Investigadores de la Universidad Dongguk de Corea del Sur han diseñado un sistema autónomo de almacenamiento de energía en aire líquido (LAES, por sus iniciales en inglés) que, según se informa, demuestra mejoras significativas tanto en eficiencia energética como en rendimiento económico en comparación con los LAES convencionales.
«Los sistemas LAES han despertado un gran interés en el sector del almacenamiento de energía por su alta densidad energética y su independencia geográfica», explica Jinwoo Park, autor principal de la investigación, a pv magazine. «Sin embargo, una limitación importante de estos sistemas es su eficiencia de ida y vuelta relativamente baja en comparación con otros sistemas de almacenamiento de energía, como el almacenamiento hidroeléctrico por bombeo (PHS) y el almacenamiento de energía por aire comprimido (CAES)».
Según Park, aunque estudios anteriores han explorado la mejora de la eficiencia de ida y vuelta de los sistemas LAES mediante la integración de sistemas térmicos externos o el uso de combustibles externos, persisten varios retos críticos.
«En primer lugar, la integración del sistema LAES con sistemas térmicos externos requiere centrales térmicas o instalaciones industriales adyacentes», añadió. «Este requisito limita la ventaja inherente de los sistemas LAES, que es su capacidad de instalación y funcionamiento independientes. En segundo lugar, la integración con sistemas térmicos criogénicos y de alta temperatura, esencial para maximizar la eficiencia de los sistemas LAES, puede restringir la capacidad de reutilizar el calor para otras aplicaciones, ya que estos sistemas suelen depender del calor residual para mejorar su eficiencia. Por último, el uso de combustibles externos está asociado a las emisiones de CO2, a pesar de que puede mejorar la eficiencia de los sistemas LAES. Muchos estudios pasan por alto estas emisiones asociadas, que pueden provocar problemas medioambientales y suponer un obstáculo importante para el desarrollo de sistemas energéticos sostenibles».
En el artículo «Liquid air energy storage system with oxy-fuel combustion for clean energy supply: Comprehensive energy solutions for power, heating, cooling, and carbon capture» (Sistema de almacenamiento de energía de aire líquido con combustión de oxicombustible para suministro de energía limpia: Soluciones energéticas integrales para energía, calefacción, refrigeración y captura de carbono), publicado en Applied Energy, Park y sus colegas explican que el sistema propuesto mejora la eficiencia al aumentar la potencia de salida mediante la generación de energía térmica utilizando gas natural como combustible externo durante la liberación de energía. Se emplea el método de oxicombustión para generar energía térmica y una unidad criogénica de separación de aire (ASU) separa una parte del aire líquido almacenado en nitrógeno y oxígeno. El oxígeno separado se utiliza entonces como agente oxidante en la reacción de combustión. Además, pueden obtenerse beneficios económicos vendiendo el nitrógeno producido como subproducto.
«Los gases de combustión generados en el proceso de oxicombustión se deshumidifican para facilitar la captura eficaz de CO2», explica Park. «Además, el calor generado durante el proceso de compresión del aire se almacena en un fluido térmico y se utiliza posteriormente para calefacción y refrigeración directas mediante el ciclo de refrigeración por absorción (ARC)».
El grupo de investigación realizó un análisis energético y económico del sistema y comparó su rendimiento con el de un sistema LAES convencional; ambos sistemas se diseñaron con capacidad para almacenar 100 MW de potencia. Durante el modo de descarga, el sistema convencional generaba 51,41 MW, mientras que el sistema propuesto puede producir 118,19 MW, lo que representa una mejora del 129,9% respecto al sistema convencional. Además, el sistema propuesto puede suministrar 38,64 MW para calefacción y 81,07 MW para refrigeración. Aunque la eficiencia exergética del sistema propuesto es un 1,32% inferior a la del sistema convencional, esta disminución se ve compensada por una mejora significativa de su eficiencia de ida y vuelta, que es un 56,7% superior.
«El rendimiento global del sistema propuesto es superior, sobre todo por su mayor potencia y eficiencia de ida y vuelta», afirma Park. «Estas mejoras ponen de relieve que el sistema propuesto tiene potencial para un almacenamiento y una utilización más eficientes de la energía, lo que lo convierte en una solución prometedora para futuras necesidades energéticas».
El equipo de investigación también descubrió que el costo total del sistema convencional es de 553,65 millones de dólares, mientras que las ventas totales de energía son de 245,08 millones, lo que arroja un balance de costos negativo. Además, el valor actual neto (VAN) es negativo, 258,34 millones de dólares, lo que indica que el sistema no es económicamente viable. Según los científicos, esto se debe principalmente a la baja eficiencia del sistema, que hace que los costos de explotación superen a las ventas debido a una producción de energía insuficiente en relación con el consumo. Por el contrario, el sistema propuesto tiene un costo total de 832,20 millones de dólares y unas ventas totales de 1.708,38 millones, lo que arroja un balance de costos positivo.
«El sistema propuesto demuestra un VAN económicamente viable de 636,51 millones de dólares y una tasa interna de rentabilidad (TIR) del 25,67%», añadió Park. «Los costos totales del sistema propuesto aumentaron un 47,58% en comparación con el sistema convencional. En concreto, los costos de capital aumentaron significativamente un 71,55% debido a varios factores: la mayor potencia de las turbinas, las modificaciones del sistema de intercambio de calor para mejorar la eficiencia y la instalación de equipos adicionales. Los costos de explotación también aumentaron un 37,01% debido al uso adicional de gas natural como combustible externo. A pesar de estos aumentos de costos, las ventas de electricidad se duplicaron con creces gracias a las importantes mejoras en la eficiencia del sistema. Además, los ingresos adicionales procedentes de las ventas de nitrógeno, así como de los suministros de refrigeración y calefacción, contribuyeron a un notable aumento del 597,07 % en las ventas totales».
Según el grupo de investigación, el novedoso sistema resuelve eficazmente las limitaciones detectadas en estudios anteriores, como los retos en la integración de otros sistemas térmicos y el uso de combustibles externos. En concreto, supera las limitaciones de los métodos de integración térmica existentes, que dependen de centrales térmicas o instalaciones industriales específicas, y resuelve las emisiones de CO2 asociadas al uso de combustibles externos.
«En conclusión, el sistema LAES propuesto representa una tecnología prometedora para el futuro suministro de energía sostenible y se espera que ofrezca valiosos conocimientos para desarrollar sistemas energéticos eficientes que permitan alcanzar una sociedad neutra en carbono», afirmó Park.
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