ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA POR AIRE COMPRIMIDO (CAES)

1. IntroducciónVentajas del almacenamiento por CAES:

- Alta confiabilidad- Viable económicamente- Bajo impacto ambiental

Resulta ser un método prometedor para almacenar energía a gran escala.

Sin embargo, las plantas de almacenamiento de energía por aire comprimido presentan algunas desventajas como la pérdida de energía debido a la disipación de calor por compresión, el uso de combustibles fósiles y la dependencia de las formaciones geológicas.

Esta investigación revisa los principales inconvenientes de los sistemas CAES existentes y presenta algunos conceptos innovadores de CAES, por ejemplo:

CAES adiabático CAES isotérmico micro-CAES combinado con un ciclo de calentamiento y enfriamiento de aire CAES a presión constante combinado con almacenamiento por hidro-bombeo.

Que pueden hacer frente a los problemas ya mencionados y ampliar el alcance de las aplicaciones CAES, por medio de un análisis de energía y exergía.

2. Entendiendo el sistema CAES usando el concepto de Exergía

El sistema CAES puede ser visto como un híbrido de un sistema de almacenamiento de energía y una planta de energía de turbina de gas. A diferencia de las turbinas convencionales, los sistemas CAES precomprimen el aire, usando electricidad de bajo costo de la red eléctrica en momentos de baja actividad, y lo utiliza con un poco de gas como combustible para generar electricidad cuando se requiera. El aire comprimido se almacena en cavernas subterráneas apropiadas o vasos de aire sobre el suelo. La Figura 1 presenta una instalación moderna de CAES.

Ya que el sistema CAES se puede considerar como una combinación de un sistema de almacenamiento de energía y una planta de energía, todos los procesos se acompañan por una cantidad significante de transferencia de calor, por lo que, resulta complicado entender el flujo de energía del sistema usando la primera ley de la termodinámica, porque relaciona calor y trabajo por igual; es por ello, que se usará el flujo de exergía que se basa en la segunda ley de la termodinámica, para una mejor comprensión del sistema CAES.

La Exergía se puede definir como el máximo trabajo útil posible que puede ser realizado durante un proceso que trae el sistema en equilibrio iónico con el ambiente. Asumiendo que los efectos de la energía potencial y cinemática son despreciables y no ocurre ninguna reacción química, la exergía de una corriente de aire puede expresarse como:

Ea=M a [h−h0−T 0 ( s−s0 ) ] (1)Donde h y s son la entalpía y la entropía específica, respectivamente, y el subíndice 0 indica que las propiedades so tomadas a temperatura y presión ambiente ¿.

En el caso del flujo para un gas ideal:

h−h0=c p(T−T0) (2)

s−s0=c p lnTT 0

−r lnPP0

(3)Donde c p es el calor específico isobárico a temperatura promedio y r es la constante de gas específica.

La exergía en la Ecuación (1) puede dividirse en dos partes (la parte mecánica y la parte térmica) como sigue:

Ea=Ea (M )+ Ea(T ) (4)Ea(M )=M a rT 0 ln

PP0

(5)Ea(T)=M a cp(T−T0−T0 ln

TT0

) (6)La Figura 2 muestra el flujo de energía y exergía de un sistema CAES simplificado. Procesos:

Compresión (1 – 2) Enfriamiento (2 – 3) Carga y descarga (3 – 4) Calentamiento (4 – 5) Expansión (5 – 6) Recuperación (6 – 7)

Solamente la exergía mecánica del aire comprimido es almacenada, y la exergía térmica del aire comprimido se disipa por el enfriador o puede ser almacenada como energía térmica y reutilizada durante el proceso de descarga.

Las eficiencias isoentrópicas (entropía constante) del compresor y expansor, ηc, s y ηe, s, respectivamente, se expresan como:

ηc, s=W c, s

+¿

W c+¿=

hout , s−h¿

hout−h¿¿¿ (7)

ηe, s=W e

+¿

W e ,s+¿ =

h¿−houth¿−hout , s

¿¿ (8)

Donde el subíndice s denota un proceso de compresión/expansión isoentrópica.

Las eficiencias del motor y el generador, ηm y ηg, se expresan como:

ηm=W c

+¿

Ec+¿¿

¿ (9)ηg=

Ee−¿

W e−¿¿

¿ (10)Para analizar la exergía y la energía de los diferentes tipos de sistemas caes, se asume lo siguiente:

a) Cada compresión y expansión ocurre en estado estacionario, con un flujo estacionario y a presión constante del almacenamiento de aire, se desprecian los efectos de la energía potencial y cinemática, y no se presentan reacciones químicas;

b) Por simplicidad, la caída de presión en todos los intercambiadores de calor se desprecia;

c) La presión de aire en la caverna de almacenamiento se asume que permanece constante a 5 MPa. La relación de presión de diseño del compresor y el expansor es de 50, con eficiencias isoentrópicas (adiabáticas) de 85%. La presión de almacenamiento del aire se optimiza por medio de la densidad de energía y la eficiencia del sistema, y el valor general de la presión del aire al salir de la turbina de gas es aproximadamente 5 MPa.

d) Las eficiencias del motor y el generador se asumen como del 95%.

Para una compresión multiestación, se asume que para cada estación el proceso de compresión es adiabático, y que cada estación tiene la misma relación de presión; el aire comprimido fue enfriado a temperatura ambiente por intercooling. Más aún, el trabajo de compresión total y el rechazo de calor son la suma de valores individuales de dichas

cantidades para todas las estaciones. Para el proceso de descarga, el recuperador puede usarse para la recuperación de calor del gas caliente expandido.

3. Características de diferentes tipos de sistemas CAES

3.1.Sistema CAES convencional diabático (con combustible)

3.2.Sistema CAES adiabático

3.3.Sistema CAES isotérmico

3.4.Sistema Micro-CAES de tri-generación

3.5.Sistema CAES de presión constante combinado con almacenamiento por hidro-bombeo

4. Conclusiones

El análisis de exergía favorece el entendimiento de los inconvenientes de los sistemas CAES actuales y las ventajas de incluir conceptos innovadores como CAES adiabático, CAES isotérmico, etc.

Los sistemas CAES existentes de gas natural, desperdician calor por lo que las energías renovables (solar, biomasa, biogás) pueden utilizarse como fuentes de calor.

El CAES adiabático almacena una porción sustancial de exergía en forma de energía térmica, por lo que se consideraría una combinación de CAES con almacenamiento de energía térmica.

El CAES isotérmico minimiza el trabajo de compresión y maximiza el trabajo de expansión (a través de una compresión/expansión isotérmica) con una efectiva transferencia de calor a los alrededores y sin usar algún combustible o altas temperaturas de almacenamiento térmico.

El sistema micro-CAES combinado con un ciclo de calentamiento y enfriamiento de aire, puede ser efectivo para las redes eléctricas de distribución, pues provee almacenamiento de energía, genera electricidad usando varias fuentes de calor e incorpora un sistema de calentamiento/enfriamiento de aire.

EL CAES a presión constante combinado con el almacenamiento por hidro-bombeo puede reducir las pérdidas por cavitación durante la expansión en las plantas de ACES existentes; y solo requiere la mitad del volumen de almacenamiento de las plantas existentes.

De esta forma se crea una gran sinergia entre el almacenamiento por aire comprimido al combinarlo con generación de energía por varias fuentes de calor, almacenamiento de energía térmica, ciclos de calentamiento/enfriamiento de aire, y el almacenamiento por hidro-bombeo.