Un grupo de investigación de la Universidad de Energía Eléctrica del Noreste de China ha propuesto un novedoso sistema de almacenamiento de energía por aire comprimido adiabático avanzado (AA-CAES).
El sistema propuesto utiliza una carga pesada, una bolsa de aire elástica y un pozo de mina vertical abandonado, transformando el AA-CAES en un sistema isobárico asistido por gravedad, donde la presión permanece constante.
«Mediante el diseño de un novedoso depósito isobárico de almacenamiento de aire, el sistema consigue un funcionamiento isobárico», explican los investigadores. «Se utiliza un pozo vertical de mina abandonado como depósito de almacenamiento de aire para maximizar el uso del terreno. Además, al finalizar la fase de descarga, el aire almacenado puede expulsarse por completo, lo que mejora la densidad de almacenamiento de energía».
El sistema fue simulado utilizando el software MATLAB para análisis energético, exergético y económico. Utiliza el exceso de energía proveniente de sistemas fotovoltaicos, eólicos o de la red para accionar un compresor. Este, a su vez, convierte la atmósfera ambiente en aire a alta presión, que luego se almacena en un reservorio de almacenamiento de aire (ASR). El proceso involucra cinco etapas de compresión secuencial para reducir el consumo de energía, acompañadas por cinco intercambiadores que capturan el calor generado durante la compresión. El ASR incluye un pozo de mina vertical abandonado, una carga pesada y una bolsa de aire elástica.
La bolsa de aire elástica se colocó en el fondo del pozo de mina, mientras que la carga pesada se instaló encima de la bolsa. Durante la fase de carga, la válvula V1 se abre y la válvula V2 se cierra, con el aire a alta presión entrando en la bolsa, lo cual incrementa el volumen de la bolsa y su altura. Sin embargo, debido al peso constante de la carga pesada y a la constante área de contacto entre la carga y la bolsa, el nivel de presión de la bolsa permanece inalterado durante la operación de carga, logrando así un proceso de carga isobárico.
Diagrama de transferencia de exergía.
Imagen: Universidad de Energía Eléctrica del Noreste, Case Studies in Thermal Engineering, CC BY 4.0
«Una vez finalizado el procedimiento de carga y alcanzado el volumen máximo previsto, el airbag está completamente cargado, lo que simboliza el cumplimiento de su capacidad máxima diseñada. Durante la fase de descarga, la válvula V2 se abre y la válvula V1 se cierra. Con la acción de la energía potencial gravitacional de la carga pesada, el aire es expulsado del airbag. Por el mismo principio mencionado anteriormente, se puede conseguir un proceso de descarga isobárica del aire. El airbag está totalmente descargado cuando su volumen alcanza el valor mínimo diseñado y el proceso de descarga finaliza», explican los científicos.
Los simulacros asumieron una temperatura ambiente de 25 °C y una presión ambiente de 0,1 MPa. La densidad de la carga pesada se estableció en 7.870 kg/m³, con el compresor consumiendo 5.880,82 kW. Los precios del sistema se basaron en el índice de costos de plantas de ingeniería química (CEPCI): el precio de la electricidad durante el periodo de descarga fue de 0,18 dólares/kWh, el precio de la carga pesada fue de 0,1 dólares/kg, el precio del agua caliente fue de 0,018 dólares/kWh, y el precio de la electricidad durante el periodo de carga fue de 0,04 dólares/kWh. Se asumió que el sistema opera 350 días al año con una vida útil de 25 años.
El análisis mostró que la eficiencia energética (ENE) fue del 87,1 %, la eficiencia exergética fue del 70,07 %, la densidad de almacenamiento de energía en aire fue de 2,68 kWh/m³, y la densidad de almacenamiento de energía por espacio ocupado se calculó en 2,29 kWh/m³. La turbina y el compresor experimentan las mayores pérdidas de exergía, representando el 35,21 % y el 30,98 % de las pérdidas totales de exergía del sistema, respectivamente; mientras que el intercambiador y el intercalentador tienen una eficiencia exergética inferior, con las más bajas del 63,54 % y 50,60 %, respectivamente.
Además, los resultados del análisis económico revelaron un costo nivelado de energía (LCOE) de 0,0804 dólares/kWh. El valor presente neto (VPN) se calculó en 1,6 millones de dólares, con una tasa interna de retorno (TIR) del 17,93 % y un período de recuperación dinámica (DPP) de 8,36 años. Los resultados se han publicado en “3E analysis and multi-objective optimization of a novel isobaric compressed air energy storage system with a gravity-enhanced air storage reservoir” (Análisis 3E y optimización multiobjetivo de un nuevo sistema isobárico de almacenamiento de energía de aire comprimido con un depósito de almacenamiento de aire mejorado por gravedad), publicado en Case Studies in Thermal Engineering.
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