¿Desconectarse de la red? Piense dos veces antes de invertir en un sistema de baterías. El almacenamiento de energía de aire comprimido es la alternativa sostenible y resistente a las baterías, con una vida útil mucho más larga, menores costos de ciclo de vida, simplicidad técnica y bajo mantenimiento. Diseñar un sistema de almacenamiento de energía de aire comprimido que combine una alta eficiencia con un reducido espacio de almacenamiento no se explica por sí mismo, pero un creciente número de investigadores muestran que se puede realizar.

El almacenamiento de energía de aire comprimido (CAES) se considera generalmente como una forma de almacenamiento de energía a gran escala, comparable a una planta hidroeléctrica bombeada. Tal planta de CAES comprime el aire y lo almacena en una caverna subterránea, recuperando la energía expandiendo (o descomprimiendo) el aire a través de una turbina que hace funcionar una turbina.

Desafortunadamente, las plantas de CAES a gran escala son muy ineficientes energéticamente. Comprimir y descomprimir el aire introduce pérdidas de energía, lo que resulta en una eficiencia eléctrica a eléctrica del solo 40-52%, en comparación con 70-85% para las plantas hidroeléctricas bombeadas, y del 70-90% para las baterías químicas.

La baja eficiencia se debe principalmente a que el aire se calienta durante la compresión. Este calor residual, que contiene una gran parte de la energía de entrada, se vierte a la atmósfera. Un problema relacionado es que el aire se enfría cuando se descomprime, lo que reduce la producción de electricidad y posiblemente congela el vapor de agua en el aire. Para evitar esto, las plantas CAES a gran escala calientan el aire antes de la expansión utilizando gas natural, lo que deteriora aún más la eficiencia del sistema y hace que el almacenamiento de energía renovable dependa de los combustibles fósiles.

¿Por qué CAES a pequeña escala?

En el artículo anterior, presentamos varias ideas, inspiradas en sistemas históricos, que podrían mejorar la eficiencia de las plantas CAES a gran escala. En este artículo, nos centramos en el pequeño pero creciente número de ingenieros e investigadores que piensan que el futuro no está en el almacenamiento de energía a gran escala de aire comprimido, sino en sistemas a pequeña escala o microsistemas, utilizando recipientes de almacenamiento artificiales en la superficie en lugar de depósitos subterráneos. Dichos sistemas podrían estar desconectados de la red o conectados a la red, ya sea operando solos o junto con un sistema de batería.

La razón principal para investigar el almacenamiento descentralizado de energía de aire comprimido es el simple hecho de que dicho sistema podría instalarse en cualquier lugar, al igual que las baterías químicas. CAES a gran escala, por otro lado, depende de una geología subterránea adecuada. Aunque hay más sitios potenciales para plantas de CAES a gran escala que para plantas hidroeléctricas a gran escala, encontrar cavernas de almacenamiento adecuadas no es tan fácil como se había supuesto.¹²³

En comparación con las baterías químicas, los sistemas micro CAES tienen algunas ventajas interesantes. Lo que es más importante, una red distribuida de sistemas de almacenamiento de energía de aire comprimido sería mucho más sostenible y ambientalmente amigable. Durante su vida útil, las baterías químicas almacenan solo de dos a diez veces la energía necesaria para su fabricación. ⁴ Los sistemas CAES a pequeña escala funcionan mucho mejor que eso, principalmente debido a que su vida útil mucho más larga.

En comparación con las baterías químicas, una red distribuida de sistemas de almacenamiento de energía de aire comprimido sería mucho más sostenible y ambientalmente amigable.

Además, no requieren materiales inusuales o tóxicos, y el hardware es fácilmente reciclable. El almacenamiento descentralizado de energía de aire comprimido no necesita líneas de producción de alta tecnología y puede ser fabricado, instalado y mantenido por empresas locales, a diferencia de un sistema de almacenamiento de energía basado en baterías químicas. Finalmente, el micro CAES no tiene autodescarga, es tolerante a una gama más amplia de entornos y promete ser más económico que las baterías químicas. ⁵

Aunque se estima que el costo de inversión inicial es más alto que el de un sistema de baterías (alrededor de 10,000 dólares para una instalación residencial), y aunque el almacenamiento sobre el suelo aumenta los costos en comparación con el almacenamiento subterráneo (el recipiente de almacenamiento es bueno para aproximadamente la mitad del costo de inversión), un sistema de almacenamiento de energía de aire comprimido ofrece una cantidad casi infinita de ciclos de carga y descarga. Por otro lado, las baterías deben reemplazarse cada pocos años, lo que las hace más costosas a largo plazo. ⁵⁶

Desafío: limitar el tamaño de almacenamiento

Sin embargo, la CAES descentralizada también enfrenta importantes desafíos. El primero es la eficiencia del sistema, que es un problema que afecta a los sistemas de pequeña y gran escala por igual, y el segundo es el tamaño del recipiente de almacenamiento, que es especialmente problemático para los sistemas CAES de pequeña escala.

Ambas cuestiones hacen que los sistemas de CAES a pequeña escala no sean prácticos. El espacio suficiente para un gran recipiente de almacenamiento no siempre está disponible, y una baja eficiencia de almacenamiento requiere una mayor planta de energía solar fotovoltaica o eólica para compensar dicha pérdida, elevando los costos y disminuyendo la sostenibilidad del sistema.

Para empeorar las cosas, la eficiencia del sistema y el tamaño de almacenamiento están inversamente relacionados: mejorar un factor a menudo es a expensas del otro. El aumento de la presión de aire minimiza el tamaño de almacenamiento pero disminuye la eficiencia del sistema, mientras que el uso de una presión más baja hace que el sistema sea más eficiente en términos de energía pero da como resultado un mayor tamaño de almacenamiento. Algunos ejemplos ayudan a ilustrar el problema.

Una simulación para un CAES autónomo destinado a brindar energía a áreas rurales, conectado a un sistema de energía solar fotovoltaica y usado solo para iluminación, opera a una presión de aire relativamente baja (8 bar) y obtiene una eficiencia de ciclo completo AC-AC del 60% –– comparable a la eficiencia de las baterías de al plomo ⁷

Sin embargo, para almacenar 360 Wh de energía eléctrica potencial, el sistema requiere un depósito de almacenamiento de 18 m3, el tamaño de una habitación pequeña que mide 3x3x2 metros. Los autores señalan que “aunque el tamaño del tanque parece muy grande, todavía es razonable para las aplicaciones en las zonas rurales”.

La eficiencia del sistema y el tamaño de almacenamiento están inversamente relacionados: mejorar un factor a menudo es a expensas del otro.

Tal sistema puede ser beneficioso en este contexto, especialmente porque tiene una vida útil mucho más larga que las baterías químicas. Sin embargo, una configuración similar en un contexto urbano con un alto consumo de energía es obviamente problemático. En otro estudio, se calculó que se necesitaría un tanque de almacenamiento de aire de 65 m3 para almacenar 3 kWh de energía. Esto corresponde a un recipiente a presión de 13 metros de largo con un diámetro de 2,5 metros, mostrado a continuación. ⁸

Además, el uso promedio diario doméstico de electricidad en los países industrializados es mucho mayor. Por ejemplo, en el Reino Unido es ligeramente inferior a 13 kWh por día, en EE. UU. y Canadá es de más de 30 kWh. En este último caso, se requerirían diez de tales tanques a presión de aire para almacenar electricidad suficiente para un día de uso.

Los sistemas CAES de pequeña escala a altas presiones dan resultados opuestos. Por ejemplo, una configuración modelo para un uso eléctrico doméstico típico en Europa (6.400 kWh por año) opera a una presión de 200 bar (casi 4 veces mayor que la presión en plantas CAES de gran escala) y logra un volumen de almacenamiento de solo 0,55 m3, que es comparable a las baterías. Sin embargo, la eficiencia de electricidad a electricidad de esta configuración es solo del 11-17%, dependiendo del tamaño del sistema solar fotovoltaico. ⁹

Dos estrategias para hacer el sistema Micro CAES funcionante

Estos ejemplos parecen sugerir que el almacenamiento de energía de aire comprimido no tiene sentido como un sistema de almacenamiento de energía a pequeña escala, incluso con una reducción en la demanda de energía. Sin embargo, y quizás sorprendente para muchos, este no es el caso.

Los sistemas CAES a pequeña escala no pueden seguir el mismo enfoque que los sistemas CAES a gran escala. Estos últimos aumentan la capacidad de almacenamiento y la eficiencia general mediante varias etapas de refrigeración intermedia (intercooling) y varias etapas de expansión con recalentamiento. Este método implica componentes adicionales y aumenta la complejidad y el costo, lo cual lo rinde inmpráctico para los sistemas a pequeña escala.

Lo mismo ocurre con los procesos “adiabáticos” (AA-CAES), que apuntan a utilizar el calor de compresión para recalentar el aire en expansión, siendo este el principal foco de investigación para CAES a gran escala. Para un sistema micro CAES, es muy importante simplificar la estructura lo máximo posible. ⁵¹⁰

Esto nos deja con dos estrategias de baja tecnología que se pueden seguir para lograr una capacidad de almacenamiento y una eficiencia energética similares a las de las baterías de plomo-ácido. En primer lugar, se podrían diseñar sistemas de baja presión que minimicen las diferencias de temperatura durante la compresión y la expansión. En segundo lugar, se podrían diseñar sistemas de alta presión en los que el calor y el frío de la compresión y la expansión se utilize en aplicaciones domésticas.

Pequeña escala, presión alta

Los sistemas de almacenamiento de energía de aire comprimido a pequeña escala con altas presiones de aire hacen que la ineficacia de la compresión y la expansión sean una ventaja. Mientras que el AA-CAES a gran escala tiene como objetivo recuperar el calor de compresión con el objetivo de maximizar la producción de electricidad, estos sistemas a pequeña escala aprovechan las diferencias de temperatura para permitir la trigeneración de energía eléctrica, calefacción y refrigeración. El calor disipado de la compresión se usa para calefacción residencial y producción de agua caliente, mientras que el aire frío de la expansión se utiliza para el enfriamiento y refrigeración. Las baterías químicas no logran esto.

Los sistemas de alta presión a pequeña escala utilizan el calor disipado de la compresión para la producción de calefacción residencial y agua caliente, mientras que el aire frío de expansión se utiliza para enfriamiento y refrigeración.

En estos sistemas, la eficiencia electricidad a electricidad es muy baja. Sin embargo, ahora hay varias eficiencias por definir, porque el sistema también suministra calor y frío. ¹⁰¹¹ Además, este enfoque puede convertir en innecesarios varios aparatos eléctricos, como el refrigerador, el aire acondicionado y la caldera eléctrica para calentar espacios y agua. Dado que el uso de estos dispositivos a menudo representa aproximadamente la mitad del uso de electricidad en un hogar promedio, un sistema CAES de pequeña escala con alta presión tiene una demanda de electricidad más baja en general.

Los sistemas de alta presión resuelven fácilmente el problema del tamaño de almacenamiento. Como hemos visto, una presión de aire más alta puede reducir en gran medida el tamaño de un recipiente de almacenamiento de aire comprimido, pero solo a expensas de un aumento del calor residual. En un sistema de pequeña escala que aprovecha las diferencias de temperatura para proporcionar calefacción yrefrigeración, esto es ventajoso. Por lo tanto, los sistemas de alta presión son ideales para edificios residenciales a pequeña escala, donde el espacio de almacenamiento es limitado y donde hay una gran demanda de calor y frío, así como de electricidad. Las únicas desventajas son que los sistemas de alta presión requieren tanques de almacenamiento más fuertes y costosos, y se require de un espacio adicional para los intercambiadores de calor.

Varios grupos de investigación han diseñado, modelado y construido unidades CAES de pequeña escala de calor y energía que proporcionan calefacción y refrigeración, así como electricidad. El sistema de alta presión con un volumen de almacenamiento de solo 0,55 m3, que mencionamos anteriormente, es un ejemplo de este tipo de sistema. ⁹ Como se señaló, su eficiencia eléctrica es solo del 11-17%, pero el sistema también produce suficiente calor para calentar 270 litros de agua por día. Si también se tiene en cuenta esta fuente de energía térmica, la eficiencia “exergética” de todo el sistema es cercana al 70%. Eficiencias similares de “exergía” pueden encontrarse en otros estudios, con sistemas que operan a presiones entre 50 y 200 ¹¹¹²

El calor y el frío de la compresión y la expansión se pueden distribuir a los dispositivos de calentamiento o enfriamiento por medio de agua o aire. La configuración de un sistema de calentamiento y enfriamiento de ciclo de aire es muy similar a un sistema CAES, excepto por el recipiente de almacenamiento. La calefacción y la refrigeración del ciclo del aire tiene muchas ventajas, que incluyen una alta fiabilidad, facilidad de mantenimiento y el uso de un refrigerante natural, que es favorable para el medio ambiente. ¹¹

Pequeña escala, presión baja

La segunda estrategia para lograr mayores eficiencias y menores volúmenes de almacenamiento es exactamente opuesta a la primera. En lugar de comprimir aire a alta presión y aprovechar el calor y frío de la compresión y expansión, una segunda clase de sistemas CAES de pequeña escala se basa en bajas presiones, y compresión y expansión “casi isotérmicas”.

Por debajo de las presiones de aire de aproximadamente 10 bar, la compresión y expansión del aire exhiben cambios de temperatura insignificantes (“casi isotérmicos”), y la eficiencia del sistema de almacenamiento de energía puede ser cercana al 100%. No hay calor residual y, en consecuencia, no hay necesidad de recalentar el aire al expandirse.

La compresión isotérmica requiere la menor cantidad de energía para comprimir una cantidad determinada de aire a una presión determinada. Sin embargo, alcanzar un proceso isotérmico está todavía lejos de la realidad. Para empezar, solo funciona con compresores y expansores pequeños y/o de ciclo lento. Desafortunadamente, los compresores industriales típicos no están hechos para una máxima eficiencia sino para una potencia máxima y, por lo tanto, funcionan en condiciones de ciclos rápidos, no isotérmicos. Lo mismo se aplica para la mayoría de los expansores industriales. ¹³¹⁴

A presiones de aire inferiores a 10 bar, la compresión y la expansión del aire exhibe cambios insignificantes de temperatura y la eficiencia puede ser cercana al 100%.

El uso de compresores y expansores industriales explica en gran parte por qué los sistemas CAES de baja presión mencionados al principio de este artículo usan tan grandes recipientes de almacenamiento. Ambos sistemas se basan en dispositivos que funcionan fuera de sus condiciones óptimas o nominales. ¹⁵ Debido a que las ineficiencias se multiplican durante las conversiones de energía, incluso las diferencias relativamente pequeñas en la eficiencia de los compresores y los expansores pueden tener grandes efectos. Por ejemplo, una variación en la eficiencia del dispositivo del 60% al 80% da como resultado una eficiencia del sistema del 36% al 64%.

Nuevos tipos de compresores y expansores

Debido a que el rendimiento de un compresor y un expansor impactan significativamente en la eficiencia general de un sistema CAES de pequeña escala, varios investigadores han construido sus propios compresores y expansores, que están especialmente orientados al almacenamiento de energía. Por ejemplo, un equipo diseñó, construyó y examinó un compresor isotérmico de baja potencia de una etapa que utiliza un pistón líquido. ¹³ Este funciona a una tasa de compresión muy baja (entre 10-60 rpm), que corresponde a la salida de paneles solares fotovoltaicos, y limita la fluctuación de temperatura durante la compresión y la expansión a 2 grados Celsius.

El dispositivo de bajo costo tiene la mínima cantidad de partes móviles y obtiene eficiencias del 60 al 70% a una presión de 3 a 7 bares. ¹³ Esta es una eficiencia muy alta para un dispositivo tan simple, considerando que un sofisticado compresor centrífugo de tres etapas, utilizado en sistemas CAES de gran escala o en entornos industriales, tiene una eficiencia del 70% aproximadamente. Además, los investigadores afirman que la eficiencia está limitada por el motor estándar que utilizan para alimentar su compresor. De hecho, otro equipo de investigación logró una eficiencia del 83%. ¹⁶

Otra novedad es el uso de compresores scroll, que son compresores utilizados actualmente en refrigeradores, sistemas de aire acondicionado y bombas de calor. Tanto el compresor de pistón fluido como el de scroll tienen una alta relación área/volumen, lo que minimiza la producción de calor y maneja fácilmente el flujo de dos fases, lo que significa que también pueden ser usados como expansores. También son más ligeros y menos ruidosos que los compresores alternativos típicos. ¹⁴

Presión de aire variable

Although compressors and expanders are the most important determinants of system efficiency in small-scale CAES systems, they are not the only ones. For example, in every compressed air energy storage system, additional efficiency loss is caused by the fact that during expansion the storage reservoir is depleted and therefore the pressure drops. Meanwhile, the input pressure for the expander is required to vary only in a minimal range to assure high efficiency.

Aunque los compresores y los expansores son aquellos que determinan en mayor medida la eficiencia del sistema en los sistemas CAES de pequeña escala, no son los únicos. Por ejemplo, en cada sistema de almacenamiento de energía de aire comprimido, la pérdida de eficiencia adicional es causada por el hecho de que durante la expansión el depósito de almacenamiento se agota y, por lo tanto, la presión disminuye. Al mismo tiempo, se require una variación minima en la entrada para el expansor para así asegurar una alta eficiencia.

Esto generalmente se resuelve de dos maneras, aunque ninguna es realmente satisfactoria. En primer lugar, el aire puede almacenarse en un tanque con una presión excedente, luego de lo cual se reduce a la presión de entrada requerida del expansor. Este método, sin embargo, utilizado en CAES a gran escala, requiere un uso adicional de energía y, por lo tanto, introduce ineficiencia. En segundo lugar, el expansor puede operar en condiciones variables, pero en este caso la eficiencia disminuirá junto con la presión mientras se vacía el almacenamiento.

Durante la expansión, el depósito de almacenamiento se agota y, por lo tanto, la presión disminuye.

Con estos problemas en mente, un equipo de investigadores combinó un CAES de pequeña escala con una planta hidroeléctrica de bombeo a pequeña escala, lo que resultó en un sistema que mantiene una presión constante durante la descarga completa del depósito de almacenamiento. Consiste en dos tanques de aire comprimido que están conectados por una tubería sujeta a sus partes inferiores: cada uno de estos tienen espacios separados para el aire (debajo) y el almacenamiento de agua (arriba). La configuración mantiene una cabeza de agua por medio de una bomba, que consume el 15% de la potencia generada. Sin embargo, a pesar de este uso extra de energía, los investigadores lograron aumentar tanto la eficiencia como la densidad de energía del sistema. ¹¹

Almacenamiento de energía fuera la red (off-grid)

Para hacernos una idea de lo que puede lograr una combinación de los componentes correctos, echaremos un vistazo a un último proyecto de investigación. ¹⁷ Se trata de un sistema que se basa en un compresor/expansor hecho a medida, altamente eficiente, hecho a medida, que se acopla directamente a un motor/generador de CC. Además, la eficiencia posee una configuración innovadora. No utiliza solo un tanque grande de almacenamiento de aire, sino varios más pequeños, que están interconectados y controlados por una computadora.

La configuración opera a baja presión (máximo 5 bar) y está compuesta por la unidad de compresión / expansión acoplada a tres cilindros pequeños (7L), previamente utilizados como extintores de aire. Los recipientes de almacenamiento están conectados a través de tuberías de PVC y conexiones de latón. Para controlar el flujo de aire, se usan tres válvulas de aire, controladas por computadora, en la entrada de cada cilindro. El sistema se puede extender agregando más recipientes a presión. ¹⁷

Una configuración modular da como resultado una densidad de energía y una eficiencia del sistema mayor principalmente por dos razones. En primer lugar, ayuda a que se produzca una transferencia de calor más efectiva, ya que cada tanque de aire actúa como un intercambiador de calor adicional. En segundo lugar, permite un mejor control sobre la tasa de descarga del depósito de almacenamiento. Los cilindros pueden descargarse al unísono para satisfacer una demanda de alta densidad de potencia (más potencia a costa de un tiempo de descarga más corto) o pueden descargarse secuencialmente para satisfacer una demanda de alta densidad energética (mayor tiempo de descarga a costa de la potencia máxima).

Al descargar secuencialmente los cilindros de almacenamiento modulares, el tiempo de descarga aumenta considerablemente, haciendo que el sistema sea comparable a las baterías de plomo en términos de densidad de energía.

Al descargar los cilindros secuencialmente, el tiempo de descarga aumenta considerablemente, haciendo que el sistema sea comparable a las baterías de plomo en términos de densidad de energía. Descubrieron que 57 cilindros interconectados de 10 litros cada uno, operando a 5 bar, podían cumplir el trabajo de cuatro baterías de 24V durante 20 horas consecutivas, al mismo tiempo que tener un impacto de solo 0,6 m3.

Curiosamente, la capacidad de almacenamiento es de 410 Wh, la cual es comparable al sistema rural mencionado anteriormente de 360 Wh, que requiere un recipiente de almacenamiento de 18 m3, que es treinta veces más grande que el sistema de almacenamiento modular.

La eficiencia eléctrica-a-eléctrica para la configuración de 3 cilindros alcanzó un máximo del 85% a una presión de 3 bar, mientras que la eficiencia estimada para la configuración de 57 cilindros es del 75%. Estos son valores comparables a las baterías de iones de litio, pero agregar más recipientes de almacenamiento u operar a presiones más altas presenta mayores pérdidas debido a la compresión, el calor, la fricción y los accesorios. ¹⁷¹⁸

Sin embargo, cuando envié un correo electrónico a Abdul Alami, el autor principal del estudio, pensando que los resultados eran demasiado buenos como para ser ciertos, me dijo que las cifras eran en realidad demasiado conservadoras: “Nos mantuvimos a bajas presiones para lograr una compression isotérmica y para garantizar un funcionamiento seguro. Operar a presiones superiores a 10 bar crearía graves pérdidas térmicas, pero una presión de 7-8 bar puede ser beneficiosa en términos de energía y densidad de potencia, aunque tal vez no lo sea en términos de eficiencia “.

¿Construirlo usted mismo?

En conclusión, el almacenamiento de energía de aire comprimido a pequeña escala podría ser una alternativa prometedora a las baterías, pero la investigación aún está en sus primeras etapas -el primer estudio sobre CAES a pequeña escala se publicó en 2010- y nuevas ideas continuarán arrojando luz sobre la mejor forma de desarrollar esta tecnología. Por el momento, no hay productos comerciales disponibles, y la configuración de su propio sistema puede ser bastante intimidante si es nuevo en la neumática. Tan solo agarrar los componentes y accesorios correctos es un dolor de cabeza, ya que vienen en una variedad desconcertante y solo son vendidos a las industrias.

Sin embargo, si es paciente y no demasiado descuidado, y si está decidido a utilizar un sistema de almacenamiento de energía más sostenible, es perfectamente posible construir su propio sistema CAES. Como han demostrado los ejemplos de este artículo, es un poco más difícil construir uno bueno.

Hay más ideas para sistemas de CAES de pequeña escala en el artículo anterior: Historia y futuro de la economía del aire comprimido.