Almacenamiento de energía de aire comprimido

El almacenamiento adiabático continúa almacenando la energía térmica producida por la compresión y la devuelve al aire a medida que se expande para generar energía. La eficiencia teórica del almacenamiento adiabático se acerca al 100% con un aislamiento perfecto, pero en la práctica, se espera que la eficiencia de ida y vuelta sea del 70%. ^{[ 5 ]} El calor se puede almacenar en un sólido como el hormigón o la piedra, o en un fluido como el aceite caliente (hasta 300  °C) o soluciones de sales fundidas (600  °C). Almacenar el calor en agua caliente puede dar como resultado una eficiencia de alrededor del 65%. ^{[ 6 ]}

Se han propuesto lechos empacados como unidades de almacenamiento térmico para sistemas adiabáticos. Un estudio ^{[ 7 ]} simuló numéricamente un sistema de almacenamiento de energía de aire comprimido adiabático utilizando almacenamiento de energía térmica en lecho empacado. La eficiencia del sistema simulado en operación continua se calculó entre el 70,5 % y el 71 %.

Los avances en el almacenamiento de energía térmica adiabática (CAES) implican el desarrollo de sistemas de almacenamiento de energía térmica de alta eficiencia que capturan y reutilizan el calor generado durante la compresión. Esta innovación ha permitido alcanzar eficiencias del sistema superiores al 70 %, significativamente mayores que las de los sistemas diabáticos tradicionales.

En 2026, se puso en marcha en Huai'an, China , una planta CAES adiabática de 2,4 GWh, la más grande del mundo en ese momento. Consta de dos unidades de 300 MW con una tasa de eficiencia de conversión del 71 %. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

El almacenamiento adiabático disipa gran parte del calor de compresión mediante intercoolers (aproximadamente a la compresión isotérmica) en la atmósfera como energía residual, desperdiciando así la energía empleada en la compresión. Al extraer el aire comprimido del almacenamiento, su temperatura es el único indicador de la cantidad de energía almacenada que aún contiene. Por consiguiente, si la temperatura del aire es demasiado baja para la recuperación de energía , este debe recalentarse considerablemente antes de su expansión en la turbina para alimentar un generador . Este recalentamiento puede realizarse con un quemador de gas natural para almacenamiento a escala industrial o con una masa metálica calentada. Dado que la recuperación suele ser más necesaria cuando las fuentes renovables están inactivas, es necesario quemar el combustible para compensar el calor desperdiciado . Esto reduce la eficiencia del ciclo de almacenamiento y recuperación. Si bien este método es relativamente sencillo, la quema de combustible incrementa el coste de la energía eléctrica recuperada y compromete los beneficios ecológicos asociados a la mayoría de las fuentes de energía renovables . No obstante, hasta la fecha, este es el único sistema implementado comercialmente.

La planta CAES de McIntosh, Alabama , requiere 2,5  MJ de electricidad y 1,2  MJ de poder calorífico inferior (PCI) de gas por cada MJ de energía producida, lo que corresponde a una eficiencia de recuperación de energía de aproximadamente el 27 %. ^{[ 10 ]} Una planta de ciclo combinado General Electric 7FA 2x1 , una de las plantas de gas natural más eficientes en funcionamiento, utiliza 1,85 MJ (PCI) de gas por cada MJ generado, ^{[ 11 ]} una eficiencia térmica del 54 % . 

Para mejorar la eficiencia de los sistemas CAES diabáticos, los diseños modernos incorporan unidades de recuperación de calor que capturan el calor residual durante la compresión, reduciendo así las pérdidas de energía y mejorando el rendimiento general.

Los métodos de compresión y expansión isotérmica buscan mantener la temperatura de operación mediante un intercambio de calor constante con el ambiente. En un compresor alternativo, esto se puede lograr utilizando un pistón con aletas ^{[ 12 ]} y bajas velocidades de ciclo ^{[ 13 ]} . Los desafíos actuales en los intercambiadores de calor efectivos implican que solo son prácticos para niveles de potencia bajos. La eficiencia teórica del almacenamiento de energía isotérmica se acerca al 100% para una transferencia de calor perfecta al ambiente. En la práctica, ninguno de estos ciclos termodinámicos perfectos es alcanzable, ya que algunas pérdidas de calor son inevitables, lo que lleva a un proceso casi isotérmico. Los desarrollos recientes en CAES isotérmico se centran en técnicas y materiales avanzados de gestión térmica que mantienen temperaturas de aire constantes durante la compresión y la expansión, minimizando las pérdidas de energía y mejorando la eficiencia del sistema.

La compresión (y expansión) casi isotérmica es un proceso en el que un gas se comprime muy cerca de una gran masa térmica incompresible, como una estructura de absorción y liberación de calor (HARS) o un chorro de agua. ^{[ 14 ]} Una HARS suele estar compuesta por una serie de aletas paralelas. A medida que el gas se comprime, el calor de compresión se transfiere rápidamente a la masa térmica, estabilizando así la temperatura del gas. Posteriormente, se utiliza un circuito de refrigeración externo para mantener la temperatura de la masa térmica. La eficiencia isotérmica (Z) ^{[ 15 ]} es una medida de la posición del proceso entre un proceso adiabático e isotérmico. Si la eficiencia es del 0 %, es totalmente adiabático; con una eficiencia del 100 %, es totalmente isotérmico. Normalmente, en un proceso casi isotérmico, se puede esperar una eficiencia isotérmica del 90-95 %.

Los sistemas híbridos de almacenamiento de energía por aire comprimido (H-CAES) integran fuentes de energía renovable , como la eólica o la solar, con la tecnología CAES tradicional. Esta integración permite almacenar el exceso de energía renovable generada durante los períodos de baja demanda, que puede liberarse durante los períodos de máxima demanda para mejorar la estabilidad de la red y reducir la dependencia de los combustibles fósiles . Por ejemplo, la planta Apex CAES en Texas combina la energía eólica con la tecnología CAES para proporcionar un suministro energético constante, solucionando así la intermitencia de las fuentes de energía renovable.

Una implementación del CAES isotérmico utiliza pistones de alta, media y baja presión en serie. Cada etapa va seguida de una bomba venturi de aire comprimido que aspira aire ambiente a través de un intercambiador de calor aire-aire (o aire-agua de mar) entre cada etapa de expansión. Los primeros diseños de torpedos de aire comprimido utilizaban un enfoque similar, sustituyendo el aire por agua de mar. El venturi calienta el escape de la etapa precedente y admite este aire precalentado a la siguiente etapa. Este enfoque fue ampliamente adoptado en varios vehículos de aire comprimido, como las locomotoras mineras de HK Porter, Inc. ^{[ 16 ]} y los tranvías. ^{[ 17 ]} Aquí, el calor de compresión se almacena efectivamente en la atmósfera (o el mar) y se devuelve posteriormente.

Este sistema de almacenamiento utiliza una cámara con límites específicos para almacenar grandes cantidades de aire. Desde un punto de vista termodinámico, esto significa que se trata de un sistema de volumen constante y presión variable. Esto genera algunos problemas operativos para los compresores y las turbinas, por lo que las variaciones de presión deben mantenerse por debajo de un cierto límite, al igual que las tensiones inducidas en los depósitos de almacenamiento. ^{[ 19 ]}

El depósito de almacenamiento suele ser una caverna creada mediante minería por disolución (la sal se disuelve en agua para su extracción) ^{[ 20 ]} o mediante el uso de una mina abandonada ; también se ha estudiado el uso de formaciones rocosas porosas y permeables (rocas que tienen agujeros interconectados, a través de los cuales puede pasar líquido o aire), como aquellas en las que se encuentran yacimientos de gas natural. ^{[ 21 ]}

En algunos casos, se probó un oleoducto aéreo como sistema de almacenamiento, obteniéndose buenos resultados. Obviamente, el costo del sistema es mayor, pero puede ubicarse donde el diseñador lo desee, mientras que un sistema subterráneo requiere formaciones geológicas específicas (domos de sal, acuíferos, campos de gas agotados, etc.). ^{[ 19 ]}

En este caso, el depósito de almacenamiento se mantiene a presión constante, mientras que el gas se encuentra en un depósito de volumen variable. Se han propuesto diversos tipos de depósitos de almacenamiento, que generalmente se basan en el desplazamiento de líquido para lograr un funcionamiento isobárico. En estos casos, el depósito se ubica a cientos de metros bajo el nivel del suelo, y la presión hidrostática (altura) de la columna de agua sobre el depósito mantiene la presión al nivel deseado.

Esta configuración permite:

• Mejora de la densidad energética del sistema de almacenamiento, ya que se puede utilizar todo el aire contenido (la presión es constante en todas las condiciones de carga, llena o vacía, por lo que la turbina no tiene problemas para aprovecharla, mientras que con los sistemas de volumen constante, si la presión cae por debajo de un límite de seguridad, el sistema debe detenerse).
• Eliminación del requisito de estrangulamiento previo a la expansión.
• Evitar la mezcla de calor a diferentes temperaturas en el sistema de almacenamiento de energía térmica, lo que conduce a la irreversibilidad. ^{[ 22 ]}
• Mejora de la eficiencia de la turbomaquinaria, que funcionará en condiciones de entrada constante.
• Uso de diversas ubicaciones geográficas para el posicionamiento de la planta CAES (líneas costeras, plataformas flotantes, etc.). ^{[ 23 ]}

Por otro lado, el costo de este sistema de almacenamiento es mayor debido a la necesidad de colocar el recipiente de almacenamiento en el fondo del depósito de agua elegido (a menudo el océano) y debido al costo del propio recipiente. ^{[ 23 ]}

Otro método consiste en enterrar una bolsa grande bajo varios metros de arena en lugar de agua. ^{[ 24 ]}

Las plantas operan en un ciclo diario de reducción de picos de demanda , cargándose por la noche y descargándose durante el día. El calentamiento del aire comprimido mediante gas natural o calor geotérmico para aumentar la cantidad de energía extraída ha sido estudiado por el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico . ^{[ 21 ]}

El almacenamiento de energía mediante aire comprimido también puede emplearse a menor escala, como en el caso de los coches y locomotoras neumáticas , utilizando depósitos de alta resistencia (por ejemplo, de fibra de carbono ). Para conservar la energía almacenada en el aire comprimido, este depósito debe estar aislado térmicamente del entorno; de lo contrario, la energía se disipará en forma de calor, ya que la compresión del aire eleva su temperatura.

El costo de implementar sistemas CAES depende en gran medida de las condiciones geológicas del sitio, la escala de la instalación y el tipo de proceso CAES utilizado ( adiabático , diabático o isotérmico ). La inversión inicial es considerable, oscilando a menudo entre 500 y 1200 dólares por kW para sistemas de gran escala. Estos costos incluyen principalmente el desarrollo de cavernas de almacenamiento subterráneas, equipos de compresión y expansión, y unidades de almacenamiento de energía térmica (para sistemas avanzados).

A pesar de los elevados costes iniciales, las instalaciones CAES tienen una larga vida útil, que a menudo supera los 30 años, con bajos costes de mantenimiento y operación en comparación con los sistemas de almacenamiento de baterías de iones de litio , que requieren reemplazos periódicos. Esta rentabilidad a largo plazo hace que las instalaciones CAES sean especialmente atractivas para las compañías eléctricas y los operadores de redes .

Las tendencias del mercado sugieren un creciente interés en la tecnología CAES debido a la mayor integración de energías renovables y la necesidad de almacenamiento de energía a gran escala . Los incentivos gubernamentales y la disminución de los costos de componentes avanzados, como compresores y turbinas de alta eficiencia, están mejorando aún más la viabilidad económica de CAES.

Las políticas gubernamentales y los marcos regulatorios son cruciales para determinar el ritmo de adopción y desarrollo de los sistemas de almacenamiento de energía en aire comprimido (CAES). Países como Alemania y Estados Unidos han implementado diversos incentivos, incluyendo créditos fiscales y subvenciones, para promover las tecnologías de almacenamiento de energía . Por ejemplo, el programa Energy Storage Grand Challenge del Departamento de Energía de Estados Unidos incluye los CAES como un área prioritaria para la financiación de la investigación y el desarrollo.

Uno de los principales obstáculos regulatorios para el almacenamiento de aire comprimido (CAES, por sus siglas en inglés) es el proceso de obtención de permisos para las instalaciones subterráneas de almacenamiento de aire. Las evaluaciones de impacto ambiental , las aprobaciones de uso del suelo y las normas de seguridad para los sistemas de almacenamiento a alta presión pueden retrasar o aumentar los costos de los proyectos CAES. Por ejemplo, los proyectos ubicados cerca de áreas urbanas suelen ser objeto de un escrutinio adicional debido a la preocupación por la contaminación acústica , la calidad del aire y los riesgos potenciales asociados con el almacenamiento de aire a alta presión.

A nivel internacional, se están realizando esfuerzos para estandarizar el diseño, la operación y los protocolos de seguridad de los sistemas CAES. Organizaciones como la Agencia Internacional de Energía (AIE) y organismos regionales como la Unión Europea han sido fundamentales en el desarrollo de marcos que apoyen la integración de los sistemas CAES en las redes eléctricas modernas . A medida que se acelera la adopción de energías renovables, es probable que las políticas destinadas a abordar los desafíos de la intermitencia prioricen soluciones a gran escala como los sistemas CAES.

En un proceso de compresión isotérmica , el gas en el sistema se mantiene a una temperatura constante. Esto requiere necesariamente un intercambio de calor con el gas; de lo contrario, la temperatura aumentaría durante la carga y disminuiría durante la descarga. Este intercambio de calor se logra mediante intercambiadores de calor (enfriamiento intermedio) entre las etapas sucesivas del compresor, el regulador y el tanque. Para evitar el desperdicio de energía, los enfriadores intermedios deben optimizarse para lograr una alta transferencia de calor y una baja caída de presión. Los compresores más pequeños pueden lograr una compresión isotérmica incluso sin enfriamiento intermedio, debido a la relación relativamente alta entre la superficie y el volumen de la cámara de compresión y la consiguiente mejora en la disipación de calor del propio cuerpo del compresor.

Cuando se logra un almacenamiento (y descarga) isotérmico perfecto, se dice que el proceso es "reversible". Esto requiere que la transferencia de calor entre el entorno y el gas se produzca con una diferencia de temperatura infinitesimal. En ese caso, no hay pérdida de exergía en el proceso de transferencia de calor, por lo que el trabajo de compresión se puede recuperar completamente como trabajo de expansión: una eficiencia de almacenamiento del 100 %. Sin embargo, en la práctica, siempre existe una diferencia de temperatura en cualquier proceso de transferencia de calor, por lo que todos los sistemas prácticos de almacenamiento de energía obtienen eficiencias inferiores al 100 %.

Para estimar el trabajo de compresión/expansión en un proceso isotérmico, se puede suponer que el aire comprimido obedece la ley de los gases ideales :

${\displaystyle pV=nRT={\text{constante}}.}$

Para un proceso desde un estado inicial A a un estado final B , con temperatura absoluta${\displaystyle T=T_{A}=T_{B}}$constante, se encuentra que el trabajo requerido para la compresión (negativo) o realizado por la expansión (positivo) es

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

dónde${\displaystyle pV=p_{A}V_{A}=p_{B}V_{B}}$, y entonces${\displaystyle {\frac {V_{B}}{V_{A}}}={\frac {p_{A}}{p_{B}}}}$.

Aquí${\displaystyle p}$es la presión absoluta ,${\displaystyle V_{A}}$es el volumen (desconocido) de gas comprimido,${\displaystyle V_{B}}$es el volumen del recipiente,${\displaystyle n}$es la cantidad de sustancia de gas (mol), y${\displaystyle R}$es la constante de los gases ideales .

Si existe una presión constante fuera del recipiente, que es igual a la presión inicial.${\displaystyle p_{A}}$El trabajo positivo de la presión externa reduce la energía aprovechable (valor negativo). Esto añade un término a la ecuación anterior:

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

Ejemplo

¿Cuánta energía se puede almacenar en un recipiente de almacenamiento de 1 ^m³  a una presión de 70 bares (7,0 MPa) , si la presión ambiente es de 1 bar (0,10 MPa) ? En este caso, el trabajo del proceso es  

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

= 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.

El signo negativo indica que el entorno realiza trabajo sobre el gas. Las irreversibilidades del proceso (como en la transferencia de calor) provocan que se recupere menos energía de la necesaria para la compresión durante la expansión. Por ejemplo, si la temperatura ambiente es constante, la resistencia térmica de los intercambiadores de calor hará que la compresión se produzca a una temperatura ligeramente superior a la ambiente, y la expansión a una temperatura ligeramente inferior. Por lo tanto, es imposible lograr un sistema de almacenamiento isotérmico perfecto.

Un proceso adiabático es aquel en el que no hay transferencia de calor entre el fluido y el entorno: el sistema está aislado térmicamente. Si además el proceso es internamente reversible (sin fricción, en el límite ideal), entonces también será isoentrópico .

Un sistema de almacenamiento adiabático elimina el enfriamiento intermedio durante el proceso de compresión y simplemente permite que el gas se caliente durante la compresión y se enfríe durante la expansión. Esto resulta atractivo, ya que se evitan las pérdidas de energía asociadas a la transferencia de calor, pero la desventaja es que el recipiente de almacenamiento debe estar aislado térmicamente. Cabe mencionar también que los compresores y turbinas reales no son isoentrópicos, sino que tienen una eficiencia isoentrópica de alrededor del 85 %. En consecuencia, la eficiencia de almacenamiento de ida y vuelta para los sistemas adiabáticos también es considerablemente inferior a la ideal.

Los sistemas de almacenamiento de energía suelen utilizar grandes cavernas. Este es el diseño preferido debido a su gran volumen y, por lo tanto, a la gran cantidad de energía que se puede almacenar con una mínima variación de presión. El gas se comprime adiabáticamente con poca variación de temperatura (aproximadamente un sistema isotérmico reversible) y mínima pérdida de calor (aproximadamente un sistema isoentrópico). Esta ventaja se suma al bajo costo de construcción del sistema de almacenamiento de gas, ya que las paredes subterráneas ayudan a contener la presión. El espacio de la caverna se puede aislar para mejorar la eficiencia.

Se han propuesto bolsas de aire aisladas submarinas que tienen propiedades termodinámicas similares a las del almacenamiento en grandes cavernas. ^{[ 56 ]}

Para utilizar el almacenamiento de energía en el aire comprimido de vehículos o aeronaves para el transporte terrestre o aéreo práctico, el sistema de almacenamiento debe ser compacto y ligero. La densidad energética y la energía específica son los términos de ingeniería que definen estas cualidades.

Las botellas reforzadas con fibra avanzada son comparables a las baterías recargables de plomo-ácido en términos de densidad energética. Las baterías proporcionan un voltaje casi constante durante todo su ciclo de carga, mientras que la presión varía considerablemente al usar un recipiente a presión, desde lleno hasta vacío. Diseñar motores de aire para mantener una alta eficiencia y potencia suficiente en un amplio rango de presiones es un desafío técnico. El aire comprimido puede transferir potencia a caudales muy altos, lo que cumple con los principales objetivos de aceleración y desaceleración de los sistemas de transporte, en particular para los vehículos híbridos .

Los sistemas de aire comprimido ofrecen ventajas sobre las baterías convencionales, como una mayor vida útil de los recipientes a presión y una menor toxicidad de los materiales. Los diseños de baterías más recientes, como los basados ​​en la química de fosfato de hierro y litio, no presentan ninguno de estos problemas. Si bien el aire comprimido tiene un coste potencialmente menor, el desarrollo y las pruebas de seguridad de los recipientes a presión avanzados son costosos y, actualmente, resultan más caros que las baterías de producción masiva.

Al igual que ocurre con la tecnología de almacenamiento eléctrico, el aire comprimido es tan "limpio" como la fuente de energía que almacena. El análisis del ciclo de vida aborda la cuestión de las emisiones totales de una tecnología de almacenamiento de energía determinada, combinada con una combinación específica de generación en una red eléctrica.

Un motor neumático o motor de aire comprimido utiliza la expansión del aire comprimido para accionar los pistones de un motor, hacer girar el eje o accionar una turbina .

Los siguientes métodos pueden aumentar la eficiencia:

• Una turbina de expansión continua de alta eficiencia
• Múltiples etapas de expansión
• Uso del calor residual, especialmente en el diseño de un motor térmico híbrido.
• Uso del calor ambiental

Un sistema altamente eficiente utiliza pistones de alta, media y baja presión en serie, y cada etapa va seguida de un venturi de aire comprimido que aspira aire ambiente a través de un intercambiador de calor aire-aire . Esto calienta los gases de escape de la etapa anterior y permite que este aire precalentado pase a la siguiente etapa. El único gas de escape de cada etapa es aire frío, que puede alcanzar temperaturas de hasta -15 °C (5 °F) ; este aire frío puede utilizarse para el aire acondicionado de un automóvil. ^{[ 17 ]}  

Se puede suministrar calor adicional mediante la combustión de combustible, como en 1904 para el torpedo Whitehead . ^{[ 60 ]} Esto mejora el alcance y la velocidad disponibles para un volumen de tanque dado a costa del combustible adicional.

Los motores neumáticos se utilizan desde el siglo XIX para impulsar locomotoras mineras , bombas, perforadoras y tranvías, mediante una distribución centralizada a nivel urbano. Los coches de carreras utilizan aire comprimido para arrancar su motor de combustión interna (MCI), y los grandes motores diésel pueden tener motores neumáticos de arranque .

Los motores de ciclo Brayton comprimen y calientan el aire con un combustible adecuado para un motor de combustión interna . Por ejemplo, la combustión de gas natural o biogás calienta el aire comprimido, y luego una turbina de gas convencional o la parte trasera de un motor a reacción lo expande para producir trabajo.

Los motores de aire comprimido pueden recargar una batería eléctrica . La aparentemente desaparecida Energine promocionó su sistema Pne-PHEV o Vehículo Eléctrico Híbrido Enchufable Neumático. ^{[ 62 ]}

Se están desarrollando varios métodos de compresión casi isotérmica. Fluid Mechanics cuenta con un sistema con una estructura de absorción y liberación de calor (HARS) acoplada a un pistón alternativo. ^{[ 74 ]} Light Sail inyecta un chorro de agua en un cilindro alternativo. SustainX utiliza una mezcla de espuma de aire y agua dentro de un compresor/expansor semicustomizado de 120 rpm. ^{[ 75 ]} Todos estos sistemas garantizan que el aire se comprima con una alta difusividad térmica en comparación con la velocidad de compresión. Normalmente, estos compresores pueden funcionar a velocidades de hasta 1000 rpm. Para garantizar una alta difusividad térmica, la distancia promedio de una molécula de gas a una superficie de absorción de calor es de aproximadamente 0,5 mm. Estos compresores casi isotérmicos también pueden utilizarse como expansores casi isotérmicos y se están desarrollando para mejorar la eficiencia de ciclo completo de CAES.