Banco de pruebas para sistemas de almacenamiento de energía por aire comprimido en superficie

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Investigadores canadienses han analizado el rendimiento de un sistema de almacenamiento de energía por aire comprimido (CAES, por sus iniciales en inglés) sobre el suelo mediante un montaje experimental y un modelo numérico. Un enfoque de estado cuasi estable para el modelado del sistema fue capaz de predecir diferentes parámetros de la configuración experimental con un error medio porcentual absoluto (MAPE) de menos del 4%.

«Este estudio parte de la hipótesis de que el desarrollo de un banco de pruebas totalmente instrumentado y de un modelo numérico avanzado, que integre las propiedades reales del aire y tenga en cuenta la dinámica de la transferencia de calor, mejorará significativamente la capacidad del modelo para representar el comportamiento real de los sistemas CAES minimizando los errores», explicaron. «Se plantea además la hipótesis de que este modelo mejorado permitirá un análisis paramétrico detallado, que ayudará a identificar oportunidades específicas de mejora del sistema».

La CAES puede ayudar a aprovechar la naturaleza intermitente de la energía solar, ya que puede almacenar aire comprimido en épocas de excedente de producción y liberarlo en épocas de déficit. Mientras que la CAES subterránea puede utilizarse a escala de red, un sistema en superficie es más flexible, aunque la investigación al respecto está menos madura.

«El sistema CAES funciona de la siguiente manera: durante los periodos de excedente energético, la electricidad se utiliza para alimentar un motor que acciona un compresor. Este compresor comprime el aire ambiente en un depósito de almacenamiento», explican los académicos. «Cuando hay demanda de electricidad, el aire comprimido del depósito se libera y se dirige a una turbina. La turbina convierte la energía de presión del aire en movimiento rotatorio, que se utiliza para accionar un generador y producir electricidad».

El montaje experimental creado por los científicos incluía un compresor de 45 kW, una unidad de control, un secador de adsorción y 20 depósitos con un volumen combinado de 5,86 m3. A partir de los resultados obtenidos del funcionamiento de este sistema y de la bibliografía revisada, los científicos crearon un modelo para predecir su funcionamiento, utilizando un enfoque de estado cuasi estacionario.

«El enfoque de estado cuasi estacionario modela la dinámica transitoria del sistema, dividiendo los cálculos en intervalos más pequeños caracterizados por condiciones de estado estacionario», explicó el grupo. «Este método nos permite considerar los cambios en las condiciones ambientales a lo largo del tiempo, proporcionando una simulación dinámica de la respuesta del sistema, lo que supone una mejora respecto a los supuestos de estado estacionario utilizados en otros estudios revisados».

El modelo se siguió calibrando y alcanzó un MAPE que oscilaba entre el 0,21% y el 3,58% en sus 13 parámetros. «Con valores de MAPE sistemáticamente inferiores al 4,0%, se genera confianza en la capacidad del modelo para simular con precisión la dinámica del sistema, lo que proporciona una base sólida para los análisis paramétricos posteriores», afirman los investigadores, que señalan que el modelo propuesto facilita la manipulación deliberada de los parámetros, lo que permite una evaluación sistemática de su eficiencia de ida y vuelta (RTE).

A partir del análisis paramétrico, el grupo de investigación descubrió que comprimir aire a temperaturas más bajas reduce la carga de trabajo del compresor y prolonga la duración de la carga, lo que se traduce en un aumento del 1% de la RTE. También descubrieron que reduciendo el índice politrópico hacia un proceso casi isotérmico se lograba un aumento del 7,5% en RTE con precalentamiento. Por último, el equipo también descubrió que «aumentar el número de etapas de expansión de una a tres mejoraba significativamente la RTE del 5,5 % al 16,%».

Los resultados se presentaron en «Aboveground compressed air energy storage systems: Experimental and numerical approach», publicado en Energy Conversion and Management. La investigación fue realizada por la École de technologie supérieure (ÉTS) de Canadá y el Instituto de Investigación Hydro-Québec (IREQ).

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