Un equipo de investigación de la Universidad Tecnológica de Hunan, en China, analizó las tasas de almacenamiento de energía en cavernas de almacenamiento de energía con aire comprimido (CAES, por sus siglas en inglés) bajo distintos procesos de inyección de aire.

La investigación buscó determinar cómo diferentes estrategias de inyección de aire afectan el comportamiento termodinámico y el desempeño del almacenamiento de energía de las cavernas CAES, teniendo en cuenta la transferencia de calor durante el transporte del aire a través del pozo y el intercambio térmico entre la caverna y la roca circundante. Los investigadores trataron de identificar parámetros operativos y estructurales que pudieran mejorar las tasas de almacenamiento de energía y proporcionar orientaciones para el diseño y la operación de sistemas CAES subterráneos.

Los investigadores desarrollaron un modelo numérico de un sistema CAES compuesto por pozo y caverna que tiene en cuenta el flujo turbulento, las propiedades termofísicas del aire real, la transferencia de calor conjugada gas-sólido y la conducción térmica en la roca circundante.

“En comparación con los modelos termodinámicos convencionales de parámetros concentrados, el modelo propuesto puede describir la evolución espacialmente no uniforme del campo de temperaturas, el campo de presiones y la pérdida de calor a través de las paredes en el interior de la caverna”, afirmó el grupo. “En comparación con los modelos de dinámica de fluidos computacional (CFD) en los que los límites de inyección y descarga se establecen directamente en la entrada de la caverna, este estudio también considera las variaciones del estado termodinámico del aire durante su transporte por el pozo y su acoplamiento con los procesos de flujo y transferencia de calor de la caverna”.

Los científicos construyeron un modelo numérico que resolvió ecuaciones de conservación de la masa, el momento y la energía del aire. Utilizaron un modelo estándar de turbulencia k–ε y calcularon la transferencia de calor a través del pozo y de las paredes de la caverna hacia la roca circundante.

Validaron el modelo con datos operativos de la planta CAES de Huntorf, en Alemania, representando su caverna como un cilindro simplificado con un radio de 20 metros y una altura de 112,2 metros. Las diferencias máximas entre los valores simulados y los medidos fueron de 2,66 K para la temperatura y de 0,30 MPa para la presión, valores que los investigadores calificaron de “aceptables”.

Para las simulaciones posteriores, los investigadores modelaron una caverna esférica con un radio de 40 metros y un volumen de 268.000 m³, conectada a un pozo de 30 metros.

Compararon cuatro patrones de inyección de aire: un caudal que aumentaba linealmente de 10 kg/s a 150 kg/s; un caudal de 110 kg/s durante cinco horas seguido de 30 kg/s durante tres horas; una inyección intermitente con pausas y caudales progresivamente mayores; y un caudal constante de 80 kg/s. Cada patrón inyectó la misma masa total de aire durante ocho horas.

En simulaciones independientes, los investigadores compararon diámetros de pozo de 0,5 metros, 1,0 metros, 1,5 metros y 2,0 metros. También probaron conductividades térmicas de la roca circundante correspondientes al basalto, de 2,17 W/(m·K); al granito, de 2,90 W/(m·K); y a la cuarcita, de 5,53 W/(m·K).

“Entre las distintas estrategias de inyección de aire, el modo de caudal másico con aumento lineal incrementa la temperatura media en 1 K, la presión media en 0,13 MPa, el trabajo realizado sobre el gas en aproximadamente un 12,7% y la pérdida de calor a través de las paredes hacia la roca circundante en aproximadamente un 11%, en comparación con el modo de inyección a caudal másico constante”, señalaron los investigadores. “La tasa de almacenamiento de energía aumenta del 85,5% con el modo de inyección constante al 87,5% con el modo de inyección de aumento lineal”.

Los investigadores también descubrieron que el diámetro del pozo es un parámetro estructural importante que afecta las pérdidas de calor durante el transporte del aire. El aumento del diámetro de 0,5 metros a 2,0 metros redujo la pérdida de calor a través de la pared del pozo de 8,5 × 10^8 J a 2,5 × 10^8 J, al tiempo que elevó la temperatura media del aire en la caverna en aproximadamente 1 K.

“Cuando la roca circundante cambia de basalto, con una conductividad térmica de 2,17 W/(m·K), a cuarcita, con una conductividad térmica de 5,53 W/(m·K), la pérdida de calor por conducción aumenta aproximadamente un 7%”, señaló el equipo. “Al final de la inyección de aire, el modelo adiabático sobreestima la temperatura y la presión medias en 1,7 K y 0,05 MPa, respectivamente. Al final de la descarga de aire, las correspondientes sobreestimaciones son de 2,2 K y 0,06 MPa, respectivamente”.

Los investigadores presentaron sus resultados en “Analysis of energy storage rate in compressed air energy storage caverns under different air injection processes” (Análisis de la tasa de almacenamiento de energía en cavernas de almacenamiento de energía con aire comprimido bajo diferentes procesos de inyección de aire), publicado en Case Studies in Thermal Engineering.