El almacenamiento de energía mediante aire comprimido (CAES) es una forma de almacenar energía para su uso posterior mediante aire comprimido . A escala de servicios públicos , la energía generada durante períodos de baja demanda se puede liberar durante períodos de carga máxima . [1]
El primer proyecto CAES a escala de servicios públicos se llevó a cabo en la planta de energía Huntorf en Elsfleth, Alemania , y sigue en funcionamiento en 2024. [actualizar][ 2] La planta Huntorf se desarrolló inicialmente como un equilibrador de carga para la electricidad generada con combustibles fósiles , pero el cambio global hacia la energía renovable renovó el interés en los sistemas CAES, [3] para ayudar a fuentes de energía altamente intermitentes como la fotovoltaica y la eólica a satisfacer las demandas fluctuantes de electricidad. [3]
Un desafío constante en el diseño a gran escala es la gestión de la energía térmica, ya que la compresión del aire provoca un aumento no deseado de la temperatura que no solo reduce la eficiencia operativa sino que también puede provocar daños. La principal diferencia entre las distintas arquitecturas radica en la ingeniería térmica. Por otro lado, los sistemas a pequeña escala se han utilizado durante mucho tiempo para la propulsión de locomotoras mineras . A diferencia de las baterías tradicionales, los sistemas pueden almacenar energía durante períodos de tiempo más largos y requieren menos mantenimiento.
La compresión del aire crea calor; el aire es más cálido después de la compresión. La expansión elimina calor. Si no se agrega calor adicional, el aire será mucho más frío después de la expansión. Si el calor generado durante la compresión se puede almacenar y utilizar durante la expansión, entonces la eficiencia del almacenamiento mejora considerablemente. [4] Hay varias formas en las que un sistema CAES puede lidiar con el calor. El almacenamiento de aire puede ser adiabático , diabático, isotérmico o casi isotérmico.
El almacenamiento adiabático continúa almacenando la energía producida por la compresión y la devuelve al aire a medida que se expande para generar energía. Este es un tema de estudio en curso, sin plantas a escala de servicio público a partir de 2015. 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). El almacenamiento del calor en agua caliente puede producir una eficiencia de alrededor del 65%. [6]
Se han propuesto lechos empacados como unidades de almacenamiento térmico para sistemas adiabáticos. En un estudio [7] se simuló numéricamente un sistema de almacenamiento de energía de aire comprimido adiabático utilizando lechos empacados. Se calculó que la eficiencia del sistema simulado en funcionamiento continuo se encontraba entre el 70,5 % y el 71 %.
El almacenamiento diabático disipa gran parte del calor de la compresión con intercoolers (acercándose así a la compresión isotérmica) a la atmósfera como residuo, desperdiciando esencialmente la energía utilizada para realizar el trabajo de compresión. Al retirarlo del almacenamiento, la temperatura de este aire comprimido es el único indicador de la cantidad de energía almacenada que permanece en este aire. En consecuencia, si la temperatura del aire es demasiado baja para el proceso de recuperación de energía , entonces el aire debe recalentarse sustancialmente antes de la expansión en la turbina para alimentar un generador . Este recalentamiento se puede lograr con un quemador de gas natural para el almacenamiento de grado de servicio público o con una masa metálica calentada. Como la recuperación suele ser más necesaria cuando las fuentes renovables están inactivas, el combustible debe quemarse para compensar el calor desperdiciado . Esto degrada la eficiencia del ciclo de almacenamiento-recuperación. Si bien este enfoque es relativamente simple, la quema de combustible aumenta el costo de la energía eléctrica recuperada y compromete los beneficios ecológicos asociados con la mayoría de las fuentes de energía renovables . Sin embargo, este es hasta ahora [ ¿hasta ahora? ] el único sistema que se ha implementado comercialmente.
La planta CAES de McIntosh, Alabama , requiere 2,5 MJ de electricidad y 1,2 MJ de valor calorífico inferior (LHV) de gas por cada MJ de producción de energía, lo que corresponde a una eficiencia de recuperación de energía de aproximadamente el 27%. [8] Una planta de ciclo combinado General Electric 7FA 2x1 , una de las plantas de gas natural más eficientes en operación, utiliza 1,85 MJ (LHV) de gas por MJ generado, [9] una eficiencia térmica del 54% .
Los métodos de compresión y expansión isotérmica intentan mantener la temperatura de funcionamiento mediante un intercambio de calor constante con el medio ambiente. En un compresor alternativo, esto se puede lograr mediante el uso de un pistón con aletas [10] y velocidades de ciclo bajas. [11] Los desafíos actuales [¿ cuándo? ] en los intercambiadores de calor efectivos significan 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 medio ambiente. En la práctica, ninguno de estos ciclos termodinámicos perfectos se puede obtener, ya que algunas pérdidas de calor son inevitables, lo que conduce a un proceso casi isotérmico.
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 rocío de agua. [12] Una HARS suele estar formada por una serie de aletas paralelas. A medida que se comprime el gas, el calor de la compresión se transfiere rápidamente a la masa térmica, por lo que la temperatura del gas se estabiliza. A continuación, se utiliza un circuito de refrigeración externo para mantener la temperatura de la masa térmica. La eficiencia isotérmica (Z) [13] es una medida de dónde se encuentra el proceso entre un proceso adiabático e isotérmico. Si la eficiencia es del 0 %, entonces es totalmente adiabático; con una eficiencia del 100 %, es totalmente isotérmico. Normalmente, con un proceso casi isotérmico, se puede esperar una eficiencia isotérmica del 90-95 %.
Una implementación del CAES isotérmico utiliza pistones de alta, media y baja presión en serie. Cada etapa es seguida por una bomba Venturi de chorro de aire que aspira aire ambiente sobre 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 anterior y admite este aire precalentado en la etapa siguiente. Este enfoque fue ampliamente adoptado en varios vehículos de aire comprimido, como las locomotoras mineras de HK Porter, Inc. [14] y los tranvías. [15] Aquí, el calor de la compresión se almacena de manera efectiva en la atmósfera (o el mar) y se devuelve más tarde. [ cita requerida ]
La compresión se puede realizar con turbocompresores accionados eléctricamente y la expansión con turboexpansores [16] o motores de aire que accionan generadores eléctricos para producir electricidad.
Los recipientes de almacenamiento de aire varían según las condiciones termodinámicas de almacenamiento y la tecnología utilizada:
Este sistema de almacenamiento utiliza una cámara con límites específicos para almacenar grandes cantidades de aire. Esto significa que, desde un punto de vista termodinámico, se trata de un sistema de volumen constante y presión variable. Esto ocasiona algunos problemas operativos para los compresores y turbinas, por lo que las variaciones de presión deben mantenerse por debajo de un cierto límite, al igual que las tensiones inducidas en los recipientes de almacenamiento. [17]
El recipiente de almacenamiento es a menudo una caverna creada mediante minería en solución (la sal se disuelve en agua para su extracción) [18] 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 depósitos de gas natural. [19]
En algunos casos se ha probado una tubería superficial como sistema de almacenamiento, con buenos resultados. Obviamente, el costo del sistema es más alto, pero se puede colocar donde el diseñador elija, mientras que un sistema subterráneo necesita algunas formaciones geológicas particulares (domos de sal, acuíferos, yacimientos de gas agotados, etc.). [17]
En este caso, el recipiente de almacenamiento se mantiene a presión constante, mientras que el gas se encuentra contenido en un recipiente de volumen variable. Se han propuesto muchos tipos de recipientes de almacenamiento, que generalmente se basan en el desplazamiento del líquido para lograr un funcionamiento isobárico. En tales casos, el recipiente de almacenamiento se coloca a cientos de metros por debajo del nivel del suelo y la presión hidrostática (altura) de la columna de agua sobre el recipiente de almacenamiento mantiene la presión al nivel deseado.
Esta configuración permite:
Por otra parte, el coste de este sistema de almacenamiento es mayor debido a la necesidad de posicionar el recipiente de almacenamiento en el fondo del depósito de agua elegido (a menudo el océano) y debido al coste del recipiente en sí. [21]
Un enfoque diferente consiste en enterrar una bolsa grande bajo varios metros de arena en lugar de agua. [22]
Las plantas funcionan con un ciclo diario de reducción de picos , cargándose por la noche y descargándose durante el día. El Laboratorio Nacional del Pacífico Noroeste ha estudiado el calentamiento del aire comprimido mediante gas natural o calor geotérmico para aumentar la cantidad de energía extraída . [19]
El almacenamiento de energía mediante aire comprimido también se puede utilizar a menor escala, como en el caso de los automóviles y locomotoras propulsados por aire , y se pueden utilizar tanques de almacenamiento de aire de alta resistencia (por ejemplo, de fibra de carbono ). Para retener la energía almacenada en el aire comprimido, este tanque debe estar aislado térmicamente del entorno; de lo contrario, la energía almacenada se escapará en forma de calor, porque la compresión del aire aumenta su temperatura.
Los sistemas de energía de aire comprimido en toda la ciudad para entregar energía mecánica directamente a través de aire comprimido se han construido desde 1870. [23] Ciudades como París , Francia; Birmingham , Inglaterra; Dresde , Rixdorf y Offenbach , Alemania; y Buenos Aires , Argentina, instalaron tales sistemas. Victor Popp construyó los primeros sistemas para alimentar relojes enviando un pulso de aire cada minuto para cambiar sus brazos de puntero. Evolucionaron rápidamente para entregar energía a hogares e industrias. [24] En 1896, el sistema de París tenía 2,2 MW de generación distribuidos a 550 kPa en 50 km de tuberías de aire para motores en la industria ligera y pesada. El uso se medía en metros cúbicos. [23] Los sistemas eran la principal fuente de energía entregada a los hogares en aquellos días y también alimentaban las máquinas de dentistas , costureras , imprentas y panaderías .
El primer proyecto de almacenamiento de energía de aire comprimido diabático a gran escala fue la planta Huntorf de 290 megavatios inaugurada en 1978 en Alemania, que utilizó una caverna de domo de sal con 580 MWh de energía y una eficiencia del 42%. [25]
En 1991 se construyó en McIntosh (Alabama) una planta de 110 megavatios con una capacidad de 26 horas (2.860 MWh de energía) . El costo de la instalación de Alabama, de 65 millones de dólares, equivale a 590 dólares por kW de capacidad y a unos 23 dólares por kW-hora de capacidad de almacenamiento. Utiliza una caverna de sal extraída por disolución de 19 millones de pies cúbicos para almacenar aire a una presión de hasta 1100 psi. Aunque la fase de compresión tiene una eficiencia de aproximadamente el 82%, la fase de expansión requiere la combustión de gas natural a un tercio de la velocidad de una turbina de gas que produce la misma cantidad de electricidad con una eficiencia del 54%. [25] [26] [27] [28]
En 2012, General Compression completó la construcción de un proyecto casi isotérmico de 2 MW en el condado de Gaines, Texas , el tercero de este tipo en el mundo. El proyecto no utiliza combustible. [29] Parece que dejó de funcionar en 2016. [30]
Se inauguró en Jiangsu , China, una instalación de 60 MW/300 MWh con una eficiencia del 60%, utilizando una caverna de sal (2022). [31]
Una instalación de CO2 comprimido de 2,5 MW/4 MWh comenzó a operar en Cerdeña , Italia (2022). [32]
En 2022, Zhangjiakou conectó a la red eléctrica del norte de China el primer sistema "avanzado" de 100 MW del mundo. No utiliza combustibles fósiles , sino que adopta tecnologías de almacenamiento térmico supercrítico, intercambio de calor supercrítico y compresión y expansión de alta carga. La planta puede almacenar 400 MWh con una eficiencia del 70,4 %. [33] Se inició la construcción de un proyecto de cueva de sal subterránea de 350 MW/1,4 GWh en Shangdong [34] con un coste de 208 millones de dólares, que operará en 2024 con una eficiencia del 64 %. [35] [36]
En 2009, el Departamento de Energía de Estados Unidos otorgó 24,9 millones de dólares en fondos de contrapartida para la primera fase de una instalación de 300 MW y 356 millones de dólares de la Pacific Gas and Electric Company que utilizará una formación rocosa porosa salina que se está desarrollando cerca de Bakersfield en el condado de Kern, California . Los objetivos del proyecto eran construir y validar un diseño avanzado. [37]
En 2010, el Departamento de Energía de Estados Unidos proporcionó 29,4 millones de dólares en financiación para realizar trabajos preliminares en un proyecto de 150 MW basado en sal que está desarrollando Iberdrola USA en Watkins Glen, Nueva York . El objetivo es incorporar tecnología de red inteligente para equilibrar las fuentes de energía renovables intermitentes . [37] [38]
El primer proyecto adiabático , una instalación de 200 megavatios llamada ADELE, se planeó para su construcción en Alemania (2013) con un objetivo de eficiencia del 70% mediante el uso de aire a 600 °C (1112 °F) a 100 bares de presión. [39] Este proyecto se retrasó por razones no reveladas hasta al menos 2016. [40]
Storelectric Ltd planeó construir una planta piloto de energía 100% renovable de 40 MW en Cheshire , Reino Unido, con 800 MWh de capacidad de almacenamiento (2017). [41]
Hydrostor completó el primer sistema A-CAES comercial en Goderich, Ontario , y suministró servicio con almacenamiento de 2,2 MW/10 MWh a la red eléctrica de Ontario (2019). Fue el primer sistema A-CAES en lograr una operación comercial en décadas. [42]
El proyecto RICAS (adiabático) financiado por la Unión Europea en Austria tenía como objetivo utilizar roca triturada para almacenar el calor del proceso de compresión y mejorar la eficiencia (2020). Se esperaba que el sistema alcanzara una eficiencia del 70-80 %. [43]
Apex planeó una planta para el condado de Anderson, Texas , que entraría en funcionamiento en 2016. [44] Este proyecto se ha retrasado al menos hasta 2020. [45]
La empresa canadiense Hydrostor planeó construir cuatro plantas Advance en Toronto , Goderich, Angas y Rosamond (2020). Algunas incluían almacenamiento parcial de calor en agua, lo que mejoraba la eficiencia al 65 %. [46]
A partir de 2022, se planeó que el proyecto Gem en Rosamond en el condado de Kern, California , proporcionara 500 MW / 4000 MWh de almacenamiento. El proyecto Pecho en San Luis Obispo, California , estaba planeado para ser de 400 MW / 3200 MWh. El proyecto Broken Hill en Nueva Gales del Sur , Australia, fue de 200 MW / 1600 MWh. [47]
En 2023, Alliant Energy anunció sus planes de construir una planta de CO2 comprimido de 200 MWh basada en la planta de Sardinia en el condado de Columbia, Wisconsin . Será la primera de su tipo en los Estados Unidos. [48]
La energía del aire comprimido se puede almacenar en cuevas submarinas en Irlanda del Norte . [49]
Para lograr un proceso casi termodinámicamente reversible de modo que la mayor parte de la energía se ahorre en el sistema y pueda recuperarse, y las pérdidas se mantengan insignificantes, se desea un proceso isotérmico casi reversible o un proceso isentrópico . [4]
En un proceso de compresión isotérmica , el gas del sistema se mantiene a una temperatura constante durante todo el proceso. 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 puede lograr mediante intercambiadores de calor (interenfriamiento) entre las etapas posteriores en el compresor, el regulador y el tanque. Para evitar el desperdicio de energía, los interenfriadores deben optimizarse para una alta transferencia de calor y una baja caída de presión. Los compresores más pequeños pueden aproximarse a la compresión isotérmica incluso sin interenfriamiento, debido a la relación relativamente alta de área de superficie a volumen de la cámara de compresión y la mejora resultante en la disipación de calor del propio cuerpo del compresor.
Cuando se obtiene 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, y por lo tanto el trabajo de compresión se puede recuperar completamente como trabajo de expansión: 100% de eficiencia de almacenamiento. Sin embargo, en la práctica, siempre hay una diferencia de temperatura en cualquier proceso de transferencia de calor, y por lo tanto todo almacenamiento de energía práctico obtiene 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 :
Para un proceso desde un estado inicial A hasta un estado final B , con temperatura absoluta constante, se encuentra que el trabajo requerido para la compresión (negativo) o realizado por la expansión (positivo) es
donde , y entonces .
Aquí está la presión absoluta , es el volumen (desconocido) de gas comprimido, es el volumen del recipiente, es la cantidad de sustancia de gas (mol), y es la constante del gas ideal .
Si hay una presión constante fuera del recipiente, que es igual a la presión inicial , el trabajo positivo de la presión exterior reduce la energía aprovechable (valor negativo). Esto agrega un término a la ecuación anterior:
¿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
El signo negativo significa que el trabajo que se realiza sobre el gas lo realizan los alrededores. Las irreversibilidades del proceso (como en la transferencia de calor) darán como resultado que se recupere menos energía del proceso de expansión que la necesaria para el proceso de compresión. Si el entorno está a una temperatura constante, por ejemplo, la resistencia térmica en los intercoolers hará que la compresión se produzca a una temperatura algo superior a la temperatura ambiente, y la expansión se producirá a una temperatura algo inferior a la temperatura ambiente. 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 de la transferencia de calor. Si además el proceso es internamente reversible (sin fricción, hasta el límite ideal), entonces será además isentrópico .
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 es atractivo porque se evitan las pérdidas de energía asociadas con la transferencia de calor, pero la desventaja es que el recipiente de almacenamiento debe estar aislado contra la pérdida de calor. También debe mencionarse que los compresores y turbinas reales no son isentrópicos, sino que tienen una eficiencia isentrópica de alrededor del 85%. El resultado es que la eficiencia de almacenamiento de ida y vuelta para sistemas adiabáticos también es considerablemente inferior a la perfecta.
Los sistemas de almacenamiento de energía suelen utilizar grandes cavernas. Este es el diseño de sistema preferido debido al gran volumen y, por lo tanto, a la gran cantidad de energía que se puede almacenar con solo un pequeño cambio de presión. El gas se comprime adiabáticamente con pocos cambios de temperatura (acercándose a un sistema isotérmico reversible) y pérdida de calor (acercándose a un sistema isentrópico). Esta ventaja se suma al bajo costo de construcción del sistema de almacenamiento de gas, utilizando las paredes subterráneas para ayudar a contener la presión. El espacio de la caverna se puede aislar para mejorar la eficiencia. [ cita requerida ]
Se han sugerido bolsas de aire aisladas submarinas que tienen propiedades termodinámicas similares a las del almacenamiento en cavernas grandes. [50]
Para poder utilizar el almacenamiento de aire en vehículos o aeronaves para el transporte terrestre o aéreo práctico, el sistema de almacenamiento de energía debe ser compacto y liviano. La densidad de energía y la energía específica son los términos de ingeniería que definen estas cualidades deseadas.
Como se explicó en la sección anterior sobre termodinámica del almacenamiento de gas, la compresión del aire lo calienta y la expansión lo enfría. Por lo tanto, los motores de aire prácticos requieren intercambiadores de calor para evitar temperaturas excesivamente altas o demasiado bajas, y aun así no alcanzan las condiciones ideales de temperatura constante ni el aislamiento térmico ideal.
Sin embargo, como se indicó anteriormente, es útil describir la energía máxima almacenable utilizando el caso isotérmico, que asciende a aproximadamente 100 kJ/m 3 [ ln( P A / P B )].
Por lo tanto, si 1,0 m3 de aire de la atmósfera se comprime muy lentamente en una botella de 5 L a 20 MPa (200 bar), entonces la energía potencial almacenada es de 530 kJ. Un motor neumático de alta eficiencia puede convertir esto en energía cinética si funciona muy lentamente y logra expandir el aire desde su presión inicial de 20 MPa hasta 100 kPa (botella completamente "vacía" a presión atmosférica). Lograr una alta eficiencia es un desafío técnico debido tanto a la pérdida de calor al ambiente como al calor interno irrecuperable del gas. [51] Si la botella anterior se vacía a 1 MPa, entonces la energía extraíble es de aproximadamente 300 kJ en el eje del motor.
Una botella de acero estándar de 20 MPa y 5 L tiene una masa de 7,5 kg y una superior, de 5 kg. Las fibras de alta resistencia a la tracción, como la fibra de carbono o el kevlar, pueden pesar menos de 2 kg en este tamaño, de acuerdo con los códigos de seguridad legales. Un metro cúbico de aire a 20 °C tiene una masa de 1,204 kg a temperatura y presión estándar . [52] Por lo tanto, las energías específicas teóricas son de aproximadamente 70 kJ/kg en el eje del motor para una botella de acero simple a 180 kJ/kg para una avanzada con fibra enrollada, mientras que las energías específicas alcanzables en la práctica para los mismos contenedores serían de 40 a 100 kJ/kg.
Como ocurre con la mayoría de las tecnologías, el aire comprimido plantea problemas de seguridad, principalmente la rotura catastrófica del depósito. Las normas de seguridad hacen que esto sea una ocurrencia poco frecuente a costa de un mayor peso y de características de seguridad adicionales, como válvulas de alivio de presión. Las normas pueden limitar la presión de trabajo legal a menos del 40 % de la presión de rotura para las botellas de acero (para un factor de seguridad de 2,5) y a menos del 20 % para las botellas de fibra enrollada ( factor de seguridad de 5). Los diseños comerciales adoptan la norma ISO 11439. [53] Las botellas de alta presión son bastante resistentes, por lo que generalmente no se rompen en accidentes automovilísticos.
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 nivel de carga, mientras que la presión varía mucho cuando se utiliza un recipiente a presión de lleno a vacío. Es técnicamente difícil diseñar motores de aire que mantengan una alta eficiencia y suficiente potencia en un amplio rango de presiones. El aire comprimido puede transferir potencia a tasas de flujo muy altas, 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 tienen ventajas sobre las baterías convencionales, como una vida útil más prolongada de los recipientes a presión y una menor toxicidad de los materiales. Los diseños de baterías más nuevos, como los basados en la química del fosfato de hierro y litio, no sufren ninguno de estos problemas. Los costos del aire comprimido son potencialmente más bajos; sin embargo, los recipientes a presión avanzados son costosos de desarrollar y probar en cuanto a su seguridad y, en la actualidad [ ¿cuándo? ], son más caros que las baterías producidas en masa.
Al igual que ocurre con la tecnología de almacenamiento de energía eléctrica, el aire comprimido es tan "limpio" como la fuente de energía que almacena. La evaluación del ciclo de vida aborda la cuestión de las emisiones totales de una determinada tecnología de almacenamiento de energía combinada con una determinada combinación de generación en una red eléctrica.
Un motor neumático o motor de aire comprimido utiliza la expansión del aire comprimido para impulsar los pistones de un motor, girar el eje o impulsar una turbina .
Los siguientes métodos pueden aumentar la eficiencia:
Un sistema de alta eficiencia utiliza pistones de alta, media y baja presión en serie, y cada etapa va seguida de un venturi de soplado de aire que aspira el aire ambiente a través de un intercambiador de calor aire-aire . Esto calienta el escape de la etapa anterior y admite este aire precalentado en la etapa siguiente. El único gas de escape de cada etapa es aire frío, que puede alcanzar una temperatura de -15 °C (5 °F); el aire frío puede usarse para el aire acondicionado de un automóvil. [15]
Se puede suministrar calor adicional quemando combustible, como en 1904 con el torpedo Whitehead . [54] Esto mejora el alcance y la velocidad disponibles para un volumen de tanque determinado a costa del combustible adicional.
Desde aproximadamente 1990, varias empresas afirman estar desarrollando automóviles con aire comprimido, pero no hay ninguno disponible. Por lo general, las principales ventajas que se atribuyen son la ausencia de contaminación en la carretera, el bajo costo, el uso de aceite de cocina para lubricación y el aire acondicionado integrado.
El tiempo necesario para rellenar un tanque vacío es importante para las aplicaciones en vehículos. La "transferencia de volumen" mueve el aire precomprimido desde un tanque estacionario al tanque del vehículo casi instantáneamente. Alternativamente, un compresor estacionario o incorporado puede comprimir el aire según la demanda, lo que posiblemente requiera varias horas.
Los grandes motores diésel marinos han empezado a utilizar aire comprimido, normalmente almacenado en grandes botellas a entre 20 y 30 bares, que actúa directamente sobre los pistones a través de válvulas de arranque especiales para hacer girar el cigüeñal antes de comenzar la inyección de combustible. Este sistema es más compacto y más barato que un motor de arranque eléctrico a esas escalas y puede suministrar la ráfaga necesaria de potencia extremadamente alta sin colocar una carga prohibitiva en los generadores eléctricos del barco y el sistema de distribución. El aire comprimido también se utiliza habitualmente, a presiones más bajas, para controlar el motor y actuar como la fuerza de resorte que actúa sobre las válvulas de escape del cilindro, y para operar otros sistemas auxiliares y herramientas eléctricas a bordo, que a veces incluyen controladores PID neumáticos . Una ventaja de este enfoque es que, en caso de un apagón eléctrico, los sistemas del barco alimentados por aire comprimido almacenado pueden seguir funcionando sin interrupciones y los generadores pueden reiniciarse sin suministro eléctrico. Otra es que las herramientas neumáticas se pueden utilizar en entornos comúnmente húmedos sin riesgo de descarga eléctrica.
Si bien el sistema de almacenamiento de aire ofrece una densidad de potencia y una autonomía del vehículo relativamente bajas, su alta eficiencia resulta atractiva para los vehículos híbridos que utilizan un motor de combustión interna convencional como fuente de energía principal. El almacenamiento de aire se puede utilizar para el frenado regenerativo y para optimizar el ciclo del motor de pistón, que no es igualmente eficiente en todos los niveles de potencia/RPM.
Bosch y PSA Peugeot Citroën han desarrollado un sistema híbrido que utiliza la hidráulica como forma de transferir energía hacia y desde un tanque de nitrógeno comprimido. Se afirma que se consigue una reducción de hasta el 45% en el consumo de combustible, lo que corresponde a 2,9 l/100 km (81 mpg, 69 g CO2 / km) en el Nuevo Ciclo de Conducción Europeo (NEDC) para un chasis compacto como el Peugeot 208. Se afirma que el sistema es mucho más asequible que los sistemas KERS eléctricos y de volante de inercia de la competencia y se espera que esté disponible en los vehículos de carretera en 2016. [55]
Los motores de aire se han utilizado desde el siglo XIX para impulsar locomotoras de minas , bombas, perforadoras y tranvías, mediante una distribución centralizada a nivel de ciudad. Los autos de carrera utilizan aire comprimido para poner en marcha su motor de combustión interna (MCI), y los motores diésel grandes 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 quema de gas natural o biogás calienta el aire comprimido y, luego, un motor de turbina de gas convencional o la parte trasera de un motor a reacción lo expanden para producir trabajo.
Los motores de aire comprimido pueden recargar una batería eléctrica . La empresa Energine , aparentemente desaparecida, promocionó su sistema Pne-PHEV o vehículo eléctrico híbrido enchufable neumático. [ cita requerida ] [56]
En 1978, Huntorf (Alemania) y en 1991 , McIntosh (Alabama) pusieron en funcionamiento plantas de energía híbridas. [16] [57] Ambos sistemas utilizan energía fuera de horas punta para la compresión del aire y queman gas natural en el aire comprimido durante la fase de generación de energía.
El Parque de Energía Almacenada de Iowa (ISEP, por sus siglas en inglés) habría utilizado el almacenamiento en acuíferos en lugar del almacenamiento en cavernas. El ISEP era un proyecto innovador de almacenamiento de energía por aire comprimido (CAES, por sus siglas en inglés) de 270 megavatios y 400 millones de dólares que se propuso poner en servicio cerca de Des Moines, Iowa, en 2015. El proyecto se canceló después de ocho años de desarrollo debido a limitaciones geológicas del sitio, según el Departamento de Energía de los EE. UU.
Se están desarrollando instalaciones adicionales en Norton, Ohio . FirstEnergy , una empresa de servicios eléctricos de Akron, Ohio , obtuvo los derechos de desarrollo para el proyecto Norton de 2.700 MW en noviembre de 2009. [58]
El proyecto RICAS2020 intenta utilizar una mina abandonada para CAES adiabático con recuperación de calor. El calor de compresión se almacena en una sección del túnel llena de piedras sueltas, por lo que el aire comprimido está casi frío cuando ingresa a la cámara de almacenamiento de presión principal. El aire comprimido frío recupera el calor almacenado en las piedras cuando se libera a través de una turbina de superficie, lo que genera una mayor eficiencia general. [59] [60] Un proceso de dos etapas tiene una eficiencia teóricamente mayor de alrededor del 70%. [61]
Las aguas profundas de los lagos y del océano pueden proporcionar presión sin necesidad de utilizar recipientes de alta presión ni perforaciones. [62] El aire se introduce en contenedores económicos y flexibles, como bolsas de plástico. Los obstáculos incluyen el número limitado de ubicaciones adecuadas y la necesidad de tuberías de alta presión entre la superficie y los contenedores. Dado el bajo coste de los contenedores, es posible que una gran presión (y una gran profundidad) no sean tan importantes. Un beneficio clave de estos sistemas es que las presiones de carga y descarga son una función constante de la profundidad. Las ineficiencias de Carnot se pueden aumentar utilizando múltiples etapas de carga y descarga y utilizando fuentes de calor y sumideros económicos, como agua fría de los ríos o agua caliente de estanques solares . [63]
Una solución casi isobárica es la utilización del gas comprimido para impulsar un sistema hidroeléctrico . Esta solución requiere grandes tanques de presión en tierra (así como bolsas de aire submarinas). El gas hidrógeno es el fluido preferido, ya que otros gases sufren presiones hidrostáticas sustanciales incluso a profundidades relativamente modestas (unos 500 metros).
La empresa eléctrica europea E.ON ha aportado 1,4 millones de euros (1,1 millones de libras esterlinas) en financiación para desarrollar bolsas de almacenamiento de aire submarino. [64] [65] Hydrostor en Canadá está desarrollando un sistema comercial de "acumuladores" de almacenamiento submarino para el almacenamiento de energía de aire comprimido, comenzando en la escala de 1 a 4 MW. [66]
Cuando se dispone de energía eólica excedente proveniente de turbinas eólicas marinas , se puede empujar una boya atada a un carrete por debajo de la superficie. Cuando aumenta la demanda de electricidad, se permite que la boya se eleve hacia la superficie y genere energía. [67]
Se están desarrollando varios métodos de compresión casi isotérmica. Fluid Mechanics tiene un sistema con una estructura de absorción y liberación de calor (HARS) unida a un pistón alternativo. [68] Light Sail inyecta un rocío de agua en un cilindro alternativo. [ cita requerida ] SustainX utiliza una mezcla de espuma de aire y agua dentro de un compresor/expansor semipersonalizado de 120 rpm. [69] 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 entre una molécula de gas y una superficie que absorbe el calor es de aproximadamente 0,5 mm. Estos compresores casi isotérmicos también se pueden utilizar como expansores casi isotérmicos y se están desarrollando para mejorar la eficiencia de ida y vuelta de CAES.
El consorcio liderado por RWE/GE que está desarrollando una forma adiabática de almacenamiento de energía de aire comprimido establecerá su planta de prueba a escala comercial en Stassfurt. La etapa de prueba, originalmente programada para 2073, no se espera que comience antes de 2016
