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ESTUDIO DEL ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA MEDIANTE AIRE COMPRIMIDO. LOS SISTEMAS CAES
Autor: Adrià Lladó Sánchez Número de registro: Tutor: J.J. de Felipe Blanch Titulación: Grau en Enginyeria de Recursos Energètics i Miners Manresa, Octubre 2015 Escola Politècnica Superior d’Enginyeria de Manresa (EPSEM)
ESTUDIO DEL ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA MEDIANTE AIRE COMPRIMIDO. LOS SISTEMAS CAES
Summary
Energy storage has become a serious challenge since last few decades. The natural; resources are becoming exhausted and more energy is required to meet the increasing demands of technology, population and systems. Different methods of energy conservation have been adopted including the storage in forms of electrical, mechanical, thermal and chemical energy. Methods and techniques have been established to ensure the energy storage in these different forms. Some pronounced methods are the flywheel energy storage, hydroelectricity, etc. Emphasis is being developed on utilization of resources when they are not in excessive demand. Energy storage in off-peak demand is encouraged to make it utilized in peak demand periods.
In the struggle to develop mechanisms to store energy for later use, one most developing area is the energy storage using the air. This method is known as compressed air energy storage (CAES). CAES systems depend on the availability of air to produce the energy and store it for use in high demand periods. The air is compressed and this compressed air is used later on through expansion for production of electricity by turning the turbines.
Different ways and types of CAES systems have been studied. Adiabatic, diabatic and iso-thermal are the basic three types of compressed air energy storage systems. There are many variants developed from these basic three types as advanced adiabatic CAES. Although different methods have been studied and testing on small scale for implementation of CAES technology, but currently only the diabatic CAES has been used practically for large scale production of electricity by storing energy. Two known plants exist, one in US and other in Germany. Also the types of CAES systems depend on the structure of the underlying storage chamber. There are different geologies for the development of this chamber like salt, hard rock and porous rock. Presence of accurate geologies also drives the success of the CAES system.
Research and studies are underway to make the large scale deployment of CAES based energy storage systems. It is expected that such systems will enhance the available energy and will reduce the pressure on the current supply of natural resources of energy by storing them appropriately on excess available times.
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construir un parque eólico en las proximidades hacían el conjunto aún más atractivo.
Des del momento en el que empecé a buscar bibliografía, datos y cálculos necesarios para llevar a cabo mi proyecto, todo fueron complicaciones y opacidad. No podía disponer de los datos reales de las localizaciones donde quería hacer la instalación, no hay ningún tipo de bibliografía sobre la tecnología en lengua hispana, cuando digo ninguna es, solo unos pocos artículos en blogs y nada más, toda la documentación está en inglés y tampoco es muy detallada, la mayoría en papeles de investigadores e científicos por cuenta propia, apenas se detalla la tecnología en 4 libros. Me di cuenta de que no disponía de suficientes recursos para hacer que mi proyecto fuese mínimamente realista, así que decidí realizar el proyecto desde otro enfoque, el actual.
Dado que no hay material de divulgación sobre esta tecnología en lengua española, decidí crearlo yo mismo, y de paso también mostrar el estado actual de la tecnología y su futuro.
Mi objetivo principal es crear un documento de divulgación científica sobre los sistemas CAES en la lengua española, utilizando un lenguaje más universal que técnico, para poder hacer llegar los conocimientos a una mayor parte de la población:
Como último apunte, este ya a nivel más personal, durante mi investigación envié muchísimos correos electrónicos, alguna carta y posts en foros dedicados a la temática. El 90% de mis solicitudes no han sido respuestas, y un investigador estadounidense me arrojo un poco de luz sobre porque no había demasiada
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información sobre sistemas CAES de almacenamiento de grandes dimensiones, tal como he comentado anteriormente, los almacenes de gas natural y los sistemas CAES necesitan de la misma geología, es posible que haya a quien no le interese la investigación de una alternativa menos peligrosa y verde a estos almacenes.
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Índice de Figuras
Figura 1: Generación de energía eléctrica en un circuito.................................... 17 Figura 2: Banco de baterías recargables utilizado para el suministro continúo de energía en un centro de datos ............................................................................ 18 Figura 3: Una pila de combustible que contiene ánodo, cátodo y un electrolito. 18 Figura 4: La energía térmica y su almacenamiento ............................................ 19 Figura 5: Estructura y diseño del almacenamiento de energía térmica estacional (STES) ................................................................................................................ 20 Figura 6: Sistema de almacenamiento de energía mediante una Central hidroeléctrica Reversible en las Cataratas del Niágara, Canadá ........................ 24 Figura 7: Flujo del sistema de generación de electricidad hidroeléctrica ............ 25 Figura 8: Principales componentes de un sistema de volante de inercia............ 26 Figura 9: Sistema de almacenamiento de energía mediante aire comprimido (CAES) ................................................................................................................ 27 Figura 10: Sistema de almacenamiento de energía a gran escala ..................... 29 Figura 11: Sistema de almacenamiento de energía mediante aire comprimido (CAES), RWE, (2010) ......................................................................................... 31 Figura 12: Flujo en el sistema CAES para el funcionamiento de la turbina de electricidad .......................................................................................................... 33 Figura 13: Formación de acuífero subterráneo, incluyendo acuíferos confinados y no confinados...................................................................................................... 36 Figura 14: Recipientes utilizados en sistemas CAES a presión constante. ........ 38 Figura 15: Diseño del sistema de almacenamiento de energía mediante aire comprimido adiabático (CAES), Zunft, S. (2006) ................................................ 40 Figura 16: Diferencia estructural entre sistemas CAES simples y adiabáticos avanzados, FINKENRATH, M. (2009) ................................................................ 41 Figura 17: Sistema de almacenamiento de energía mediante aire comprimido (CAES) en Huntorf, Elmegaara, B. y Brix, W., (2011) ......................................... 44 Figura 18: Sistema de almacenamiento de energía mediante aire comprimido (CAES) en MacIntosh, Elmegaara, B. y Brix, W., (2011) ................................... 45
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1. Introducción
Con los progresos hechos en las áreas industriales y técnicas, también ha surgido la necesidad de conservar la materia prima utilizada en estos nuevos sistemas. La población está creciendo y por consiguiente también están aumentando los requisitos para obtener energía. Los recursos naturales están casi totalmente ocupados y un mayor número de cargas sobre ellos puede generar que se vuelvan escasos. El agua se está acabando paulatinamente y el mundo enfrenta importantes problemas para llegar a cubrir sus demandas.
Muchos países con grandes poblaciones y sujetos al ingreso de grupos masivos de personas dentro de sus territorios están prestando estricta atención y consideración a la posibilidad de crear formas para mejorar la producción de energía. Los recursos actuales han limitado la cantidad de energía que se puede producir para el consumo en tiempo real. Se deben desarrollar métodos que puedan almacenar la energía en períodos de demanda de menor actividad para su uso en períodos de alta demanda.
La electricidad se erige como una de las fuentes de energía más demandadas, ya que casi todos los sistemas técnicos operan con ella. Su utilidad se admite en todos los sistemas. En paralelo a su utilización, se destacan los problemas relacionados con su suministro insuficiente. La relación de la demanda y la oferta no está totalmente satisfecha. Desde hace mucho tiempo, la producción de electricidad se ha asociado con la disponibilidad de embalses de agua. El uso excesivo de estos recursos hídricos disponibles junto con una menor intensidad de lluvias ha creado preocupaciones en torno a saber cómo se cumplirán las crecientes demandas de energía eléctrica.
Ante la necesidad de satisfacer las demandas de electricidad y de energía, se están investigando nuevos métodos y técnicas para encontrar una solución viable. Se han propuesto muchos componentes y sistemas de ahorro de energía como
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baterías, pilas de combustible y celdas solares pero cada uno de ellos tiene asociado problemas como el costo y la eficiencia. Un factor que se encuentra aplicable a cada uno de estos sistemas es la escalabilidad. Son muy eficientes para los sistemas de pequeña escala donde se requiere el almacenamiento de energía, pero cuando se aplican métodos similares a sistemas de gran escala, no proporcionan la eficiencia y eficacia adecuada.
La tecnología de almacenamiento de energía mediante aire comprimido (CAES) ha sido explotada para conservar la energía del aire de forma que se pueda utilizar cuando sea necesario. En horas valle cuando la demanda de electricidad es menor, pero los recursos son suficientes, el exceso de energía se almacena. Esta energía se utiliza más tarde, cuando la demanda es mayor en comparación con el suministro. En los sistemas de almacenamiento de energía mediante aire comprimido (CAES), el calor se disipa cuando el aire se comprime. A su vez, este calor disipado se almacena bajo tierra o por encima de la cámara de almacenamiento del suelo. Cuando la producción de electricidad no es suficiente para satisfacer su demanda, este depósito de energía almacenada se utiliza para producir electricidad sobrante.
También, además de utilizar los mecanismos y recursos básicos de energía, las fuentes de energía renovables son explotadas para su uso. Este documento ha sido preparado con la finalidad de proporcionar un análisis en profundidad sobre los sistemas de almacenamiento de energía mediante aire comprimido (CAES). Se destacan diferentes implementaciones prácticas con una explicación de diseños de sistemas centrales importantes en fase de desarrollo.
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2.1 Almacenamiento de Energía
El almacenamiento de energía se ha convertido en un objetivo fundamental a alcanzar para que la energía preservada pueda ser utilizada en períodos de escasez de energía. Cada vez es más costoso producir energía por lo que su almacenamiento cuando esta no es necesaria es cada vez más imperioso. El almacenamiento de energía se consigue mediante ciertos procesos y equipos que están diseñados para almacenar la energía. Esta energía se utiliza en una etapa posterior. Tales dispositivos se conocen como acumuladores.
La energía en sus diferentes formas es el resultado de ejecutar diversas actividades para cumplir con las demandas de las personas y los sistemas. Algunos diferentes tipos de energía son:
El almacenamiento de energía implica la conversión de la misma en una forma que pueda ser almacenada para su uso posterior. Hay mecanismos técnicos que pueden almacenar la energía por un período de tiempo más largo en paralelo a los procedimientos que almacenan energía para intervalos cortos. Diferentes formas de conversiones de energía son:
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El ciclo de la oferta y la demanda se llevan a cabo en paralelo, pero actualmente la demanda de energía está aumentando exponencialmente en comparación con el suministro de energía. La escasez de energía se ha traducido en el desarrollo de métodos que aceleran el almacenamiento de energía para su uso en períodos de menor actividad. Los sistemas de almacenamiento de energía se dividen generalmente en mecánicos, químicos, eléctricos, térmicos y biológicos.
La introducción de la electricidad fue el paso de partida que desencadenó los pensamientos relacionados con el almacenamiento de energía. El avance económico se convirtió en un factor altamente dependiente de los mecanismos de almacenamiento de energía. Los conceptos sobre almacenamiento de energía han sido parte de la investigación y los desarrollos teóricos.
Se han investigado diferentes maneras de realizar otros tipos de ahorro de energía, en contraste con la electricidad. El almacenamiento de energía se ha hecho para conservar la energía de la madera y el carbón. Pero estas fuentes de energía proporcionan almacenamiento de energía que se puede hacer en cualquier momento que se desee. En el caso de la electricidad, ya sea convirtiéndola inmediatamente en una forma que pueda ser almacenada o utilizándola como tal.
Se requiere llevar a cabo el almacenamiento de energía para satisfacer las demandas de energía en las horas pico. Muchos países como el Reino Unido ya han desarrollado sistemas y mecanismos que convierten o usan una forma de energía para almacenar energía en otra forma. Uno de esos ejemplos es el uso de electricidad en un tiempo de producción excesiva para bombear agua en los embalses de almacenamiento de agua. Estos depósitos se explotan más tarde para la producción de energía en tiempos de alta demanda. El agua de los embalses se libera a través del movimiento de las turbinas y luego se genera la electricidad a partir de la energía potencial almacenada previamente.
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2.1.1 Energía eléctrica
La electricidad se ha convertido en un problema y una preocupación abrumadora debido al aumento de la población. Especialmente en las zonas donde el espacio geográfico es menor en comparación con las estadísticas de población como Singapur, donde la demanda de electricidad está aumentando día a día. Noruega tiene una demanda de electricidad de alrededor de 30 HW. Esta problemática se ha resuelto mediante el uso del sistema de almacenamiento de energía por bombeo en centrales hidroeléctricas reversibles, las cuales generan alrededor de 60 GW de electricidad. Esta nueva capacidad es suficiente para convertirse en una batería de reserva para todo el continente europeo. Estos incentivos para aumentar la producción de electricidad a partir de formas artificiales de conversión y almacenamiento de energía se expandió aún más por Noruega a través de las colaboraciones realizadas con Alemania en 2014 para aumentar dicha capacidad, Europa necesita de métodos de almacenamiento de energía y ya se está trabajando en ello. (Ingebretsen, E. y Johansen, THG, de 2013).
El almacenamiento de energía exige el desarrollo de baterías fuertes y fiables para almacenar la energía producida de modo que pueda ser utilizada en una etapa posterior, cuando su demanda aumenta en comparación con su disponibilidad. La producción y el diseño de este tipo de dispositivos de almacenamiento electroquímico fue el principal objetivo. El almacenamiento de energía electroquímica consta de diferentes dispositivos que son capaces de convertir la energía química en energía eléctrica.
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Figura 1: Generación de energía eléctrica en un circuito
Las baterías y las pilas de combustible son las dos formas básicas que presentan los dispositivos que almacenan energía en forma de energía química. Las baterías están disponibles para soportar el almacenamiento de energía en forma química, la cual luego puede ser convertida en electricidad para su uso. Hay dos formas de baterías:
Las baterías primarias son las que no pueden ser recargadas como las pilas utilizadas en los juguetes. Éstas se cargan una vez en el momento de la producción y luego se vuelven inútiles después de que se han agotado completamente. Por lo que sólo se pueden utilizar una vez. Las baterías secundarias son las que tienen la capacidad de ser recargadas como las linternas utilizadas en los hogares. De manera que se pueden utilizar muchas veces dado que se pueden cargar una y otra vez. Ahora también se utiliza la energía solar para ser conservada en baterías. Esta energía se convierte en energía eléctrica mediante células fotovoltaicas.
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2.1.2 Energía Térmica
El almacenamiento de energía térmica ha sido investigado por científicos e investigadores desde finales del siglo XX. Este es el resultado de la creciente demanda de energía térmica en sistemas de aire acondicionado durante los veranos cálidos y sobre todo en las horas de máxima demanda. Los avances en esta área han aumentado mucho debido al aumento del calentamiento en todo el planeta acontecido en las últimas décadas. Por consiguiente, muchas empresas han desarrollado sistemas que son capaces de almacenar energía térmica, (IRENA, 2013).
Figura 4: La energía térmica y su almacenamiento
La forma más eficaz y conocida de almacenar energía térmica es a través del almacenamiento de hielo. Esto se debe a su menor demanda de espacio en comparación con el agua. Además, implica menos costo en términos de extracción de energía en comparación con otras formas de dispositivos de energía como las pilas de combustible. Esta forma de energía se crea al hacer hielo en horas valle en cuanto a costos de electricidad, es decir, horas nocturnas. Este hielo después se utiliza para enfriar la temperatura dentro de la construcción en días cálidos.
Hay tres tipos principales de energía térmica, (IRENA, 2013):
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El almacenamiento de calor sensible radica en el concepto de calentar o enfriar un material para almacenar la energía térmica. Esto puede involucrar materiales como el agua, la arena, sales, etc. El agua se caracteriza por ser más eficiente, eficaz y menos costosa. El almacenamiento de calor latente explota el cambio de fase de los materiales, donde el almacenamiento termoquímico utiliza la reacción química producida para la generación de energía térmica, (IRENA, 2013). El almacenamiento de calor sensible es un método menos caro en comparación con los otros dos pero exige grandes cantidades de materiales para una eficiente generación de energía térmica. Es más adecuado para su uso en sistemas domésticos generales. Se están realizando varios estudios y esfuerzos de investigación en diferentes países como Rusia, Japón y Alemania para desarrollar nuevas tecnologías y sistemas que permitan acelerar la generación de energía térmica y posibiliten el transporte de un lugar a otro, (IRENA, 2013). Los sistemas de almacenamiento de energía térmica también se pueden dividir en sistemas centralizados y distribuidos. Los sistemas de energía térmica centralizados se utilizan para generar energía térmica para su uso en plantas industriales grandes y áreas más extensas, mientras que los sistemas de energía térmica distribuidos se utilizan para generar energía térmica para su uso en el sector doméstico general a fin de regular la temperatura del agua y el espacio, (IRENA, 2013 ).
Figura 5: Estructura y diseño del almacenamiento de energía térmica estacional (STES)
