圧縮空気エネルギー貯蔵

断熱蓄熱は、圧縮によって発生した熱エネルギーを蓄え続け、膨張時に空気に戻して発電します。断熱蓄熱の理論上の効率は、完全な断熱があれば100%に近づきますが、実際には往復効率は70%程度になると予想されます。^{[ 5 ]} 熱は、コンクリートや石などの固体、または高温の油（300 ℃まで）や溶融塩溶液（600℃）などの流体に蓄えることができます 。熱を温水に蓄えると、効率は約65%になります。^{[ 6 ]}

充填層は、断熱システムの蓄熱ユニットとして提案されている。ある研究^{[ 7 ]}では、充填層蓄熱を用いた断熱圧縮空気蓄熱システムを数値的にシミュレーションした。シミュレーションされたシステムの連続運転時の効率は、70.5%から71%の間であることが計算された。

断熱圧縮空気エネルギー貯蔵（CAES）の進歩には、圧縮時に発生する熱を回収して再利用する高効率蓄熱システムの開発が含まれる。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た。

2026年、当時世界最大規模となる2.4 GWhの断熱式CAESプラントが中国の淮安で稼働を開始した。このプラントは、変換効率71%の300 MWユニット2基で構成されている。^{[ 8 ] [ 9 ]}

断熱式蓄熱では、中間冷却器（等温圧縮に近い状態）によって圧縮熱の大部分が大気中に放出され、実質的に圧縮作業に使用されたエネルギーが無駄になります。蓄熱された空気を取り出す際、その温度が蓄熱された空気中に残っているエネルギー量を示す唯一の指標となります。したがって、空気温度がエネルギー回収プロセスに適さないほど低い場合は、タービンで膨張させて発電機を駆動する前に、空気を大幅に再加熱する必要があります。この再加熱は、電力会社向けの蓄熱システムでは天然ガス燃焼バーナー、それ以外の場合は加熱された金属塊によって行うことができます。エネルギー回収は再生可能エネルギー源が休止している時に最も必要とされることが多いため、無駄になった熱を補うために燃料を燃焼させる必要があります。これは蓄熱回収サイクルの効率を低下させます。この方法は比較的単純ですが、燃料の燃焼によって回収される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。しかしながら、これは現在までに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プラントは、1MJのエネルギー出力につき2.5MJ の電力と1.2MJ の低位発熱量（LHV）のガスを必要とし、これは約27%のエネルギー回収効率に相当します。 ^{[ 10 ]}稼働中の最も効率的な天然ガスプラントの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、1MJの発電につき1.85MJ（LHV）のガスを使用し、[ 11 ]  54 ^%の熱効率を実現しています。

断熱圧縮空気エネルギー貯蔵（CAES）システムの効率を向上させるため、最新の設計では、圧縮時に発生する廃熱を回収する熱回収ユニットが組み込まれており、エネルギー損失を低減し、全体的な性能を向上させている。

等温圧縮膨張方式は、環境との一定の熱交換によって運転温度を維持しようとするものです。往復動圧縮機では、フィン付きピストン^{[ 12 ]}と低サイクル速度^{[ 13 ]}を使用することでこれを実現できます。現在、効果的な熱交換器には課題があるため、低出力レベルでのみ実用的です。等温エネルギー貯蔵の理論効率は、環境への完全な熱伝達の場合、100%に近づきます。実際には、熱損失が避けられないため、これらの完全な熱力学的サイクルはどちらも実現できず、ほぼ等温のプロセスになります。最近の等温CAESの開発は、圧縮と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焦点を当てています。

ほぼ等温圧縮（および膨張）は、ガスを熱吸収・放出構造（HARS）や水噴霧などの大きな非圧縮性熱質量に非常に近い位置で圧縮するプロセスです。^{[ 14 ]} 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。その後、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）^{[ 15 ]}は、プロセスが断熱プロセスと等温プロセスの中間にあるかどうかの尺度です。効率が0%の場合は完全に断熱であり、効率が100%の場合は完全に等温です。通常、ほぼ等温プロセスでは、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、風力発電や太陽光発電などの再生可能エネルギー源と従来のCAES技術を統合したものです。この統合により、需要の少ない時期に発生した余剰再生可能エネルギーを貯蔵し、需要のピーク時に放出することで、電力網の安定性を高め、化石燃料への依存度を低減することができます。例えば、テキサス州のApex CAESプラントは、風力発電とCAESを組み合わせることで、再生可能エネルギー源の断続性に対応し、安定したエネルギー出力を実現しています。

等温CAESの実装の1つは、高圧、中圧、低圧ピストンを直列に使用しています。各ステージの後には、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吸い込むエアブラストベンチュリポンプがあります。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して同様のアプローチを採用していました。ベンチュリは前の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ポーター社の鉱山用機関車^{[ 16 ]や路面電車[ 17 ]}など、さまざまな圧縮空気車両で広く採用されました。ここでは、圧縮熱は効果的に大気（または海）に蓄えられ、後で戻されます。

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可変圧力システムであることを意味します。これにより、圧縮機やタービンにいくつかの運転上の問題が発生するため、圧力変動と貯蔵容器にかかる応力を一定の制限以下に抑える必要があります。^{[ 19 ]}

貯蔵容器は、溶解採掘（塩を水に溶かして抽出する）^{[ 20 ]}や廃坑を利用して作られた空洞であることが多い。天然ガスの貯留層が見つかるような、多孔質で透水性のある岩石層（液体や空気が通過できる相互に連結した穴のある岩）の利用も研究されている。^{[ 21 ]}

場合によっては、地上パイプラインを貯蔵システムとして試験したところ、良好な結果が得られた。当然ながら、システムのコストは高くなるが、設計者が自由に場所を選べる。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）が必要となる。^{[ 19 ]}

この場合、貯蔵容器は一定圧力に保たれ、ガスは可変容量容器に収容されます。等圧運転を実現するために、一般的に液体置換を利用する様々なタイプの貯蔵容器が提案されています。このような場合、貯蔵容器は地表から数百メートル下に設置され、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、以下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する。なぜなら、貯蔵された空気をすべて利用できるからである（充填状態（満タンでも空でも）に関わらず圧力は一定なので、タービンは問題なく利用できる。一方、定容システムでは、圧力が安全限界を下回るとシステムを停止する必要がある）。
• 拡張前のスロットリング要件の撤廃。
• 熱エネルギー貯蔵システム内で異なる温度の熱が混ざり合うことを避けることで、不可逆性を防ぐことができる。^{[ 22 ]}
• 一定入口条件下で動作するターボ機械の効率向上。
• CAESプラントの設置場所として様々な地理的位置（海岸線、浮体式プラットフォームなど）が利用されている。^{[ 23 ]}

一方、この貯蔵システムのコストは、貯蔵容器を選択した貯水池（多くの場合、海）の底に設置する必要があることと、容器自体のコストがかかるため、高くなります。^{[ 23 ]}

別の方法としては、大きな袋を水ではなく数メートルの砂の下に埋めるという方法がある。^{[ 24 ]}

発電所はピークカットの1日サイクルで稼働し、夜間に充電し、日中に放電します。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は、太平洋岸北西部国立研究所によって研究されています。^{[ 21 ]}

圧縮空気エネルギー貯蔵は、空気自動車や空気駆動機関車など、より小規模な用途にも利用でき、高強度（例えば炭素繊維）の空気貯蔵タンクを用いることができる。圧縮空気に蓄えられたエネルギーを保持するためには、このタンクを周囲環境から熱的に隔離する必要がある。そうしないと、空気を圧縮すると温度が上昇するため、蓄えられたエネルギーは熱として放出されてしまう。

CAESシステムの導入コストは、設置場所の地質条件、施設の規模、使用するCAESプロセス（断熱式、非断熱式、等温式）の種類に大きく左右されます。初期投資額は高額で、大規模システムの場合、1kWあたり500ドルから1,200ドルに達することがよくあります。これらのコストには主に、地下貯蔵空洞、圧縮・膨張装置、および（先進システムの場合）熱エネルギー貯蔵装置の開発費用が含まれます。

初期費用は高額であるものの、CAES（圧縮空気エネルギー貯蔵）施設は、30年以上という長い稼働寿命を持ち、定期的な交換が必要なリチウムイオン電池蓄電システムに比べて、メンテナンス費用や運用コストが低いという利点があります。このような長期的なコスト効率の高さから、CAESは電力会社や送電網事業者にとって特に魅力的な選択肢となっています。

市場動向を見ると、再生可能エネルギーの導入拡大とグリッド規模のエネルギー貯蔵の必要性から、CAES技術への関心が高まっていることが示唆される。政府による奨励策や、高効率コンプレッサーやタービンといった先進部品のコスト低下も、CAESの経済的実現可能性をさらに高めている。

CAES（圧縮空気エネルギー貯蔵）の導入と開発のペースを左右する上で、政府の政策と規制枠組みは極めて重要です。ドイツや米国などの国々は、エネルギー貯蔵技術を促進するために、税額控除や補助金など、さまざまなインセンティブを実施してきました。例えば、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、CAESが研究開発資金の主要な重点分野として位置づけられています。

CAES（圧縮空気エネルギー貯蔵）における重要な規制上の障壁の一つは、地下空気貯蔵施設の許認可手続きです。環境影響評価、土地利用許可、高圧貯蔵システムの安全基準などは、CAESプロジェクトの遅延やコスト増加につながる可能性があります。例えば、都市部近郊に立地するプロジェクトは、騒音公害、大気汚染、高圧空気貯蔵に伴う潜在的なリスクへの懸念から、より厳格な審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、および安全プロトコルの標準化に向けた取り組みが進められています。国際エネルギー機関（IEA）や欧州連合（EU）などの地域機関は、CAESを現代の電力網に統合するための枠組みの開発において重要な役割を果たしてきました。再生可能エネルギーの導入が加速するにつれ、間欠性という課題に対処するための政策では、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。

等温圧縮プロセスでは、システム内のガスは全体を通して一定の温度に保たれます。そのためには、ガスとの熱交換が不可欠です。そうでなければ、充填時に温度が上昇し、吐出時に温度が低下してしまいます。この熱交換は、圧縮機、レギュレーター、タンクの各段の間に設置された熱交換器（中間冷却）によって実現できます。エネルギーの無駄をなくすため、中間冷却器は高い熱伝達率と低い圧力損失を実現するように最適化する必要があります。小型の圧縮機は、圧縮室の表面積と体積の比率が比較的高く、圧縮機本体からの放熱性が向上するため、中間冷却なしでも等温圧縮に近い状態を実現できます。

完全な等温貯蔵（および放出）が実現した場合、そのプロセスは「可逆的」であると言われます。これは、周囲とガス間の熱伝達が極めて小さな温度差で行われることを必要とします。この場合、熱伝達プロセスにおいてエクセルギー損失は発生せず、圧縮仕事は膨張仕事として完全に回収できるため、貯蔵効率は100%となります。しかし実際には、あらゆる熱伝達プロセスにおいて必ず温度差が生じるため、実用的なエネルギー貯蔵の効率はすべて100%未満となります。

等温過程における圧縮／膨張仕事量を推定するために、圧縮空気は理想気体の法則に従うと仮定することができる。

${\displaystyle pV=nRT={\text{定数}}.}$

初期状態Aから最終状態Bへのプロセスにおいて、絶対温度は${\displaystyle T=T_{A}=T_{B}}$一定の場合、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）は次のようになる。

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

どこ${\displaystyle pV=p_{A}V_{A}=p_{B}V_{B}}$、 など${\displaystyle {\frac {V_{B}}{V_{A}}}={\frac {p_{A}}{p_{B}}}}$。

ここ${\displaystyle p}$絶対圧力は、${\displaystyle V_{A}}$圧縮されたガスの（未知の）体積は、${\displaystyle V_{B}}$は容器の容積です。${\displaystyle n}$は気体の物質量（モル）であり、${\displaystyle R}$は理想気体定数です。

容器の外側の圧力が一定で、それが開始圧力に等しい場合${\displaystyle p_{A}}$外部圧力による正の仕事は、利用可能なエネルギーを減少させる（負の値）。これにより、上記の式に次の項が追加される。

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

例

周囲圧力が1 bar (0.10 MPa )の場合、圧力70 bar (7.0  MPa) の 1 m ³貯蔵容器にどれだけのエネルギーを蓄えることができますか? 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、周囲環境が気体に対して仕事をすることを意味します。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。例えば、周囲環境が一定温度の場合、中間冷却器の熱抵抗により、圧縮は周囲温度よりやや高い温度で発生し、膨張は周囲温度よりやや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。

断熱過程とは、流体と周囲との間で熱の伝達がない過程のことです。つまり、系は熱伝達に対して断熱されています。さらに、その過程が内部的に可逆的（摩擦がなく、理想的な極限まで）であれば、等エントロピー過程にもなります。

断熱式蓄熱システムでは、圧縮過程における中間冷却が不要となり、圧縮時にガスが加熱され、膨張時に冷却されるという単純な構造になっています。熱伝達に伴うエネルギー損失が回避されるため魅力的ですが、欠点としては、蓄熱容器を断熱して熱損失を防ぐ必要がある点が挙げられます。また、実際の圧縮機やタービンは等エントロピーではなく、等エントロピー効率が約85%であることも留意すべきです。そのため、断熱式システムの往復蓄熱効率も、完全効率よりかなり低い値となります。

エネルギー貯蔵システムでは、しばしば大きな空洞が利用されます。これは、非常に大きな容積を持ち、わずかな圧力変化で大量のエネルギーを貯蔵できるため、好ましいシステム設計となっています。ガスは断熱的に圧縮され、温度変化（可逆等温系に近い状態）と熱損失（等エントロピー系に近い状態）はほとんど発生しません。この利点に加え、地下壁を利用して圧力を保持することで、ガス貯蔵システムの建設コストを低く抑えることができます。空洞空間を断熱することで、効率をさらに向上させることも可能です。

大型空洞貯蔵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。^{[ 56 ]}

車両や航空機に空気貯蔵システムを実用的に搭載して陸上輸送や航空輸送に利用するためには、エネルギー貯蔵システムは小型軽量でなければならない。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ある。

先進的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。バッテリー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、圧力容器は満タンから空になるまで圧力が大きく変化します。幅広い圧力範囲で高い効率と十分な出力を維持する空気エンジンを設計することは技術的に困難です。圧縮空気は非常に高い流量で動力を伝達できるため、特にハイブリッド車などの輸送システムの主要な加速および減速の目的を満たします。

圧縮空気システムは、従来のバッテリーに比べて、圧力容器の寿命が長く、材料の毒性が低いなど、多くの利点があります。リン酸鉄リチウム化学に基づいた最新のバッテリー設計は、これらの問題をどちらも抱えていません。圧縮空気のコストは潜在的に低く抑えられますが、高度な圧力容器の開発と安全性試験にはコストがかかり、現状では量産型バッテリーよりも高価です。

電気エネルギー貯蔵技術と同様に、圧縮空気の「クリーンさ」は、それが貯蔵するエネルギー源の質に左右されます。ライフサイクルアセスメントは、特定のエネルギー貯蔵技術と電力網における特定の発電方式の組み合わせから発生する総排出量を評価するものです。

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する。

以下の方法で効率を高めることができます。

• 高効率連続膨張タービン
• 複数の拡張段階
• 廃熱の利用、特にハイブリッド熱機関の設計において
• 環境熱の利用

高効率な構成では、高圧、中圧、低圧のピストンを直列に配置し、各ステージの後には空気噴射ベンチュリが配置され、空気対空気熱交換器を通して周囲の空気を吸い込みます。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。各ステージからの排気は冷気のみで、-15 °C (5 °F)まで冷えることもあります。この冷気は自動車のエアコンに使用できます。 ^{[ 17 ]}  

1904年のホワイトヘッド魚雷のように、燃料を燃焼させることで追加の熱を供給することができる。^{[ 60 ]}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可能な航続距離と速度が向上する。

空気エンジンは19世紀以来、都市レベルの中央集権的な配電網を通じて、鉱山用機関車、ポンプ、掘削機、路面電車などの動力源として利用されてきた。レーシングカーは圧縮空気を使って内燃機関（ICE）を始動させ、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もある。

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用いて空気を圧縮・加熱します。例えば、天然ガスや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やジェットエンジンの後部で空気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できる。現在は存在しないと思われる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。^{[ 62 ]}

ほぼ等温圧縮を行うための様々な方法が開発されている。流体力学では、往復ピストンに熱吸収・放出構造（HARS）を取り付けたシステムを採用している。^{[ 74 ]}ライトセイルでは、往復シリンダーに水スプレーを噴射する。サステインXでは、セミカスタムの120rpmコンプレッサー/エキスパンダー内部に空気と水のフォーム混合物を使用する。^{[ 75 ]}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を圧縮することを保証する。通常、これらのコンプレッサーは最大1000rpmの速度で運転できる。高い熱拡散率を確保するため、ガス分子と熱吸収面との平均距離は約0.5mmである。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る。