Almacenamiento de Energa por Aire Comprimido

Antecedentes

El almacenamiento de energa por Aire Comprimido (CAES) es una tecnologa de bajo costo para almacenar grandes cantidades de energa elctrica en forma de aire a alta presin. Es una de las pocas tecnologas de almacenamiento de energa adecuadas para larga duracin (decenas de horas), aplicaciones de servicios a escala (cientos de miles de megavatios). Otras tecnologas de almacenamiento de energa, tales como volantes y ultra condensadores pueden proporcionar servicios de corta duracin relacionados con la calidad de la energa y la estabilizacin, pero no son opciones eficaces en costo para cambio de carga ni soporte de la generacin elica [1,2].

Las dos tecnologas principales capaces de entregar varias horas de produccin en una escala de salida a nivel de planta con costes de sistema atractivos son el CAES y el almacenamiento por bombeo hidroelctrico (PHES) [3-8]. Aunque algunas tecnologas de bateras emergentes tambin pueden ofrecer servicios de equilibrio elico, las capacidades tpicas del sistema y los tamaos de almacenamiento son un orden de magnitud menor que en los sistemas CAES y PHES (~ 10 MW, 80 horas ) necesario para producir energa de carga base. Aunque el almacenamiento estacional de elica es posible, requerira volmenes de almacenamiento mucho mayores. Si bien los factores de capacidad tpicos para los parques elicos son de aproximadamente 30 a 40%, los sistemas de elica/CAES pueden lograr factores de capacidad de 80 a 90% tpicos de las centrales de base. Por lo tanto, el acoplamiento de elica para el almacenamiento de energa mejora la utilizacin tanto de las lneas de transmisin existentes como de nuevas lneas dedicadas para elica. Esto puede aliviar los cuellos de botella de transmisin y reducir al mnimo las necesidades adicionales y de mejora de la transmisin. Hay informes que indican que la eliminacin de almacenamiento masivo (en este caso almacenamiento en hidroelctrica por bombeo) aumenta los costes de integracin para la energa elica en aproximadamente un 50 % para un nivel de penetracin elica de 10%. Adems, doblar la capacidad de almacenamiento reduce el coste de integracin por 1.34$/MWh en el caso de penetracin del 20%.

La estimacin de Greenblatt (2005) se basa en el supuesto de que diversas limitaciones de uso del suelo limitan el potencial tcnico para la elica, lo que se produce en el 50% de los terrenos sobre los que se dispone de recursos elicos de clase 4+. El potencial tcnico de la energa elica a nivel global tambin es enorme. Considerando solamente la clase de vientos 4+ explotadas en el 50% de los terrenos sobre los que se dispone de estos recursos, como es en el caso de Amrica del Norte, Greenblatt (2007) estima que el potencial tcnico mundial de la energa elica es 185.000 TWh/ao en tierra y 49.400 TWh/ao en alta mar. En comparacin, la tasa de generacin de electricidad mundial en 2004 fue de 17.400 TWh/ao.

El factor capacidad en este caso es sobre la base de un nivel de demanda constante. La capacidad nominal del parque elico ser "de gran tamao" respecto a este nivel de la demanda y la capacidad de expansin CAES emparejado con l de tal manera que el exceso de elica puede ser almacenado para equilibrar los dficits posteriores. Mientras es posible producir una salida constante (ie, factor de capacidad 100%) de una planta elica/CAES, sera necesario un almacenamiento significativamente mayor.

Cuando la capacidad de transmisin es limitada, ser ventajoso situar el depsito de almacenamiento y el conjunto de molinos elicos tan cercanos como sea posible para explotar los beneficios descritos anteriormente. Si esto no es posible, no hay necesidad de co-localizar el sistema de almacenamiento y molinos elicos. Situar independientemente estos componentes permitira una mayor flexibilidad para adaptar al mismo tiempo las instalaciones de recurso elico ideal, almacenamiento en embalse geolgico, y los suministros necesarios de gas natural.

Funcionamiento del Sistema

Los sistemas CAES funcionan de la misma manera que la turbina de gas convencional, excepto que las operaciones de compresin y expansin ocurren independientemente y en diferentes momentos. Dado que la energa de compresin se suministra por separado, la salida completa de la turbina puede ser utilizada para generar electricidad durante la expansin, mientras que las turbinas de gas convencionales utilizan tpicamente aproximadamente dos tercios de la potencia de salida de la fase de expansin para hacer funcionar los compresores.

Durante la compresin (almacenamiento), la electricidad se utiliza para poner en funcionamiento una cadena de compresores que inyectan aire en un depsito de almacenamiento sin aislar/sellar, y almacenar as el aire a alta presin y a la temperatura de la formacin circundante. La cadena de compresin hace uso de refrigeradores intermedios y un refrigerador posterior reduce la temperatura del aire inyectado; mejorando as la eficiencia de la compresin, reduciendo el requisito de volumen de almacenamiento, y minimizando la tensin trmica en las paredes del volumen de almacenamiento.

Figura 2

A pesar de la prdida de calor a travs de los refrigeradores intermedios de la cadena de la compresin, la eficiencia terica para el almacenamiento a temperaturas de la formacin en un sistema con un gran nmero de etapas de compresor y refrigeracin intermedia puede acercarse a un sistema con compresin adiabtica y de almacenamiento de aire en un depsito aislado. Por otra parte, a pesar la mayor energa de entrada requerida por unidad de masa, debido a las necesidades de refrigeracin, el consumo total de combustible sigue siendo mucho ms bajo ya que la salida neta de CAES es tres veces mayor que la de una turbina convencional.

Durante el funcionamiento de expansin (generacin), el aire se extrae del almacenamiento y el combustible (gas natural, por lo general) se quema en aire a presin. Los productos de la combustin se expanden (tpicamente en dos etapas), regenerando as la electricidad. El combustible se quema durante la generacin por capacidad, eficiencia, y consideraciones de funcionamiento. La expansin de aire a la temperatura de la pared del depsito necesitara un flujo de aire mucho mayor para lograr la misma salida de la turbina, lo que aumenta los requisitos de entrada de energa del compresor en la medida en que la relacin de energa de carga se reducira en aproximadamente un factor cuatro. Adems, en la ausencia de la combustin del hidrocarburo, las bajas temperaturas en la salida de la turbina plantearan un riesgo de formacin de hielo significativo para las palas debido a la gran circulacin de aire a travs de la turbina, a pesar del pequeo contenido de humedad especfica para aire a alta presin. Otra posibilidad es que los materiales de la turbina y sellos pueden volverse quebradizos durante el funcionamiento a baja temperatura.

Diseos CAES adiabticos capturan el calor de la compresin en las unidades de almacenamiento de energa trmica. Por ejemplo, suponiendo que el aire se recuper del almacenamiento a 20 C, expansin adiabtica, y una relacin de compresin de 45, en el escape de la turbina la temperatura es T = 174 C.

Geologa Adecuada para CAES La geologa adecuada para depsitos de almacenamiento CAES pueden clasificarse en:salina, roca y roca porosa. La superficie total que tienen una o ms de estas geologas representan una fraccin importante de los Estados Unidos continentales (Figura 3). Los estudios indican que ms del 75% de los Estados Unidos tiene condiciones geolgicas que son potencialmente favorables para el almacenamiento subterrneo de aire [34,35].

Figura 3Sin embargo, los estudios llevados a cabo analizan slo la macro escala y no evalan reas de acuerdo a las caractersticas concretas necesarias para estimar plenamente sus idoneidades para CAES. Mientras que grandes fracciones de tierra poseen geologas favorables parecen alentadoras, las encuestas generales, como los datos que se presentan en la figura 3 slo pueden servir como plantillas para la identificacin de reas candidatas para su posterior investigacin. Sern necesarios los datos regionales y especficos del sitio detallados para determinar la verdadera base de recursos geolgicos para la instalacin CAES.

Geologa salina

Las dos plantas CAES que actualmente operan usan cavidades de minas de sal, como depsitos de almacenamiento (Figura 4). De muchas maneras, tales formaciones son las ms fciles de desarrollar y operar. Soluciones tcnicas de minera pueden proporcionar rutas low cost confiables para el desarrollo de los volmenes de almacenamiento del tamao necesario (por lo general a un costo de capital de almacenamiento de ~ $ 2/kWh de produccin derivada del almacenamiento) si un suministro adecuado de agua potable y la eliminacin eficiente de la salmuera resultante son disponibles. Por otra parte, debido a las propiedades elastoplsticas de la sal, los depsitos de almacenamiento de la solucin mina de sal plantean un riesgo mnimo de fuga de aire. Sin embargo, la eliminacin de la salmuera, "agujeros", deslizamientos, y la contaminacin de la turbina permanecen como desafos potenciales.

Figura 4

Grandes depsitos de lechos de sal estn disponibles en las reas del Centro, Norte Centro y Noreste de Estados Unidos y formaciones de cpulas se pueden encontrar en la cuenca de la Costa del Golfo . Aunque ambos tipos de formacin se pueden utilizar para CAES, los lechos de sal son a menudo ms difciles de desarrollar cuando se requieren grandes volmenes de almacenamiento. Los lechos de sal tienden a ser mucho ms delgados y, a menudo contienen concentraciones relativamente altas de impurezas que presentan retos significativos con respecto a la estabilidad estructural. Los depsitos extrados de minas de sal pueden ser altas y estrechas con techo mnimo como es el caso tanto en el Huntorf (ver Figura 4) e instalaciones McIntosh CAES. Adems, las impurezas pueden comprometer an ms la integridad estructural de un depsito y complicar an ms el desarrollo de un sistema de almacenamiento de gran capacidad.

Aunque la ubicacin de las formaciones de las cpulas domales en los Estados Unidos no se correlacionan bien con los recursos elicos de alta calidad (Figura 7), hay algunos indicios de las perspectivas pueden ser ms favorables en Europa (Figura 5).

Figura 5: Coincidencia de elevado potencial elico y minas de sal en Europa. Los crculos indican reas investigadas para el desarrollo de CAES

Roca

Aunque la roca es una opcin para el diseo CAES, el costo de la minera para un nuevo depsito es a menudo relativamente alto (tpicamente $ 30/kWh producido). Sin embargo, en algunos casos, se pueden usar las minas existentes, en cuyo caso el costo ser tpicamente alrededor de $ 10/kWh producido, como es el caso de la propuesta de la planta CAES de Norton que planea usar una mina de piedra caliza inactiva.

Metodologas detalladas se han desarrollado para evaluar la estabilidad de roca, fugas, y la prdida de energa en los sistemas de CAES basadas en roca incluyendo tneles revestidos de hormign [45-47]. Se han propuesto varios de estos sistemas [48] y las pruebas de campo conocidas incluyen dos programas recientes en Japn: un sistema de prueba de 2 MW mediante un tnel revestido de hormign en la antigua mina de carbn Sunagaawa y una prueba de confinamiento hidrulico realizado en un tnel en la antigua mina Kamioka.

Adems, una instalacin de pruebas fue desarrollada y evaluada por el Instituto de Investigacin de Energa Elctrica (EPRI) y Societ Electrique de l'Our SA de Luxemburgo mediante una depsito excavado en roca con compensacin de agua. El sitio se utiliz para determinar la viabilidad de un sistema de este tipo para la operacin CAES y caracterizar y modelizar las inestabilidades de flujo de agua resultantes de la liberacin de aire disuelto en la porcin superior del eje de agua (es decir, el "efecto de champn ").

Geologas de roca adecuadas para CAES estn ampliamente disponibles en el territorio continental de Estados Unidos y se superponen bien con recursos elicos de alta calidad. Sin embargo, debido a que los costes de desarrollo son altos en relacin con otras geologas (especialmente teniendo en cuenta la limitada disponibilidad de depsitos preexistentes y minas abandonadas), es poco probable que esta opcin sea la primera opcin para un despliegue a gran escala de CAES . Aunque los futuros desarrollos en la tecnologa de minera pueden reducir los costos de la utilizacin de este tipo de geologas, parece que otras estructuras geolgicas pueden ofrecer las mejores oportunidades a corto plazo para el desarrollo CAES.

Roca porosa

Formaciones rocosas porosas (Figura 6), tales como los acuferos salinos tambin son adecuados para el desarrollo CAES. La figura 7 muestra que grandes y homogneos acuferos, se pueden encontrar en el centro de Estados Unidos. Debido a que esta zona tambin tiene viento de alta calidad y debido a la disponibilidad limitada y/o rentabilidad de otras opciones, el CAES acufero ser especialmente relevante para la discusin de almacenamiento de energa para equilibrar la elica.

Figura 6

Aunque el costo total de desarrollo de una formacin de roca porosa para CAES depender de las caractersticas del estrato de almacenamiento (por ejemplo, ms delgados, menos estructuras permeables requerirn ms pozos y por lo tanto mayores costes de desarrollo), parece que este tipo de la geologa es a menudo la opcin de menor costo. Estimaciones CAES indican que los costes totales de desarrollo estn en el rango de $2 a $6 millones/Bcf (billions of cubic foot) de volumen total- similar a la estimacin de los costos de desarrollo para el almacenamiento de gas natural en formaciones similares. Esto implica un costo de capital de $2 a $7/kWh de capacidad de almacenamiento, dependiendo de las caractersticas del lugar y asumiendo una relacin de 5:1 para el gas de trabajo - volumen de almacenamiento. Estos costos son algo inferiores a los estimados para el almacenamiento de cavidad salina (de 6 a 10 $/kWh de capacidad de almacenamiento), la siguiente opcin ms econmica.

Figura 7

Un CAES acufero tiene la ventaja adicional de que el costo de adiciones incrementales a la capacidad de almacenamiento es significativamente menor que para geologas alternativas. Suponiendo que hay pozos suficientes en su lugar para asegurar un flujo de aire adecuado a la turbomaquinaria de superficie, el coste de aumentar la capacidad de almacenamiento en acufero es simplemente la energa de compresin requerida para aumentar el volumen de la burbuja. Este coste (~ 0.11$/kWh) es un orden de magnitud inferior a los costes marginales equivalentes a la solucin de la mina de sal y ms de dos rdenes inferior que ms excavar un volumen adicional en depsito de roca.

A pesar de estos costes de desarrollo bajos y aparentemente amplia disponibilidad, se requiere una amplia caracterizacin de las formaciones candidatas para determinar la viabilidad del proyecto. Se requieren mediciones detalladas de la permeabilidad, porosidad y estructura para determinar la idoneidad de una formacin para la operacin de almacenamiento [52]. La experiencia industrial previa con el almacenamiento de gas natural ser de gran valor ya que muchas de las metodologas utilizadas para caracterizar las formaciones y desarrollar proyectos son directamente aplicables al desarrollo CAES en un acufero. La dilatada experiencia de la industria, con el almacenamiento de gas natural, proporciona un marco terico y prctico para describir los medios de almacenamiento subterrneo y la evaluacin de sitios candidatos para el almacenamiento estacional de gas natural. La evaluacin de la capacidad de almacenamiento para el almacenamiento de CO2 pueden ser tiles tambin, aunque la profundidad mnima requerida para el CO2 se convierta en supercrtico (~800 m) est tpicamente en el extremo superior de los lmites aceptables para CAES debido a las limitaciones de entrada de la turbina de alta presin.

Mientras que el almacenamiento de gas natural proporciona un punto de partida importante para una discusin de CAES, varias diferencias importantes deben ser consideradas, incluyendo diferencias en las propiedades fsicas del fluido de trabajo (por ejemplo, la viscosidad; factor de desviacin de gas) y nuevos mecanismos de oxidacin y de corrosin resultantes de la introduccin de oxgeno en la formacin. Tambin, un sistema CAES utilizado para la regulacin de tensin o para respaldo de energa elica probablemente cambia entre la compresin y la generacin varias veces al da. En contraste, la mayora de las instalaciones de almacenamiento de gas natural a menudo slo se reciclan una vez en el transcurso de un ao para cumplir con las fluctuaciones estacionales de la demanda de gas natural. Estas son diferencias importantes que deben ser consideradas, pero una amplia gama de conceptos de avanzados diseos y tcnicas de mitigacin se pueden emplear para hacer frente a estos requisitos.

Aunque no existen sistemas comerciales se han construido hasta la fecha, varias pruebas de campo exitosas, han demostrado la viabilidad operativa de la utilizacin de un acufero para aplicaciones de almacenamiento de aire comprimido. Una instalacin de 25 MW a base de roca porosa CAES funciona desde varios aos en Sesta, Italia. Aunque las pruebas fueron satisfactorias, un evento geolgico perturb el sitio y llev al cierre de la instalacin. Adems, EPRI y el Departamento de Energa de los EE.UU. llevaron a cabo pruebas en formaciones de arenisca porosa en Pittsfield, Illinois, para determinar su viabilidad para la CAES. Las pruebas para la primera planta de CAES comercial con un depsito de roca porosa fue programada para comenzar en Dalias Center, Iowa, en 2010.

Adems de utilizar los acuferos salinos para CAES, tambin es posible utilizar depsitos de petrleo y gas agotados que son fundamentalmente acuferos. Dado que la mayor parte de la experiencia de almacenamiento de gas natural es en los campos agotados, muchas cuestiones relacionadas con los hidrocarburos residuales han sido ampliamente estudiadas, sin embargo, la inyeccin de oxgeno puede presentar retos que no se encuentran cuando el almacenamiento es de gas natural. En particular, la presencia de hidrocarburos residuales puede introducir el riesgo de inflamabilidad y la combustin in situ despus de la introduccin de aire a alta presin.

La inflamabilidad de la mezcla de gas natural - aire puede ser otro motivo de preocupacin para la operacin CAES, pero el desplazamiento del gas natural lejos de la zona de la burbuja activa puede mitigar este riesgo considerablemente. En algunos casos, la inyeccin de nitrgeno puede ser deseable para minimizar an ms la mezcla de gas natural-aire. Estudios previos indican que estos mtodos tratan adecuadamente el reto de utilizar campos de gas natural agotados para CAES y que estas estructuras pueden proporcionar los medios de almacenamiento de aire adecuado.

Plantas CAES Existentes y propuestas Huntorf

La planta CAES Huntorf cerca de Bremen, Alemania, es la primera instalacin de este tipo en el mundo, se termin en 1978 (Figura 8 y 9). La planta de 290 MW fue diseada y construida por ABB (anteriormente BBC) para proporcionar servicios de black-start de las unidades nucleares de cerca del Mar del Norte y que suministre potencia pico de bajo costo. [Nota: black-start es la capacidad de una planta para ponerla en marcha durante un corte completo de la red]. Debido a que las centrales nucleares requieren una cierta energa para reanudar el funcionamiento, la planta Huntorf fue construida en parte para proporcionar potencia de black-start. Se ha operado con xito durante ms de tres dcadas, principalmente como una unidad de ahorro de picos y para complementar otras instalaciones de almacenamiento (hidroelctricas) en el sistema para llenar el vaco de generacin dejado la lenta respuesta de las plantas de carbn de media carga. La disponibilidad y fiabilidad de arranque para esta unidad son reportadas como 90 y 99%, respectivamente.

Figura 8

Figura 9

Como Huntorf fue diseado para aplicaciones en horas pico y black-start, fue diseado inicialmente con un volumen de almacenamiento capaz de dar 2 horas de salida nominal. La planta desde que se ha modificado para proporcionar un mximo de 3 horas de almacenamiento y se ha utilizado cada vez ms para ayudar a equilibrar la produccin elica en rpido crecimiento del norte de Alemania. La parte subterrnea de la planta consiste en dos depsitos de sal (310.000 m3 total) [una piscina olmpica tiene 2500 m3 por lo tanto este depsito tiene el volumen de 124 piscinas] diseada para operar entre 48 y 66 bar. Se descubri que el aire de las depsitos de sal provoca la oxidacin aguas arriba de la turbina de gas durante el primer ao de funcionamiento, lo que lleva a la instalacin de tubos reforzados de fibra de vidrio de plstico (FRP). Debido a que los expansores de turbina son sensibles a la sal en el aire de combustin, se tomaron medidas especiales para asegurar que se reunieron condiciones aceptables en la entrada de la turbina.

Las secciones de compresin y expansin se basan en 108 y 417 kg/s de aire, respectivamente, y cada uno se compone de dos etapas. La primera etapa de la turbina se expande el aire de 46 bar a 11 bar. Dado que la tecnologa de turbinas de gas no era compatible con este rango de presin, la tecnologa de turbinas de vapor fue elegida para la fase de expansin de alta presin (hp). Debido al aumento en el coeficiente de transferencia de calor a elevada presin y temperatura y para garantizar la adecuada refrigeracin y control de las emisiones de NOx, la temperatura de entrada en la turbina de alta presin tuvo lugar a slo 550 C, en comparacin con los 825 C para la turbina a baja presin (tpica para una turbina de gas sin alabes refrigerados). Temperaturas de entrada de combustin moderadas tambin facilitan los arranques diarios de las turbinas necesarios para el funcionamiento CAES. Aunque la planta podra operar a una velocidad de calentamiento inferior si est equipada con recuperadores de calor (para recuperar el calor de escape de la turbina de lp (baja presin) para precalentar el gas que entra en la turbina de hp), esta adicin se omiti para minimizar el tiempo de arranque del sistema.

McIntosh

Aunque los altos precios del petrleo y el gas a travs de la dcada de 1980 continuaron llamando la atencin de la utilidad de CAES como fuente de potencia de pico de bajo costo, no fue hasta una dcada ms tarde que una instalacin CAES comenz a operar en los Estados Unidos. La planta de 110 MW fue construida por el Alabama Electric Cooperative en la mina de sal McIntosh en el suroeste de Alabama y ha estado en operacin desde 1991. Fue diseado para 26 horas de generacin a plena potencia y utiliza una sola cavidad salina (560.000 m3 -> volumen de 224 piscinas olmpicas), y diseado para operar entre 45 y 74 bar.

El proyecto fue desarrollado por Dresser-Rand, pero muchos de los aspectos operativos de la planta (las temperaturas de entrada, presiones, etc) son similares a las del diseo de la BBC para la planta Huntorf. La instalacin McIntosh, sin embargo, incluye un recuperador de calor que reduce el consumo de combustible en aproximadamente un 22% en la salida a plena carga y cuenta con una cmara de combustin de combustible dual capaz de quemar fuel oil, adems de gas natural.

Aunque la planta experiment cortes significativos en su operacin inicial, las causas fueron abordadas a travs de modificaciones del montaje de la cmara de combustin de alta presin y un nuevo diseo de la cmara de combustin a baja presin. Estos cambios permitieron a la planta de McIntosh, ms de 10 aos de funcionamiento, para alcanzar un promedio de 91.2 y 92.1% de confiabilidad arranque y con un promedio de 96.8 y 99.5% de confiabilidad de funcionamiento para ciclos de generacin y de compresin, respectivamente.

Norton

Una propuesta ha estado en desarrollo para convertir una mina de piedra caliza inactiva en Norton, Ohio en un depsito de almacenamiento para una instalacin CAES de 800 MW (con planes provisionales para ampliar a 2.700 MW [9 x 300 MW]. La mina, comprada en 1999, podra proporcionar 9,6 millones de metros cbicos de almacenamiento y operar a presiones entre 55 y 110 bar.

Energa almacenada en Iowa Park

La Asociacin de Servicios Municipales de Iowa (IAMU) est desarrollando un proyecto de CAES acufero en Dallas Center, que se acopla directamente a un parque elico. El Parque de almacenado de Energa de Iowa (ISEP), una planta CAES de 268 MW acopla entre 75 a 100 MW de capacidad elica, se anunci oficialmente en diciembre de 2006. El centro CAES ocupar 40 acres a 30 millas de Des Moines y utiliza un anticlinal de 914 m de profundidad en una formacin de piedra arenisca porosa para almacenar la energa generada por el viento a 100 o 200 kilmetros del lugar. Este fue el tercer lugar estudiado por ISEP despus de una preseleccin inicial de ms de 20 estructuras geolgicas en el estado. Los estudios sobre la formacin elegida verifica que tiene un adecuado tamao, profundidad y estructura de la roca sello para apoyar la operacin CAES.

Sistemas propuestos en Texas

Varios factores hacen de Texas y la regin circundante atractivas para el desarrollo CAES: En primer lugar, el rpido crecimiento de la energa elica en Texas (en la actualidad el mercado ms grande y de mayor crecimiento elico en los Estados Unidos) impone cargas crecientes sobre la capacidad de seguimiento de carga existente en la regin. En segundo lugar, los importantes estrangulamientos en el transporte y algunos puntos de interconexin con las instalaciones vecinas presenta una reduccin significativa de los riesgos para los promotores elicos si la penetracin elica sigue aumentando. Por ltimo, formaciones de minas de sal tales como los utilizados en los sitios Huntorf y McIntosh existen en Texas. Esta geologa se ha demostrado que funciona bien en condiciones de funcionamiento CAES y por lo tanto representa un riesgo limitado. En consecuencia, varias partes han anunciado planes para desarrollar proyectos de CAES en Texas, incluyendo una de 540 MW (4 x 135 MW) en el Condado de Matagorda sistema basado en el diseo de McIntosh Dresser- Rand y que utilizan una depsito salmuera previamente desarrollada.

Funcionamiento y Rendimiento CAES

En rampa, conmutacin y funcionamiento a carga parcial

La alta eficiencia de carga parcial del CAES (ver Figura 10) hace que sea muy adecuado para el equilibrio de las fuentes de potencia variable, como la elica. El aumento de la tasa de calor con carga parcial es pequeo en relacin con una turbina de gas convencional debido a la forma en que se controla la salida del turboexpansor. En lugar de cambiar la temperatura de entrada de la turbina como en una turbina convencional, la salida CAES se controla mediante el ajuste de la tasa de flujo de aire con temperaturas de entrada que se mantiene constante en ambas etapas de expansin. Esto conduce a una mejor utilizacin de calor y una mayor eficiencia durante la operacin de carga parcial.

Figura 10: Caracterstica de funcionamiento de Turbina para CAES acufero basado en diseo EPRI

La planta CAES McIntosh entrega energa a tasas de calor de 4330 kJ / kWh (PCI) a plena carga y 4750 kJ/kWh (PCI ) a 20 % de carga. Este excelente comportamiento con carga parcial se podra mejorar en los sistemas modulares tales como la propuesta planta de Norton donde la salida completa podra ser entregada por varios mdulos. En este caso, el sistema podra decelerar hasta el 2,2 % de la produccin a plena carga y aun as estar dentro del 10 % de la velocidad de calentamiento de salida a plena carga.

Las velocidades de rampa para un sistema CAES tambin son mejores que los de las plantas de turbinas de gas equivalentes La planta de McIntosh puede subir aproximadamente a 18 MW por minuto - aproximadamente un 60 % mayor que para las turbinas de gas tpicas. La planta de Matagorda propuesta por de Ridge Energy Storage est diseada para llevar sus cuatro mdulos del tren de potencia de 135 MW de potencia total en 14 minutos (o 7 minutos para un arranque de emergencia) - que se traduce en de 9,6 a 19 MW por minuto por cada mdulo. Estas tasas de aceleracin rpidas junto con la operacin de carga parcial eficientes hacen CAES una tecnologa ideal para equilibrar las variaciones estocsticas en la energa elica.

Para iniciar la operacin de compresin, la turbina normalmente lleva a velocidad el tren de maquinaria. Despus de la sincronizacin, la turbina se desacopla y se apaga y los compresores dejan de funcionar. Esto significa que las turbinas estn llamadas a iniciar la compresin y la generacin. En las instalaciones CAES de Huntorf, el cambio de un modo de funcionamiento a otro es completamente automatizado y requiere un mnimo de 20 minutos durante los cuales el sistema ni genera energa ni comprime aire. El tiempo de conmutacin puede tener un impacto significativo para el equilibrio de las rpidas fluctuaciones de la produccin elica. Es posible que caractersticas de inicio alternativos tales como el uso de un motor de arranque auxiliar podran reducir ms este intervalo.

Las limitaciones de tiempo de conmutacin de operacin se pueden eliminar por completo con nuevos diseos de sistemas que desacoplan los trenes de compresin y de turboexpansin. Mediante la separacin de estos componentes en lugar de vincularlos a travs de un eje comn mediante un embrague como en los sistemas de McIntosh y Huntorf, es posible la conmutacin directa entre la operacin de compresin y de expansin. Este cambio tambin significa que el tamao del compresor se puede optimizar de forma independiente al diseo del turboexpansor y permite que compresores de produccin estndar puedan ser utilizados en la configuracin del sistema.

Volumen constante y presin constante

Un CAES puede operar en un nmero de maneras, dependiendo del tipo de la geologa utilizado para el depsito de almacenamiento. El modo ms comn para operar el CAES es en condiciones de volumen constante. Esto significa que el volumen de almacenamiento es un depsito rgido fijo que funciona en un intervalo de presin adecuado. Este modo de operacin ofrece dos opciones de diseo:

(1) es posible disear un sistema de este tipo para permitir que la presin de entrada de la turbina de alta presin vare con la presin del depsito (reduccin de la produccin), o

(2) mantener constante la presin de entrada en la turbina de alta presin estrangulando el aire aguas arriba a una presin fija.

Aunque esta ltima opcin requiere un volumen de almacenamiento mayor (debido a prdidas por estrangulacin), se ha llevado a cabo en todas las instalaciones CAES existentes, debido al aumento de la eficiencia de la turbina alcanzado por la operacin a presin de entrada constante. El CAES Huntorf est diseado para estrangular el aire del depsito a 46 bar en la entrada de la turbina HP (con depsitos que operan entre 48 y 66 bar) y el sistema de McIntosh acelera de manera similar el aire entrante a 45 bar (que opera entre 45 y 74 bar).

Una tercera opcin es mantener el depsito de almacenamiento a presin constante a travs de la operacin de salida mediante el uso de una columna de agua aplicada por un depsito por encima del suelo (vase la figura inferior). El uso de volmenes de almacenamiento compensados minimiza las prdidas y mejora la eficiencia del sistema, pero se debe tener cuidado para gestionar las inestabilidades de flujo en el eje de agua, tal como el denominado efecto de champn.

Figura 11

Esta tcnica es incompatible con depsitos a base de sal ya que un flujo continuo de agua disolvera las paredes del depsito. Un ciclo de salmuera con una columna de compensacin conectado a un estanque superficie de salmuera saturada puede ser implementado, pero sera necesario abordar las preocupaciones biolgicas y los problemas de contaminacin de las aguas subterrneas. Dado que la operacin de presin compensada, no se puede emplear en los sistemas acuferos, el uso de la operacin CAES de presin constante est limitada a los sistemas con depsitos extrados de roca.

Tamao del depsito

La densidad de almacenamiento de energa de CAES (representada en la Figura siguiente) depende de la presin mxima del depsito, del modo de funcionamiento del volumen de almacenamiento, y de la relacin de presin de almacenamiento. Para los tres casos considerados en el apndice, la densidad de almacenamiento de energa elctrica EGEN /Vs (Energa generada/volumen de almacenamiento) aumenta de forma lineal al aumentar la presin del yacimiento pS2 (o de forma equivalente con una masa por unidad de volumen pS2 * Mw/RTs2). En algunos casos, sin embargo, esto puede resultar en una gran prdida de calor en el refrigerador posterior, dependiendo de las limitaciones trmicas del depsito.

Figura 12

El uso de un depsito compensado de presin constante requiere, de largo, el depsito ms pequeo. Zaugg estima para una configuracin similar al diseo de Huntorf (con una presin de almacenamiento de 60 bar) que un depsito a presin constante podra entregar la misma salida con slo el 23 % del volumen de almacenamiento requerido o una configuracin de volumen constante con presin de entrada variable de (PS2 / PS1 = 1,4). Si los depsitos de roca estn disponibles o son demasiado costosos, los sistemas de presin compensada muy probablemente no sean opciones y se requerira un diseo de caso 2 o caso 3.

Cabe destacar que, aunque las prdidas por estrangulacin incurridos en el caso 3 en relacin con el sistema de presin de entrada variable de la turbina implica un volumen de almacenamiento requerido ms grande, la penalizacin no es grande (Figura 13). En particular, las prdidas por estrangulacin son pequeas con grandes presiones iniciales (Ps2 > 60 bar) y esto es consistente con las operaciones en todas las instalaciones CAES existentes y propuestas. Debido a que esta pequea penalizacin es compensada por los beneficios de una mayor eficiencia de la turbina y el simplificado funcionamiento del sistema, a menudo es ptima para operar un CAES en este modo (como es el caso en ambas plantas Huntorf y McIntosh) .

Sin embargo, puede ser ventajoso permitir que la presin de entrada vare, dependiendo de las caractersticas geolgicas de un sistema. Para los sistemas de acuferos, por ejemplo, debido a la gran cantidad de gas colchn necesaria, la relacin pS2/pS1 de presin de almacenamiento es relativamente pequeo (< 1,5), de tal manera que la turbina hp puede operar a travs de toda la gama de presin del depsito de almacenamiento con relativamente pequeas sanciones en relacin con el diseo del punto de rendimiento (vase la Figura siguiente).

Aunque un sistema CAES con depsito de presin variable requiere un volumen de almacenamiento ms grande que un depsito de compensacin, los requisitos de volumen pueden reducirse sustancialmente mediante un diseo adecuado de la gama de presin de volumen de almacenamiento en un grado compatible con los lmites de la presin del yacimiento y la turbomaquinaria. La relacin de la densidad de almacenamiento de energa para el almacenamiento de compensacin hidrulica para el almacenamiento de volumen constante con estrangulamiento de entrada (vase el Apndice) est dada por

Figura 13: Relacin de almacenamiento de la densidad energa entre CAES de volumen constante con presin de entrada a la turbina constante (caso 3) y de CAES presin depsito compensado (caso 1) en function de la relacin de la presin de funcionamiento del sistema 3 (ps2/ps1). Se asume que ks=1.4 y (ps2/Ts2)/(ps1/Ts1)=1

Este trmino se incrementa con PS2 / PS1 como se muestra en la Figura anterior. Por lo tanto, seleccionar las formaciones que pueden acomodar grandes cambios de presin y las mximas altas presiones del yacimiento, reducirn las necesidades de superficie requerida para CAES a travs de una mayor densidad de almacenamiento de energa.

Nmeros tpicos para EGEN/Vs son 2 a 4 kWh/m3 para relaciones de presin ms bajas como los de Huntorf (PS2/PS1 = 1,38; PS2 = 66 bar; EGEN/Vs = 3,74 kWh/m3) y 6 a 9 kWh/m3 para los diseos ms recientes, uno propuesto por Alstom que cuenta con zona de altas presiones y proporciones ms grandes de presin (PS2/PS1 = 2,0; PS2 = 110 bar; EGEN /Vs = 8,44) [1,66].

ndices de rendimiento para sistemas CAES

El rendimiento energtico de una planta de energa de combustible fsil convencional se describe fcilmente por una sola eficiencia: la relacin de la energa elctrica generada en energa trmica en el combustible. La situacin es ms complicada para CAES debido a la presencia de las dos entradas de energa muy diferentes. Por un lado, la electricidad se usa para accionar los compresores; el gas natural o fueloil se quema para calentar el aire antes de la expansin. Esta situacin hace que sea difcil describir el rendimiento CAES a travs de un ndice nico de una manera que es universalmente til - el ndice individual ms til depende de la aplicacin especfica para CAES. Antes de pasar a la discusin de opciones alternativas para un mismo ndice de rendimiento CAES, debemos tener en cuenta dos ndices de rendimiento que se aplican a cada entrada de energa por separado: la tasa de calor y la proporcin de carga de electricidad.

Tasa de Calor

El ndice de calor (HR) o el combustible consumido por kilovatio hora de salida para un CAES es una funcin de muchos parmetros de diseo del sistema, pero la opcin de diseo que afecta de forma ms crtica la tasa de calor es la inclusin de un sistema de recuperacin de calor. La adicin de un recuperador de calor permite que el sistema capture el calor de escape de la turbina de baja presin para precalentar el aire extrado del depsito de almacenamiento. Las tasas de calor para operaciones CAES sin sistemas de recuperacin de calor son tpicamente 5500-6000 kJ/kWh PCI (por ejemplo, 5.870 kJ / kWh PCI para Huntorf). Vase la Tabla 5.2. Las tasas de calor con un recuperador son tpicamente 4.200 a 4500 kJ/kWh PCI (por ejemplo, 4.330 kJ/kWh para McIntosh). En comparacin, una turbina de gas convencional consume al menos dos veces este nivel de combustible (~9500 kJ/kWh PCI), ya que dos tercios de la produccin elctrica se utiliza para el funcionamiento del compresor. Debido a que la energa de compresin CAES se suministra por separado, el sistema puede alcanzar una tasa de calor mucho ms baja [1, 56].La adicin de un recuperador de calor reduce el consumo de combustible en McIntosh en un 22% con respecto a la misma operacin sin el componente [58], pero todava se requiere una cmara de combustin de alta presin. Los nuevos diseos de la CAES presentan temperaturas de entrada ms altas en la turbina de baja presin. El calor generado aadido en esta etapa facilita la eliminacin, desde el diseo, de la cmara de combustin de alta presin. Adems de reducir an ms el consumo de combustible, estos sistemas tambin ofrecen beneficios significativos de emisin de NOx con respecto a diseos anteriores [66].

Valores Reportados

ParmetroDefinicinSin recuperador de CalorCon recuperador de Calor

Tasa de Calor 6000 a 5500 KJ/kWh(~ 60 a 65 %)4500 a 4200 KJ/kWh(~ 60 a 65 %)

Carga de electricidad1.2 a 1.41.4 a 1.6

Eficiencia de la energa primariaCAES cargado con energa Nuclear

24.5 %29.7 %

CAES cargado con energa de combustible fsil

28.2 %34.4 %

CAES cargado por ciclo combinado

-De 35.1 % a 41.8 %

CAES cargado energa base de red promedio

De 42 % a 47 %

Eficiencia de ida y vuelta (1)4220 kJ PCI/ kWh, CER = 1.5NG = 47.6 %

Eficiencia de ida y vuelta (2)4220 kJ PCI/ kWh, E0/Ei = 1.5NG = 38.2 %

Eficiencia de la 2 leyT0 = 15 C, TMAX = 900 C, pS = 20 bar

58.7 %68,3 %

Relacin de carga de electricidad

El segundo ndice de rendimiento para CAES es la relacin entre la salida del generador respecto a la entrada al compresor - relacin de carga de electricidad (CER). Debido a la entrada de combustible, el CER excede la unidad y normalmente se encuentran en el rango de 1.2 a 1.8 (kWhsalida/kWhinput) [1, 33, 67]. El CER tambin tiene en cuenta las prdidas de las tuberas y en la estrangulacin como las eficiencias de compresor y expansor. Las prdidas en la estrangulacin es una funcin del rango de presiones del depsito. La eficiencia de la turbina es especialmente importante en la fase de expansin (baja presin), en el que se produce la mayor parte de la cada de entalpa y donde se genera aproximadamente tres cuartas partes de la potencia [68]. El aumento de las temperaturas de entrada de la turbina (por ejemplo, mediante el uso de tecnologas de refrigeracin en los labes del expansor) mejoraran las eficiencias elctricas de la turbina y CAES [69].

Hacia un ndice de Rendimiento nico CAES

Se han propuesto varios ndices de rendimiento de parmetro nico para CAES (ver Tabla 5.2). El ms simple es un ndice de eficiencia definida como la relacin entre la energa generada por la turbina (ET) y la suma de la energa elctrica suministrada al compresor (EM) y la energa trmica del combustible (EF):

Valores tpicos de HR y CER de, respectivamente, 4.220 kJ / kWh y 1,5 implican = 54%. Sin embargo, debido a la diferencia sustancial entre las cualidades energticas de la energa trmica en el combustible y la energa elctrica suministrada al compresor, su suma no es un nmero significativo. Para estimar la entrada total de energa para CAES, es necesario expresar tanto el combustible y la electricidad en el compresor sobre una base de energa equivalente. Un enfoque consiste en expresar la entrada elctrica como una cantidad equivalente de energa trmica.

Eficiencia de la energa primaria

Cuando CAES se utiliza para convertir la energa trmica en energa de base en horas pico (en lugar de las turbinas de gas u otras unidades en horas pico) se puede introducir una eficiencia de energa primaria PE definida en trminos de la eficiencia trmica de la carga base de la planta (T). La energa de entrada al compresor EM se sustituye por una expresin para la entrada de energa trmica efectiva requerida para producir EM. Por lo tanto, el valor general de la eficiencia refleja la eficiencia del sistema (red + CAES) convirtiendo energa primaria (trmica) en energa elctrica:

Esta metodologa se ha aplicado a las unidades CAES cargadas con plantas nucleares y de combustibles fsiles [33], plantas CHP [65] y energa base de red promedio [70]. Suponiendo que T = 40% (como se podra caracterizar una planta elctrica moderna de vapor supercrtico) y los otros parmetros considerados en el clculo anterior de implica PE = 35%.

En principio, esta formulacin de la eficiencia del sistema puede ser aplicada a un elico-CAES, utilizando la eficacia atmosfrica WT de las turbinas elicas en el lugar de la eficiencia de una planta trmica T. Esta formulacin propuesta por Arsie et al. se obtiene un sistema de eficiencia del 39% [71]. Sin embargo, para el uso de la eficiencia atmosfrica en este caso no sirve la misma funcin que el usado en la eficiencia trmica. En el caso de los combustibles fsiles o la energa nuclear como la fuente de energa del compresor, la eficiencia trmica proporciona una medida de la cantidad de combustible primario necesario para entregar una cantidad de energa elctrica EM. En contraste, la extraccin de "combustible" en el caso de la energa elica no afecta el medio ambiente o al coste global de la planta. En consecuencia, esta medida de la cantidad de energa cintica atmosfrica capturada como prestacin de EM no es muy til, y en el caso de CAES de apoyo a renovables, no es la formulacin ptima para la eficiencia CAES.

Eficiencia Round-Trip

Una unidad CAES que funciona con energa elica puede ser comparado con otras opciones de almacenamiento de electricidad que podran ser considerados para respaldo de elica, por ejemplo, electroqumicos o hidroelctrica de acumulacin por bombeo. Tales sistemas de almacenamiento alternativos se caracterizan por una eficiencia de almacenamiento elctrico de ida y vuelta (RT) calculado como RT = (produccin de electricidad)/(entrada de electricidad). Para facilitar la comparacin de CAES con otros dispositivos de almacenamiento elctrico, se puede introducir una eficiencia de ida y vuelta que emplea entrada de electricidad "efectiva", EM + NG*EF. El segundo trmino es la cantidad de electricidad que podra haber sido generada en entrada de gas natural EF, el combustible que habra sido utilizado para producir electricidad en una planta de energa independiente con eficiencia NG en lugar de disparar una unidad CAES. La eficiencia de ida y vuelta RT,1 as definido es:

Esta metodologa tiene la ventaja de proporcionar una eficiencia de almacenamiento de electricidad para la electricidad de ida y vuelta que asla las prdidas de energa en la conversin de la electricidad a aire comprimido y de nuevo a electricidad. Se han propuesto varios valores para NG incluyendo la hipottica eficiencia del ciclo Carnot [67] y las eficiencias de ciclo simple comercial y las plantas de energa de ciclo combinado [10, 72]. Para los sistemas de potencia tpicos de gas natural, (la tarifa de calor en el rango de 6.700 a 9.400 kJ / kWh), las eficiencias de CAES de ida y vuelta estn en el rango del 77 al 89%, suponiendo una relacin 1.5 de salida a la electricidad de entrada y una tasa de calentamiento de 4220 k] LHV / kWh. Un anlisis exergtico de sistemas CAES convencionales indica que el 47,6% de la energa de entrada de combustible se convierte en trabajo elctrico [73]. Para esta medida de la eficiencia trmica, la eficiencia de ida y vuelta es de 81,7%.

Una formulacin alternativa, RT,2, de una eficiencia de almacenamiento de electricidad de ida y vuelta introduce un trmino de correccin de salida EF * NG. En lugar de expresar la entrada de combustible como una entrada elctrica efectiva, la salida elctrica se ajusta restando la contribucin asumida a la produccin atribuible al combustible. En consecuencia el resultado atribuible a la entrada elctrica es ET-EF * NG [74].

Sin embargo, esta interpretacin es un poco diferente, ya que el trmino en el numerador intenta estimar la produccin residual de la planta no atribuible a la produccin de gas natural. Por lo tanto, la conversin del factor de eficiencia sirve para separar este componente de la salida que de otro modo se generara en una turbina convencional a partir de la salida global de la unidad CAES. La eficiencia de una turbina independiente de combustin de gas natural (38%) es un punto de referencia ms apropiado que una medida basada en la exerga de la conversin de combustible sistema CAES. Utilizando los mismos supuestos como para RT,1 y una eficiencia de conversin CT, la eficiencia de ida y vuelta es 82,8%, lo que es consistente con la medida derivada anteriormente. Por lo tanto, dependiendo del ndice escogido para su medida, la eficiencia de ida y vuelta para CAES es de ~82%. - En el mismo rango que las eficiencias de ida y vuelta citados para otras tecnologas de almacenamiento de energa masivas, como la acumulacin hidroelctrica por bombeo (74%) y las bateras de flujo de vanadio (75%) [72].

Enfoques adicionales

Todava otra medida de la eficiencia de CAES propuesto por Schainker et al. puede ser til para la evaluacin econmica de CAES en nivelacin de carga o las aplicaciones de arbitraje. Este enfoque es similar al RT,1 en el que se ajusta la entrada de combustible por un factor de correccin:

En este caso, sin embargo, el aporte de combustible se convierte en electricidad equivalente no mediante la eficiencia de conversin de la de energa primaria para el gas natural, sino ms bien mediante el uso de la relacin de costo CR = (precio de la electricidad fuera de horas punta) / (precio del combustible) [75 ]. Aunque este ndice puede ser til para decidir cmo operar una unidad de CAES dada en el tiempo, que vara significativamente en tiempo y regin geogrfica y por tanto no es una til caracterizacin general de la planta. Una descripcin definitiva de la eficiencia CAES compara salida CAES con la salida termodinmicamente ideal de una planta CAES que opera entre la temperatura ambiente T0 y una Tmax [67]:

ET, REV = EM + EF - T0 S = EM + EF - T0 EF / TMAX

Anlisis de un sistema CAES convencional produce una segunda ley de eficiencia II = 68% con un recuperador y de 59 a 61% sin recuperador (El rango de eficiencia para un sistema sin recuperador refleja los cambios en el rendimiento del sistema debido a las diferentes presiones de almacenamiento [ps =20 a 70 bar]. El cambio de eficiencia fue menor al 1% en sistemas con recuperador).

En ltima instancia, la eleccin de la medida de eficiencia sigue siendo una pregunta abierta, porque las cantidades de energa elctrica y energa trmicas no se pueden combinar mediante manipulacin algebraica. Las formulaciones proporcionadas en esta seccin slo proporcionan una base para la comparacin con otras tecnologas de almacenamiento. Como se indic anteriormente, la expresin correspondiente est determinada en gran parte por cada aplicacin especfica.

Opciones Tecnolgicas Avanzadas

Aunque las plantas CAES comerciales han estado operando desde hace varias dcadas, la tecnologa est todava en una etapa de desarrollo temprana. Esto se refleja en el hecho de que las dos plantas existentes se basan en gran medida de las tecnologas de turbinas de gas y turbinas de vapor convencionales. En consecuencia, varias mejoras tecnolgicas pueden llegar a mejorar el rendimiento y reducir los costos a travs de relativamente pocos ciclos de produccin.

Una opcin que ha despertado el inters es reducir (y tal vez eliminar) los requerimientos de combustible CAES y las emisiones de Gases de Efecto Invernadero (GEI) asociadas por la recuperacin y el almacenamiento de calor de alta calidad de la compresin en las sistemas de almacenamiento de energa trmica (TES). La recuperacin de calor puede ser implementada en algunas o todas las etapas de compresin, permitiendo as que el calor almacenado sea utilizado en lugar de combustible para calentar el aire retirado del depsito CAES, eliminando de ese modo parcial o completamente la necesidad de gas natural. Para ser econmicamente factible, la reduccin de costos de combustible debe compensar el costo de capital adicional asociado con un sistema TES (de almacenamiento de energa trmica). La evidencia preliminar indica que se necesitaran muy altos precios de los combustibles para justificar este tipo de sistemas, haciendo CAES adiabticas demasiado costosos para uso comercial.

Estudios ms recientes, sin embargo, sugieren que las nuevas tecnologas de los TES, junto con mejoras en los sistemas de compresor y turbina pueden hacer la llamada avanzada tecnologa adiabticas CAES (AA-CAES) econmicamente viable (ver cuadro). Uno de esos conceptos AA-CAES con una alta eficiencia y una turbina de alta capacidad TES, logra una eficiencia de ida y vuelta de aproximadamente 70%, sin consumo de combustible (vase la Figura 14). Pero debe tenerse en cuenta que el aumento de la eficiencia de los sistemas adiabticos sobre la compresin de mltiples etapas con intercoolers (refrigeracin intermedia) es pequea, y tanto el consumo de combustible como las emisiones de GEI para los sistemas elica/CAES ya son muy modestos.

Conceptos principales de Almacenamiento de Energa Trmica para AA-CAESTES slidos

ConceptoLecho de Roca Derivada Cowpermuros de hormignLosas de Hierro fundido Materiales hbridos cambio de fase

ContactoDirectoDirectoDirectoDirectoDirecto

Materiales de AlmacenamientoPiedra NaturalHormignCermicaHierro fundidosal de cermica

TES lquidos

ConceptDos Tanques Un Tanque TermoclinaAire lquido

ContactoIndirectoIndirectoIndirecto

Materiales de AlmacenamientoEl nitrato de sal, aceite mineralEl nitrato de sal, aceite mineralEl nitrato de sal, aceite mineral

Tecnologas de almacenamiento elegidas en base a la capacidad de entregar de 120 a 1200 MWh (trmicos), manteniendo una alta consistencia de temperatura de salida, y para abarcar rango completo de temperatura (50 a 600 C)

Otra propuesta es el uso de los combustibles derivados de la biomasa para calentar el aire retirado del depsito de almacenamiento. Esto podra reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y para desacoplar la economa de la planta de las fluctuaciones de precios del combustible. Tambin puede permitir que CAES se ejecute con combustible de produccin local, lo que facilita el uso de los cultivos energticos en reas remotas ricas en potencial elico y elimina la necesidad de los suministros de gas natural. Sin embargo, como en el caso adiabtico, los beneficios de las emisiones seran pequeos debido a que el nivel de las emisiones de sistemas elico/CAES ya es bastante bajo (~ 2/3 la tasa de una planta de carbn IGCC [gasificacin integrada en ciclo combinado] con CCS [almacenamiento de la captura de carbono]). Por otra parte, una planta de biocombustibles dedicada a un sistema elico/CAES requerira el almacenamiento de combustible debido a los biocombustibles deben producirse en plantas de gran escala que van a toda mquina con el fin de ser rentable, mientras que los factores de capacidad de expansin para CAES de respaldo de elica, suelen ser modestos.

Figura14

Una variante CAES propuesta para aplicaciones de elica es reemplazar el generador elctrico de la gndola por un compresor compacto. Esto permitira generar aire comprimido directamente a la turbina elica, eliminando de ese modo dos procesos de conversin de energa. Sin embargo, las prdidas reducidas del potencial descenso en costo de capital de la turbina tendran que compensar el coste de capital adicional de los compresores compactos y el coste considerable de la red de tuberas de alta presin que se necesita para transportar el aire comprimido de cada turbina al depsito de almacenamiento.

En contraste con la opcin de acoplar elica intermitente a CAES para obtener electricidad de base, CAES tambin puede estar acoplado a sistemas de energa de carga base para facilitar el uso de tales sistemas para proporcionar seguimiento de carga y/o picos de energa (la funcin prevista originalmente para CAES) -por ejemplo, mediante el acoplamiento de CAES a una planta GICC de carbn.

Mejorar la turbomaquinaria CAES es un rea prometedora de innovacin. Las temperaturas de funcionamiento de la turbina CAES pueden ser mayores, aumentando de este modo su eficiencia mediante la introduccin de tecnologas de refrigeracin de labes de turbina desplegadas de forma rutinaria en las turbinas de gas convencionales, pero no en unidades CAES comerciales. Otros conceptos avanzados CAES incluyen varios esquemas de humidificacin y de inyeccin de vapor que se pueden usar para aumentar la potencia de salida de un sistema y reducir los requisitos de almacenamiento. El ciclo combinado CAES es todava otra opcin que permite a un sistema generar electricidad incluso cuando el depsito de almacenamiento de aire comprimido est agotado.

Un diseo reciente de sistema CAES hbrido incorpora una turbina de combustin estndar en lugar de la cadena de turbo expansin en un diseo tradicional CAES. El aire retirado del depsito de almacenamiento es calentado por un recuperador en el escape de la turbina en lugar de calentado por cmaras de combustin como ocurre en una planta de CAES convencional. El aire calentado se inyecta entonces en la turbina para aumentar la produccin. El uso de la tecnologa comercial y la eliminacin de las cmaras de combustin podran reducir el costo de capital sustancialmente y proporcionar una opcin de bajo riesgo para la pronta adopcin de almacenamiento masivo.

Aunque es posible que los nuevos conceptos CAES supondrn importantes cambios en la forma como funciona el almacenamiento de aire y la forma en que la energa elica se almacena, mejoras de rendimiento y de coste son ms propensos a surgir en el corto plazo, como resultado de las mejoras marginales en diseos CAES existentes como resultado de aprender mientras se va haciendo. Por lo tanto, despus del lanzamiento de la tecnologa al mercado, los costos de nuevas tecnologas como CAES se puede esperar que disminuya a un ritmo ms rpido que las tecnologas maduras y ms rpidamente en base a tasas ms rpidas de desarrollo. Este fenmeno es un buen augurio para elica/CAES como una opcin de energa de carga base de mitigacin del cambio climtico si hay una manera de obtener una pronta experiencia sustancial en el mercado.

Conclusiones

Tradicionalmente, la tecnologa CAES se ha utilizado para aplicaciones de soporte de operaciones de la red, como el control de regulacin y desplazamiento de la carga, pero una nueva e importante oportunidad que es especialmente relevante para las restricciones del mundo del carbono es lograr la explotacin de los grandes recursos elicos intermitentes que estn, a menudo, alejadas de los principales centros de demanda de electricidad. CAES parece tener muchas de las caractersticas necesarias para transformar el viento en un pilar de la produccin mundial de electricidad.

El apoyo a la elica para producir una carga base de salida requiere cortos tiempos de respuesta para adaptarse a las fluctuaciones de la potencia en el compresor y en la carga de la turbina. La capacidad de un CAES a la rampa de salida de forma rpida y proporcionar un funcionamiento a carga parcial eficiente hace que sea especialmente adecuado para el equilibrio de tales fluctuaciones (caractersticas clave de rendimiento que no se llaman a menudo en las plantas existentes CAES que simplemente almacenan electricidad a bajo costo fuera de horas punta para utilizar cuando la electricidad es ms valiosa).

Los requisitos de volumen de almacenamiento de aire se traducen en una huella geolgica que comprende ~ 15% de la superficie terrestre del parque elico, por lo que CAES ejercer un impacto relativamente limitado en el uso del suelo y la ecologa. La amplia disponibilidad de geologa potencialmente adecuado en las zonas ricas en viento apunta a CAES como una tecnologa adecuada para la toma de energa de carga base a partir de elica (haciendo as factible el proporcionar la energa elica en las penetraciones de la red elctrica superiores a las tasas de 20% que son factibles sin almacenamiento). Y, en la medida en que las regiones ricas en viento estn alejadas de los principales mercados de la electricidad, como energa de carga base puede a menudo ser entregado mercados distantes a travs de lneas de transmisin de alto voltaje, a costos atractivos.

CAES acufero parece ser la geologa de almacenamiento ms adecuado para elica/CAES en los Estados Unidos basado en el potencial de los bajos costes de desarrollo y porque las regiones con geologas de rocas porosas estn fuertemente correlacionadas con las regiones del pas, en tierra, ricas en viento. La tecnologa CAES acufero se ha estudiado durante casi tres dcadas, pero la primera planta comercial fue anunciada formalmente recientemente. Sin embargo, una gran cantidad de experiencia comercial se puede extraer de la industria de almacenamiento de gas natural que utiliza geologas similares a los necesarios para CAES para satisfacer fluctuaciones estacionales de la demanda de calefaccin. Las metodologas para la evaluacin de los depsitos de almacenamiento de gas natural se han demostrado directamente aplicables a los desarrollos CAES acufero, pero deben ser tenidos en cuenta varias diferencias en el uso de metano y aire como fluidos de almacenamiento.

Se debe tener cuidado para caracterizar cuidadosamente la mineraloga local, las poblaciones de bacterias existentes y mecanismos de corrosin pertinentes para anticipar y prevenir problemas derivados de la introduccin de aire en los medios porosos subterrneos. Los mtodos para la mitigacin de los impactos de estos factores, como la deshidratacin de aire, filtracin de partculas, y la aplicacin de biocidas podran ayudar a ampliar el nmero de sitios adecuados. A pesar de los diversos problemas que deben ser considerados, obviamente no disminuyen las opciones CAES como un fuerte candidato para el almacenamiento de energa a gran escala.

Cuantificar el potencial de pleno despliegue de CAES requerir caracterizaciones ms detalladas de las formaciones rocosas porosas existentes y la experiencia operacional de mltiples plantas que operen en una amplia variedad de condiciones geolgicas.