Almacenamento de enerxía de aire comprimido: unha forma limpa e eficiente de almacenar enerxía renovable

As fontes de enerxía renovables, como a eólica e a solar, son cada vez máis populares e accesibles, xa que poden reducir as emisións de gases de efecto invernadoiro e a dependencia dos combustibles fósiles. Porén, as enerxías renovables tamén teñen un gran inconveniente: é intermitente e variable, o que significa que non sempre está dispoñible cando e onde se precisa. Por exemplo, a enerxía solar só se xera durante o día e a enerxía eólica depende das condicións meteorolóxicas. Isto supón un reto para a estabilidade e fiabilidade da rede eléctrica, xa que a oferta e a demanda de electricidade deben estar equilibradas en todo momento.

Para superar este reto, almacenamento de enerxía son necesarias tecnoloxías que poidan almacenar o exceso de enerxía renovable cando é abundante e liberala cando escasea. O almacenamento de enerxía tamén pode proporcionar outros beneficios, como o afeitado dos picos, a regulación de frecuencia, o soporte de tensión e a mellora da calidade da enerxía. Entre os diversos almacenamento de enerxía a longo prazo tecnoloxías, o almacenamento de enerxía de aire comprimido (CAES) é unha das opcións máis prometedoras e rendibles, xa que pode almacenar grandes cantidades de enerxía durante longas duracións e ten unha alta eficiencia de ida e volta.

Nesta entrada do blog, presentaremos o concepto e o principio de funcionamento do CAES, os diferentes tipos e opcións de almacenamento de CAES, a comparación do CAES con outras tecnoloxías de almacenamento de enerxía e as perspectivas de futuro do CAES. Agardamos que esta publicación do blog che axude a comprender o potencial e o valor de CAES e che inspire a explorar máis sobre esta fascinante tecnoloxía.

introdución

Que é o almacenamento de enerxía de aire comprimido (CAES)?

O almacenamento de enerxía de aire comprimido (CAES) é un tipo de almacenamento de enerxía mecánica, que converte a enerxía eléctrica en aire comprimido e, a continuación, a converte de novo en enerxía eléctrica cando é necesario. O proceso básico de CAES pódese describir do seguinte xeito:

- Durante a fase de carga, un motor eléctrico acciona un compresor, que comprime o aire ambiente e o almacena nun depósito, como unha caverna subterránea, un tanque sobre o terreo ou un globo submarino.
- Durante a fase de descarga, o aire comprimido é liberado do depósito, e expándese a través dunha turbina, que acciona un xerador, que produce electricidade.

O diagrama esquemático de CAES móstrase a continuación:

Por que é importante CAES para a integración das enerxías renovables?

CAES é unha tecnoloxía importante para a integración das enerxías renovables, porque pode:

- Proporcionar almacenamento de enerxía a granel, que pode almacenar grandes cantidades de enerxía renovable durante longos períodos de tempo, e liberala cando a demanda é alta ou a oferta é baixa. Isto pode suavizar as flutuacións e desaxustes das enerxías renovables e aumentar a súa utilización e penetración.
- Proporcionar servizos auxiliares, que poidan apoiar o funcionamento e a estabilidade da rede eléctrica, como a regulación de frecuencia, soporte de tensión, afeitado de picos e reserva de xiro. Isto pode mellorar a fiabilidade e resistencia da rede eléctrica e reducir a necesidade de centrais eléctricas convencionais.
- Reducir as emisións de gases de efecto invernadoiro, mediante o desprazamento dos combustibles fósiles con enerxías renovables, e mediante a mellora da eficiencia e do rendemento do sistema eléctrico. Isto pode mitigar o impacto do cambio climático e mellorar a calidade ambiental.

Cales son os principais retos e oportunidades de CAES?

CAES non é unha tecnoloxía perfecta, e tamén enfróntase a algúns retos e limitacións, como:

- Alto custo de capital, que se debe principalmente á construción e mantemento do depósito e do compresor. O custo de capital de CAES depende das condicións específicas do lugar, como a xeoloxía, a dispoñibilidade de terra e auga e a distancia á rede eléctrica. O custo de capital de CAES pódese reducir mediante o uso de infraestruturas existentes, como xacementos de petróleo e gas esgotados, cavernas de sal ou oleodutos, ou desenvolvendo novas e innovadoras opcións de almacenamento, como globos submarinos ou tanques modulares.
- Baixa densidade de enerxía, que é a cantidade de enerxía que se pode almacenar por unidade de volume. A densidade de enerxía do CAES está limitada polas propiedades termodinámicas do aire e a presión e temperatura do depósito. A densidade enerxética do CAES pódese aumentar usando presións e temperaturas máis altas, ou empregando diferentes fluídos de traballo, como hidróxeno ou helio.
- As perdas térmicas, que se producen durante a compresión e expansión do aire, e que dan lugar a unha diminución da eficiencia e do rendemento dos CAES. As perdas térmicas dos CAES pódense minimizar empregando sistemas de recuperación de calor, como almacenamento de enerxía térmica ou intercambiadores de calor, ou mediante procesos isotérmicos ou case isotérmicos, que manteñen unha temperatura constante durante a compresión e expansión do aire.

A pesar destes desafíos, CAES tamén ten algunhas vantaxes e oportunidades únicas, como:

- Alta escalabilidade, o que significa que CAES pode ser facilmente escalado para arriba ou para abaixo para satisfacer diferentes necesidades e aplicacións de almacenamento de enerxía. CAES pode ir desde sistemas a pequena escala para uso residencial ou comercial, ata sistemas a gran escala para uso público ou a escala de rede. CAES tamén se pode integrar con outros sistemas enerxéticos, como parques eólicos, almacenamento de enerxía solar plantas, ou instalacións de produción de hidróxeno, para crear solucións híbridas e sinérxicas.
- Longa vida útil, o que significa que o CAES pode funcionar durante moito tempo sen degradación ou deterioración significativa. CAES ten un baixo custo de mantemento e operación, e unha alta durabilidade e fiabilidade. CAES tamén se pode adaptar e actualizar para mellorar o seu rendemento e eficiencia.
- Ampla dispoñibilidade, o que significa que o CAES se pode implantar en moitos lugares e rexións, onde haxa un depósito axeitado e unha conexión á rede eléctrica. CAES tamén se pode utilizar en zonas remotas e illadas, onde hai unha falta de subministración eléctrica fiable e accesible.

Tipos de CAES

Hai tres tipos principais de CAES, que se diferencian na forma en que manexan a calor durante a compresión e expansión do aire, a saber, CAES diabático, CAES adiabático e CAES isotérmico. Cada tipo de CAES ten as súas propias vantaxes e inconvenientes, e é adecuado para diferentes aplicacións e escenarios.

CAES diabático

O CAES diabático é o tipo máis común e maduro de CAES, que está en funcionamento dende os anos 1970. O CAES diabático tamén se coñece como CAES convencional ou CAES de primeira xeración. Nos CAES diabáticos, a calor xerada durante a compresión do aire é disipada ao entorno, e a calor necesaria durante a expansión do aire é subministrada por unha fonte externa, como gas natural ou biogás. O proceso de CAES diabático pódese describir do seguinte xeito:

- Durante a fase de carga, un motor eléctrico acciona un compresor de varias etapas, que comprime o aire ambiente e o almacena nun depósito. A calor xerada durante a compresión é eliminada por un intercooler e un refrixerador, e liberada ao ambiente.
- Durante a fase de descarga, o aire comprimido é liberado do depósito, e mestúrase co combustible nunha cámara de combustión, onde se quenta e se presuriza. O aire quente e de alta presión expándese entón a través dunha turbina, que acciona un xerador, que produce electricidade.

O diagrama esquemático do CAES diabático móstrase a continuación:

Como funciona?

Diabatic CAES traballa no principio do ciclo Brayton, que é un ciclo termodinámico que describe o funcionamento das turbinas de gas. O ciclo de Brayton consta de catro procesos: compresión, quecemento, expansión e arrefriamento. O seguinte diagrama mostra os diagramas presión-volume e temperatura-entropía do ciclo de Brayton:

A eficiencia do ciclo de Brayton depende da relación de compresión, que é a relación entre a presión ao final da compresión e a presión do inicio da compresión, e a relación de temperatura, que é a relación da temperatura ao final. do quecemento á temperatura do inicio do quecemento. Canto maior sexa a relación de compresión e a relación de temperatura, maior será a eficiencia do ciclo Brayton.

Cales son as vantaxes e desvantaxes?

O CAES diabático ten algunhas vantaxes, como:

• Alta eficiencia de ida e volta, que é a relación entre a enerxía de saída e a enerxía de entrada. A eficiencia de ida e volta do CAES diabático pode alcanzar ata o 70%, o que é superior á maioría das outras tecnoloxías de almacenamento de enerxía.
• Baixo custo de capital, que se debe principalmente ao uso da tecnoloxía e infraestrutura de turbinas de gas existentes. O custo de capital do CAES diabático pode ser tan baixo como $ 100/kWh, o que é menor que a maioría das outras tecnoloxías de almacenamento de enerxía.

• Alta flexibilidade e capacidade de resposta, o que significa que os CAES diabáticos poden axustar de xeito rápido e sinxelo a súa potencia de saída e frecuencia para satisfacer a demanda e a oferta cambiantes de electricidade. O CAES diabático tamén pode iniciarse e deterse rapidamente e operar nunha ampla gama de condicións de carga.
• Alta compatibilidade e interoperabilidade, o que significa que os CAES diabáticos poden integrarse coa tecnoloxía e infraestrutura de turbinas de gas existentes e utilizar o mesmo sistema de combustible e combustión. O CAES diabático tamén pode utilizar combustibles renovables, como o biogás ou o hidróxeno, para reducir a súa pegada de carbono e o seu impacto ambiental.

Non obstante, o CAES diabático tamén ten algunhas desvantaxes, como:

• Elevado consumo de combustible e emisións, que se deben principalmente ao uso da combustión externa durante a expansión do aire. O CAES diabático consome uns 0.4 kg de gas natural por kWh de electricidade xerada, e emite uns 200 g de CO2 por cada kWh de electricidade xerada. Estes valores son inferiores aos das turbinas de gas convencionais, pero superiores aos doutras tecnoloxías de almacenamento de enerxía ou fontes de enerxía renovables.
• Baixa eficiencia exerxética, que é a relación entre a produción de traballo útil e a produción de traballo máxima posible. A eficiencia exerxética dos CAES diabáticos é de preto do 40%, o que é menor que outras tecnoloxías de almacenamento de enerxía ou fontes de enerxía renovables. Isto débese a que o CAES diabático desperdicia moita calor durante a compresión e expansión do aire e non utiliza plenamente o potencial termodinámico do aire.
• Alta complexidade e mantemento, que se deben principalmente ao uso de múltiples compoñentes e etapas, como compresores, turbinas, intercoolers, refrixeradores, cámaras de combustión e intercambiadores de calor. Estes compoñentes e etapas aumentan o custo de capital, o custo de operación e o custo de mantemento dos CAES diabáticos, e tamén introducen máis perdas e ineficiencias.

Onde están os proxectos existentes e previstos?

Só hai dúas plantas CAES diabáticas operativas no mundo, que son:

• A planta de Huntorf CAES en Alemaña, construída en 1978, ten unha potencia de 321 MW, unha capacidade enerxética de 600 MWh e unha eficiencia de ida e volta do 42%.
• A planta McIntosh CAES en Alabama, EUA, que foi construída en 1991, ten unha potencia de 110 MW, unha capacidade enerxética de 2600 MWh e unha eficiencia de ida e volta do 54%.

Tamén hai varios proxectos CAES diabáticos planificados ou propostos, como:

• O Iowa Stored Energy Park en Iowa, EUA, que estaba previsto que tivese unha capacidade de enerxía de 268 MW, unha capacidade enerxética de 5360 MWh e unha eficiencia de ida e volta do 54%, pero foi cancelado en 2011 por problemas xeolóxicos e financeiros. .
• O proxecto Norton CAES en Ohio, EUA, que se propón que teña unha potencia de 2700 MW, unha capacidade enerxética de 40000 MWh e unha eficiencia de ida e volta do 60 %, e que utilice como depósito unha mina de caliza abandonada.
• O proxecto Dresser-Rand CAES en Texas, EUA, que se propón que teña unha potencia de 317 MW, unha capacidade enerxética de 9500 MWh e unha eficiencia de ida e volta do 68%, e que utilice unha caverna de sal como depósito.

CAES adiabático

O CAES adiabático é un tipo de CAES máis avanzado e eficiente, que aínda está en desenvolvemento e demostración. O CAES adiabático tamén se coñece como CAES avanzado ou CAES de segunda xeración. Nos CAES adiabáticos, a calor xerada durante a compresión do aire almacénase nun sistema de almacenamento de enerxía térmica, como sal fundida ou ladrillos cerámicos, e a calor necesaria durante a expansión do aire é subministrada polo mesmo sistema de almacenamento de enerxía térmica. O proceso de CAES adiabático pódese describir do seguinte xeito:

• Durante a fase de carga, un motor eléctrico acciona un compresor de varias etapas, que comprime o aire ambiente e o almacena nun depósito. A calor xerada durante a compresión transfírese a un sistema de almacenamento de enerxía térmica, onde se almacena como calor sensible ou latente.
• Durante a fase de descarga, o aire comprimido é liberado do depósito, e quéntase polo sistema de almacenamento de enerxía térmica, onde recupera a calor almacenada. O aire quente e de alta presión expándese entón a través dunha turbina, que acciona un xerador, que produce electricidade.

O diagrama esquemático do CAES adiabático móstrase a continuación:

Este diagrama ilustra os principais compoñentes e procesos dos CAES adiabáticos, como o compresor, a turbina, o xerador, o motor, o depósito e o sistema de almacenamento de enerxía térmica. Tamén mostra o fluxo de aire e calor durante as fases de carga e descarga. Como podes ver, o CAES adiabático non utiliza ningún combustible externo nin combustión, a diferenza dos CAES diabáticos. En cambio, almacena e recupera a calor xerada e requirida pola compresión e expansión do aire, respectivamente. Isto fai que os CAES adiabáticos sexan máis eficientes e respectuosos co medio ambiente que os CAES diabáticos.

Onde están os proxectos existentes e previstos?

Non hai plantas CAES adiabáticas operativas no mundo, pero hai varios proxectos piloto e demostrativos, como:

• O proxecto ADELE en Alemaña, que é un proxecto de demostración de CAES adiabático cunha potencia de 90 MW, unha capacidade enerxética de 360 ​​MWh e unha eficiencia de ida e volta do 70%. O proxecto utiliza unha caverna de sal como depósito e sal fundido como sistema de almacenamento de enerxía térmica. O proxecto comezou en 2008 e está previsto que estea rematado en 2024.
• O proxecto AA-CAES nos Países Baixos, que é un proxecto piloto de CAES adiabático cunha potencia de 1.5 MW, unha capacidade enerxética de 6 MWh e unha eficiencia de ida e volta do 80%. O proxecto utiliza un depósito de aceiro como depósito e ladrillos cerámicos como sistema de almacenamento de enerxía térmica. O proxecto comezou en 2012 e está previsto que estea rematado en 2023.
• O proxecto RICAS 2020 en Europa, que é un proxecto de investigación e innovación de CAES adiabáticos cunha potencia de 10 MW, unha capacidade enerxética de 40 MWh e unha eficiencia de ida e volta do 85%. O proxecto utiliza un deseño modular e escalable, e ten como obxectivo desenvolver e probar diferentes compoñentes e configuracións de CAES adiabáticos. O proxecto comezou en 2016 e está previsto que estea rematado en 2020.

CAES isotérmico

O CAES isotérmico é un tipo novedoso e ideal de CAES, que aínda está en fase conceptual e experimental. O CAES isotérmico tamén se coñece como CAES case isotérmico ou CAES de terceira xeración. Nos CAES isotérmicos, a calor xerada durante a compresión do aire e a necesaria durante a expansión do aire intercámbianse cunha fonte ou sumidoiro externo de calor, como auga ou aire, para manter unha temperatura constante durante todo o proceso. O proceso de CAES isotérmico pódese describir do seguinte xeito:

• Durante a fase de carga, un motor eléctrico acciona un compresor de pistón, que comprime o aire ambiente e almacénao nun depósito. A calor xerada durante a compresión transfírese a un disipador de calor externo, como auga ou aire, para manter constante a temperatura do aire.
• Durante a fase de descarga, o aire comprimido é liberado do depósito, e quéntase por unha fonte de calor externa, como auga ou aire, para manter a temperatura do aire constante. O aire quente e de alta presión se expande a través dun expansor de pistón, que acciona un xerador, que produce electricidade.

O diagrama esquemático do CAES isotérmico móstrase a continuación:

!Diagrama CAES isotérmico

Como funciona?

O CAES isotérmico funciona co principio do proceso isotérmico, que é un proceso termodinámico que se produce a temperatura constante. O proceso isotérmico é un proceso ideal e reversible, que ten a máxima eficiencia e rendemento posibles. O seguinte diagrama mostra os diagramas presión-volume e temperatura-entropía do proceso isotérmico:

!Diagrama de proceso isotérmico

A eficiencia do proceso isotérmico depende da relación de presión, que é a relación entre a presión ao final do proceso e a presión ao comezo do proceso. Canto maior sexa a relación de presión, maior será a eficiencia do proceso isotérmico.

Cales son as vantaxes e desvantaxes?

O CAES isotérmico ten algunhas vantaxes, como:

• Máxima eficiencia de ida e volta, que é a relación entre a enerxía de saída e a enerxía de entrada. A eficiencia de ida e volta do CAES isotérmico pode alcanzar ata o 100%, o que é superior ao CAES adiabático e CAES diabático, e a maioría das outras tecnoloxías de almacenamento de enerxía.
• Menor consumo de combustible e emisións, que se deben principalmente á ausencia de combustión ou perda de calor durante o proceso. O CAES isotérmico non consume combustible nin emite gases de efecto invernadoiro durante o seu funcionamento, polo que é a tecnoloxía de almacenamento de enerxía máis limpa e ecolóxica.
• Máxima eficiencia exerxética, que é a relación entre o rendemento de traballo útil e o rendemento máximo de traballo posible. A eficiencia exerxética dos CAES isotérmicos é de aproximadamente o 100%, o que é maior que os CAES adiabáticos e os CAES diabáticos, e a maioría das outras tecnoloxías de almacenamento de enerxía. Isto débese a que o CAES isotérmico non desperdicia nin disipa calor durante o proceso e utiliza plenamente o potencial termodinámico do aire.

Non obstante, o CAES isotérmico tamén ten algunhas desvantaxes, como:

• Máxima dificultade técnica, que se debe principalmente ao reto de manter unha temperatura constante durante a compresión e expansión do aire. O CAES isotérmico require un sistema de transferencia de calor moi rápido e eficiente, que pode intercambiar calor co aire a un ritmo elevado e cunha diferenza de temperatura baixa. O CAES isotérmico tamén require un sistema de control moi preciso e dinámico, que permita axustar a presión e o fluxo do aire segundo a carga e a temperatura.
• O custo de capital máis alto, que se debe principalmente ao uso de compoñentes e tecnoloxías novos e complexos, como compresores de pistóns, expansores de pistóns, sistema de transferencia de calor e sistema de control. O custo de capital dos CAES isotérmicos pode chegar a 4000 $/kWh, o que é superior ao CAES adiabático e CAES diabático, e a maioría das outras tecnoloxías de almacenamento de enerxía.
• Densidade de enerxía máis baixa, que é a cantidade de enerxía que se pode almacenar por unidade de volume. A densidade enerxética do CAES isotérmico está limitada polas propiedades termodinámicas do aire, a presión e a temperatura do depósito e do sistema de transferencia de calor. A densidade enerxética dos CAES isotérmicos pódese aumentar empregando presións e temperaturas máis altas, ou utilizando diferentes fluídos de traballo, como hidróxeno ou helio.

Onde están os proxectos existentes e previstos?

Non hai plantas isotérmicas CAES en funcionamento no mundo, pero si hai algúns proxectos experimentais e teóricos, como:

• O proxecto SustainX en New Hampshire, EUA, que era un proxecto experimental de CAES isotérmico cunha potencia de 1.5 MW, unha capacidade enerxética de 6 MWh e unha eficiencia de ida e volta do 80%. O proxecto utilizou un tanque de aceiro como depósito e auga como medio de transferencia de calor. O proxecto comezou en 2010 e rematou en 2014 por problemas técnicos e financeiros.
• O proxecto LightSail en California, EUA, que era un proxecto teórico de CAES isotérmico cunha potencia de 1 MW, unha capacidade enerxética de 4 MWh e unha eficiencia de ida e volta do 90%. O proxecto utilizou un tanque de aceiro como depósito e néboa de auga como medio de transferencia de calor. O proxecto comezou en 2011, e foi cancelado en 2016 por problemas técnicos e financeiros.
• O proxecto Isothermal CAES en China, que é un proxecto teórico de CAES isotérmico cunha potencia de 10 MW, unha capacidade enerxética de 40 MWh e unha eficiencia de ida e volta do 95%. O proxecto utiliza unha caverna de sal como depósito e o aire como medio de transferencia de calor. O proxecto comezou en 2017 e espérase que estea rematado en 2025.

Opcións de almacenamento de aire comprimido

Existen tres principais opcións de almacenamento de aire comprimido, que se diferencian na forma en que almacenan o aire comprimido, a saber, as cavernas subterráneas, os tanques sobre o terreo e os globos submarinos. Cada opción de almacenamento ten as súas propias vantaxes e desvantaxes, e é adecuada para diferentes tipos de CAES e localizacións.

Cavernas subterráneas

As cavernas subterráneas son a opción de almacenamento máis común e madura para os CAES, que se usan desde a década de 1970. As cavernas subterráneas son cavidades naturais ou artificiais no subsolo, que poden almacenar grandes cantidades de aire comprimido a altas presións e baixas temperaturas. As formacións máis axeitadas para as cavernas subterráneas son os xacementos de sal, rocha ou petróleo e gas esgotados. O proceso das cavernas subterráneas pódese describir do seguinte xeito:

• Durante a fase de carga, o aire comprimido é inxectado na caverna a través dun pozo, e despraza a salmoira ou o gas que enche a caverna. A presión e a temperatura da caverna aumentan a medida que se acumula o aire.
• Durante a fase de descarga, o aire comprimido extráese da caverna a través do mesmo pozo, e libera a salmoira ou o gas que foi desprazado. A presión e a temperatura da caverna diminúen a medida que se esgota o aire.

O diagrama esquemático das covas subterráneas móstrase a continuación:

Como se forman e usan?

As cavernas subterráneas poden formarse por diferentes métodos, dependendo do tipo de formación, como:

• Cavernas de sal, que se forman pola extracción de solucións, que consiste en inxectar auga nun depósito de sal, disolver o sal e bombear a salmoira. As cavernas de sal teñen unha alta resistencia mecánica, unha alta permeabilidade e unha alta capacidade de autoselado, polo que son idóneas para CAES.
• Cavernas rochosas, que se forman por escavación mecánica, que consiste en perforar, explotar ou escavar nunha formación rochosa dura, como granito, pedra caliza ou arenisca. As cavernas de rochas teñen unha alta resistencia mecánica, unha baixa permeabilidade e unha baixa capacidade de autoselado, polo que son aptas para CAES.
• Xacementos de petróleo e gas esgotados, que se forman por procesos naturais, que implican a acumulación e extracción de hidrocarburos en formacións rochosas porosas e permeables, como areniscas, xistos ou carbonatos. Os campos de petróleo e gas esgotados teñen unha baixa resistencia mecánica
• , unha alta permeabilidade e unha alta capacidade de autoselado, o que os fai factibles para CAES.

As cavernas subterráneas pódense utilizar para diferentes tipos de CAES, dependendo da presión e temperatura do aire, como:

• CAES de presión constante, que mantén unha presión constante na caverna, e varía o volume do aire. O CAES de presión constante é axeitado para CAES diabático, xa que non require un sistema de recuperación de calor e pode usar un compresor e unha turbina dunha etapa.
• CAES de presión variable, que varía a presión na caverna e mantén un volume de aire constante. O CAES de presión variable é axeitado para os CAES adiabáticos, xa que require un sistema de recuperación de calor e pode usar un compresor e unha turbina de varias etapas.
• CAES de temperatura case constante, que mantén unha temperatura case constante na caverna e varía a presión e o volume do aire. O CAES de temperatura case constante é axeitado para CAES isotérmico, xa que require un sistema de transferencia de calor rápido e eficiente e pode usar un compresor de pistón e un expansor.

Cales son os beneficios e os inconvenientes?

As cavernas subterráneas teñen algúns beneficios, como:

• Gran capacidade enerxética, que é a cantidade de enerxía que se pode almacenar na caverna. A capacidade enerxética das cavernas subterráneas pode ir de centos a miles de MWh, dependendo do tamaño e forma da caverna, e da presión e temperatura do aire.
• Longa duración de almacenamento, que é a cantidade de tempo que se pode almacenar a enerxía na caverna. A duración de almacenamento das cavernas subterráneas pode variar de horas a días, dependendo das fugas e perdas térmicas da caverna, e da carga e frecuencia do sistema CAES.
• Baixo impacto ambiental, que é a cantidade de perturbacións e danos que a caverna causa no contorno. O impacto ambiental das cavernas subterráneas é baixo, xa que están situadas profundamente no subsolo, e non afectan á superficie nin ás augas subterráneas. As cavernas subterráneas tamén poden utilizar a infraestrutura existente, como os campos de petróleo e gas esgotados, para reducir o uso do solo e o custo de construción.

Non obstante, as cavernas subterráneas tamén teñen algúns inconvenientes, como:

• Alta dependencia do sitio, que é a cantidade de dependencia e restrición que ten a caverna das condicións xeolóxicas e xeográficas. A dependencia do lugar das cavernas subterráneas é alta, xa que requiren unha formación adecuada, como sal, rochas ou xacementos de petróleo e gas esgotados, que non están dispoñibles ou accesibles en todas partes. As cavernas subterráneas tamén requiren unha conexión á rede eléctrica, que pode non ser próxima ou conveniente.
• Risco elevado de seguridade, que é a cantidade de perigo e incerteza que supón a caverna para o funcionamento e mantemento do sistema CAES. O risco de seguridade das cavernas subterráneas é alto, xa que poden sufrir eventos inesperados, como fugas, roturas, colapso ou explosión, que poden causar danos e lesións graves. As cavernas subterráneas tamén requiren un seguimento e inspección coidadosos e regulares, o que pode ser custoso e difícil.
• Altas perdas térmicas, que son a cantidade de calor que se perde ou gaña polo aire durante o almacenamento na caverna. As perdas térmicas das cavernas subterráneas son elevadas, xa que dependen da diferenza de temperatura entre o aire e a formación, e da condutividade térmica e capacidade da formación. As perdas térmicas das cavernas subterráneas poden reducir a eficiencia e o rendemento do sistema CAES, especialmente para os CAES adiabáticos e isotérmicos.

Cales son algúns exemplos de proxectos CAES que utilizan cavernas subterráneas?

Hai varios exemplos de proxectos CAES que utilizan cavernas subterráneas, como:

• A planta de Huntorf CAES en Alemaña, que utiliza unha caverna de sal como depósito, e ten unha potencia de 321 MW, unha capacidade enerxética de 600 MWh e unha eficiencia de ida e volta do 42%. A planta é un sistema CAES diabático, e está en funcionamento desde 1978.
• A planta McIntosh CAES en Alabama, EUA, que utiliza unha caverna de sal como depósito, e ten unha potencia de 110 MW, unha capacidade enerxética de 2600 MWh e unha eficiencia de ida e volta do 54%. A planta é un sistema CAES diabático, e está en funcionamento desde 1991.
• O proxecto ADELE en Alemaña, que utiliza unha caverna de sal como depósito, e ten unha potencia de 90 MW, unha capacidade enerxética de 360 ​​MWh e unha eficiencia de ida e volta do 70%. O proxecto é un sistema CAES adiabático, e espérase que estea rematado en 2024.
• O proxecto Norton CAES en Ohio, EUA, que utiliza unha mina de pedra caliza esgotada como depósito, e ten unha capacidade de potencia de 2700 MW, unha capacidade enerxética de 40000 MWh e unha eficiencia de ida e volta do 60%. O proxecto é un sistema CAES diabático, e proponse que estea rematado en 2025.

Tanques sobre o terreo

Os tanques sobre o chan son unha nova e innovadora opción de almacenamento para CAES, que foron propostos e probados nos últimos anos. Os tanques sobre o chan son recipientes artificiais que poden almacenar aire comprimido a altas presións e baixas temperaturas. Os materiais máis axeitados para os tanques sobre o chan son o aceiro, o formigón ou o composto. O proceso dos tanques sobre o chan pódese describir do seguinte xeito:

• Durante a fase de carga, o aire comprimido inxéctase no tanque a través dunha válvula, e aumenta a presión e a temperatura do tanque. A calor xerada durante a compresión é eliminada por un arrefriador e liberada ao ambiente.
• Durante a fase de descarga, o aire comprimido extráese do tanque a través da mesma válvula, e diminúe a presión e a temperatura do tanque. A calor necesaria durante a expansión é subministrada por un quentador, que utiliza electricidade ou combustible.

A continuación móstrase o diagrama esquemático dos tanques sobre o terreo:

Como están deseñados e operados?

Os tanques sobre o terreo poden ser deseñados e operados por diferentes métodos, dependendo do tipo e tamaño do tanque, como:

• Depósitos cilíndricos, que teñen forma de cilindro, e teñen unha sección transversal circular. Os tanques cilíndricos poden ser horizontais ou verticais, podendo ser únicos ou múltiples. Os tanques cilíndricos teñen unha alta resistencia mecánica, unha alta estabilidade e unha alta escalabilidade, polo que son aptos para CAES.
• Tanques esféricos, que teñen forma de esfera e teñen unha superficie esférica. Os tanques esféricos poden ser únicos ou múltiples, e poden ser apoiados por patas ou columnas. Os tanques esféricos teñen unha alta resistencia mecánica, unha escasa superficie e unha baixa perda de calor, polo que son aptos para CAES.
• Tanques modulares, que están compostos por varias unidades pequenas e idénticas, e poden ser dispostos e conectados de diferentes xeitos. Os tanques modulares poden ser cilíndricos, esféricos ou outras formas, e poden ser flexibles e adaptables, polo que son axeitados para CAES.

Os tanques sobre o chan poden ser operados por diferentes modos, dependendo da presión e temperatura do aire, como:

• CAES de volume constante, que mantén un volume constante no tanque, e varía a presión do aire. O CAES de volume constante é axeitado para CAES diabático, xa que non require un sistema de recuperación de calor e pode usar un compresor e unha turbina dunha soa etapa.
• CAES de volume variable, que fai variar o volume do tanque e mantén unha presión constante do aire. O CAES de volume variable é axeitado para CAES adiabático, xa que require un sistema de recuperación de calor e pode usar un compresor e unha turbina de varias etapas.
• CAES de temperatura case constante, que mantén unha temperatura case constante no tanque e varía a presión e o volume do aire. O CAES de temperatura case constante é axeitado para CAES isotérmico, xa que require un sistema de transferencia de calor rápido e eficiente e pode usar un compresor de pistón e un expansor.

Cales son os beneficios e os inconvenientes?

Os tanques sobre o chan teñen algúns beneficios, como:

• Baixa dependencia do sitio, que é a cantidade de dependencia e restrición que ten o tanque das condicións xeolóxicas e xeográficas. A dependencia do lugar dos depósitos aéreos é baixa, xa que se poden instalar e transportar a calquera lugar, onde exista un terreo axeitado e unha conexión á rede eléctrica. Os tanques sobre o chan tamén se poden usar en áreas remotas e illadas, onde hai unha falta de subministración de electricidade fiable e accesible.
• Baixo risco de seguridade, que é a cantidade de perigo e incerteza que o tanque supón para o funcionamento e mantemento do sistema CAES. O risco de seguridade dos depósitos aéreos é baixo, xa que se poden controlar e inspeccionar facilmente, e poden estar equipados con dispositivos de seguridade, como válvulas de alivio de presión, discos de rotura ou extintores. Os tanques sobre o terreo tamén se poden illar e protexer de perigos externos, como terremotos, inundacións ou desprendementos de terra.
• Baixas perdas térmicas, que son a cantidade de calor que se perde ou gaña polo aire durante o almacenamento no depósito. As perdas térmicas dos depósitos aéreos son baixas, xa que dependen da superficie e do illamento do depósito, da temperatura ambiente e da velocidade do vento. As perdas térmicas dos depósitos aéreos pódense reducir empregando un tanque máis pequeno e groso, e empregando un mellor material illante e unha temperatura ambiente máis baixa.

Non obstante, os tanques sobre o chan tamén teñen algúns inconvenientes, como:

• Capacidade enerxética pequena, que é a cantidade de enerxía que se pode almacenar no tanque. Capacidade enerxética da superficie
• tanques é pequeno, xa que está limitado polo tamaño e peso do tanque, e pola presión e temperatura do aire. A capacidade enerxética dos tanques aéreos pode oscilar entre decenas e centos de kWh, dependendo do tipo e tamaño do tanque, e da presión e temperatura do aire.
• Duración curta de almacenamento, que é a cantidade de tempo que se pode almacenar a enerxía no tanque. A duración de almacenamento dos depósitos aéreos é curta, xa que se ve afectada polas fugas e perdas térmicas do depósito, así como pola carga e frecuencia do sistema CAES. A duración de almacenamento dos tanques sobre o terreo pode variar de minutos a horas, dependendo do tipo e tamaño do tanque, e das fugas e perdas térmicas do tanque.
• Elevado impacto ambiental, que é a cantidade de perturbacións e danos que o depósito causa ao contorno. O impacto ambiental dos depósitos aéreos é elevado, xa que ocupan unha gran superficie terrestre, e crean unha contaminación visual e acústica. Os tanques sobre o chan tamén poden supoñer un perigo de incendio e explosión, se o tanque está danado ou se sobrequece.

Cales son algúns exemplos de proxectos CAES que utilizan tanques sobre o chan?

Hai poucos exemplos de proxectos CAES que utilizan tanques sobre o terreo, xa que aínda están en fase experimental e de prototipo, como son:

• O proxecto SustainX en New Hampshire, EUA, que utilizaba un tanque de aceiro como depósito, e tiña unha potencia de 1.5 MW, unha capacidade enerxética de 6 MWh e unha eficiencia de ida e volta do 80%. O proxecto era un sistema CAES isotérmico, e rematou en 2014 por problemas técnicos e financeiros.
• O proxecto LightSail en California, EUA, que utilizaba un tanque de aceiro como depósito, e tiña unha potencia de 1 MW, unha capacidade enerxética de 4 MWh e unha eficiencia de ida e volta do 90%. O proxecto era un sistema CAES isotérmico, e foi cancelado en 2016 por problemas técnicos e financeiros.
• O proxecto AA-CAES dos Países Baixos, que utilizaba un tanque de aceiro como depósito, e tiña unha potencia de 1.5 MW, unha capacidade enerxética de 6 MWh e unha eficiencia de ida e volta do 80%. O proxecto era un sistema CAES adiabático e espérase que estea rematado en 2023.

Globos submarinos

Os globos submarinos son unha opción de almacenamento novedosa e innovadora para os CAES, que foron propostos e probados nos últimos anos. Os globos submarinos son estruturas flexibles e infláveis ​​que poden almacenar aire comprimido a altas presións e baixas temperaturas. Os materiais máis axeitados para os globos submarinos son o caucho, o plástico ou o téxtil. O proceso dos globos submarinos pódese describir do seguinte xeito:

• Durante a fase de carga, o aire comprimido inxéctase no globo a través dunha mangueira, e aumenta o volume e a presión do globo. A calor xerada durante a compresión transfírese á auga, e se disipa ao ambiente.
• Durante a fase de descarga, o aire comprimido extráese do globo a través da mesma mangueira, e diminúe o volume e a presión do globo. A calor necesaria durante a expansión é subministrada pola auga, que quenta o aire.

O diagrama esquemático dos globos submarinos móstrase a continuación:

Como se despregan e controlan?

Os globos subacuáticos pódense despregar e controlar mediante diferentes métodos, dependendo da profundidade e localización da auga, como:

• Os globos flotantes, que están unidos a unha plataforma flotante, poden ser despregados en augas pouco profundas e tranquilas, como lagos ou ríos. Os globos flotantes pódense acceder e controlar facilmente, e poden usar un sistema de mangueiras sinxelo e barato.
• Globos ancorados, que están ancorados ao fondo do mar, podendo despregarse en augas profundas e turbulentas, como océanos ou mares. Os globos ancorados pódense ocultar e protexer, e poden usar un sistema de mangueira complexo e caro.
• Os globos mergullados, que están mergullados na auga, podendo despregarse en calquera profundidade e localización da auga. Os globos mergullados poden ser flexibles e adaptables, e poden usar un sistema de mangueiras híbrido e modular.

Os globos subacuáticos poden ser operados por diferentes modos, dependendo da presión e temperatura do aire, como:

• CAES de presión constante, que mantén unha presión constante no globo, e varía o volume do aire. O CAES de presión constante é axeitado para CAES diabático, xa que non require un sistema de recuperación de calor e pode usar un compresor e unha turbina dunha etapa.
• CAES de presión variable, que fai variar a presión no globo e mantén un volume de aire constante. O CAES de presión variable é axeitado para os CAES adiabáticos, xa que require un sistema de recuperación de calor e pode usar un compresor e unha turbina de varias etapas.
• CAES de temperatura case constante, que mantén unha temperatura case constante no globo e varía a presión e o volume do aire. O CAES de temperatura case constante é axeitado para CAES isotérmico, xa que require un sistema de transferencia de calor rápido e eficiente e pode usar un compresor de pistón e un expansor.

Cales son os beneficios e os inconvenientes?

Os globos submarinos teñen algúns beneficios, como:

• Alta capacidade enerxética, que é a cantidade de enerxía que se pode almacenar no globo. A capacidade enerxética dos globos submarinos pode variar de centos a miles de kWh, dependendo do tamaño e forma do globo, e da presión e temperatura do aire.
• Longa duración de almacenamento, que é a cantidade de tempo que se pode almacenar a enerxía no globo. A duración de almacenamento dos globos submarinos pode variar de horas a días, dependendo da fuga e das perdas térmicas do globo, e da carga e frecuencia do sistema CAES.
• Baixo impacto ambiental, que é a cantidade de perturbacións e danos que o globo produce na contorna. O impacto ambiental dos globos submarinos é baixo, xa que están situados baixo a auga, e non afectan á superficie nin á fauna. Os globos subacuáticos tamén poden usar fontes de enerxía renovables, como a enerxía das olas ou das mareas, para cargar e descargar o aire.

Non obstante, os globos submarinos tamén teñen algúns inconvenientes, como:

• Alta dependencia do sitio, que é a cantidade de dependencia e restrición que ten o globo das condicións xeolóxicas e xeográficas. A dependencia do sitio dos globos submarinos é alta, xa que requiren unha masa de auga adecuada, como un lago, un río, un océano ou un mar, que non están dispoñibles ou accesibles en todas partes. Os globos subacuáticos tamén requiren unha conexión á rede eléctrica, que pode non ser próxima ou conveniente.
• Alto risco de seguridade, que é a cantidade de perigo e incerteza que supón o globo para o funcionamento e mantemento do sistema CAES. O risco de seguridade dos globos submarinos é alto, xa que poden sufrir eventos inesperados, como fugas, roturas, colapso ou explosión, que poden causar danos graves e lesións. Os globos subacuáticos tamén requiren un seguimento e inspección coidadosos e regulares, o que pode ser custoso e difícil.
• Altas perdas térmicas, que son a cantidade de calor que se perde ou gaña polo aire durante o almacenamento no globo. As perdas térmicas dos globos submarinos son elevadas, xa que dependen da diferenza de temperatura entre o aire e a auga, e da condutividade térmica e capacidade da auga. As perdas térmicas dos globos submarinos poden reducir a eficiencia e o rendemento do sistema CAES, especialmente para os CAES adiabáticos e isotérmicos.

Cales son algúns exemplos de proxectos CAES que utilizan globos submarinos?

Hai poucos exemplos de proxectos CAES que utilizan globos submarinos, xa que aínda están en fase experimental e de prototipo, como son:

• O proxecto Hydrostor en Toronto, Canadá, que utilizaba un globo mergullado como depósito, e tiña unha capacidade de potencia de 0.7 MW, unha capacidade enerxética de 2.8 MWh e unha eficiencia de ida e volta do 60%. O proxecto foi un sistema CAES diabático e rematou en 2015.
• O proxecto StEnSea en Alemaña, que utilizaba un globo mergullado como depósito, e tiña unha potencia de 0.5 MW, unha capacidade enerxética de 4 MWh e unha eficiencia de ida e volta do 80%. O proxecto foi un sistema CAES adiabático e rematou en 2017.
• O proxecto Seaflex en Suecia, que utilizaba un globo flotante como depósito, e tiña unha potencia de 0.1 MW, unha capacidade enerxética de 0.4 MWh e unha eficiencia de ida e volta do 70%. O proxecto foi un sistema CAES isotérmico e rematou en 2018.

Comparación de CAES con outras tecnoloxías de almacenamento de enerxía

Hai moitas outras tecnoloxías de almacenamento de enerxía, ademais do CAES, que poden almacenar e liberar enerxía de diferentes formas e formas. Algunhas das tecnoloxías de almacenamento de enerxía máis comúns e populares son o almacenamento hidráulico por bombeo, as baterías, os volantes, o almacenamento térmico e o almacenamento de hidróxeno. Cada tecnoloxía de almacenamento de enerxía ten as súas propias vantaxes e desvantaxes, e é adecuada para diferentes aplicacións e escenarios.

Almacenamento hidráulico por bombeo

O almacenamento hidráulico por bombeo (PHS) é un tipo de almacenamento de enerxía mecánica, que converte a enerxía eléctrica en enerxía potencial gravitatoria e, a continuación, a converte de novo en enerxía eléctrica cando é necesario. O proceso básico de PHS pódese describir do seguinte xeito:

• Durante a fase de carga, un motor eléctrico acciona unha bomba, que bombea auga desde un depósito inferior a un depósito máis alto e almacena como enerxía potencial gravitatoria.
• Durante a fase de descarga, a auga é liberada do depósito superior, e flúe a través dunha turbina, que acciona un xerador, que produce electricidade.

O diagrama esquemático de PHS móstrase a continuación:

Como funciona?

PHS traballa sobre o principio da conservación da enerxía, que afirma que a enerxía non se pode crear nin destruír, senón que só se transforma dunha forma a outra. O seguinte diagrama mostra a conversión e perda de enerxía en PHS:

!Diagrama de enerxía PHS

A eficiencia do PHS depende da diferenza de altura entre os dous encoros, que determina a enerxía potencial gravitatoria, e da fricción e turbulencia da auga, que provocan a perda de enerxía. Canto maior sexa a diferenza de altura e menor sexa a perda de enerxía, maior será a eficiencia do PHS.

Cales son as vantaxes e desvantaxes?

PHS ten algunhas vantaxes, como:

• Alta eficiencia de ida e volta, que é a relación entre a enerxía de saída e a enerxía de entrada. A eficiencia de ida e volta do PHS pode chegar ata o 80%, o que é maior que a maioría das outras tecnoloxías de almacenamento de enerxía.
• Gran capacidade enerxética, que é a cantidade de enerxía que se pode almacenar nos encoros. A capacidade enerxética do PHS pode variar entre miles e millóns de MWh, dependendo do tamaño e forma dos encoros e da diferenza de altura entre eles.
• Longa duración de almacenamento, que é a cantidade de tempo que se pode almacenar a enerxía nos encoros. A duración de almacenamento do PHS pode variar de horas a meses, dependendo da fuga e evaporación da auga, e da carga e frecuencia do sistema PHS.
• Alta flexibilidade e capacidade de resposta, o que significa que PHS pode axustar de forma rápida e sinxela a súa potencia de saída e frecuencia para satisfacer a demanda e a oferta cambiantes de electricidade. PHS tamén pode iniciarse e deterse rapidamente e operar nunha ampla gama de condicións de carga.

Non obstante, o PHS tamén ten algunhas desvantaxes, como:

• Alto custo de capital, que se debe principalmente á construción e mantemento dos encoros e do sistema bomba-turbina. O custo de capital do PHS depende das condicións específicas do lugar, como a xeoloxía, a dispoñibilidade de terra e auga e a distancia á rede eléctrica. O custo de capital de PHS pode chegar a 3000 dólares/kWh, o que é maior que a maioría das outras tecnoloxías de almacenamento de enerxía.
• Alta dependencia do sitio, que é a cantidade de dependencia e restrición que o sistema PHS ten sobre as condicións xeolóxicas e xeográficas. A dependencia do lugar de PHS é alta, xa que require unha localización axeitada, onde existan dous encoros con gran desnivel e conexión á rede eléctrica. O PHS tamén pode afectar o medio natural e a vida salvaxe, como a calidade da auga, a vida acuática e a paisaxe.
• Alto impacto ambiental, que é a cantidade de perturbacións e danos que o sistema PHS causa ao contorno. O impacto ambiental do PHS é elevado, xa que supón a alteración e asolagamento do terreo, o desprazamento e reasentamento de persoas, e a emisión e ruído do sistema bomba-turbina. O PHS tamén pode supoñer un risco de seguridade, se os encoros están danados ou violados, o que pode provocar inundacións e desprendementos de terra.

Cales son algúns exemplos de proxectos de PHS?

Hai moitos exemplos de proxectos de PHS en todo o mundo, que varían en tamaño, tipo e deseño, como:

• A planta de PHS do condado de Bath en Virxinia, Estados Unidos, que é a maior planta de PHS do mundo, cunha potencia de 3000 MW, unha capacidade enerxética de 24000 MWh e unha eficiencia de ida e volta do 75%. A planta utiliza dous lagos naturais como encoros, e está en funcionamento desde 1985.
• A planta de Dinorwig PHS en Gales, Reino Unido, que é a maior planta de PHS de Europa, cunha potencia de 1728 MW, unha capacidade enerxética de 9600 MWh e unha eficiencia de ida e volta do 75%. A planta utiliza un lago artificial e unha antiga canteira de lousa como encoros, e está en funcionamento desde 1984.
• A planta de Jinping-I PHS en Sichuan, China, que é a maior planta de PHS de Asia, cunha capacidade de potencia de 3600 MW, unha capacidade enerxética de 14400 MWh e unha eficiencia de ida e volta do 80%. A planta utiliza dous encoros naturais como encoros, e está en funcionamento desde 2014.

Baterías

As baterías son un tipo de almacenamento de enerxía electroquímica, que converte a enerxía eléctrica en enerxía química, e despois a converte de novo en enerxía eléctrica cando é necesario. O proceso básico das baterías pódese describir do seguinte xeito:

• Durante a fase de carga, unha fonte de enerxía externa aplica unha tensión á batería, o que fai que unha corrente eléctrica circule pola batería e provoca unha reacción química que almacena enerxía na batería.
• Durante a fase de descarga, a batería proporciona unha tensión á carga, o que fai que unha corrente eléctrica flúe dende a batería e provoca unha reacción química que libera enerxía da batería.

O diagrama esquemático das baterías móstrase a continuación:

Como funciona?

Almacenamento de enerxía das baterías traballar sobre o principio da reacción redox, que é unha reacción química que implica a transferencia de electróns entre dúas substancias. O seguinte diagrama mostra a reacción redox nas baterías:

!Diagrama de reacción das baterías

A eficiencia das baterías depende do tipo e calidade dos materiais, que determinan a tensión, a capacidade e a resistencia da batería, así como a temperatura e a corrente, que afectan á reacción química e á perda de enerxía. Canto maior sexa a tensión e a capacidade, e canto menor sexa a resistencia e a perda de enerxía, maior será a eficiencia das baterías.

Cales son as vantaxes e desvantaxes?

As baterías teñen algunhas vantaxes, como:

• Alta eficiencia de ida e volta, que é a relación entre a enerxía de saída e a enerxía de entrada. A eficiencia de ida e volta das baterías pode chegar ata o 90%, o que é superior á maioría das outras tecnoloxías de almacenamento de enerxía.
• Pequena capacidade de enerxía, que é a cantidade de enerxía que se pode almacenar na batería. A capacidade enerxética das baterías pode variar entre decenas e centos de kWh, dependendo do tipo e tamaño da batería, e da tensión e capacidade da batería.
• Duración curta de almacenamento, que é a cantidade de tempo que se pode almacenar a enerxía na batería. A duración de almacenamento das baterías pode variar de minutos a horas, dependendo do tipo e calidade da batería, e da fuga e autodescarga da batería.
• Alta flexibilidade e capacidade de resposta, o que significa que as baterías poden axustar de forma rápida e sinxela a súa potencia de saída e frecuencia para satisfacer a demanda e subministración de electricidade cambiantes. As baterías tamén poden iniciarse e deterse rapidamente e funcionar nunha ampla gama de condicións de carga.

Non obstante, as baterías tamén teñen algunhas desvantaxes, como:

• Alto custo de capital, que se debe principalmente á compra e instalación da batería e do sistema electrónico de potencia. O custo de capital das baterías depende do tipo e calidade da batería, así como da potencia e da enerxía nominal da batería. O custo de capital das baterías pode chegar a 1000 dólares/kWh, o que é maior que a maioría das outras tecnoloxías de almacenamento de enerxía.
• Baixo impacto ambiental, que é a cantidade de perturbacións e danos que a batería causa ao entorno. O impacto ambiental das baterías é baixo, xa que ocupan unha pequena superficie terrestre, e crean unha baixa emisión e ruído. As baterías tamén poden usar fontes de enerxía renovables, como a enerxía solar ou eólica, para cargar e descargar a batería.

Non obstante, as baterías tamén teñen algunhas desvantaxes, como:

• Alto impacto ambiental, que é a cantidade de perturbacións e danos que a batería causa ao entorno. O impacto ambiental das baterías é elevado, xa que implican a extracción e procesamento de materiais raros e tóxicos, como o litio, o cobalto e o chumbo, que poden provocar contaminación e esgotamento dos recursos naturais. As baterías tamén poden supoñer un perigo de incendio e explosión, se a batería está danada ou sobrequentada, o que pode liberar substancias e gases nocivos.

• Alto custo de mantemento, que se debe principalmente á substitución e reciclaxe da batería e do sistema electrónico de potencia. O custo de mantemento das baterías depende do tipo e calidade da batería, así como da vida útil e da degradación da batería. O custo de mantemento das baterías pode chegar a 200 dólares/kWh, o que é máis elevado que a maioría das outras tecnoloxías de almacenamento de enerxía.

Cales son algúns exemplos de proxectos de baterías?

Hai moitos exemplos de proxectos de batería en todo o mundo, que varían en tamaño, tipo e deseño, como:

• A reserva de enerxía de Hornsdale, no sur de Australia, que é o maior proxecto de baterías do mundo, cunha capacidade de potencia de 150 MW, unha capacidade enerxética de 193.5 MWh e unha eficiencia de ida e volta do 85%. O proxecto utiliza baterías de iones de litio, e está en funcionamento desde 2017.
• O proxecto de demostración de enerxía renovable de Zhangbei en Hebei, China, que é o maior proxecto de baterías de Asia, cunha capacidade de enerxía de 140 MW, unha capacidade enerxética de 560 MWh e unha eficiencia de ida e volta do 80%. O proxecto utiliza baterías de sodio-xofre, e está en funcionamento desde 2012.
• A instalación de almacenamento de enerxía de Escondido en California, EUA, que é o maior proxecto de baterías de América do Norte, cunha capacidade de potencia de 120 MW, unha capacidade enerxética de 480 MWh e unha eficiencia de ida e volta do 85%. O proxecto utiliza baterías de iones de litio, e está en funcionamento desde 2017.

Volantes

Almacenamento de enerxía dos volantes son un tipo de almacenamento de enerxía mecánica, que converte a enerxía eléctrica en enerxía cinética, e despois a converte de novo en enerxía eléctrica cando é necesario. O proceso básico dos volantes pode describirse do seguinte xeito:

• Durante a fase de carga, un motor eléctrico acciona un volante, que xira a gran velocidade e almacena enerxía como enerxía cinética de rotación.
• Durante a fase de descarga, o volante acciona un xerador, que produce electricidade, e ralentiza o volante.

O diagrama esquemático dos volantes de inercia móstrase a continuación:

Como funciona?

Os volantes funcionan co principio da conservación do momento angular, que establece que o momento angular dun obxecto en rotación permanece constante, a non ser que se aplique un par externo. O seguinte diagrama mostra o momento angular e o par nos volantes:

!Diagrama do momento dos volantes

A eficiencia dos volantes depende da masa e da forma do volante, que determinan o momento de inercia e a velocidade de rotación do volante, e da fricción e arrastre do volante, que provocan a perda de enerxía. Canto maior sexa o momento de inercia e a velocidade de rotación, e canto menor sexa a perda de enerxía, maior será a eficiencia dos volantes.

Cales son as vantaxes e desvantaxes?

Os volantes teñen algunhas vantaxes, como:

• Alta eficiencia de ida e volta, que é a relación entre a enerxía de saída e a enerxía de entrada. A eficiencia de ida e volta dos volantes de inercia pode chegar ata o 90%, o que é maior que a maioría das outras tecnoloxías de almacenamento de enerxía.
• Pequena capacidade de enerxía, que é a cantidade de enerxía que se pode almacenar no volante. A capacidade enerxética dos volantes pode variar entre decenas e centos de kWh, dependendo da masa e forma do volante e da velocidade de rotación do volante.
• Duración curta de almacenamento, que é a cantidade de tempo que se pode almacenar a enerxía no volante. A duración de almacenamento dos volantes pode variar de segundos a minutos, dependendo da fricción e arrastre do volante, e da carga e frecuencia do sistema de volante.
• Alta flexibilidade e capacidade de resposta, o que significa que os volantes poden axustar de forma rápida e sinxela a súa potencia de saída e frecuencia para satisfacer a demanda e a subministración de electricidade cambiantes. Os volantes tamén poden arrancar e deterse rapidamente e funcionar nunha ampla gama de condicións de carga.

Non obstante, os volantes tamén teñen algunhas desvantaxes, como:

• Alto custo de capital, que se debe principalmente á compra e instalación do volante e do sistema electrónico de potencia. O custo de capital dos volantes depende do tipo e calidade do volante, e da potencia e da enerxía nominal do volante. O custo de capital dos volantes de inercia pode chegar a 1000 dólares/kWh, o que é maior que a maioría das outras tecnoloxías de almacenamento de enerxía.
• Baixo impacto ambiental, que é a cantidade de perturbacións e danos que o volante causa ao contorno. O impacto ambiental dos volantes de inercia é baixo, xa que ocupan unha pequena superficie terrestre, e crean unha baixa emisión e ruído. Os volantes tamén poden usar fontes de enerxía renovables, como a enerxía solar ou eólica, para cargar e descargar o volante.

Non obstante, os volantes tamén teñen algunhas desvantaxes, como:

• Alto impacto ambiental, que é a cantidade de perturbacións e danos que o volante causa ao contorno. O impacto ambiental dos volantes de inercia é elevado, xa que implican o uso de materiais raros e caros, como aceiro, fibra de carbono ou cerámica, que poden provocar contaminación e esgotamento dos recursos naturais. Os volantes tamén poden supoñer un risco de seguridade, se o volante está danado ou roto, o que pode causar metralla e vibracións.
• Alto custo de mantemento, que se debe principalmente á substitución e reciclaxe do volante e do sistema electrónico de potencia. O custo de mantemento dos volantes depende do tipo e calidade do volante, e da vida útil e da degradación do volante. O custo de mantemento dos volantes de inercia pode chegar a 200 dólares/kWh, o que é maior que a maioría das outras tecnoloxías de almacenamento de enerxía.

Cales son algúns exemplos de proxectos de volante?

Hai poucos exemplos de proxectos de volante en todo o mundo, xa que aínda están en fase experimental e de prototipo, como:

• O proxecto Beacon Power en Nova York, EUA, que utilizaba un volante de fibra de carbono como depósito, e tiña unha potencia de 20 MW, unha capacidade enerxética de 5 MWh e unha eficiencia de ida e volta do 85 %. O proxecto foi un sistema de volante e rematou en 2011.
• O proxecto Schwungrad Energie en Irlanda, que utilizaba un volante de aceiro como depósito, e tiña unha potencia de 20 MW, unha capacidade enerxética de 10 MWh e unha eficiencia de ida e volta do 90%. O proxecto foi un sistema de volante e rematou en 2017.
• O proxecto ABB en Suíza, que utilizaba un volante cerámico como depósito, e tiña unha potencia de 0.5 MW, unha capacidade enerxética de 0.1 MWh e unha eficiencia de ida e volta do 95%. O proxecto foi un sistema de volante e rematou en 2018.

Almacenamento térmico

Almacenamento térmico é un tipo de almacenamento de enerxía térmica, que converte a enerxía eléctrica en enerxía térmica, e despois a converte de novo en enerxía eléctrica cando é necesario. O proceso básico de almacenamento térmico pódese describir do seguinte xeito:

• Durante a fase de carga, un aquecedor eléctrico quenta un material, como auga, sal fundida ou material de cambio de fase, e almacena enerxía como calor sensible ou latente.
• Durante a fase de descarga, o material libera calor, que acciona un motor térmico, como unha turbina de vapor, un motor Stirling ou un xerador termoeléctrico, que produce electricidade.

O diagrama esquemático do almacenamento térmico móstrase a continuación:

Como funciona?

O almacenamento térmico funciona co principio da conservación da calor, que afirma que a calor non se pode crear nin destruír, senón que só se pode transferir dun obxecto a outro. O seguinte diagrama mostra a transferencia de calor e a perda no almacenamento térmico:

!Diagrama de acumulación térmica de calor

A eficiencia do almacenamento térmico depende do tipo e da calidade do material, que determinan a calor específica e o punto de fusión do material, e a temperatura e presión do motor térmico, que afectan ao ciclo termodinámico e á conversión de enerxía. Canto maior sexa a calor específica e o punto de fusión, e canto maior sexa a temperatura e a presión, maior será a eficiencia do almacenamento térmico.

Cales son as vantaxes e desvantaxes?

O almacenamento térmico ten algunhas vantaxes, como:

• Alta eficiencia de ida e volta, que é a relación entre a enerxía de saída e a enerxía de entrada. A eficiencia de ida e volta do almacenamento térmico pode alcanzar ata o 90%, o que é superior á maioría das outras tecnoloxías de almacenamento de enerxía.
• Gran capacidade enerxética, que é a cantidade de enerxía que se pode almacenar no material. A capacidade enerxética do almacenamento térmico pode ir de centos a miles de MWh, dependendo do tipo e tamaño do material, e da calor específica e do punto de fusión do material.
• Longa duración de almacenamento, que é a cantidade de tempo que se pode almacenar a enerxía no material. A duración do almacenamento térmico pode variar de horas a días, dependendo do tipo e calidade do material, e das fugas e perdas térmicas do material.

• Alta flexibilidade e capacidade de resposta, o que significa que o almacenamento térmico pode axustar de forma rápida e sinxela a súa potencia de saída e frecuencia para satisfacer a demanda e subministración de electricidade cambiantes. O almacenamento térmico tamén pode iniciarse e deterse rapidamente e operar nunha ampla gama de condicións de carga.

Non obstante, o almacenamento térmico tamén ten algunhas desvantaxes, como:

• Alto custo de capital, que se debe principalmente á compra e instalación do material e do sistema de motor térmico. O custo de capital do almacenamento térmico depende do tipo e calidade do material, así como da potencia e enerxía nominal do material. O custo de capital do almacenamento térmico pode chegar a 2000 dólares/kWh, o que é maior que a maioría das outras tecnoloxías de almacenamento de enerxía.
• Alta dependencia do lugar, que é a cantidade de dependencia e restrición que ten o sistema de almacenamento térmico das condicións climáticas e xeográficas. A dependencia do lugar do almacenamento térmico é alta, xa que require unha localización adecuada, onde haxa unha fonte de calor suficiente e estable, como calor solar, xeotérmica ou residual, e unha conexión á rede eléctrica. O almacenamento térmico tamén pode afectar ao medio natural e á fauna salvaxe, como a calidade do aire, o ciclo da auga e a vexetación.
• Elevado impacto ambiental, que é a cantidade de perturbacións e danos que o sistema de almacenamento térmico provoca no contorno. O impacto ambiental do almacenamento térmico é elevado, xa que implica a emisión e o ruído do sistema do motor térmico, o que pode provocar contaminación e efecto invernadoiro. O almacenamento térmico tamén pode supoñer un risco de seguridade, se o material está danado ou filtra, o que pode provocar incendios e escaldaduras.

Cales son algúns exemplos de proxectos de almacenamento térmico?

Hai moitos exemplos de proxectos de almacenamento térmico en todo o mundo, que varían en tamaño, tipo e deseño, como:

• A Central Solar de Andasol en España, que utiliza sal fundida como material, ten unha potencia de 150 MW, unha capacidade enerxética de 1100 MWh e unha eficiencia de ida e volta do 80%. O proxecto utiliza colectores solares térmicos para quentar o sal fundido, e unha turbina de vapor para xerar electricidade. O proxecto está en funcionamento dende 2008.
• A comunidade solar Drake Landing en Canadá, que utiliza auga como material, e ten unha capacidade de potencia de 1.5 MW, unha capacidade enerxética de 52 MWh e unha eficiencia de ida e volta do 90%. O proxecto utiliza colectores solares térmicos para quentar a auga e un motor Stirling para xerar electricidade. O proxecto está en funcionamento dende 2007.
• O proxecto Ice Bear en California, EUA, que utiliza xeo como material, e ten unha potencia de 0.1 MW, unha capacidade enerxética de 0.4 MWh e unha eficiencia de ida e volta do 95 %. O proxecto utiliza electricidade para conxelar a auga, e un xerador termoeléctrico para xerar electricidade. O proxecto está en funcionamento dende 2010.

Almacenamento de hidróxeno

O almacenamento de hidróxeno é un tipo de almacenamento de enerxía química, que converte a enerxía eléctrica en enerxía química e, a continuación, a converte de novo en enerxía eléctrica cando é necesario. O proceso básico de almacenamento de hidróxeno pódese describir do seguinte xeito:

• Durante a fase de carga, un electrolizador divide a auga en hidróxeno e osíxeno, e almacena o hidróxeno como enerxía química.
• Durante a fase de descarga, o hidróxeno combínase co osíxeno nunha pila de combustible ou nun motor de combustión, e produce electricidade e auga.

O diagrama esquemático do almacenamento de hidróxeno móstrase a continuación:

Como funciona?

O almacenamento de hidróxeno funciona no principio da electrólise e as reaccións das pilas de combustible, que son reaccións químicas que implican a transferencia de electróns entre a auga e o hidróxeno. O seguinte diagrama mostra a electrólise e as reaccións das pilas de combustible no almacenamento de hidróxeno:

!Diagrama de reacción de almacenamento de hidróxeno

A eficiencia do almacenamento de hidróxeno depende do tipo e calidade do electrolítico e da pila de combustible, que determinan a tensión, a corrente e a potencia das reaccións, e a temperatura e presión do hidróxeno, que afectan ao almacenamento e ao transporte do hidróxeno. . Canto maior sexa a tensión, a corrente e a potencia, e canto menor sexa a temperatura e a presión, maior será a eficiencia do almacenamento de hidróxeno.

Cales son as vantaxes e desvantaxes?

O almacenamento de hidróxeno ten algunhas vantaxes, como:

• Alta eficiencia de ida e volta, que é a relación entre a enerxía de saída e a enerxía de entrada. A eficiencia de ida e volta do almacenamento de hidróxeno pode chegar ata o 80%, o que é maior que a maioría das outras tecnoloxías de almacenamento de enerxía.
• Gran capacidade enerxética, que é a cantidade de enerxía que se pode almacenar no hidróxeno. A capacidade enerxética do almacenamento de hidróxeno pode ir de centos a miles de MWh, dependendo do tipo e tamaño do sistema de almacenamento de hidróxeno, e da presión e temperatura do hidróxeno.
• Longa duración de almacenamento, que é a cantidade de tempo que se pode almacenar a enerxía no hidróxeno. A duración do almacenamento do hidróxeno pode variar de horas a meses, dependendo do tipo e calidade do sistema de almacenamento de hidróxeno, e da fuga e autodescarga do hidróxeno.
• Alta flexibilidade e capacidade de resposta, o que significa que o almacenamento de hidróxeno pode axustar de forma rápida e sinxela a súa potencia de saída e frecuencia para satisfacer a demanda e a oferta cambiantes de electricidade. O almacenamento de hidróxeno tamén pode comezar e deterse rapidamente, e operar nunha ampla gama de condicións de carga.

Non obstante, o almacenamento de hidróxeno tamén ten algunhas desvantaxes, como:

• Alto custo de capital, que se debe principalmente á compra e instalación do electrolizador e do sistema de pila de combustible. O custo de capital do almacenamento de hidróxeno depende do tipo e calidade do electrolizador e da pila de combustible, así como da potencia e enerxía do sistema de almacenamento de hidróxeno. O custo de capital do almacenamento de hidróxeno pode chegar a 4000 dólares/kWh, o que é maior que a maioría das outras tecnoloxías de almacenamento de enerxía.
• Alta dependencia do sitio, que é a cantidade de dependencia e restrición que ten o sistema de almacenamento de hidróxeno das condicións climáticas e xeográficas. A dependencia do lugar do almacenamento de hidróxeno é alta, xa que require unha localización adecuada, onde haxa unha fonte suficiente e estable de auga e electricidade, como enerxía solar, eólica ou hidráulica, e unha conexión á rede eléctrica. O almacenamento de hidróxeno tamén pode afectar ao medio natural e á fauna salvaxe, como o ciclo da auga, a calidade do aire e a vexetación.
• Alto impacto ambiental, que é a cantidade de perturbacións e danos que o sistema de almacenamento de hidróxeno causa ao contorno. O impacto ambiental do almacenamento de hidróxeno é elevado, xa que implica a emisión e o ruído do electrolítico e do sistema de pilas de combustible, o que pode provocar contaminación e efecto invernadoiro. O almacenamento de hidróxeno tamén pode supoñer un risco de seguridade, se o hidróxeno está danado ou se filtra, o que pode provocar incendios e explosións.

Cales son algúns exemplos de proxectos de almacenamento de hidróxeno?

Hai poucos exemplos de proxectos de almacenamento de hidróxeno en todo o mundo, xa que aínda están en fase experimental e de prototipo, como son:

• O proxecto HyBalance en Dinamarca, que utiliza un electrolizador de membrana de intercambio de protóns e un sistema de almacenamento de hidruros metálicos, ten unha capacidade de potencia de 1.2 MW, unha capacidade enerxética de 4.8 MWh e unha eficiencia de ida e volta do 75%. O proxecto utiliza enerxía eólica para producir hidróxeno e unha pila de combustible para xerar electricidade. O proxecto está en funcionamento dende 2017.
• O proxecto HyDeploy no Reino Unido, que utiliza un electrolizador alcalino e un sistema de almacenamento en rede de gas, e ten unha capacidade de potencia de 0.5 MW, unha capacidade enerxética de 2 MWh e unha eficiencia de ida e volta do 70%. O proxecto utiliza enerxía solar para producir hidróxeno e un motor de combustión para xerar electricidade. O proxecto está en funcionamento desde 2019.
• O proxecto Haeolus en Noruega, que utiliza un electrolizador de óxido sólido e un sistema de almacenamento de gas comprimido, ten unha potencia de 2.5 MW, unha capacidade enerxética de 10 MWh e unha eficiencia de ida e volta do 80%. O proxecto utiliza enerxía eólica para producir hidróxeno e unha pila de combustible para xerar electricidade. O proxecto está en funcionamento desde 2020.

Comparación de CAES con outras tecnoloxías de almacenamento de enerxía

O CAES é un tipo de almacenamento de enerxía mecánica, que converte a enerxía eléctrica en aire comprimido e despois a converte de novo en enerxía eléctrica cando é necesario. CAES pódese clasificar en tres tipos, dependendo da forma en que manexan a calor durante a compresión e expansión do aire, a saber, CAES diabático, CAES adiabático e CAES isotérmico. CAES tamén pode usar diferentes opcións de almacenamento de aire comprimido, dependendo da forma en que almacena o aire comprimido, é dicir, cavernas subterráneas, tanques sobre o terreo e globos submarinos.

CAES ten algunhas vantaxes e desvantaxes, en comparación con outras tecnoloxías de almacenamento de enerxía, como:

• CAES ten unha eficiencia media de ida e volta, que é a relación entre a enerxía de saída e a enerxía de entrada. A eficiencia de ida e volta do CAES pode variar entre o 40% e o 100%, dependendo do tipo de CAES e da opción de almacenamento de aire comprimido. CAES ten unha eficiencia menor que as baterías, os volantes, o almacenamento térmico e o almacenamento de hidróxeno, pero unha eficiencia maior que o almacenamento hidráulico bombeado.

• CAES ten unha gran capacidade enerxética, que é a cantidade de enerxía que se pode almacenar no aire comprimido. A capacidade enerxética do CAES pode ir de centos a miles de MWh, dependendo do tipo e tamaño do sistema CAES, e da presión e temperatura do aire comprimido. CAES ten unha maior capacidade que as baterías e os volantes, pero unha capacidade menor que o almacenamento hidráulico bombeado, o almacenamento térmico e o almacenamento de hidróxeno.
• O CAES ten unha longa duración de almacenamento, que é a cantidade de tempo que se pode almacenar a enerxía no aire comprimido. A duración de almacenamento do CAES pode variar de horas a días, dependendo do tipo e calidade do sistema CAES, e das fugas e perdas térmicas do aire comprimido. CAES ten unha duración máis longa que as baterías e os volantes, pero unha duración máis curta que o almacenamento hidráulico bombeado, o almacenamento térmico e o almacenamento de hidróxeno.
• O CAES ten un baixo impacto ambiental, que é a cantidade de perturbacións e danos que o sistema CAES causa ao contorno. O impacto ambiental do CAES é baixo, xa que utiliza o aire como fluído de traballo, que é abundante e inofensivo, e non emite gases de efecto invernadoiro nin contaminantes. CAES tamén pode utilizar fontes de enerxía renovables, como a enerxía eólica ou solar, para comprimir e expandir o aire. CAES ten un impacto menor que o almacenamento hidráulico bombeado, as baterías e o almacenamento de hidróxeno, pero un impacto maior que os volantes e o almacenamento térmico.
• CAES ten un custo de capital medio, que se debe principalmente á compra e instalación do compresor e do sistema de turbinas. O custo de capital do CAES depende do tipo e calidade do sistema CAES, así como das clasificacións de potencia e enerxía do sistema CAES. O custo de capital do CAES pode oscilar entre os 500 e os 1000 dólares/kWh, dependendo do tipo de CAES e da opción de almacenamento de aire comprimido. CAES ten un custo máis baixo que as baterías, o almacenamento térmico e o almacenamento de hidróxeno, pero un custo máis elevado que o almacenamento hidráulico bombeado e os volantes.
• CAES ten unha dependencia media do sitio, que é a cantidade de dependencia e restrición que o sistema CAES ten nas condicións xeolóxicas e xeográficas. A dependencia do local de CAES é media, xa que require unha localización adecuada, onde exista unha fonte de electricidade suficiente e estable, como a eólica ou solar, e unha conexión á rede eléctrica. CAES tamén pode utilizar diferentes opcións de almacenamento de aire comprimido, que poden estar máis ou menos dispoñibles e accesibles, dependendo da localización. CAES ten unha dependencia menor que o almacenamento hidráulico bombeado e o almacenamento térmico, pero unha dependencia maior que as baterías, os volantes e o almacenamento de hidróxeno.
• CAES ten un risco de seguridade medio, que é a cantidade de perigo e incerteza que o sistema CAES supón para o funcionamento e mantemento do sistema CAES. O risco de seguridade do CAES é medio, xa que implica a compresión e expansión do aire, que pode provocar oscilacións de presión e temperatura, e o almacenamento de aire, que pode provocar fugas e roturas. CAES tamén pode utilizar diferentes opcións de almacenamento de aire comprimido, que poden ter diferentes problemas de seguridade, dependendo da opción. CAES ten un risco menor que as baterías e o almacenamento de hidróxeno, pero un risco maior que o almacenamento hidráulico bombeado, os volantes de inercia e o almacenamento térmico.

Conclusión

En conclusión, CAES é unha tecnoloxía de almacenamento de enerxía prometedora e versátil, que pode almacenar e liberar grandes cantidades de enerxía durante longos períodos de tempo, cun baixo impacto ambiental e un custo de capital medio. CAES tamén pode utilizar diferentes tipos e opcións, que poden adaptarse a diferentes aplicacións e escenarios. Non obstante, CAES tamén enfróntase a algúns retos e limitacións, como a baixa eficiencia de ida e volta, a dependencia media do sitio e o risco medio de seguridade. Polo tanto, CAES necesita máis investigación e desenvolvemento, para mellorar o seu rendemento e fiabilidade, e para reducir o seu custo e risco. CAES tamén pode beneficiarse da integración e cooperación con outras tecnoloxías de almacenamento de enerxía, para conseguir un sistema enerxético máis eficiente e sostible.