Cómo se utiliza el aire comprimido para las energías renovables

Los efectos del cambio climático hacen que muchos científicos y tecnólogos miren hacia el futuro pensando en las fuentes de energía renovables. Los sistemas de energía solar y eólica son una opción energética ecológica, pero dependen de determinadas condiciones meteorológicas para funcionar a pleno rendimiento.

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 guardar electricidad para cuando se necesite. La idea del almacenamiento de energía mediante aire comprimido existe desde hace décadas, pero últimamente se está explorando más como solución para aumentar los sistemas de energías renovables.

¿Qué es el almacenamiento de energía en aire comprimido?

El almacenamiento de energía en aire comprimido (CAES, por sus siglas en inglés) es un medio de almacenar energía en forma de aire comprimido para su uso posterior. La CAES puede funcionar en conjunción con la red eléctrica existente y otras fuentes de energía para almacenar el exceso de energía para cuando más se necesite, como en las horas de máxima demanda energética.

La energía eólica es un ejemplo de cómo esto funciona perfectamente con otros tipos de producción de energía. Las turbinas eólicas giran para producir energía siempre que hay viento disponible, pero la electricidad que genera no siempre se necesita en el momento en que se produce y, por tanto, se desperdicia.

Otra posibilidad es que el pico de demanda de energía se produzca en un momento en que no haya viento suficiente para hacer girar las turbinas y crear energía suficiente. La energía almacenada del aire comprimido puede utilizarse para guardar el exceso de energía producida por las turbinas eólicas, de modo que esté disponible en los momentos de máxima demanda energética o cuando no haya viento suficiente para hacer girar las turbinas.

¿Cómo funciona el almacenamiento de energía en aire comprimido?

Con la energía del aire comprimido, la electricidad producida por otras fuentes de energía, como las turbinas eólicas, se convierte en aire comprimido a alta presión y se almacena para su uso posterior. Cuando se necesita la energía, este aire comprimido se libera en turbogeneradores para que pueda volver a utilizarse como electricidad. Con el almacenamiento de energía en aire comprimido, la energía puede almacenarse -y utilizarse posteriormente- en cualquier momento del día o del año, independientemente de las condiciones meteorológicas o de otro tipo.

La compresión del aire crea un exceso de calor, y el proceso de descompresión elimina el calor del aire. Hay tres formas principales de tratar el proceso de compresión y descompresión:

1. Adiabático: En un sistema adiabático de almacenamiento de energía, el calor producido durante el proceso de compresión del aire se conserva 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. En la actualidad, los sistemas de almacenamiento adiabático son más teóricos y aún no tienen aplicaciones importantes a escala comercial, aunque se espera que tengan un índice de eficiencia muy alto.
2. Diabático: En lugar de almacenar el calor durante el proceso de compresión, un sistema de almacenamiento diabático utiliza intercoolers para disipar el calor en el aire como producto residual. Como el calor se desperdicia, cuando hay que descomprimir el aire comprimido para liberarlo del almacenamiento, hay que añadir calor adicional. A menudo se utiliza gas natural para el proceso de recalentamiento, lo que contribuye a reducir la eficiencia global del sistema de la central eléctrica. En un sistema de almacenamiento diabático, la temperatura del aire puede utilizarse para medir el volumen de aire que queda almacenado. Aunque los sistemas de almacenamiento diabático tienden a ser menos eficientes, son el único tipo que se ha implantado a nivel comercial o de servicios públicos hasta la fecha.
3. Isotérmico: Un sistema de almacenamiento isotérmico es el ideal que otros sistemas intentan alcanzar. Los sistemas isotérmicos son sobre todo teóricos, pero pueden aplicarse en sistemas a muy pequeña escala con equipos muy eficientes. Estos sistemas consiguen un intercambio de calor perfecto o casi perfecto con el entorno, pero hasta ahora no se han puesto en práctica en sistemas CAES a gran escala, ya que es inevitable cierto grado de pérdida de calor.

A menudo, el aire comprimido puede almacenarse en formaciones geológicas naturales ya existentes, como depósitos en rocas o minas de sal. El uso de infraestructuras existentes como éstas también puede abaratar los costes. Hay dos tipos principales de almacenamiento que pueden utilizarse en un sistema CAES:

• Almacenamiento a volumen constante: En un sistema de almacenamiento de volumen constante, unos límites físicos específicos controlan el volumen del espacio de almacenamiento, pero la presión del aire del espacio es variable. Estos sistemas necesitan mantener ciertos umbrales de presión máxima para evitar daños en los recipientes de almacenamiento. Entre los ejemplos de almacenamiento de volumen constante se incluyen opciones naturales como minas abandonadas, cuevas de sal y antiguos depósitos de gas natural, así como sistemas artificiales como tuberías sobre el suelo.
• Almacenamiento a presión constante: Un sistema de almacenamiento a presión constante mantiene constante la presión del aire, mientras que el volumen de almacenamiento es variable. Estos sistemas suelen utilizar enormes bolsas para almacenar el aire y se colocan a gran profundidad en el océano, para aprovechar la presión hidrostática de éste. La presión constante del aire permite una mayor eficacia de las turbinas y de la propia central. 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 en aire comprimido

El almacenamiento de energía mediante aire comprimido puede ser un método asequible de almacenamiento de energía, a la altura de otros métodos competidores, como la energía hidroeléctrica por bombeo, la energía electroquímica, la energía térmica, la gravitacional y el almacenamiento en 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 de la red energética, el CAES es uno de los mejores.

El coste de capital del uso de almacenamiento de energía por aire comprimido ronda los 1.500 dólares por kilovatio y se considera relativamente asequible si se compara con otros sistemas de almacenamiento de energía. A menudo, los costes de instalación y puesta en marcha también son bajos porque pueden utilizarse depósitos naturales ya existentes, y la tecnología y los equipos son similares a los que las empresas de servicios públicos y los trabajadores ya están acostumbrados a utilizar. Esto mantiene bajos los costes añadidos de construcción, equipamiento y formación.

Un sistema CAES también tiene el valor añadido de aumentar la producción de la instalación de producción de energía existente. Al almacenar la energía procedente de fuentes variables como la solar y la eólica, la producción total de estas instalaciones aumenta drásticamente, lo que las equipara a opciones más grandes pero menos respetuosas con el medio ambiente, como las centrales eléctricas de carbón. Con ventajas añadidas como éstas, 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 del aire comprimido

La sostenibilidad y el medio ambiente son preocupaciones de primer orden 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 de eficiencia global de los sistemas CAES puede variar y dependerá en gran medida del diseño de cada instalación.

La eficiencia del almacenamiento de energía en aire comprimido es inferior a la de otros métodos y sistemas, como las centrales hidroeléctricas de bombeo y las soluciones de baterías químicas. Esto se debe a la naturaleza de la pérdida de energía al comprimir y descomprimir el aire. Cuando el aire se comprime, se calienta, generando calor y energía desperdiciados que se liberan a la atmósfera. Al descomprimirse posteriormente, el aire se enfría, lo que se traduce en una menor producción de energía en general. Algunos sistemas utilizan gas natural para calentar el aire antes de descomprimirlo, pero esto también reduce la eficiencia energética global.

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

Una forma de aumentar la eficiencia energética de los sistemas CAES es utilizar depósitos llenos de agua. Cuando el aire comprimido se introduce en el depósito, el agua es empujada hacia arriba, hacia el nivel de la superficie. El agua vuelve a bajar cuando el aire comprimido se utiliza posteriormente como energía. Este sistema de tuberías y depósitos de agua mantiene una presión constante para el aire almacenado y mejora la eficiencia energética global.

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

¿Cómo ayuda el aire comprimido al medio ambiente? Los sistemas de almacenamiento de energía por aire comprimido aportan muchas ventajas, como aumentar la producción global de una red energética. Veamos otras ventajas clave del uso de sistemas CAES:

• Proporciona beneficios económicos: Los propietarios y operadores de sistemas de generación de energía pueden obtener mayores beneficios económicos cuando la CAES se utiliza como apoyo a las instalaciones energéticas existentes. El aumento de la producción de electricidad significa más dinero para las compañías eléctricas.
• Aumenta la producción fuera de las horas punta: Durante la noche y otras horas valle en las que la demanda de energía es menor, una CAES almacena energía para el día siguiente u otro momento en el 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 mucha más capacidad para gestionar las horas punta y los momentos de mayor demanda con la energía que almacena. También está mejor equipado para hacer frente a las necesidades de energía intermedias y en rampa, y puede almacenar energía nocturna para utilizarla durante las horas diurnas más caras.
• Ofrece mejor regulación y control: Un sistema CAES ofrece una regulación y un control de la frecuencia mucho mejores que los que podría ofrecer una central eléctrica de base.
• Absorbe el exceso de energía cuando la demanda es baja: Cuando la rápida disminución de la demanda de energía hace que los precios de la energía procedente de otras fuentes como la hidráulica, los combustibles fósiles o la nuclear sean increíblemente bajos, una 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 ofrecer el gran potencial de capacidad del que es capaz el almacenamiento de aire comprimido. Los sistemas CAES pueden almacenar una cantidad de energía mucho mayor que cualquier otro sistema de almacenamiento y ofrecen una gran flexibilidad en cuanto al tamaño del almacenamiento y la capacidad general de gestión de la carga.
• Ofrece capacidad de "arranque en negro": En caso de apagón, muchas otras instalaciones de generación y almacenamiento de energía necesitan una pequeña cantidad de electricidad externa para volver a funcionar. Los sistemas CAES tienen capacidad de "arranque en negro", lo que significa que son capaces de restablecer el funcionamiento sin ninguna fuente de alimentación externa.
• Tiempos de arranque rápidos: Estos sistemas de energía pueden arrancar en frío en cuestión de minutos, mucho más rápido que otros sistemas de generación de energía.
• Ofrece índices de calor más bajos: Los sistemas CAES tienen tasas de calor mucho más bajas que otros tipos de sistemas de generación de energía. Esto significa que son mucho más eficientes en rampas, cargas parciales y regulación.

Por supuesto, con cualquier lista de pros y contras, también hay que explorar las desventajas. En el caso del almacenamiento de energía en aire comprimido, parece que las ventajas superan a los inconvenientes. Sin embargo, seguimos sin ver el crecimiento y la implantación de nuevas CAES por las siguientes razones:

• Selección limitada de emplazamientos: Dado que los sistemas CAES necesitan determinados tipos de formaciones geológicas, como antiguas minas de sal o cavernas o costosas estructuras de tuberías, sus posibles emplazamientos son algo limitados. Sin embargo, esto puede ser más bien una desventaja, ya que se calcula que alrededor del 70% de la superficie terrestre podría albergar sistemas CAES.
• Riesgo percibido: Algunas empresas de servicios públicos se sienten incómodas con la idea de almacenar aire comprimido bajo tierra, a pesar de que las industrias de combustibles fósiles llevan más de 80 años almacenando gas natural y otros combustibles basados en hidrocarburos en condiciones muy similares.
• Pérdida inevitable de energía: Con un sistema CAES se pierde cierta cantidad de energía, especialmente durante los procesos de compresión y descompresión. Esta pérdida es menor que la que se produciría si no existiera ningún sistema de almacenamiento de energía, pero el rendimiento total es mayor con un sistema CAES debido a la enorme capacidad de energía almacenada.
• Necesidades adicionales de calor: Debe utilizarse algo de calor adicional para expandir el aire comprimido cuando está listo para su uso, lo que generalmente requiere energía generada a partir de otras fuentes. Esto puede ser un problema, sobre todo si se utilizan combustibles fósiles para este fin. Los costes de otras fuentes de combustible, especialmente los combustibles fósiles, pueden variar mucho con el tiempo y reducir considerablemente las ventajas económicas de un sistema CAES.

¿Qué países utilizan actualmente sistemas CAES?

En todo el mundo sólo existen unos pocos sistemas CAES operativos a nivel de servicios públicos. Sin embargo, de estos pocos sistemas CAES existentes se ha aprendido mucho sobre su potencial para mejorar la eficiencia energética y sus aplicaciones en todo el mundo. Los dos principales sistemas CAES operativos se encuentran en Alemania y Estados Unidos, pero en muchos otros países hay empresas y organizaciones que están estudiando sistemas CAES y planean construir más.

CAES en Alemania

Alemania se enorgullece de haber construido la primera central de almacenamiento de energía por aire comprimido del mundo. Situada en Huntdorf (Baja Sajonia, Alemania), esta central parece ir muy por delante de las demás y lleva en funcionamiento desde 1978. Aquí, el sistema CAES utiliza dos enormes minas de sal cilíndricas como recipientes de almacenamiento y se utiliza junto con una central nuclear, ayudando con la electricidad de carga máxima. En Alemania, la CAES contribuye a aumentar la producción total de energía de la red, pero su eficiencia es relativamente baja.

CAES en EE.UU.

El segundo sistema CAES operativo del mundo se encuentra en Alabama. Esta CAES se puso en marcha en 1991 en la ciudad de McIntosh (Alabama) y tiene un índice de eficiencia ligeramente superior al de la CAES de Alemania. Esta central es la única CAES a escala comercial de Estados Unidos y utiliza una gran caverna de sal para almacenar el aire comprimido. La central CAES de McIntosh está integrada en una central de gas natural y puede aumentar la producción total de energía a partir de gas natural, lo que la hace ligeramente más respetuosa con el medio ambiente.

CAES en Canadá

En Ontario (Canadá), una empresa de nueva creación llamada Hyd rostor está experimentando con el almacenamiento de energía mediante aire comprimido y trabaja para que la CAES sea más viable económicamente. Hydrostor también se ha asociado con una empresa de petróleo y gas, Baker Hughes, que ve la importancia de diversificar y dejar de depender exclusivamente de los combustibles fósiles. En la actualidad, Hydrostor tiene un proyecto piloto de CAES en Ontario, donde puede probar todo el sistema, y varios proyectos más en diversas fases de desarrollo en Canadá, Australia y Estados Unidos.

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

Con tantas nuevas empresas y organizaciones estudiando el almacenamiento de energía en aire comprimido y sus posibilidades de uso, el futuro de los sistemas CAES parece prometedor. Podemos esperar ver más de estos sistemas de almacenamiento de energía aumentando las centrales eléctricas existentes. El aumento de la demanda energética y el interés por modelos más sostenibles de producción de energía dejan la puerta abierta a soluciones como el almacenamiento de energía en aire comprimido.

Es probable que en un futuro próximo aumente la construcción de nuevos sistemas CAES y mejore la eficiencia de cada uno de ellos. A medida que los investigadores estudian los sistemas CAES existentes, encuentran soluciones para hacerlos funcionar de forma más eficiente. A medida que mejore la tecnología para el uso de la CAES, es probable que se convierta en una herramienta importante para satisfacer las crecientes necesidades energéticas en todo el mundo de una forma más asequible y ecológica.

También es posible que veamos nuevos y exclusivos métodos de almacenamiento utilizados en los sistemas CAES, más allá de las minas de sal o las costosas tuberías. Los científicos también están estudiando recipientes de almacenamiento alternativos 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 se está investigando actualmente es el uso de enormes bolsas almacenadas en las profundidades del océano. Estas bolsas utilizarían la presión natural del agua del océano para mantener la presión del aire en su interior.

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