイベルドローラUSAが開発中の150MWの塩ベースのプロジェクトの準備作業に2,940万ドルの資金を提供した。その目標は、スマートグリッド技術を組み込んで、再生可能な間欠的なエネルギー源のバランスを取ることである。^{[37] [38]}

最初の断熱プロジェクトは、ADELEと呼ばれる200メガワットの施設で、100バールの圧力で600℃（1,112℉）の空気を使用して70％の効率を目標にドイツで建設が計画されていました（2013年）。^[39]このプロジェクトは、非公開の理由により少なくとも2016年まで延期されました。^[40]

ストーエレクトリック社は、英国チェシャー州に800MWhの蓄電容量を持つ40MWの100%再生可能エネルギーパイロットプラントを建設する計画を立てていた（2017年）。^[41]

ハイドロストアは、オンタリオ州ゴドリッチに初の商用A-CAESシステムを完成させ、オンタリオグリッドに2.2MW / 10MWhのストレージサービスを提供しました（2019年）。これは数十年ぶりに商用運用を達成したA-CAESシステムでした。^[42]

オーストリアにおける欧州連合の資金提供によるRICAS（断熱）プロジェクトは、圧縮プロセスからの熱を貯蔵するために砕石を使用し、効率を向上させることを目的としていた（2020年）。このシステムは70～80％の効率を達成すると予想されていた。^[43]

アペックスはテキサス州アンダーソン郡に工場を建設し、2016年に稼働させる計画を立てていた。 ^[44]このプロジェクトは少なくとも2020年まで延期された。^[45]

カナダのハイドロストル社は、トロント、ゴドリッチ、アンガス、ロザモンド（2020年）に4つのアドバンスプラントを建設する計画を立てていた。一部には水中への部分的な蓄熱が組み込まれており、効率が65％に向上した。^[46]

2022年時点では、カリフォルニア州カーン郡ロザモンドのジェムプロジェクトは500MW/4,000MWhの蓄電能力を備える予定だった。カリフォルニア州サンルイスオビスポのペチョプロジェクトは400MW/3,200MWhの計画だった。オーストラリアのニューサウスウェールズ州のブロークンヒルプロジェクトは200MW/1,600MWhだった。^[47]

2023年、アライアント・エナジーはウィスコンシン州コロンビア郡のサルデーニャ施設を基盤として200MWhの圧縮CO2施設を建設する計画を発表した_。これは米国で初めての施設となる。^[48]

圧縮空気エネルギー貯蔵庫は北アイルランドの海底洞窟に貯蔵される可能性がある。^[49]

エネルギーの大部分がシステム内に保存され、回収可能であり、損失が無視できる程度に抑えられるような、熱力学的に可逆的なプロセスを達成するためには、可逆的な等温プロセスまたは等エントロピープロセスが望ましい。^[4]

等温圧縮プロセスでは、システム内のガスは全体を通じて一定温度に保たれます。このためには、ガスとの熱交換が必須です。そうしないと、充填時に温度が上昇し、排出時に温度が低下します。この熱交換は、コンプレッサー、レギュレーター、タンクの後続段階間の熱交換器 (中間冷却) によって実現できます。エネルギーの無駄を避けるには、中間冷却器を熱伝達率が高く、圧力降下が低いように最適化する必要があります。小型コンプレッサーは、圧縮室の表面積と容積の比率が比較的高く、その結果、コンプレッサー本体自体からの放熱が改善されるため、中間冷却なしでも等温圧縮に近づくことができます。

完全な等温貯蔵 (および放出) が実現される場合、そのプロセスは「可逆的」であると言われます。これには、周囲とガスの間の熱伝達が極小の温度差で発生することが必要です。その場合、熱伝達プロセスでエクセルギー損失は発生せず、圧縮作業は膨張作業として完全に回収できます。つまり、貯蔵効率は 100% です。ただし、実際には、どの熱伝達プロセスでも常に温度差があるため、実用的なエネルギー貯蔵の効率はすべて 100% 未満になります。

等温過程における圧縮/膨張仕事を推定するには、圧縮空気が理想気体の法則に従うと仮定することができます。

${\displaystyle pV=nRT={\text{定数}}.}$

絶対温度が一定の場合、初期状態Aから最終状態Bへのプロセスでは、圧縮に必要な仕事（負）または膨張によって行われる仕事（正）は、 ${\displaystyle T=T_{A}=T_{B}}$

${\displaystyle {\begin{aligned}W_{A\to B}&=\int _{V_{A}}^{V_{B}}p\,dV=\int _{V_{A}}^{V_{B}}{\frac {nRT}{V}}dV=nRT\int _{V_{A}}^{V_{B}}{\frac {1}{V}}dV\\&=nRT(\ln {V_{B}}-\ln {V_{A}})=nRT\ln {\frac {V_{B}}{V_{A}}}=p_{A}V_{A}\ln {\frac {p_{A}}{p_{B}}}=p_{B}V_{B}\ln {\frac {p_{A}}{p_{B}}},\\\end{aligned}}}$

ここで、 であり、したがって である。 ${\displaystyle pV=p_{A}V_{A}=p_{B}V_{B}}$${\displaystyle {\frac {V_{B}}{V_{A}}}={\frac {p_{A}}{p_{B}}}}$

ここでは絶対圧力、は圧縮されたガスの（未知の）体積、は容器の容積、はガスの物質量（モル）、 は理想気体定数です。 ${\displaystyle p}$${\displaystyle V_{A}}$${\displaystyle V_{B}}$${\displaystyle n}$${\displaystyle R}$

容器の外側に一定圧力（開始圧力に等しい）がある場合、外部圧力の正の仕事により利用可能なエネルギー（負の値）が減少します。これにより、上記の式に項が追加されます。 ${\displaystyle p_{A}}$

${\displaystyle W_{A\to B}=p_{A}V_{A}\ln {\frac {p_{A}}{p_{B}}}+(V_{A}-V_{B})p_{A}=p_{B}V_{B}\ln {\frac {p_{A}}{p_{B}}}+(p_{B}-p_{A})V_{B}.}$

例

周囲圧力が1 bar（0.10 MPa）の場合、 1 m ^{3 の}貯蔵容器に70 bar（7.0 MPa）の圧力でどれだけのエネルギーを貯蔵できますか？この場合、プロセス仕事は

${\displaystyle W=p_{B}V_{B}\ln {\frac {p_{A}}{p_{B}}}+(p_{B}-p_{A})V_{B}}$=

= 7.0 MPa × 1 m ³ × ln(0.1 MPa/7.0 MPa) + (7.0 MPa − 0.1 MPa) × 1 m ³ = −22.8 MJ。

負の符号は、周囲によってガスに仕事が行われたことを意味します。プロセスの不可逆性 (熱伝達など) により、膨張プロセスから回収されるエネルギーは、圧縮プロセスに必要なエネルギーよりも少なくなります。たとえば、環境が一定温度の場合、インタークーラーの熱抵抗により、圧縮は周囲温度よりもいくらか高い温度で発生し、膨張は周囲温度よりもいくらか低い温度で発生します。したがって、完全な等温貯蔵システムを実現することは不可能です。

断熱プロセスとは、流体と周囲との間で熱伝達がないプロセスです。つまり、システムは熱伝達に対して絶縁されています。プロセスがさらに内部的に可逆的である場合（理想的な限界まで摩擦がない場合）、それはさらに等エントロピーになります。

断熱貯蔵システムでは、圧縮プロセス中の中間冷却をなくし、圧縮中にガスを加熱し、同様に膨張中にガスを冷却するだけです。これは、熱伝達に関連するエネルギー損失が回避されるため魅力的ですが、欠点は貯蔵容器を熱損失に対して断熱する必要があることです。実際のコンプレッサーとタービンは等エントロピーではありませんが、等エントロピー効率は約 85% であることにも言及する必要があります。その結果、断熱システムの往復貯蔵効率も完全にはほど遠いものになります。

エネルギー貯蔵システムでは、多くの場合、大きな洞窟が使用されます。これは、非常に大きな容積と、わずかな圧力変化で大量のエネルギーを貯蔵できるという理由から、好ましいシステム設計です。ガスは断熱圧縮され、温度変化 (可逆等温システムに近づく) と熱損失 (等エントロピーシステムに近づく) がほとんどありません。この利点は、地下の壁を使用して圧力を封じ込めるガス貯蔵システムの構築コストが低いことに加えて得られます。洞窟空間は、効率を向上させるために断熱することができます。^{[引用が必要]}

大型洞窟貯蔵庫と同様の熱力学的特性を持つ海底断熱エアバッグが提案されている。^[50]

実際の陸上輸送や航空輸送のために車両や航空機に空気貯蔵装置を使用するには、エネルギー貯蔵システムはコンパクトかつ軽量でなければなりません。エネルギー密度と比エネルギーは、これらの望ましい特性を定義する工学用語です。

上記のガス貯蔵の熱力学のセクションで説明したように、空気を圧縮すると空気は加熱され、膨張すると空気は冷却されます。したがって、実際の空気エンジンでは、過度の高温または低温を避けるために熱交換器が必要ですが、それでも理想的な一定温度条件や理想的な断熱には達しません。

^{それでも、上で述べたように、等温の場合を使用して最大貯蔵エネルギーを記述することは有用であり、これは約100 kJ/m 3} [ ln( P _A / P _B )]となる。

したがって、大気中の 1.0 m ³の空気が 20 MPa (200 bar) で 5 L ボトルに非常にゆっくりと圧縮されると、蓄えられる位置エネルギーは 530 kJ になります。高効率のエア モーターは、非常にゆっくりと動作し、空気を最初の 20 MPa の圧力から 100 kPa (大気圧でボトルが完全に「空」) まで膨張させることができれば、これを運動エネルギーに変換できます。周囲への熱損失と回復不可能な内部ガス熱の両方のため、高効率を達成することは技術的な課題です。^[51]上記のボトルが 1 MPa まで空になると、抽出可能なエネルギーはモーター シャフトで約 300 kJ になります。

標準的な20MPa、5Lのスチールボトルの質量は7.5kgで、高級品は5kgです。カーボンファイバーやケブラーなどの高張力繊維は、このサイズで2kg未満の重量にすることができ、法的安全コードと一致しています。20℃の空気1立方メートルの質量は、標準温度および圧力で1.204kgです。^[52]したがって、理論上の比エネルギーは、モーターシャフトで通常のスチールボトルの場合は約70kJ/kgから、高度な繊維巻きボトルの場合は180kJ/kgですが、同じ容器で実際に達成可能な比エネルギーは40～100kJ/kgになります。

ほとんどの技術と同様に、圧縮空気には安全上の懸念があり、主にタンクの破裂が原因となる。安全規制により、タンクの破裂はまれにしか起こらないが、重量が増し、圧力逃し弁などの追加の安全機能が犠牲になる。規制により、法定作動圧力がスチールボトルの場合は破裂圧力の40%未満（安全係数2.5）、ファイバーワインディングボトルの場合は20%未満（安全係数5）に制限されることがある。商用設計ではISO 11439規格が採用されている。^[53]高圧ボトルはかなり頑丈なので、通常は車両衝突で破裂することはない。

高度な繊維強化ボトルは、エネルギー密度の点で充電式 鉛蓄電池に匹敵します。電池は充電レベル全体にわたってほぼ一定の電圧を提供しますが、圧力容器を満杯から空まで使用すると圧力が大きく変化します。広範囲の圧力で高い効率と十分なパワーを維持できるように空気エンジンを設計するのは技術的に困難です。圧縮空気は非常に高い流束率でパワーを伝達できるため、特にハイブリッド車などの輸送システムの主要な加速と減速の目的を満たします。

圧縮空気システムには、圧力容器の寿命が長く、材料の毒性が低いなど、従来のバッテリーに比べて利点があります。リン酸鉄リチウム化学に基づくものなどの新しいバッテリー設計では、これらの問題は発生しません。圧縮空気のコストは潜在的に低くなりますが、高度な圧力容器は開発と安全性テストにコストがかかり、現時点では^{[いつ? ]}大量生産されたバッテリーよりも高価です。

電気貯蔵技術と同様に、圧縮空気は、貯蔵するエネルギー源の「クリーンさ」に応じて異なります。ライフサイクル評価では、特定のエネルギー貯蔵技術と電力網上の特定の発電の組み合わせから発生する総排出量の問題に対処します。

空気圧モーターまたは圧縮空気エンジンは、圧縮空気の膨張を利用して、エンジンのピストンを駆動したり、車軸を回転させたり、タービンを駆動したりします。

次の方法で効率を高めることができます。

• 高効率の連続膨張タービン
• 複数の拡張段階
• 廃熱の利用、特にハイブリッド熱エンジン設計
• 環境熱の利用

非常に効率的な配置では、高圧、中圧、低圧のピストンを直列に使用し、各ステージの後にエアブラストベンチュリーが続き、空気対空気熱交換器を介して周囲の空気を引き込みます。これにより、前のステージの排気が温められ、この予熱された空気が次のステージに送られます。各ステージから排出される唯一のガスは冷たい空気で、-15 °C (5 °F) まで冷やされることがあります。冷たい空気は車のエアコンに使用できます。 ^[15]

1904年のホワイトヘッド魚雷のように、燃料を燃やすことで追加の熱を供給することもできる。^[54]これにより、追加の燃料を犠牲にして、一定のタンク容量で利用できる範囲と速度が向上します。

1990 年頃から、いくつかの企業が圧縮空気自動車の開発を主張してきましたが、実際に市販されているものはありません。一般的に主張されている主な利点は、道路沿いの汚染がない、コストが低い、潤滑に食用油を使用する、エアコンが組み込まれている、などです。

空になったタンクを補充するのに必要な時間は、車両用途では重要です。「ボリューム転送」は、事前に圧縮された空気を固定タンクから車両タンクにほぼ瞬時に移動します。または、固定式または車載式のコンプレッサで、必要に応じて空気を圧縮することもできますが、これには数時間かかる場合があります。

大型の船舶用ディーゼルエンジンでは、通常 20 ～ 30 bar の大きなボトルに貯蔵された圧縮空気が使用され始めており、特殊な始動バルブを介してピストンに直接作用し、燃料噴射を開始する前にクランクシャフトを回転させます。この配置は、そのような規模の電動スターター モーターよりもコンパクトで安価であり、船舶の発電機や配電システムに過度の負荷をかけずに、必要な非常に高い電力を供給できます。圧縮空気は、低圧でエンジンを制御し、シリンダー排気バルブに作用するバネ力として機能したり、船上のその他の補助システムや電動工具 (空気圧PID コントローラーを含む場合もあります) を操作したりするためにもよく使用されます。この方法の利点の 1 つは、停電が発生した場合でも、貯蔵された圧縮空気で駆動する船舶システムは中断することなく機能し続け、発電機を電源なしで再起動できることです。もう 1 つの利点は、空気圧工具を、感電のリスクなしに、一般的に湿気の多い環境で使用できることです。

空気貯蔵システムは、比較的低い電力密度と車両航続距離を提供しますが、その高い効率は、従来の内燃エンジンを主な動力源として使用するハイブリッド車にとって魅力的です。空気貯蔵は、回生ブレーキに使用したり、すべての電力/RPM レベルで効率が均等ではないピストン エンジンのサイクルを最適化するために使用できます。

ボッシュとPSAプジョー・シトロエンは、圧縮窒素タンクとの間でエネルギーを伝達する方法として油圧を使用するハイブリッドシステムを開発した。プジョー208のようなコンパクトなフレームの場合、新欧州走行サイクル（NEDC）で2.9 L / 100 km（81 mpg、69 g CO ₂ / km）に相当する最大45％の燃料消費量削減が主張されている。このシステムは、競合する電気式およびフライホイール式KERSシステムよりもはるかに手頃な価格であると主張されており、2016年までに公​​道車に搭載される予定である。^[55]

空気エンジンは、19 世紀から、都市レベルの集中​​配給を通じて、鉱山の 機関車、ポンプ、ドリル、路面電車に動力を供給するために使用されてきました。レーシングカーは圧縮空気を使用して内燃機関(ICE)を始動し、大型ディーゼル エンジンには始動用の空気圧モーターが搭載されている場合があります。

ブレイトンサイクルエンジンは、内燃機関に適した燃料を使用して空気を圧縮し、加熱します。たとえば、天然ガスまたはバイオガスを燃焼させて圧縮空気を加熱し、その後、従来のガスタービンエンジンまたはジェットエンジンの後部でそれを膨張させて仕事を生み出します。

圧縮空気エンジンは電気バッテリーを充電することができる。廃業したと思われるEnergine社はPne-PHEV（空気圧プラグインハイブリッド電気自動車システム）を宣伝していた。^{[要出典] [56]}

ドイツのハントルフでは1978年に、米国アラバマ州のマッキントッシュでは1991年にハイブリッド発電所が稼働しました。 ^{[16] [57]}どちらのシステムも、ピーク時以外のエネルギーを空気圧縮に使用し、発電段階では圧縮空気中の天然ガスを燃焼させます。

アイオワ貯蔵エネルギーパーク（ISEP）は、洞窟貯蔵ではなく帯水層貯蔵を使用する予定でした。ISEPは、2015年にアイオワ州デモイン近郊で運用開始が提案された、革新的な270メガワット、4億ドルの圧縮空気エネルギー貯蔵（CAES）プロジェクトでした。米国エネルギー省によると、このプロジェクトは、敷地の地質学的制限のため、8年間の開発期間を経て中止されました。

オハイオ州ノートンでも追加施設の開発が進行中。オハイオ州アクロンの電力会社ファーストエナジーは、2009年11月に2,700MWのノートンプロジェクトの開発権を取得した。^[58]

RICAS2020プロジェクトは、廃鉱山を熱回収を伴う断熱CAESに利用することを試みている。圧縮熱は緩い石で満たされたトンネル部分に蓄えられるため、圧縮空気は主圧力貯蔵室に入るときにほぼ冷えている。冷たい圧縮空気は表面タービンを通して放出されるときに石に蓄えられた熱を取り戻し、全体的な効率を高める。^{[59] [60]} 2段階プロセスでは理論上約70%のより高い効率が得られる。^[61]

湖や海の深層水は、高圧容器や掘削を必要とせずに圧力をかけることができます。^[62]空気は、プラスチック袋などの安価で柔軟な容器に入れられます。障害としては、適切な場所が限られていることと、地上と容器の間に高圧パイプラインが必要であることが挙げられます。容器のコストが低いことを考えると、大きな圧力（および深い深さ）はそれほど重要ではないかもしれません。このようなシステムの主な利点は、充電および放電圧力が深さの一定の関数であることです。カルノーの非効率性は、複数の充電および放電ステージを使用し、川の冷水やソーラーポンドの温水などの安価な熱源とシンクを使用することで増加できます。^[63]

圧縮ガスを使用して水力発電システムを駆動することで、ほぼ等圧のソリューションが可能になります。このソリューションには、陸上の大型圧力タンク (および水中エアバッグ) が必要です。他のガスは比較的浅い深さ (約 500 メートル) でもかなりの静水圧を受けるため、水素ガスが流体として推奨されます。

欧州の電力会社E.ONは、海底空気貯蔵バッグの開発に140万ユーロ（110万ポンド）の資金を提供した。^{[64] [65]}カナダのHydrostorは、1～4MW規模の圧縮空気エネルギー貯蔵用の水中貯蔵「アキュムレーター」の商用システムを開発している。^[66]

洋上風力タービンから余剰の風力エネルギーが得られる場合、スプールでつながれたブイを水面下に沈めることができます。電力需要が増加すると、ブイは水面に向かって上昇し、発電します。^[67]

ほぼ等温圧縮の方法がいくつか開発されています。Fluid Mechanics には、往復ピストンに取り付けられた熱吸収・放出構造 (HARS) を備えたシステムがあります。^[68] Light Sail は、往復シリンダーに水スプレーを噴射します。^[要出典] SustainX は、セミカスタムの 120 rpm コンプレッサー/エキスパンダー内で空気と水の泡の混合物を使用します。^{[69]これらのシステムはすべて、圧縮速度に比べて高い}熱拡散率で空気が圧縮されることを保証します。通常、これらのコンプレッサーは最大 1000 rpm の速度で動作できます。高い熱拡散率を保証するために、ガス分子と熱吸収面との平均距離は約 0.5 mm です。これらのほぼ等温コンプレッサーは、ほぼ等温エキスパンダーとしても使用でき、CAES の往復効率を向上させるために開発されています。

• 代替燃料車
• 火を使わない機関車
• グリッドエネルギー貯蔵
• 油圧アキュムレータ
• エネルギー貯蔵発電所一覧
• 空気圧
• ゼロエミッション車
• 極低温エネルギー貯蔵
• 圧縮空気エンジン

• パリの圧縮空気システム - 技術ノート パート 1 パート 2 パート 3 パート 4 パート 5 パート 6 (特別付録、Scientific American、1921 年)
• 国のエネルギー問題のいくつかに対する解決策は、単なる空論に過ぎないかもしれない（サンディア国立研究所、エネルギー省）。
• MSNBC の記事、都市が風力発電を貯蔵して後で使用する、2006 年 1 月 4 日
• 電力貯蔵：閉じ込められた風
• 風を瓶に閉じ込める中西部の電力会社グループが、風力発電の余剰電力を地下に貯蔵する発電所を建設中
• ニューヨークタイムズの記事: 圧縮空気を使って電気を蓄える技術
• 圧縮空気エネルギー貯蔵、エントロピーと効率