miniatura|Un dipòsit d'aire a pressió utilitzat per engegar un grup electrogen dièsel al metro de París L'emmagatzematge d'energia per aire comprimit (CAES) és una manera d'emmagatzemar energia per a un ús posterior mitjançant aire comprimit. A escala de servei públic, l'energia generada durant períodes de baixa demanda es pot alliberar durant períodes de càrrega màxima.
El primer projecte CAES a escala d'utilitat va ser a la central elèctrica de Huntorf a Elsfleth, Alemanya, i encara està operatiu el 2024. La planta de Huntorf es va desenvolupar inicialment com a equilibrador de càrrega per a l'electricitat generada per combustibles fòssils, però el canvi global cap a les energies renovables va renovar l'interès pels sistemes CAES, per ajudar les fonts d'energia altament intermitents com la fotovoltaica i l'eòlica a satisfer les demandes fluctuants d'electricitat.
Un repte continu en el disseny a gran escala és la gestió de l'energia tèrmica, ja que la compressió de l'aire provoca un augment de temperatura no desitjat que no només redueix l'eficiència operativa, sinó que també pot provocar danys. La principal diferència entre diverses arquitectures rau en l'enginyeria tèrmica. D'altra banda, els sistemes a petita escala s'han utilitzat durant molt de temps per a la propulsió de locomotores sense motor de combustió. A diferència de les bateries tradicionals, els sistemes d'aire comprimit poden emmagatzemar energia durant períodes de temps més llargs i requereixen menys manteniment.
Tipus miniatura|L'energia d'una font com la llum solar s'utilitza per comprimir l'aire, donant-li energia potencial. L'energia potencial emmagatzemada es converteix posteriorment en electricitat que s'afegeix a la xarxa elèctrica, fins i tot quan la font d'energia original no està disponible. La compressió de l'aire crea calor; l'aire és més calent després de la compressió. L'expansió elimina calor. Si no s'afegeix calor addicional, l'aire serà molt més fred després de l'expansió. Si la calor generada durant la compressió es pot emmagatzemar i utilitzar durant l'expansió, l'eficiència de l'emmagatzematge millora considerablement. Hi ha diverses maneres en què un sistema CAES pot tractar la calor. L'emmagatzematge d'aire pot ser adiabàtic, diabàtic, isotèrmic o quasi isotèrmic.
Adiabàtic L'emmagatzematge adiabàtic continua emmagatzemant l'energia calorífica produïda per la compressió i la retorna a l'aire a mesura que s'expandeix per generar energia. Aquest és un tema d'un estudi en curs, sense plantes a escala de servei públic a partir del 2015. L'eficiència teòrica de l'emmagatzematge adiabàtic s'acosta al 100% amb un aïllament perfecte, però a la pràctica, s'espera que l'eficiència d'anada i tornada sigui del 70%. La calor es pot emmagatzemar en un sòlid com el formigó o la pedra, o en un fluid com l'oli calent (fins a 300 °C) o solucions de sals foses (600 °C). Emmagatzemar la calor en aigua calenta pot produir una eficiència al voltant del 65%.
S'han proposat llits compactats com a unitats d'emmagatzematge tèrmic per a sistemes adiabàtics. Un estudi va simular numèricament un sistema d'emmagatzematge d'energia d'aire comprimit adiabàtic mitjançant l'emmagatzematge d'energia tèrmica en llit compactat. L'eficiència del sistema simulat en funcionament continu es va calcular entre el 70,5% i el 71%.
Els avenços en la CAES adiabàtica impliquen el desenvolupament de sistemes d'emmagatzematge d'energia tèrmica d'alta eficiència que capturen i reutilitzen la calor generada durant la compressió. Aquesta innovació ha portat a eficiències del sistema superiors al 70%, significativament superiors a les dels sistemes diabàtics tradicionals.
Diabàtic L'emmagatzematge diabàtic dissipa gran part de la calor de compressió amb intercoolers (acostant-se així a la compressió isotèrmica) a l'atmosfera com a residu, essencialment malgastant l'energia utilitzada per realitzar el treball de compressió. En retirar-lo de l'emmagatzematge, la temperatura d'aquest aire comprimit és l'únic indicador de la quantitat d'energia emmagatzemada que roman en aquest aire. En conseqüència, si la temperatura de l'aire és massa baixa per al procés de recuperació d'energia, l'aire s'ha de reescalfar substancialment abans de l'expansió a la turbina per alimentar un generador. Aquest reescalfament es pot aconseguir amb un cremador de gas natural per a l'emmagatzematge de grau utilitari o amb una massa metàl·lica escalfada. Com que la recuperació sovint és més necessària quan les fonts renovables estan inactives, el combustible s'ha de cremar per compensar la calor perduda. Això degrada l'eficiència del cicle d'emmagatzematge-recuperació. Si bé aquest enfocament és relativament senzill, la crema de combustible augmenta el cost de l'energia elèctrica recuperada i compromet els beneficis ecològics associats a la majoria de les fonts d'energia renovables. No obstant això, això és fins ara... l'únic sistema que s'ha implementat comercialment.
La planta CAES de McIntosh, Alabama, requereix 2,5 MJ d'electricitat i 1,2 MJ de poder calorífic inferior (PCI) del gas per cada MJ de producció d'energia, corresponent a una eficiència de recuperació d'energia d'aproximadament el 27%. Una planta de cicle combinat 7FA 2x1 de General Electric, una de les plantes de gas natural més eficients en funcionament, utilitza 1,85 MJ (PCI) de gas per MJ generat, una eficiència tèrmica del 54%.
Per millorar l'eficiència dels sistemes CAES diabàtics, els dissenys moderns incorporen unitats de recuperació de calor que capturen la calor residual durant la compressió, reduint així les pèrdues d'energia i millorant el rendiment general.
Isotèrmic Els mètodes de compressió i expansió isotèrmiques intenten mantenir la temperatura de funcionament mitjançant un intercanvi constant de calor amb l'entorn. En un compressor alternatiu, això es pot aconseguir mitjançant un pistó amb aletes i velocitats de cicle baixes. Actual Els reptes en els intercanviadors de calor eficaços fan que només siguin pràctics per a nivells baixos de potència. L'eficiència teòrica de l'emmagatzematge d'energia isotèrmica s'acosta al 100% per a una transferència de calor perfecta al medi ambient. A la pràctica, cap d'aquests cicles termodinàmics perfectes s'obté, ja que algunes pèrdues de calor són inevitables, cosa que porta a un procés gairebé isotèrmic. Els desenvolupaments recents en intercanviadors de calor isotèrmics amb energia (CAES) se centren en tècniques i materials avançats de gestió tèrmica que mantenen temperatures de l'aire constants durant la compressió i l'expansió, minimitzant les pèrdues d'energia i millorant l'eficiència del sistema.
Quasi isotermal La compressió (i expansió) quasi isotèrmica és un procés en què un gas es comprimeix molt a prop d'una gran massa tèrmica incompressible, com ara una estructura que absorbeix i allibera calor (HARS) o un esprai d'aigua. Un HARS sol estar format per una sèrie d'aletes paral·leles. A mesura que el gas es comprimeix, la calor de la compressió es transfereix ràpidament a la massa tèrmica, de manera que la temperatura del gas s'estabilitza. Aleshores s'utilitza un circuit de refrigeració extern per mantenir la temperatura de la massa tèrmica. L'eficiència isotèrmica (Z) és una mesura d'on es troba el procés entre un procés adiabàtic i un isotèrmic. Si l'eficiència és del 0%, aleshores és totalment adiabàtic; amb una eficiència del 100%, és totalment isotèrmic. Normalment, amb un procés quasi isotèrmic, es pot esperar una eficiència isotèrmica del 90-95%.
Sistemes CAES híbrids Els sistemes híbrids d'emmagatzematge d'energia per aire comprimit (H-CAES) integren fonts d'energia renovables, com l'energia eòlica o solar, amb la tecnologia CAES tradicional. Aquesta integració permet l'emmagatzematge de l'excés d'energia renovable generat durant períodes de baixa demanda, que es pot alliberar durant la demanda màxima per millorar l'estabilitat de la xarxa i reduir la dependència dels combustibles fòssils. Per exemple, la planta CAES d'Apex a Texas combina energia eòlica amb CAES per proporcionar una producció d'energia constant, abordant la intermitència de les fonts d'energia renovables.
Compressors i expansors La compressió es pot fer amb turbocompressors elèctrics i l'expansió amb turboexpansors o motors d'aire que accionen generadors elèctrics per produir electricitat.
Emmagatzematge Els recipients d'emmagatzematge d'aire varien en les condicions termodinàmiques d'emmagatzematge i en la tecnologia utilitzada:
Emmagatzematge de volum constant (cavernes extretes per dissolució, recipients sobre el terra, aqüífers, aplicacions d'automoció, etc.) Emmagatzematge a pressió constant (recipients a pressió subaquàtics, emmagatzematge híbrid d'hidràulica/aire comprimit bombat)
Impacte ambiental Els sistemes CAES sovint es consideren una alternativa respectuosa amb el medi ambient a altres tecnologies d'emmagatzematge d'energia a gran escala a causa de la seva dependència de recursos naturals, com ara cavernes de sal per a l'emmagatzematge d'aire i aire ambient com a medi de treball. A diferència de les bateries d'ions de liti, que requereixen l'extracció de recursos finits com el liti i el cobalt, els CAES tenen una petjada ambiental mínima durant el seu cicle de vida.
Història Des del 1870 s'han construït sistemes d'energia d'aire comprimit per a tota la ciutat per subministrar energia mecànica directament mitjançant aire comprimit. Ciutats com París, França; Birmingham, Anglaterra; Dresden, Rixdorf i Offenbach, Alemanya; i Buenos Aires, Argentina, van instal·lar aquests sistemes. Victor Popp va construir els primers sistemes per alimentar rellotges enviant un pols d'aire cada minut per canviar els seus braços d'agulla. Van evolucionar ràpidament per subministrar energia a les llars i les indústries. El 1896, el sistema de París tenia 2,2 MW de generació distribuïts a 550 kPa en 50 km de canonades d'aire per a motors de la indústria lleugera i pesant. El consum es mesurava en metres cúbics. Els sistemes eren la principal font d'energia subministrada a les llars en aquells dies i també alimentaven les màquines de dentistes, modistes, impremtes i fleques.
Projectes El 2009, el Departament d'Energia dels Estats Units va atorgar 24,9 milions de dòlars en fons equivalents per a la primera fase d'un projecte de 300MW, instal·lació de 356 milions de dòlars de Pacific Gas and Electric Company utilitzant una formació rocosa porosa salina que s'està desenvolupant prop de Bakersfield, al comtat de Kern, Califòrnia. Els objectius del projecte eren construir i validar un disseny avançat.
El 2010, el Departament d'Energia dels Estats Units va proporcionar 29,4 milions de dòlars en finançament per dur a terme treballs preliminars en un projecte de 150 MW basat en la sal que estava desenvolupant Iberdrola USA a Watkins Glen, Nova York. L'objectiu és incorporar tecnologia de xarxa intel·ligent per equilibrar les fonts d'energia intermitents renovables.
El primer projecte adiabàtic, una instal·lació de 200 megawatts anomenada ADELE, es va planejar per a la seva construcció a Alemanya (2013) amb un objectiu d'una eficiència del 70% utilitzant 600 °C (1.112 °F) aire a 100 bars de pressió. Aquest projecte es va ajornar per raons no revelades fins almenys el 2016.
Storelectric Ltd tenia previst construir una planta pilot d'energia 100% renovable de 40 MW a Cheshire, Regne Unit, amb 800 MWh de capacitat d'emmagatzematge (2017).
Hydrostor va completar el primer sistema A-CAES comercial a Goderich, Ontario, subministrant servei amb emmagatzematge de 2,2 MW / 10 MWh a la xarxa elèctrica d'Ontario (2019). Va ser el primer sistema A-CAES a aconseguir un funcionament comercial en dècades.