Cómo se utiliza el aire comprimido para energías renovables

Los efectos del cambio climático han llevado a muchos científicos y tecnólogos a mirar hacia el futuro pensando en fuentes de energía renovable. Los sistemas solares y eólicos son una opción energética ecológica, pero dependen de ciertas condiciones meteorológicas para funcionar a plena capacidad.

Los sistemas de almacenamiento de energía son una solución a este problema y pueden aumentar fácilmente la producción y la eficiencia de una central eléctrica. Uno de estos sistemas de almacenamiento utiliza aire comprimido para ahorrar electricidad cuando sea necesario. La idea del almacenamiento de energía mediante aire comprimido ha existido durante décadas, pero últimamente se está explorando más como una solución para complementar los sistemas de energía renovable.

¿Qué es el almacenamiento de energía por aire comprimido?

El almacenamiento de energía por aire comprimido, o CAES, es un medio para almacenar energía para su uso posterior en forma de aire comprimido. CAES puede trabajar en conjunto con la red eléctrica existente y otras fuentes de energía para almacenar el exceso de energía cuando más se necesita, como durante las horas punta.

La energía eólica es un ejemplo de cómo esto funciona perfectamente con otros tipos de producción de energía. Los aerogeneradores giran para producir energía siempre que hay viento disponible, pero la electricidad que generan puede no ser necesaria en el momento en que se produce y, por tanto, se desperdicia.

Alternativamente, la demanda máxima de energía puede producirse en un momento en que no hay suficiente viento para hacer girar las turbinas y generar energía suficiente. La energía almacenada del aire comprimido puede utilizarse para ahorrar el exceso de energía producida por los aerogeneradores, por lo que está disponible durante los picos de energía o cuando no hay suficiente viento para alimentar los aerogeneradores.

¿Cómo funciona el almacenamiento de energía por aire comprimido?

Con la energía de aire comprimido, la electricidad producida por otras fuentes de energía, como los aerogeneradores, se convierte en aire comprimido altamente presurizado y almacenada para su uso posterior. Cuando se necesita la energía, este aire comprimido se libera en los generadores de turbina para poder usarse de nuevo como electricidad. Con el almacenamiento de energía por aire comprimido, la energía puede almacenarse —y luego utilizarse— en cualquier momento del día o del año, independientemente del tiempo u otras condiciones.

La compresión del aire genera calor excesivo y el proceso de descompresión elimina el calor del aire. Existen tres formas principales de abordar el proceso de compresión y descompresión:

1. Adiabático: En un sistema de almacenamiento de energía adiabático, el calor producido durante el proceso de compresión del aire se mantiene y luego se libera al aire durante la descompresión del aire almacenado. El calor puede almacenarse en sólidos como el hormigón, o en fluidos como aceites o sales fundidas. Actualmente, los sistemas de almacenamiento adiabático son más teóricos y aún no cuentan con aplicaciones importantes a escala de utilidad, aunque se espera que tengan una calificación de eficiencia muy alta.
2. Diabático: En lugar de almacenar el calor durante el proceso de compresión, un sistema de almacenamiento diabático utiliza intercoolers para disipar el calor al aire como producto residual. Como se desperdicia calor, cuando el aire comprimido necesita descomprimirse para liberarse del almacenamiento, debe añadirse calor adicional. El gas natural se utiliza frecuentemente para el proceso de recalentamiento y contribuye a una menor eficiencia del sistema de la central eléctrica en general. En un sistema de almacenamiento diabático, la temperatura del aire puede utilizarse para medir el volumen de aire que queda en almacenamiento. Aunque los sistemas de almacenamiento diabático tienden a ser menos eficientes, son el único tipo que se ha implementado hasta ahora a nivel comercial o de servicios públicos.
3. Isotérmica: Un sistema de almacenamiento isotérmico es el ideal que otros sistemas intentan alcanzar. Los sistemas isotérmicos son mayormente teóricos, pero pueden aplicarse en sistemas a muy pequeña escala con equipos altamente eficientes. Estos sistemas logran un intercambio de calor perfecto o casi perfecto con el entorno circundante, pero hasta ahora no se han practicado en sistemas CAES a gran escala, ya que cierto grado de pérdida de calor es inevitable.

El aire comprimido puede almacenarse a menudo en formaciones geológicas existentes y naturales, como embalses en minas de roca o sal. Utilizar infraestructuras existentes como estas también puede reducir los costes. Existen dos tipos principales de almacenamiento que pueden utilizarse en un sistema CAES:

• Almacenamiento de volumen constante: En un sistema de almacenamiento de volumen constante, límites físicos específicos controlan el volumen del espacio de almacenamiento, pero la presión del aire en dicho espacio es variable. Estos sistemas deben mantener ciertos umbrales máximos de presión para evitar daños en los recipientes de almacenamiento. Ejemplos de almacenamiento de volumen constante incluyen opciones naturales como minas abandonadas, cuevas de sal y antiguos yacimientos de gas natural, así como sistemas artificiales como oleoductos en superficie.
• Almacenamiento a presión constante: Un sistema de almacenamiento a presión constante mantiene la presión de aire constante, mientras que el volumen del almacenamiento es variable. Estos sistemas generalmente utilizan grandes bolsas para almacenar el aire y se colocan en profundidad en el océano, para aprovechar la presión hidrostática del océano. La presión constante del aire permite una mayor eficiencia tanto de las turbinas como de la propia central eléctrica. Estos sistemas son más costosos debido a la ubicación de las unidades de almacenamiento, pero también abren posibles ubicaciones para los sistemas CAES.

El coste del almacenamiento de energía por aire comprimido

El almacenamiento de energía por aire comprimido puede ser un método asequible de almacenamiento de energía, que se mantiene fácilmente al ritmo de otros métodos competidores, como la energía hidroeléctrica por bombeo, electroquímica, térmica, gravitatoria y almacenamiento de baterías de litio. Algunos de estos otros sistemas de almacenamiento de energía funcionan bien para usos energéticos a pequeña escala, como dispositivos electrónicos o vehículos, pero para el uso a gran escala en redes eléctricas, CAES es uno de los mejores.

El coste de capital de utilizar almacenamiento de energía por aire comprimido ronda los 1.500 dólares por kilovatio y se considera relativamente asequible en comparación con otros sistemas de almacenamiento de energía. A menudo, los costes de instalación e implementación también son bajos porque se pueden utilizar embalses existentes y naturales, y la tecnología y el equipamiento son similares a los que ya están acostumbrados las compañías eléctricas y los trabajadores. Esto mantiene bajos los costes adicionales de construcción, equipamiento y formación.

Un sistema CAES también tiene el valor añadido de aumentar la producción de la instalación productora de energía existente. Almacenar la energía de fuentes variables como la solar y la eólica significa que la producción total de estas instalaciones aumenta drásticamente, poniéndolas al nivel de opciones más grandes, pero menos respetuosas con el medio ambiente, como las centrales de carbón. Con beneficios añadidos como estos, es difícil calcular el ahorro total de costes, pero es fácil ver que los sistemas CAES son una opción viable y competitiva para las necesidades energéticas actuales.

La eficiencia de la energía de aire comprimido

La sostenibilidad y el medio ambiente son preocupaciones principales en las industrias de producción y almacenamiento de energía, y los cambios en los sistemas y los nuevos desarrollos favorecerán una mayor eficiencia energética y sostenibilidad. El nivel global de eficiencia de los sistemas CAES puede variar y dependerá en gran medida del diseño de cada instalación individual.

La eficiencia del almacenamiento de energía por aire comprimido es inferior a la de otros métodos y sistemas, como centrales hidroeléctricas de bombeo y soluciones químicas de baterías. Esto se debe a la naturaleza de la pérdida de energía al comprimir y descomprimir el aire. A medida que el aire se comprime, se calienta, creando calor y energía desperdiciados que se liberan a la atmósfera. A medida que el aire se descomprime posteriormente, se enfría, lo que resulta en una menor producción de energía en general. Algunos sistemas utilizan gas natural para calentar el aire antes de que se descomprima, pero esto también conduce a una menor eficiencia energética global.

Sin embargo, incluso con estos desafíos de eficiencia, la energía por aire comprimido suele ser una mejor opción en general que muchos otros sistemas energéticos porque no requiere materiales raros o tóxicos para funcionar y no desperdicia recursos no renovables. Los sistemas CAES tampoco requieren tecnología complicada para funcionar y son fáciles de mantener. El tipo de sistema de almacenamiento de energía de aire comprimido puede tener un gran impacto en su eficiencia general y se están realizando constantemente nuevos avances tecnológicos para mejorar los problemas de eficiencia.

Una forma en que los sistemas CAES pueden ser más eficientes energéticamente es mediante el uso de depósitos llenos de agua. Cuando el aire comprimido se empuja al almacenamiento, el agua se empuja hacia arriba hacia la superficie. El agua vuelve a bajar cuando el aire comprimido se utiliza más tarde como energía. Este sistema de tuberías y depósitos de agua mantiene una presión constante para el aire almacenado y mejora la eficiencia energética general.

Ventajas y desventajas de los sistemas de almacenamiento de energía por aire comprimido

¿Cómo ayuda el aire comprimido al medio ambiente? Los sistemas de almacenamiento de energía por aire comprimido ofrecen muchos beneficios, como aumentar la producción total de una red eléctrica. Veamos algunas otras ventajas clave de usar sistemas CAES:

• Proporciona beneficios económicos: Los propietarios y operadores de sistemas de generación pueden obtener mayores beneficios financieros cuando CAES se utiliza para apoyar las instalaciones existentes. El aumento en la producción de generación de energía significa más dinero para las compañías eléctricas.
• Aumenta la producción durante las horas de menor audiencia: Durante la noche y en cualquier otra hora valle cuando la demanda de energía sea baja, un CAES almacena energía para el día siguiente o para cualquier otro momento en que la demanda sea mayor. Las instalaciones pueden utilizarse incluso cuando la demanda es menor.
• Proporciona un mejor suministro durante las horas punta: Un sistema CAES tiene una capacidad mucho mejor para manejar las horas punta y los tiempos de mayor demanda gracias a la energía que almacena. También está mejor preparado para atender necesidades energéticas intermedias y aumentadas, y puede almacenar energía nocturna para usarla durante las horas diurnas más costosas.
• Ofrece una mejor regulación y control: Un sistema CAES proporciona una regulación y control de frecuencia mucho mejores que una central eléctrica base.
• Absorbe el exceso de energía durante baja demanda: Cuando la demanda energética que disminuye rápidamente hace que los precios de la energía de otras fuentes como la hidroeléctrica, los combustibles fósiles o la nuclear bajen muchísimo, un CAES puede absorber parte del exceso y almacenarlo para más adelante.
• Ofrece un enorme potencial de almacenamiento a bajo coste: Actualmente, ningún otro sistema de almacenamiento de energía puede proporcionar el gran potencial de capacidad que el almacenamiento de aire comprimido puede lograr. Los sistemas CAES pueden almacenar una cantidad mucho mayor de energía que cualquier otro sistema de almacenamiento y ofrecen una enorme flexibilidad en cuanto a tamaños de almacenamiento y capacidades generales de gestión de carga.
• Ofrece capacidades de “arranque negro”: En caso de un corte de energía, muchas otras instalaciones de generación y almacenamiento de energía necesitan una pequeña cantidad de electricidad externa para volver a funcionar. Los sistemas CAES tienen capacidades de arranque sin agudeza, lo que significa que pueden restablecer operaciones sin ninguna fuente de alimentación externa.
• Proporciona tiempos de inicio rápidos: Estos sistemas eléctricos pueden arrancar rápidamente desde frío en cuestión de minutos, mucho más rápido que otros sistemas de generación eléctrica.
• Ofrece tasas de calentamiento más bajas: Los sistemas CAES tienen tasas de calor mucho más bajas que otros tipos de sistemas de generación eléctrica. Esto significa que son mucho más eficientes para rampas, cargas parciales y regulación.

Por supuesto, con cualquier lista de pros y contras, también hay que explorar las desventajas. Con el almacenamiento de energía por aire comprimido, parece que los beneficios superan las desventajas. Sin embargo, todavía no estamos viendo el crecimiento ni la implementación de nuevos CAES por las siguientes razones:

• Selección limitada de sitios: Debido a que los sistemas CAES necesitan ciertos tipos de formaciones geológicas existentes, como antiguas minas de sal, cavernas o costosas estructuras de oleoductos, sus ubicaciones potenciales en el sitio son algo limitadas. Sin embargo, esto puede ser más bien una desventaja percibida, ya que se estima que alrededor del 70% de la masa terrestre podría potencialmente soportar sistemas CAES.
• Riesgo percibido: Algunas compañías eléctricas se sienten incómodas con la idea de almacenar aire comprimido bajo tierra, a pesar de que las industrias de combustibles fósiles han estado almacenando gas natural y otros combustibles basados en hidrocarburos en condiciones muy similares durante más de 80 años.
• Pérdida inevitable de energía: Se perderá cierta cantidad de energía usando un sistema CAES, especialmente durante los procesos de compresión y descompresión. Esta pérdida es menor que la que se perdería sin ningún sistema de almacenamiento de energía — sin embargo, la producción global sigue siendo mayor con un sistema CAES debido a la enorme capacidad de energía almacenada.
• Requisitos adicionales de calefacción: Debe utilizarse algo de calor añadido para expandir el aire comprimido cuando esté listo para ser utilizado, lo que generalmente requiere energía generada por otras fuentes. Esto puede ser un problema, especialmente si se utilizan combustibles fósiles para este propósito. Los costes de otras fuentes de combustible, especialmente los combustibles fósiles, pueden variar enormemente con el tiempo y reducir seriamente cualquier beneficio costeal de un sistema CAES.

¿Qué países están utilizando actualmente los sistemas CAES?

Solo existen unos pocos sistemas CAES a nivel de utilidad y operativos en todo el mundo. Sin embargo, de estos pocos sistemas CAES existentes, se ha aprendido mucho sobre cómo tienen el potencial de mejorar la eficiencia energética y las aplicaciones en todo el mundo. Los dos principales sistemas operativos de CAES están en Alemania y Estados Unidos, pero muchos otros países cuentan con startups y organizaciones que estudian los sistemas CAES y están planeando construir más de ellos.

CAES en Alemania

Alemania tiene la orgullosa distinción de haber construido la primera planta mundial de almacenamiento de energía por aire comprimido. Situada en Huntdorf, en Baja Sajonia, Alemania, esta central eléctrica parece estar muy adelantada a su tendencia y está en funcionamiento desde 1978. Aquí, el sistema CAES utiliza dos enormes minas cilíndricas de sal como recipientes de almacenamiento y se emplea junto con una central nuclear, ayudando con la electricidad en picos de carga. El CAES en Alemania ayuda a proporcionar una producción energética global mucho mayor para la red, pero el propio CAES tiene una eficiencia relativamente baja.

CAES en EE. UU.

El segundo sistema CAES operativo del mundo se encuentra en Alabama. Este CAES fue puesto en servicio en 1991 en la ciudad de McIntosh, Alabama, y tiene una calificación de eficiencia ligeramente superior a la del CAES en Alemania. Esta planta es la única CAES a escala de utilidad en Estados Unidos y utiliza una gran caverna de sal para el almacenamiento de aire comprimido. La central eléctrica de CAES en McIntosh está integrada con una central de gas natural y es capaz de aumentar la producción energética total de gas natural, haciéndola un poco más respetuosa con el medio ambiente.

CAES en Canadá

Ubicada en Ontario, Canadá, una startup llamada Hydrostor está experimentando con el almacenamiento de energía por aire comprimido y trabaja para hacer que CAES sea más viable económicamente. Hydrostor también se ha asociado con una empresa petrolera y gasística, Baker Hughes, que considera la importancia de diversificar y alejarse de la dependencia exclusiva de los combustibles fósiles. Actualmente, Hydrostor tiene un proyecto piloto de CAES en funcionamiento en Ontario, donde pueden probar todo el sistema y varios proyectos más en distintas fases de desarrollo en Canadá, Australia y Estados Unidos. Esperan poder construir plantas CAES más grandes y mejores, aprendiendo de su proyecto piloto.

El futuro del almacenamiento de energía por aire comprimido y su posible impacto en el medio ambiente

Con tantas startups y organizaciones investigando el almacenamiento de energía por aire comprimido y dónde puede utilizarse, el futuro de los sistemas CAES se presenta prometedor. Podemos esperar ver más de estos sistemas de almacenamiento de energía complementando las centrales eléctricas existentes. El aumento de la demanda energética y el interés por modelos más sostenibles de producción de energía dejan abierta la puerta a soluciones como el almacenamiento de energía por aire comprimido.

En un futuro cercano probablemente se verá un aumento en la construcción de nuevos sistemas CAES y una mejor eficiencia dentro de cada uno. A medida que los investigadores estudian los sistemas CAES existentes, encuentran soluciones para hacerlos funcionar de forma más eficiente. A medida que la tecnología para el uso de CAES mejore, probablemente será una herramienta importante para satisfacer las crecientes necesidades energéticas en todo el mundo de una manera más asequible y ecológica.

También podríamos ver nuevos y únicos métodos de almacenamiento utilizados en los sistemas CAES, más allá de las minas de sal o los costosos oleoductos. Los científicos también están estudiando recipientes alternativos de almacenamiento que podrían utilizarse en el futuro. Aunque las minas de sal y otras cavernas naturales funcionan muy bien como recipientes de almacenamiento de aire comprimido, no están disponibles en todas partes. Una solución que actualmente se está investigando es usar bolsas enormes almacenadas en lo profundo del océano. Estas bolsas usarían la presión natural del agua del océano para mantener la presión del aire dentro de las bolsas.

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