Almacenamiento de energía de aire comprimido mejorado por gravedad
Fuente: https://www.pv-magazine.com
Científicos chinos han simulado un sistema avanzado de almacenamiento de energía adiabático de aire comprimido, al que añadieron un airbag elástico con una carga pesada sobre él. El análisis energético, exergético y económico del sistema demostró que, gracias al peso constante de la carga, la presión del airbag permanece inalterada durante su funcionamiento.
Diagrama del sistema
Imagen: Universidad de Energía Eléctrica del Noreste, Estudios de caso en ingeniería térmica, CC BY 4.0
Un grupo de investigación de la Universidad de Energía Eléctrica del Noreste de China ha propuesto un novedoso sistema avanzado de almacenamiento de energía de aire comprimido adiabático (AA-CAES).
El sistema propuesto utiliza una carga pesada, una bolsa de aire elástica y un pozo de mina vertical abandonado, transformando el AA-CAES en un sistema isobárico asistido por gravedad, donde la presión permanece constante.
“Mediante el diseño de un novedoso depósito isobárico de almacenamiento de aire, el sistema logra un funcionamiento isobárico”, explicaron los investigadores. “Se utiliza un pozo minero vertical abandonado como depósito de almacenamiento de aire para maximizar el uso del terreno. Además, al finalizar la fase de descarga, el aire almacenado puede expulsarse por completo, lo que mejora la densidad de almacenamiento de energía”.
El sistema se simuló con el software MATLAB para análisis energético, exergético y económico. Utiliza el exceso de energía fotovoltaica, eólica o de la red eléctrica para accionar un compresor. Este, a su vez, transforma la atmósfera ambiental en aire a alta presión, que se almacena en un depósito de almacenamiento de aire (ASR). El proceso consta de cinco etapas de compresión secuencial para reducir el consumo de energía, acompañadas de cinco intercoolers que capturan el calor generado durante la compresión. El ASR incluye un pozo de mina vertical abandonado, una carga pesada y un airbag elástico.
El airbag elástico se colocó en el fondo del pozo de la mina, mientras que la carga pesada se instaló encima. Durante la fase de carga, la válvula V1 se abre y la válvula V2 se cierra, entrando aire a alta presión en el airbag, lo que aumenta su volumen y altura. Sin embargo, debido al peso constante de la carga pesada y al área de contacto constante entre esta y el airbag, la presión del airbag permanece inalterada durante la operación de carga, logrando un proceso de carga de aire isobárico.
Al finalizar el proceso de carga y alcanzar el volumen máximo previsto, el airbag queda completamente cargado, lo que indica que ha alcanzado su capacidad máxima. Durante la fase de descarga, la válvula V2 se abre y la válvula V1 se cierra. Gracias a la energía potencial gravitatoria de la carga, el aire se expulsa del airbag. Mediante el mismo principio mencionado, se logra una descarga de aire isobárica. El airbag se descarga completamente cuando su volumen alcanza el valor mínimo diseñado y el proceso de descarga finaliza, explicaron los científicos.
Las simulaciones asumieron una temperatura ambiente de 25 °C y una presión ambiente de 0,1 MPa. La densidad de la carga pesada se fijó en 7870 kg/m³, con un consumo del compresor de 5880,82 kW. Los precios del sistema se basaron en el índice de costos de plantas de ingeniería química (CEPCI): el precio de la electricidad para el período de descarga fue de 0,18 $/kWh, el precio de la carga pesada fue de 0,1 $/kg, el precio del agua caliente fue de 0,018 $/kWh y el precio de la electricidad para el período de carga fue de 0,04 $/kWh. Se asumió que el sistema funcionaría 350 días al año con una vida útil de 25 años.
El análisis mostró una eficiencia energética (ENE) del 87,1 %, una eficiencia exergética del 70,07 %, una densidad de almacenamiento de energía en el aire de 2,68 kWh/m³ y una densidad de almacenamiento de energía en el espacio ocupado de 2,29 kWh/m³. La turbina y el compresor experimentan las mayores pérdidas exergéticas, representando el 35,21 % y el 30,98 % de las pérdidas exergéticas totales del sistema, respectivamente; mientras que el intercooler y el intercalentador presentan una eficiencia exergética menor, con los valores más bajos, el 63,54 % y el 50,60 %, respectivamente.
Además, los resultados del análisis económico revelaron un costo nivelado de la energía (LCOE) de $0,0804/kWh. El valor actual neto (VAN) se calculó en $1,6 millones, con una tasa interna de retorno (TIR) del 17,93% y un periodo de recuperación dinámico (PPD) de 8,36 años. Los resultados se publicaron en « Análisis 3E y optimización multiobjetivo de un novedoso sistema isobárico de almacenamiento de energía de aire comprimido con un depósito de almacenamiento de aire mejorado por gravedad », publicado en Casos de Estudio en Ingeniería Térmica.
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