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Compresor de aire accionado por humanos

Sun, 09 Jul 2023 00:00:00 +0000

Imagen: Compresor de aire accionado por humanos y sistema de almacenamiento de energía. Foto de Andy Lagzdins.

Cuando miro alrededor de mi taller de motocicletas, las herramientas neumáticas están por todas partes. Desde herramientas manuales como pistolas de impacto, lijadoras, tijeras, sierras y amoladoras hasta equipos grandes que incluyen una cabina de chorreado de arena y una máquina de neumáticos; el aire es una parte vital para realizar una amplia variedad de tareas.

El compresor de aire que he estado utilizando desde la década de 1990 utiliza un motor eléctrico de 220V y 7hp para hacer girar una bomba de aire de dos etapas a 800 rpm, que llena el tanque de 80 galones a 150 psi en unos cinco minutos. Ha sido una máquina muy confiable, hasta el punto en que casi nunca pienso en ella. Solo cuando hay un corte de energía me doy cuenta de cuánto dependo de un suministro constante de aire comprimido.

En un mundo en constante cambio donde la energía económica y confiable en el futuro ya no es una garantía, me propuse construir un sistema para llenar mis tanques de aire sin el uso de electricidad o combustible. Mi diseño estaría libre de electrónica de cualquier tipo, y con un mantenimiento mínimo, los componentes deberían durar toda la vida. Quería usar la mayor cantidad posible de piezas de segunda mano, en un esfuerzo por reducir costos e inspirar el reciclaje y la reutilización.

Componentes

El primer paso fue encontrar un tanque de aire. Encontré un compresor de aire Ingersoll Rand de 80 galones que fue fabricado en 1952. Quité la bomba de aire y el motor eléctrico. La bomba de aire original fue reemplazada por una nueva unidad Speedaire que está calificada para 115 psi y normalmente requiere un motor de ½hp para hacerla funcionar. La bomba está montada en la parte superior del tanque de aire con una placa de acero que se atornilla a la placa del motor original.

En el lugar del motor eléctrico, instalé un eje de acero sólido en rodamientos de almohada auto-centrantes. Este eje sostiene tres poleas de compresor de 20kg utilizadas como volantes para suavizar el funcionamiento. Estas poleas tienen un orificio de 1 ⅜” y tienen un diámetro de 16”. Una sola correa en V de la serie 4L conecta el eje del volante con la bomba de aire.

Imagen: Compresor y poleas del compresor utilizadas como volantes. Foto de Andy Lagzdins.

Imagen: Eje de acero sólido con tres poleas de compresor utilizadas como volantes. Foto de Andy Lagzdins.

Lo siguiente en la agenda fue encontrar una fuente de energía humana para hacer girar los volantes. Encontré una bicicleta de ejercicios Schwinn de la década de 1970 que estaba muy bien construida con casi todos los componentes de acero. La desmonté hasta dejar solo lo esencial e instalé un buje de bicicleta interno de ocho velocidades Sturmey Archer en lugar de la rueda de radios original. Este buje tiene un rango de relaciones de 1:1 a 3.25:1, y los cambios de marcha se realizan utilizando un interruptor selector en el manillar.

Para manejar la fuerza de pedaleo intenso, el conjunto del pedalier se reemplazó con brazos de biela de aleación de Cr-Mo tubular, rodamientos sellados y pedales de plataforma de una bicicleta de carreras BMX. Los manillares y la potencia se reemplazaron con componentes de Cr-Mo para minimizar la flexión durante el uso intensivo, y se utilizan cadenas de bicicleta de la más alta resistencia de 1/8” para garantizar la fiabilidad.

En este punto, la bicicleta y el tanque de aire se alinearon entre sí y se montaron en marcos de madera tratada de 6”x6” en la posición correcta. El piñón de salida de la bicicleta está conectado por otra cadena a un piñón similar en el extremo del eje del volante, y el sistema de transmisión está completo.

Imagen: Una bicicleta de ejercicios Schwinn de la década de 1970. El conjunto del pedalier se reemplazó con brazos de biela de aleación de Cr-Mo tubular, rodamientos sellados y pedales de plataforma de una bicicleta de carreras BMX. Foto de Andy Lagzdins.

Imagen: Buje de bicicleta interno de ocho velocidades Sturmey Archer. Foto de Andy Lagzdins.

Para gestionar el flujo de aire, incorporé un sistema de dos etapas. Un tanque de 10 galones y el tanque de 80 galones están valvulados por separado para que pueda llenar cada uno de forma independiente, ambos juntos o transferir aire de un tanque a otro. Se utilizan manómetros en cada tanque para monitorear las presiones. Cuando el tanque grande se llena inicialmente, lo llevo hasta 50 psi alimentándolo directamente desde la bomba de aire. En ese punto, comienzo a llenar el tanque pequeño por sí solo hasta 100 psi y luego lo vuelco en el tanque grande.

Transmisión de ocho velocidades

La transmisión de ocho velocidades ayuda considerablemente durante el proceso de llenado. Cuando la presión del tanque es baja, la bicicleta se puede pedalear en las marchas más altas. Cuando la presión llega al rango de 70-100 psi, se utilizan las marchas más bajas para superar la resistencia de la bomba de aire.

El proceso de llenado de los tanques vacíos hasta 100 psi requiere de 5 a 10 sesiones de pedaleo por día durante aproximadamente una semana. Cuando estoy ocupado en el taller, subirme a la bicicleta durante un rato es en realidad una buena manera de despejar la mente y en clima frío me calienta y activa mi circulación sanguínea. Puedo poner la bicicleta en marcha baja y pedalear mientras uso mi teléfono o escucho música.

Tener que pedalear para crear el aire comprimido realmente me hace concentrarme en no desperdiciar aire al usar herramientas. También es crucial asegurarse de que no haya fugas sellando todas las conexiones adecuadamente.

Imagen: Herramientas eléctricas de aire comprimido. Imagen de Andy Lagzdins.

Las partes de esta máquina que son más susceptibles al desgaste son las juntas de la bomba de aire, la correa de transmisión y las cadenas, los piñones y la manguera de goma única. Mantengo repuestos de estos elementos a mano para garantizar un funcionamiento sin problemas durante años. Cualquier mantenimiento o reparación se puede realizar con herramientas básicas de mano, y todas las piezas son reparables y reconstruibles.

Un beneficio adicional de usar aire comprimido para energía es el bajo costo de las herramientas neumáticas. La tendencia actual apunta hacia un equipo más alimentado por batería, por lo que las personas están vendiendo sus herramientas neumáticas “anticuadas”. Hay muchos compresores de aire usados en venta que tienen motores o bombas defectuosas, y por lo tanto son bastante económicos. También hay un buen suministro de bicicletas estacionarias usadas; probablemente debido a que las personas las compran con la intención de comenzar un programa de ejercicios pero no siguen adelante con los planes. La próxima modificación será agregar otro tanque de 80 galones para aumentar la capacidad de almacenamiento.

En resumen, los principales beneficios del compresor de aire accionado por bicicleta son: no se necesita energía externa, se puede operar en áreas remotas en cualquier momento, está construido principalmente con componentes reciclados que son fácilmente reconstruibles y no cuesta nada de usar. Los beneficios adicionales son numerosos, y cada vez se descubren más efectos positivos a medida que uso esta máquina. En el núcleo de los resultados se encuentran un cuerpo sano por el pedaleo y una mente sana por pensar de manera innovadora.

Imagen: Compresor de aire accionado por humanos y sistema de almacenamiento de energía. Ilustración de Andy Lagzdins.

Especificaciones:

Tanque de aire principal: 80 galones horizontal, Ingersoll Rand
Tanque de llenado: 10 galones, 125 psi, SnapOn
Bomba de aire: Monofásica, 1hp máximo, 115 psi, Speedaire 40KH94
Bicicleta estática: Schwinn Exerciser
Transmisión: Cubo de engranajes internos de 8 velocidades, Sturmey Archer S80 XRK8
Volantes de inercia: Hierro fundido, diámetro de 16”, orificio de 1 ⅜”
Rodamientos: P207 sellados, autocentrantes, de pie sólido
Correa: Correa en V de la serie 4L
Cadenas: 1/2x1/8 KMC Z1EHX Wide
Válvulas: Válvulas de bola de ½” NPT, de latón
Filtro de aire: Filtro K&N tipo pod, de tela y malla de acero

Video

Observa cómo funciona el compresor de aire accionado por pedal en este video.

Abandone las Baterías: Almacenamiento de Energía de Aire Comprimido Fuera de Red

Wed, 16 May 2018 00:00:00 +0000

¿Desconectarse de la red? Piense dos veces antes de invertir en un sistema de baterías. El almacenamiento de energía de aire comprimido es la alternativa sostenible y resistente a las baterías, con una vida útil mucho más larga, menores costos de ciclo de vida, simplicidad técnica y bajo mantenimiento. Diseñar un sistema de almacenamiento de energía de aire comprimido que combine una alta eficiencia con un reducido espacio de almacenamiento no se explica por sí mismo, pero un creciente número de investigadores muestran que se puede realizar.

El almacenamiento de energía de aire comprimido (CAES) se considera generalmente como una forma de almacenamiento de energía a gran escala, comparable a una planta hidroeléctrica bombeada. Tal planta de CAES comprime el aire y lo almacena en una caverna subterránea, recuperando la energía expandiendo (o descomprimiendo) el aire a través de una turbina que hace funcionar una turbina.

Desafortunadamente, las plantas de CAES a gran escala son muy ineficientes energéticamente. Comprimir y descomprimir el aire introduce pérdidas de energía, lo que resulta en una eficiencia eléctrica a eléctrica del solo 40-52%, en comparación con 70-85% para las plantas hidroeléctricas bombeadas, y del 70-90% para las baterías químicas.

La baja eficiencia se debe principalmente a que el aire se calienta durante la compresión. Este calor residual, que contiene una gran parte de la energía de entrada, se vierte a la atmósfera. Un problema relacionado es que el aire se enfría cuando se descomprime, lo que reduce la producción de electricidad y posiblemente congela el vapor de agua en el aire. Para evitar esto, las plantas CAES a gran escala calientan el aire antes de la expansión utilizando gas natural, lo que deteriora aún más la eficiencia del sistema y hace que el almacenamiento de energía renovable dependa de los combustibles fósiles.

¿Por qué CAES a pequeña escala?

En el artículo anterior, presentamos varias ideas, inspiradas en sistemas históricos, que podrían mejorar la eficiencia de las plantas CAES a gran escala. En este artículo, nos centramos en el pequeño pero creciente número de ingenieros e investigadores que piensan que el futuro no está en el almacenamiento de energía a gran escala de aire comprimido, sino en sistemas a pequeña escala o microsistemas, utilizando recipientes de almacenamiento artificiales en la superficie en lugar de depósitos subterráneos. Dichos sistemas podrían estar desconectados de la red o conectados a la red, ya sea operando solos o junto con un sistema de batería.

La razón principal para investigar el almacenamiento descentralizado de energía de aire comprimido es el simple hecho de que dicho sistema podría instalarse en cualquier lugar, al igual que las baterías químicas. CAES a gran escala, por otro lado, depende de una geología subterránea adecuada. Aunque hay más sitios potenciales para plantas de CAES a gran escala que para plantas hidroeléctricas a gran escala, encontrar cavernas de almacenamiento adecuadas no es tan fácil como se había supuesto.¹²³

Configuración experimental del sistema de almacenamiento de energía de aire comprimido a pequeña escala. Fuente: [^27]

En comparación con las baterías químicas, los sistemas micro CAES tienen algunas ventajas interesantes. Lo que es más importante, una red distribuida de sistemas de almacenamiento de energía de aire comprimido sería mucho más sostenible y ambientalmente amigable. Durante su vida útil, las baterías químicas almacenan solo de dos a diez veces la energía necesaria para su fabricación. ⁴ Los sistemas CAES a pequeña escala funcionan mucho mejor que eso, principalmente debido a que su vida útil mucho más larga.

En comparación con las baterías químicas, una red distribuida de sistemas de almacenamiento de energía de aire comprimido sería mucho más sostenible y ambientalmente amigable.

Además, no requieren materiales inusuales o tóxicos, y el hardware es fácilmente reciclable. El almacenamiento descentralizado de energía de aire comprimido no necesita líneas de producción de alta tecnología y puede ser fabricado, instalado y mantenido por empresas locales, a diferencia de un sistema de almacenamiento de energía basado en baterías químicas. Finalmente, el micro CAES no tiene autodescarga, es tolerante a una gama más amplia de entornos y promete ser más económico que las baterías químicas. ⁵

Figura 2. Gráfico de barras muestra la relación entre la energía eléctrica total almacenada durante la vida útil de la tecnología de almacenamiento y su energía primaria incorporada. Los valores más altos consumen menos energía.

Aunque se estima que el costo de inversión inicial es más alto que el de un sistema de baterías (alrededor de 10,000 dólares para una instalación residencial), y aunque el almacenamiento sobre el suelo aumenta los costos en comparación con el almacenamiento subterráneo (el recipiente de almacenamiento es bueno para aproximadamente la mitad del costo de inversión), un sistema de almacenamiento de energía de aire comprimido ofrece una cantidad casi infinita de ciclos de carga y descarga. Por otro lado, las baterías deben reemplazarse cada pocos años, lo que las hace más costosas a largo plazo. ⁵⁶

Desafío: limitar el tamaño de almacenamiento

Sin embargo, la CAES descentralizada también enfrenta importantes desafíos. El primero es la eficiencia del sistema, que es un problema que afecta a los sistemas de pequeña y gran escala por igual, y el segundo es el tamaño del recipiente de almacenamiento, que es especialmente problemático para los sistemas CAES de pequeña escala.

Ambas cuestiones hacen que los sistemas de CAES a pequeña escala no sean prácticos. El espacio suficiente para un gran recipiente de almacenamiento no siempre está disponible, y una baja eficiencia de almacenamiento requiere una mayor planta de energía solar fotovoltaica o eólica para compensar dicha pérdida, elevando los costos y disminuyendo la sostenibilidad del sistema.

Para empeorar las cosas, la eficiencia del sistema y el tamaño de almacenamiento están inversamente relacionados: mejorar un factor a menudo es a expensas del otro. El aumento de la presión de aire minimiza el tamaño de almacenamiento pero disminuye la eficiencia del sistema, mientras que el uso de una presión más baja hace que el sistema sea más eficiente en términos de energía pero da como resultado un mayor tamaño de almacenamiento. Algunos ejemplos ayudan a ilustrar el problema.

Tanques de almacenamiento de energía de aire comprimido. [Fuente](http://www.screwtypeaircompressors.com/sale-8108163-vertical-compressed-air-tank-natural-gas-tank-2000l-air-receiver-tank.html).

Una simulación para un CAES autónomo destinado a brindar energía a áreas rurales, conectado a un sistema de energía solar fotovoltaica y usado solo para iluminación, opera a una presión de aire relativamente baja (8 bar) y obtiene una eficiencia de ciclo completo AC-AC del 60% –– comparable a la eficiencia de las baterías de al plomo ⁷

Sin embargo, para almacenar 360 Wh de energía eléctrica potencial, el sistema requiere un depósito de almacenamiento de 18 m3, el tamaño de una habitación pequeña que mide 3x3x2 metros. Los autores señalan que “aunque el tamaño del tanque parece muy grande, todavía es razonable para las aplicaciones en las zonas rurales”.

La eficiencia del sistema y el tamaño de almacenamiento están inversamente relacionados: mejorar un factor a menudo es a expensas del otro.

Tal sistema puede ser beneficioso en este contexto, especialmente porque tiene una vida útil mucho más larga que las baterías químicas. Sin embargo, una configuración similar en un contexto urbano con un alto consumo de energía es obviamente problemático. En otro estudio, se calculó que se necesitaría un tanque de almacenamiento de aire de 65 m3 para almacenar 3 kWh de energía. Esto corresponde a un recipiente a presión de 13 metros de largo con un diámetro de 2,5 metros, mostrado a continuación. ⁸

Figura 28. Tamaño de un tanque que puede almacenar 3 kWh de energía.

Además, el uso promedio diario doméstico de electricidad en los países industrializados es mucho mayor. Por ejemplo, en el Reino Unido es ligeramente inferior a 13 kWh por día, en EE. UU. y Canadá es de más de 30 kWh. En este último caso, se requerirían diez de tales tanques a presión de aire para almacenar electricidad suficiente para un día de uso.

Los sistemas CAES de pequeña escala a altas presiones dan resultados opuestos. Por ejemplo, una configuración modelo para un uso eléctrico doméstico típico en Europa (6.400 kWh por año) opera a una presión de 200 bar (casi 4 veces mayor que la presión en plantas CAES de gran escala) y logra un volumen de almacenamiento de solo 0,55 m3, que es comparable a las baterías. Sin embargo, la eficiencia de electricidad a electricidad de esta configuración es solo del 11-17%, dependiendo del tamaño del sistema solar fotovoltaico. ⁹

Dos estrategias para hacer el sistema Micro CAES funcionante

Estos ejemplos parecen sugerir que el almacenamiento de energía de aire comprimido no tiene sentido como un sistema de almacenamiento de energía a pequeña escala, incluso con una reducción en la demanda de energía. Sin embargo, y quizás sorprendente para muchos, este no es el caso.

Los sistemas CAES a pequeña escala no pueden seguir el mismo enfoque que los sistemas CAES a gran escala. Estos últimos aumentan la capacidad de almacenamiento y la eficiencia general mediante varias etapas de refrigeración intermedia (intercooling) y varias etapas de expansión con recalentamiento. Este método implica componentes adicionales y aumenta la complejidad y el costo, lo cual lo rinde inmpráctico para los sistemas a pequeña escala.

Lo mismo ocurre con los procesos “adiabáticos” (AA-CAES), que apuntan a utilizar el calor de compresión para recalentar el aire en expansión, siendo este el principal foco de investigación para CAES a gran escala. Para un sistema micro CAES, es muy importante simplificar la estructura lo máximo posible. ⁵¹⁰

Esto nos deja con dos estrategias de baja tecnología que se pueden seguir para lograr una capacidad de almacenamiento y una eficiencia energética similares a las de las baterías de plomo-ácido. En primer lugar, se podrían diseñar sistemas de baja presión que minimicen las diferencias de temperatura durante la compresión y la expansión. En segundo lugar, se podrían diseñar sistemas de alta presión en los que el calor y el frío de la compresión y la expansión se utilize en aplicaciones domésticas.

Pequeña escala, presión alta

Los sistemas de almacenamiento de energía de aire comprimido a pequeña escala con altas presiones de aire hacen que la ineficacia de la compresión y la expansión sean una ventaja. Mientras que el AA-CAES a gran escala tiene como objetivo recuperar el calor de compresión con el objetivo de maximizar la producción de electricidad, estos sistemas a pequeña escala aprovechan las diferencias de temperatura para permitir la trigeneración de energía eléctrica, calefacción y refrigeración. El calor disipado de la compresión se usa para calefacción residencial y producción de agua caliente, mientras que el aire frío de la expansión se utiliza para el enfriamiento y refrigeración. Las baterías químicas no logran esto.

Los sistemas de alta presión a pequeña escala utilizan el calor disipado de la compresión para la producción de calefacción residencial y agua caliente, mientras que el aire frío de expansión se utiliza para enfriamiento y refrigeración.

En estos sistemas, la eficiencia electricidad a electricidad es muy baja. Sin embargo, ahora hay varias eficiencias por definir, porque el sistema también suministra calor y frío. ¹⁰¹¹ Además, este enfoque puede convertir en innecesarios varios aparatos eléctricos, como el refrigerador, el aire acondicionado y la caldera eléctrica para calentar espacios y agua. Dado que el uso de estos dispositivos a menudo representa aproximadamente la mitad del uso de electricidad en un hogar promedio, un sistema CAES de pequeña escala con alta presión tiene una demanda de electricidad más baja en general.

Un compresor de aire típico. [Fuente](https://www.thomasnet.com/articles/machinery-tools-supplies/Air-Compressors).

Los sistemas de alta presión resuelven fácilmente el problema del tamaño de almacenamiento. Como hemos visto, una presión de aire más alta puede reducir en gran medida el tamaño de un recipiente de almacenamiento de aire comprimido, pero solo a expensas de un aumento del calor residual. En un sistema de pequeña escala que aprovecha las diferencias de temperatura para proporcionar calefacción yrefrigeración, esto es ventajoso. Por lo tanto, los sistemas de alta presión son ideales para edificios residenciales a pequeña escala, donde el espacio de almacenamiento es limitado y donde hay una gran demanda de calor y frío, así como de electricidad. Las únicas desventajas son que los sistemas de alta presión requieren tanques de almacenamiento más fuertes y costosos, y se require de un espacio adicional para los intercambiadores de calor.

Configuración experimental de un sistema micro CAES. Fuente: [^30]

Varios grupos de investigación han diseñado, modelado y construido unidades CAES de pequeña escala de calor y energía que proporcionan calefacción y refrigeración, así como electricidad. El sistema de alta presión con un volumen de almacenamiento de solo 0,55 m3, que mencionamos anteriormente, es un ejemplo de este tipo de sistema. ⁹ Como se señaló, su eficiencia eléctrica es solo del 11-17%, pero el sistema también produce suficiente calor para calentar 270 litros de agua por día. Si también se tiene en cuenta esta fuente de energía térmica, la eficiencia “exergética” de todo el sistema es cercana al 70%. Eficiencias similares de “exergía” pueden encontrarse en otros estudios, con sistemas que operan a presiones entre 50 y 200 ¹¹¹²

El calor y el frío de la compresión y la expansión se pueden distribuir a los dispositivos de calentamiento o enfriamiento por medio de agua o aire. La configuración de un sistema de calentamiento y enfriamiento de ciclo de aire es muy similar a un sistema CAES, excepto por el recipiente de almacenamiento. La calefacción y la refrigeración del ciclo del aire tiene muchas ventajas, que incluyen una alta fiabilidad, facilidad de mantenimiento y el uso de un refrigerante natural, que es favorable para el medio ambiente. ¹¹

Pequeña escala, presión baja

La segunda estrategia para lograr mayores eficiencias y menores volúmenes de almacenamiento es exactamente opuesta a la primera. En lugar de comprimir aire a alta presión y aprovechar el calor y frío de la compresión y expansión, una segunda clase de sistemas CAES de pequeña escala se basa en bajas presiones, y compresión y expansión “casi isotérmicas”.

Por debajo de las presiones de aire de aproximadamente 10 bar, la compresión y expansión del aire exhiben cambios de temperatura insignificantes (“casi isotérmicos”), y la eficiencia del sistema de almacenamiento de energía puede ser cercana al 100%. No hay calor residual y, en consecuencia, no hay necesidad de recalentar el aire al expandirse.

Figura 133. Compresor de tres etapas

La compresión isotérmica requiere la menor cantidad de energía para comprimir una cantidad determinada de aire a una presión determinada. Sin embargo, alcanzar un proceso isotérmico está todavía lejos de la realidad. Para empezar, solo funciona con compresores y expansores pequeños y/o de ciclo lento. Desafortunadamente, los compresores industriales típicos no están hechos para una máxima eficiencia sino para una potencia máxima y, por lo tanto, funcionan en condiciones de ciclos rápidos, no isotérmicos. Lo mismo se aplica para la mayoría de los expansores industriales. ¹³¹⁴

A presiones de aire inferiores a 10 bar, la compresión y la expansión del aire exhibe cambios insignificantes de temperatura y la eficiencia puede ser cercana al 100%.

El uso de compresores y expansores industriales explica en gran parte por qué los sistemas CAES de baja presión mencionados al principio de este artículo usan tan grandes recipientes de almacenamiento. Ambos sistemas se basan en dispositivos que funcionan fuera de sus condiciones óptimas o nominales. ¹⁵ Debido a que las ineficiencias se multiplican durante las conversiones de energía, incluso las diferencias relativamente pequeñas en la eficiencia de los compresores y los expansores pueden tener grandes efectos. Por ejemplo, una variación en la eficiencia del dispositivo del 60% al 80% da como resultado una eficiencia del sistema del 36% al 64%.

Nuevos tipos de compresores y expansores

Debido a que el rendimiento de un compresor y un expansor impactan significativamente en la eficiencia general de un sistema CAES de pequeña escala, varios investigadores han construido sus propios compresores y expansores, que están especialmente orientados al almacenamiento de energía. Por ejemplo, un equipo diseñó, construyó y examinó un compresor isotérmico de baja potencia de una etapa que utiliza un pistón líquido. ¹³ Este funciona a una tasa de compresión muy baja (entre 10-60 rpm), que corresponde a la salida de paneles solares fotovoltaicos, y limita la fluctuación de temperatura durante la compresión y la expansión a 2 grados Celsius.

El dispositivo de bajo costo tiene la mínima cantidad de partes móviles y obtiene eficiencias del 60 al 70% a una presión de 3 a 7 bares. ¹³ Esta es una eficiencia muy alta para un dispositivo tan simple, considerando que un sofisticado compresor centrífugo de tres etapas, utilizado en sistemas CAES de gran escala o en entornos industriales, tiene una eficiencia del 70% aproximadamente. Además, los investigadores afirman que la eficiencia está limitada por el motor estándar que utilizan para alimentar su compresor. De hecho, otro equipo de investigación logró una eficiencia del 83%. ¹⁶

Compresor Scroll Fuente: [^30]

Otra novedad es el uso de compresores scroll, que son compresores utilizados actualmente en refrigeradores, sistemas de aire acondicionado y bombas de calor. Tanto el compresor de pistón fluido como el de scroll tienen una alta relación área/volumen, lo que minimiza la producción de calor y maneja fácilmente el flujo de dos fases, lo que significa que también pueden ser usados como expansores. También son más ligeros y menos ruidosos que los compresores alternativos típicos. ¹⁴

Presión de aire variable

Although compressors and expanders are the most important determinants of system efficiency in small-scale CAES systems, they are not the only ones. For example, in every compressed air energy storage system, additional efficiency loss is caused by the fact that during expansion the storage reservoir is depleted and therefore the pressure drops. Meanwhile, the input pressure for the expander is required to vary only in a minimal range to assure high efficiency.

Aunque los compresores y los expansores son aquellos que determinan en mayor medida la eficiencia del sistema en los sistemas CAES de pequeña escala, no son los únicos. Por ejemplo, en cada sistema de almacenamiento de energía de aire comprimido, la pérdida de eficiencia adicional es causada por el hecho de que durante la expansión el depósito de almacenamiento se agota y, por lo tanto, la presión disminuye. Al mismo tiempo, se require una variación minima en la entrada para el expansor para así asegurar una alta eficiencia.

Esto generalmente se resuelve de dos maneras, aunque ninguna es realmente satisfactoria. En primer lugar, el aire puede almacenarse en un tanque con una presión excedente, luego de lo cual se reduce a la presión de entrada requerida del expansor. Este método, sin embargo, utilizado en CAES a gran escala, requiere un uso adicional de energía y, por lo tanto, introduce ineficiencia. En segundo lugar, el expansor puede operar en condiciones variables, pero en este caso la eficiencia disminuirá junto con la presión mientras se vacía el almacenamiento.

Durante la expansión, el depósito de almacenamiento se agota y, por lo tanto, la presión disminuye.

Con estos problemas en mente, un equipo de investigadores combinó un CAES de pequeña escala con una planta hidroeléctrica de bombeo a pequeña escala, lo que resultó en un sistema que mantiene una presión constante durante la descarga completa del depósito de almacenamiento. Consiste en dos tanques de aire comprimido que están conectados por una tubería sujeta a sus partes inferiores: cada uno de estos tienen espacios separados para el aire (debajo) y el almacenamiento de agua (arriba). La configuración mantiene una cabeza de agua por medio de una bomba, que consume el 15% de la potencia generada. Sin embargo, a pesar de este uso extra de energía, los investigadores lograron aumentar tanto la eficiencia como la densidad de energía del sistema. ¹¹

Almacenamiento de energía fuera la red (off-grid)

Para hacernos una idea de lo que puede lograr una combinación de los componentes correctos, echaremos un vistazo a un último proyecto de investigación. ¹⁷ Se trata de un sistema que se basa en un compresor/expansor hecho a medida, altamente eficiente, hecho a medida, que se acopla directamente a un motor/generador de CC. Además, la eficiencia posee una configuración innovadora. No utiliza solo un tanque grande de almacenamiento de aire, sino varios más pequeños, que están interconectados y controlados por una computadora.

La configuración opera a baja presión (máximo 5 bar) y está compuesta por la unidad de compresión / expansión acoplada a tres cilindros pequeños (7L), previamente utilizados como extintores de aire. Los recipientes de almacenamiento están conectados a través de tuberías de PVC y conexiones de latón. Para controlar el flujo de aire, se usan tres válvulas de aire, controladas por computadora, en la entrada de cada cilindro. El sistema se puede extender agregando más recipientes a presión. ¹⁷

Una configuración modular da como resultado una densidad de energía y una eficiencia del sistema mayor principalmente por dos razones. En primer lugar, ayuda a que se produzca una transferencia de calor más efectiva, ya que cada tanque de aire actúa como un intercambiador de calor adicional. En segundo lugar, permite un mejor control sobre la tasa de descarga del depósito de almacenamiento. Los cilindros pueden descargarse al unísono para satisfacer una demanda de alta densidad de potencia (más potencia a costa de un tiempo de descarga más corto) o pueden descargarse secuencialmente para satisfacer una demanda de alta densidad energética (mayor tiempo de descarga a costa de la potencia máxima).

Al descargar secuencialmente los cilindros de almacenamiento modulares, el tiempo de descarga aumenta considerablemente, haciendo que el sistema sea comparable a las baterías de plomo en términos de densidad de energía.

Al descargar los cilindros secuencialmente, el tiempo de descarga aumenta considerablemente, haciendo que el sistema sea comparable a las baterías de plomo en términos de densidad de energía. Descubrieron que 57 cilindros interconectados de 10 litros cada uno, operando a 5 bar, podían cumplir el trabajo de cuatro baterías de 24V durante 20 horas consecutivas, al mismo tiempo que tener un impacto de solo 0,6 m3.

Curiosamente, la capacidad de almacenamiento es de 410 Wh, la cual es comparable al sistema rural mencionado anteriormente de 360 Wh, que requiere un recipiente de almacenamiento de 18 m3, que es treinta veces más grande que el sistema de almacenamiento modular.

Válvulas de aire controladas por computador. [Fuente](http://www.jaksa.si/compressed-air-solenoid-valves.html).

La eficiencia eléctrica-a-eléctrica para la configuración de 3 cilindros alcanzó un máximo del 85% a una presión de 3 bar, mientras que la eficiencia estimada para la configuración de 57 cilindros es del 75%. Estos son valores comparables a las baterías de iones de litio, pero agregar más recipientes de almacenamiento u operar a presiones más altas presenta mayores pérdidas debido a la compresión, el calor, la fricción y los accesorios. ¹⁷¹⁸

Sin embargo, cuando envié un correo electrónico a Abdul Alami, el autor principal del estudio, pensando que los resultados eran demasiado buenos como para ser ciertos, me dijo que las cifras eran en realidad demasiado conservadoras: “Nos mantuvimos a bajas presiones para lograr una compression isotérmica y para garantizar un funcionamiento seguro. Operar a presiones superiores a 10 bar crearía graves pérdidas térmicas, pero una presión de 7-8 bar puede ser beneficiosa en términos de energía y densidad de potencia, aunque tal vez no lo sea en términos de eficiencia “.

¿Construirlo usted mismo?

En conclusión, el almacenamiento de energía de aire comprimido a pequeña escala podría ser una alternativa prometedora a las baterías, pero la investigación aún está en sus primeras etapas -el primer estudio sobre CAES a pequeña escala se publicó en 2010- y nuevas ideas continuarán arrojando luz sobre la mejor forma de desarrollar esta tecnología. Por el momento, no hay productos comerciales disponibles, y la configuración de su propio sistema puede ser bastante intimidante si es nuevo en la neumática. Tan solo agarrar los componentes y accesorios correctos es un dolor de cabeza, ya que vienen en una variedad desconcertante y solo son vendidos a las industrias.

Sin embargo, si es paciente y no demasiado descuidado, y si está decidido a utilizar un sistema de almacenamiento de energía más sostenible, es perfectamente posible construir su propio sistema CAES. Como han demostrado los ejemplos de este artículo, es un poco más difícil construir uno bueno.

Hay más ideas para sistemas de CAES de pequeña escala en el artículo anterior: Historia y futuro de la economía del aire comprimido.

Luo, Xing, et al. “Overview of current development in electrical energy storage technologies and the application potential in power system operation.” Applied Energy 137 (2015): 511-536. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261914010290 ↩︎
Laijun, C. H. E. N., et al. “Review and prospect of compressed air energy storage system.” Journal of Modern Power Systems and Clean Energy 4.4 (2016): 529-541. https://link.springer.com/article/10.1007/s40565-016-0240-5 ↩︎ ↩︎
Existe una creciente competencia por las potenciales unidades geológicas CAES, ya que muchas también son adecuadas para el almacenamiento de gas natural o captura de carbono. Además, el almacenamiento en cavernas impone requisitos rigurosos sobre las condiciones geográficas. Por ejemplo, el proyecto CAES de Iowa originalmente planificado en los EE. UU. se terminó debido a su condición de piedra arenisca porosa. ² ↩︎
Barnhart, Charles J., and Sally M. Benson. “On the importance of reducing the energetic and material demands of electrical energy storage.” Energy & Environmental Science 6.4 (2013): 1083-1092. https://gcep.stanford.edu/pdfs/EES_reducingdemandsonenergystorage.pdf ↩︎
Petrov, Miroslav P., Reza Arghandeh, and Robert Broadwater. “Concept and application of distributed compressed air energy storage systems integrated in utility networks.” ASME 2013 Power Conference. American Society of Mechanical Engineers, 2013. http://eddism.com/wp-content/uploads/2014/10/Paper-EDD-Concept-and-Application-of-Distributed-Compressed-Air-Energy-Storage-Systems-Integrated-in-Utility-Networks-July-2013.pdf ↩︎ ↩︎ ↩︎
Tallini, Alessandro, Andrea Vallati, and Luca Cedola. “Applications of micro-CAES systems: energy and economic analysis.” Energy Procedia 82 (2015): 797-804. ↩︎
Setiawan, A., et al. “Sizing compressed-air energy storage tanks for solar home systems.” Computational Intelligence and Virtual Environments for Measurement Systems and Applications (CIVEMSA), 2015 IEEE International Conference on. IEEE, 2015. https://www.researchgate.net/profile/Ardyono_Priyadi/publication/274898992_Sizing_Compressed-Air_Energy_Storage_Tanks_for_Solar_Home_Systems/links/5670e2c408ae2b1f87acf927.pdf ↩︎
Herriman, Kayne. “Small compressed air energy storage systems.” (2013). https://eprints.usq.edu.au/24651/1/Herriman_2013.pdf ↩︎ ↩︎
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El sistema de pequeña escala destinado a entornos urbanos, que tiene un depósito de almacenamiento de 18 metros de largo, se basa en un compresor que “había estado en servicio durante 30 años en espacios donde proyectos de construcción se estaban llevando a cabo, para varias herramientas de aire y tenía poco mantenimiento”. “. ⁸ Esto es perjudicial para la eficiencia del sistema, ya que un compressor sin un adecuado mantenimiento pierde fácilmente hasta el 30% de su producción potencial a través de fugas de aire, mayor fricción o filtros de aire sucios. Este sistema de pequeña escala también usó un expansor altamente ineficiente. En conjunto, esto explica por qué este sistema tiene un volumen de almacenamiento muy grande con una eficiencia eléctricidad a electricidad muy baja (menos del 5%). ↩︎
Van de Ven, James D., and Perry Y. Li. “Liquid piston gas compression.” Applied Energy 86.10 (2009): 2183-2191. https://experts.umn.edu/en/publications/liquid-piston-gas-compression ↩︎
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Abdul Alami, e-mail conversation. ↩︎

Historia y Futuro de la Economía del Aire Comprimido

Tue, 15 May 2018 00:00:00 +0000

El almacenamiento de energía de aire comprimido (CAES) se considera un componente importante de una red de energía renovable, ya que podría almacenar el excedente de energía producido por las turbinas eólicas y paneles solares a gran escala. Sin embargo, en su forma actual, esta tecnología sufre de grandes perdidas de energía y depende del gas natural para operar. Un vistazo a la historia del aire comprimido deja en claro que esto no es inevitable.

A pesar de que nuestros antepasados dependían de una tecnología menos eficiente energéticamente, usaron aire comprimido en configuraciones mas inteligentes que tenían menos perdidas de conversión de energía y eran independientes de los combustibles fósiles. Estos sistemas históricos son la clave para el diseño de un medio de almacenamiento de energía de baja tecnología, con bajo costo, robusto, sostenible y relativamente eficiente en energía. La economía del aire comprimido podría ser la alternativa práctica y realista al hidrógeno o a la utopía de una sociedad basada 100% en energía electrica.

La promesa del aire comprimido

Si bien el potencial de la energía eolica y solar es mas que suficiente para abastecer la demanda de electricidad de las sociedades industriales, estos recursos solo están disponibles de manera intermitente - es una forma de lidiar con la variabilidad e incertidumbre de la energía renovable, pero esta tiene sus límites. Por lo tanto, una red electrica renovable necesita poder almacenar energía, y lo mismo ocurre con un sistema fuera de la red eléctrica basado en energía solar o eólica.

Hoy, más del 99% de la capacidad de almacenamiento electrico mundial consiste en plantas de almacenamiento de energía hidroelectrica, donde la energía electrica excedente de las plantas de energía solar o eólica se almacena para su posterior uso bombeando agua desde un depósito inferior a uno superior.

El almacenamiento de energía hidroelectrica por bombeo es bastante eficiente y de baja tecnología, pero requiere una geografía adecuada para dos masas de agua grandes, separadas verticalmente, y una o dos presas. También inunda grandes áreas de tierra. Los sitios más adecuados ya están en uso, lo que significa que hay poco potencial para un mayor crecimiento. ¹ ²

Es por eso que muchas personas ven una alternativa prometedora en el Almacenamiento de Energía de Aire Comprimido (CAES), como forma de almacenamiento de energía mecanica. En estos sistemas, la electricidad se utiliza para comprimir el aire, que se almacena en una caverna subterranea. Para hacer uso de la energía almacenada, el aire se descomprime y se convierte nuevamente en electricidad.

Aunque CAES tambien requiere una geografía favorable para proporcionar las cavernas de almacenamiento de aire subterráneo, se cree que hay mas sitios adecuados para ello en todo el mundo que para el almacenamiento de agua para la generacion de energia hidroeléctrica. ³

Si la energía almacenada durante la vida útil de un dispositivo de almacenamiento se compara con la cantidad de energía primaria requerida para construir el dispositivo, CAES es muy superior a las baterías electroquímicas

Es importante destacar que CAES es el almacenamiento de energía mas sostenible que existe. A diferencia del almacenamiento de energía hidroelectrica bombeada, el almacenamiento de energía de aire comprimido no presenta problemas ambientales causados por la inundación de la tierra y el embalse de los ríos.

Además, si la energía almacenada durante la vida útil de un dispositivo de almacenamiento se compara con la cantidad de energía primaria requerida para construir el dispositivo, CAES supera el almacenamiento de energía hidroelectrica bombeada y es muy superior a las baterías electroquímicas, que requieren 10 a 100 veces más energía incorporada para una capacidad de almacenamiento dada. ³

Esta es una ventaja crucial, ya que el alto consumo de energía para la produccio n de almacenamiento de energía puede disminuir en gran medida la sostenibilidad de una red electrica renovable.

El problema con el aire comprimido

A pesar de estas ventajas, actualmente solo hay dos plantas de CAES a gran escala en funcionamiento en todo el mundo: una en Alemania, construida en 1979 y otra en los EE. UU., Construida en 1991. ⁴ Esta aceptación limitada se atribuye principalmente al hecho que más de la mitad de la energía se pierde al cargar y descargar una “batería” de aire comprimido.

Mientras que el almacenamiento de energía hidroelectrica bombeada tiene una eficiencia de carga / descarga del 70-85%, y las baterías químicas alcanzan el 65- 90%, las plantas de CAES en operación en Alemania y EE. UU. Tienen una eficiencia electrica a electrica de solo 40-42% y 51-54%, respectivamente. ² ⁵ ⁶

La baja eficiencia de conversión de energía se debe principalmente a que la temperatura del aire aumenta cuando se comprime a altas presiones (ambas plantas CAES operan a 50-70 bar, que es de 10 a 20 veces la presión de aire en un neumatico de bicicleta). Debido a que la densidad de energía del aire disminuye con el aumento de la temperatura, ambas plantas CAES eliminan el calor antes del almacenamiento y lo expulsan a la atmósfera. Esto implica una importante fuente de perdida de energía. ⁷ ⁸

Además, cuando el aire se descomprime a alta presión, la temperatura disminuye hasta tal punto que el vapor de agua en el aire puede congelarse, perjudicando las válvulas y el expansor del sistema de almacenamiento. Para prevenir esto, y para aumentar la potencia de salida, ambas plantas de CAES calientan el aire en calentadores usando combustible de gas natural antes de la expansión. Obviamente, esto reduce aún más la eficiencia energética del proceso global, haciendo que los actuales sistemas CAES sean completamente dependientes de los combustibles fósiles para su funcionamiento. ¹ ⁷ ⁹

Una eficiencia de conversión de 40-50% significa que la capacidad de generación de energía eólica o solar debe duplicarse para compensar esa pérdida. En consecuencia, necesitamos más energía, más materiales y más espacio para la misma producción de energía. La amigabilidad ambiental de CAES por lo tanto, disminuye por su baja eficiencia.

Además, la baja eficiencia de conversión de energía de CAES esta intrínsecamente relacionada con su baja densidad de energía, lo que significa que depende de depósitos de almacenamiento muy grandes. En principio, la densidad de energía del aire comprimido puede mejorarse mucho utilizando presiones de aire mas altas, pero a medida que aumenta la presión de aire, se convierte más energía en calor residual y la eficiencia de todo el proceso se deteriora aún más. En consecuencia, un sistema CAES, en su configuración actual, es siempre un compromiso entre la eficiencia y la densidad de energía.

4.000 años de historia

En un contexto histórico, la muy baja eficiencia energética de los sistemas actuales de almacenamiento de energía de aire comprimido es notable. El uso de aire comprimido data de hace más de 4.000 años y siempre ha sido un importante impulsor del progreso tecnológico. Aunque estas aplicaciones históricas no estaban dirigidas al almacenamiento de energía, ofrecen inspiración para mejorar tanto la eficiencia energetica como la densidad energética de los sistemas CAES actuales.

El uso más antiguo y posiblemente más importante del aire comprimido a lo largo de la historia ha sido la alimentación del fuego. Esto sucedio en la cocina y en todos los procesos de producción basados en calor, pero fue especialmente importante en los procesos de fabricación de metales. Un incendio de carbón desatendido podría alcanzar los 900°C, pero un potente suministro de aire forzado podría elevar su temperatura a casi 2000°C. ¹⁰

Aunque hay diferencias regionales importantes, la historia de la fundición de metales muestra una evolución desde metales con puntos de fusión relativamente bajos, como estaño (230°C), a metales con puntos de fusión más altos, primero cobre (1050°C) y luego hierro (1500°C).

Este progreso fue en parte impulsado por las mejoras en la tecnología de compresores de aire, que evolucionaron de bolsas de aire, cilindros y pistones de madera, y varias formas de fuelles, todos propulsados por humanos, hasta fuelles de acordeón mucho más grandes y potentes hechos de madera y pieles de toro , que eran de doble acción y operados por energía hidráulica. ¹¹

El progreso en la fundición de metales fue en gran parte impulsado por las mejoras en la tecnología de compresión de aire

Comenzando en la década de 1860 y continuando en los 1900, el aire comprimido (o “neumática”) fue el centro de otra revolución tecnológica. Esta vez, la neumática se estableció como la tecnología de transmisión de energía más versátil y ampliamente utilizada antes de la introducción de la electricidad. ¹²

Debido a que la energía eléctrica aún se distribuía a bajos voltajes: el aire esta disponible en cualquier lugar y su escape no presenta problemas, mientras que los sistemas hidráulicos requieren un suministro de agua suficiente y un medio para drenar el fluido después del uso.

Como tecnología de transmisión de energía, el aire comprimido se aplicó por primera vez en los túneles y la minería. Brindaba una respuesta a la necesidad de un taladro mecánico de roca para la construcción de canales y ferrocarriles, donde la construcción del túnel formaba un importante cuello de botella. Bajo severas condiciones, debido a la dureza de la roca, el avance del túnel con la perforación manual -con pico y explosivos- se midió en pulgadas por día, y los túneles de tan solo media milla de longitud podían tardar años en completarse. ¹²

En la nueva configuración, los motores de vapor comprimían aire sobre el suelo, y este era canalizado en los pozos o túneles. El avance de la transmisión de potencia de aire comprimido y las herramientas de perforación neumática ocurrió con la excavación del túnel Mont Cenis de 13,7 km de longitud en los Alpes, que se completó en solo 14 años (1857-1871). La tecnología se extendió rápidamente a la industria minera, especialmente en los EE. UU., donde el aire comprimido no solo funciona con perforadoras de roca sino también con otras maquinas, como las de transporte, bombeo y estampado. ¹² ¹³ ¹⁴ ¹⁵ ¹⁶ ¹⁷ ¹⁸

La red de aire comprimido de París

Con su efectividad demostrada de manera tan espectacular en la perforación de potencia, el aire comprimido se adaptoó a una gama cada vez mayor de operaciones industriales: martilleo, remachado, pintura y pulverización, manejo de presión de fluidos en el procesamiento entre una serie de otros usos. En los Estados Unidos, la neumática llegó a ser ampliamente introducida como un sistema de potencia auxiliar en la fabricación desde la década de 1880. El Censo de 1900 se refirió a la introducción generalizada de herramientas neumáticas pequeñas como posiblemente “el desarrollo de herramienta única más importante de la década”. ¹²

Casi al mismo tiempo en Europa, los franceses llevaron la transmisión de energía neumática un paso más alla al establecer una red de distribución de energía en toda la ciudad en París. Permanecería en uso durante ma s de 100 años (de 1881 a 1994), distribuyendo aire comprimido a una presión relativamente baja de 5-6 bar en una red de (eventualmente) más de 900 km, atendiendo a más de 10,000 clientes. ¹² ¹³ ¹⁴ ¹⁵ ¹⁶ ¹⁷ ¹⁸

La red de aire comprimido de París comenzó como un sistema diseñado exclusivamente para regular los relojes por impulsos de aire comprimido enviados a traves de tuberías subterráneas. En 1889, la red en París estaba regulando 8,000 relojes a través de 65 km de red. El servicio de regulación del reloj se retiró en 1927, después de que quedó claro que la electricidad era la energía más adecuada para el trabajo. Sin embargo, en ese momento, la red de aire comprimido en París había demostrado ser muy exitosa en pequeños establecimientos industriales y de servicios. ¹² ¹³ ¹⁴ ¹⁵ ¹⁶ ¹⁷ ¹⁸

Los franceses establecieron una red de distribución de energía en toda la ciudad en París, que atendió a más de 10.000 clientes y permaneció en uso durante 100 años.

Ya en 1892, F.E. Idell escribió que “entre los propósitos industriales más pequeños para los cuales se usan los motores de aire en París, encuentro la conducción de tornos para metal y madera, de sierras circulares, taladros, pulidoras y muchos otros. Tambien se utilizan en los talleres de carpinteros, ensambladores y ebanistas, herreros, fabricantes de paraguas, fabricantes de collares, encuadernadores y, naturalmente, en muchos lugares donde se utilizan máquinas de coser, tanto por modistas, sastres, y zapateros, desde la más pequeña hasta la más grande". ¹⁸

Central energetica de la red de aire comprimido en París. Fuente: [Museo de Retrotecnología](http://www.douglas-self.com/MUSEUM/POWER/airnetwork/airnetwork.htm)

Con los años, la energía eléctrica se volvió más importante y el uso comercial y doméstico del aire comprimido disminuyó. Sin embargo, el consumo industrial de aire comprimido siguió creciendo y muchas fábricas grandes en París , desde fabricantes de automóviles hasta fabricantes de vidrio, estuvieron conectadas a la red de distribución de energía hasta el final. Los dentistas se convirtieron en nuevos usuarios durante los años setenta y ochenta. ¹² ¹³ ¹⁴ ¹⁵ ¹⁶ ¹⁷ ¹⁸

Primera lección: evitar las conversiones de energía

¿Qué se puede aprender al comparar tecnologías historicas y actuales basadas en aire comprimido? Una primera y crucial diferencia es la cantidad de conversiones de energía involucradas. En los sistemas históricos, la energía mecánica (por ejemplo, de una noria o una máquina de vapor) se convertía directamente en aire comprimido (utilizando un compresor de aire) y luego, con mayor frecuencia, se convertía de nuevo en energía mecánica (por ejemplo, moviendo un martillo neumático) En consecuencia, solo hubo dos fuentes de pérdida de conversión de energía: en el compresor de aire y en el expansor de aire.

El aire comprimido sigue siendo vital para la productividad de muchas industrias y servicios en todo el mundo y se utiliza en miles de aplicaciones, desde el envasado de alimentos y la fundicón de metales hasta la fabricación de microchips y plásticos. Sin embargo, el aire comprimido ahora es producido por compresores de aire que funcionan con electricidad. Esto introduce dos fuentes adicionales de perdida de energía: el generador eléctrico (que convierte la energía mecanica de una fuente de energía en electricidad) y el motor eléctrico (que convierte la energía electrica en energía mecanica para hacer funcionar el compresor de aire). Como resultado, el uso industrial actual de aire comprimido es muy derrochador: suponiendo que cada convertidor tiene una eficiencia del 75% eficiente, y suponiendo que no haya otras pérdidas de energía, solo el 30% de la entrada de energía se convierte en una salida de energía útil. ¹⁹

En París, el aire comprimido se canalizaba a traves del sistema de alcantarillado.

La eficiencia general del sistema de las dos plantas CAES existentes es aún peor que eso: no solo existe el paso de conversión adicional al comienzo de la cadena (la perdida de energía en el generador del molino de viento y en el motor electrico que funciona con el compresor), sino también al final de la cadena. Esto contrasta con las aplicaciones industriales, donde el producto final es aire comprimido: una planta CAES convierte el aire comprimido nuevamente en electricidad.

Cuando se dice que la eficiencia de una planta de CAES es de 40-50%, esto solo se refiere a las pérdidas en el compresor de aire y el expansor de aire (eficiencia de electricidad a electricidad). Sin embargo, si incluimos las conversiones hacia y desde la electricidad, la eficiencia general del sistema disminuye a menos del 20%, asumiendo de nuevo que cada convertidor tiene una eficiencia del 75%.

Ahora imagine que una fábrica usa electricidad de una planta de CAES para alimentar sus compresores de aire industriales, un escenario perfectamente posible. Obtendríamos la siguiente cadena de conversión de energía: la energía mecánica se convierte en electricidad, la electricidad se convierte en aire comprimido, el aire comprimido se convierte en electricidad, la electricidad se convierte en aire comprimido y el aire comprimido se convierte en energía mecánica. Eso no es dos, ni cuatro, sino seis fuentes de pérdidas por conversion de energía. Suponiendo que cada convertidor es 75% eficiente, la eficiencia general del sistema ahora cae por debajo del 10%.

Si conectamos una planta de CAES directamente a una fábrica que usa herramientas neumáticas, al conectar el aire comprimido de una a otra, no habría necesidad de convertir aire comprimido en electricidad y volver.

Por otro lado, si conectamos una planta de CAES directamente a una fábrica que utiliza herramientas neumáticas, al conectar el aire comprimido de una a otra, sufriremos solo cuatro fuentes de pérdida de energía (generador, motor, compresor, expansor). En la planta de CAES, ya no es necesario convertir el aire comprimido almacenado en electricidad, mientras que en la fábrica no hay necesidad de comprimir el aire una segunda vez, utilizando electricidad. CAES y una fábrica podrían estar a una distancia de hasta 25 km, la distancia hasta la cual el aire comprimido se puede distribuir de manera eficiente.

Mapa. Fuente: [Museo de Retrotecnología](http://www.douglas-self.com/MUSEUM/POWER/airnetwork/airnetwork.htm).

El siguiente paso sería comprimir el aire en una planta de CAES utilizando un enlace mecánico directo entre el molino de viento y el compresor de aire, omitiendo así la conversión de energía mecánica a electricidad y viceversa. Tal enfoque -que se ha demostrado a pequeña escala, en configuraciones ligeramente diferentes ⁸ ²⁰ ²¹, haría CAES completamente independiente de la electricidad y llevaría los pasos de conversión de energía a dos, como en todos los sistemas históricos. Las únicas pérdidas por conversión de energía restantes serían en el compresor de aire y en el expansor de aire.

Una conexión rígida entre el eje del molino de viento y el compresor de aire también mejoraría la eficiencia de una planta de CAES que no esta conectada a una fábrica sino que suministra electricidad para fines generales, aunque la ganancia de eficiencia sera menor. Obviamente, la compresión mecánica del aire solo funciona con molinos de viento y no con paneles solares fotovoltáicos, que no producen energía mecánica.

Segunda lección: usar calor y frío para otros fines

Una segunda diferencia relacionada entre los usos presentes e históricos del aire comprimido es cómo lidiar con las diferencias de temperatura causadas por la compresión y expansión del aire. Para mejorar la eficiencia, ambas plantas de CAES operativos usan múltiples compresores de aire. La compresión de múltiples etapas aumenta progresivamente la presión y enfría el aire después de cada etapa de compresión, utilizando agua circulante que se bombea a una torre de enfriamiento y se libera a la atmósfera. ²² ²³

En la actualidad, la mayoría de los ingenieros de CAES se centran en mejorar aún más la eficiencia mediante el uso del calor de compresión residual para recalentar el aire comprimido durante la expansión. Este me todo se llama “CAES Adiabático Avanzado” (AA-CAES) o “CAES sin combustible” y elimina la necesidad de recalentar con gas natural como en el CAES “diabático” estándar. Se espera que la tecnología alcance una eficiencia general de aproximadamente 70%, acercándola a la eficiencia de las baterías químicas y las plantas hidroeléctricas de almacenamiento por bombeo. ⁷

Sin embargo, AA-CAES sigue siendo una tecnología no probada hasta ahora: se han propuesto varias plantas, pero ninguna ha superado la etapa de diseño. ²² ²³ El problema es doble: primero, la mejora del proceso aumenta los costos de una planta de CAES del 20 al 40%; segundo, reutilizar el calor residual del proceso de compresión es un desafío tecnológico. Para transferir calor a una velocidad alta con una diferencia de temperatura mínima, se requiere un área de contacto muy grande. ⁷

En la red de energía de aire comprimido de París, el enfriamiento proporcionado por la expansión del aire se usó para la refrigeración, la congelación, la enfriamiento y la ventilación.

Si observamos los sistemas neumáticos más antiguos, vemos que hay otras maneras mas fáciles de aprovechar las diferencias de temperatura debido a la compresión y expansión. En la red de energía de aire comprimido de París, los ingenieros aprovecharon el enfriamiento que proporciona la expansión del aire. En París, el aire comprimido solía calentarse con coque antes de ser utilizado por un motor neumático, lo que aumentaba la producción de energía de una manera muy similar al uso de gas natural en los sistemas CAES actuales.

Sin embargo, en bares y restaurantes, estos recalentadores no fueron utilizados. En cambio, el aire frío se uso para fines de refrigeración, congelación, enfriamiento o ventilación. En 1892, F.E. Idell describió un restaurante de París donde el escape fue llevado a través de una chimenea de ladrillo en la bodega de cerveza. En este tiro, las garrafas se congelaban y se fabricaron grandes moldes de hielo en bloque para el uso en la mesa mientras el aire todavía estaba lo suficientemente frío al pasar a través de la bodega de cerveza para hacer innecesario el uso de hielo, incluso en el clima más cálido". ¹⁸

El uso de aire comprimido para enfriar o congelar a veces iba de la mano con la producción de electricidad para la iluminación y la conducción de una dínamo. En estos casos, los motores de aire básicamente se trabajaron para su escape, con la luz eléctrica que es el subproducto. Aprovechando las diferencias de temperatura también se utilizó en las aplicaciones mineras anteriores, donde el escape de los taladros de roca ayudó a enfriar (y ventilar) las minas.

Una idea similar y prometedora hoy en día es el almacenamiento de energía de aire comprimido combinado con almacenamiento térmico para proporcionar electricidad, calefacción, refrigeración, refrigeracio n y / o ventilacio n al mismo tiempo. De hecho, este enfoque tambien evita varias conversiones de energía, ya que podría reemplazar a los refrigeradores, congeladores, acondicionadores de aire y sistemas de calefacción que funcionan con electricidad. El método podría funcionar a nivel de un distrito de la ciudad o un área industrial ²³, pero es especialmente interesante para el almacenamiento de energía descentralizada, utilizando contenedores artificiales de almacenamiento sobre el suelo.

Como hemos visto, una presión de aire más alta puede reducir en gran medida el tamaño de un recipiente de almacenamiento de aire comprimido, pero solo a expensas del aumento del calor residual. En los edificios individuales, el espacio para los recipientes de almacenamiento es limitado, mientras que hay una gran demanda de calor y frío, además de electricidad. El aumento de la presión de aire hace que el recipiente de almacenamiento sea más pequeño y aumenta la producción de calor y frío, satisfaciendo todas las necesidades energéticas de un hogar.

Algunos diseños propuestos siguen otros enfoques para lidiar con el calor de la compresión, y estos podrían funcionar tanto para sistemas de CAES a gran escala como los de pequeña escala. Una idea interesante es un sistema de almacenamiento de energía de aire comprimido que funciona tanto con energía eólica como con energía solar. [24] La energía eólica se almacena en forma de aire comprimido por la cadena del compresor, como en las otras plantas CAES. Sin embargo, la energía solar de un plato parabólico se almacena en un tanque térmico solar aislado y se utiliza para recalentar el aire comprimido antes de la expansión. Debido a que el calor del proceso de compresión ya no es necesario para calentar el aire después de la expansión, este se usa para producir agua caliente.

Un concepto similar para un diseño híbrido de almacenamiento de energía de aire comprimido y térmico utiliza calefacción eléctrica en lugar de energía solar térmica. ²⁴ Debido a que la carga de trabajo en estos sistemas se desplaza de la conversión pura a la inversión parcial en el almacenamiento térmico, se pueden lograr densidades de energía muy superiores a las CAES tradicionales y se puede reducir el tamaño del almacenamiento de aire.

Tercera lección: mejorar el compresor de aire

Una tercera forma de mejorar la eficiencia del almacenamiento de energía de aire comprimido es mediante el uso de compresores de aire y expansores con mayor eficiencia energética. Esta estrategia es opuesta a la anterior. En lugar de aprovechar el calor y el frío para hacer que el sistema sea mas eficiente, trata de minimizar la producción de calor residual durante la compresión (y, en consecuencia, limitar el enfriamiento durante la expansión).

Una vez más, vale la pena mirar hacia el pasado en busca de inspiración. Sorprendentemente, el Santo Graal de la compresión del aire “isotérmico”, en el que no se produce ningún calor residual, se descubrió hace 400 años. El compresor de aire hidráulico – o “trompe”, como se conocía originalmente – era una invención italiana mencionada por primera vez por nombre en 1588, pero posiblemente ya se conocía en la Antiguedad.

Desde 1600 en adelante, docenas de “trompe” proporcionaron una ráfaga de aire continuo a los primeros hornos de fundición de hierro y bronce en el Pirineo franco-español. ²⁵ ²⁶ ²⁷ En comparación con una rueda hidráulica que funciona con un compresor de pistón de madera, este era aproximadamente tres veces más eficiente, lo que permite una mayor producción de hierro con menos recursos de energía hidráulica.

El “trompe” consistía en uno o mas tubos verticales de madera a través de los cuales el agua se canalizaba por gravedad. Después de su descenso, el agua absorbe aire a través de orificios en el tubo y actúa como un pistón continuo para comprimir el aire. En la parte inferior del tubo, el aire se separó del agua en un receptáculo, después de lo cual se envió a la boquilla del horno mediante presión ajustable. Sorprendentemente, el compresor de aire hidráulico produjo aire comprimido sin partes móviles, a excepción de las válvulas de compuerta para cerrar el flujo de agua entrante. Esto lo convirtió en un dispositivo extremadamente confiable. ²⁵ ²⁶ ²⁷ ²⁸ ²⁹

El compresor de aire hidráulico produjo aire comprimido sin partes móviles, lo que lo convirtió en un dispositivo extremadamente confiable y eficiente.

En el siglo XIX, el diseño del compresor de aire hidráulico se mejoró aún más, haciéndolo más eficiente y práctico. En 1861, se construyó un compresor de aire hidráulico para impulsar los taladros de roca para la construcción del túnel Mont Cenis en los Alpes, pero la tecnología alcanzó su apogeo solo a fines del siglo XIX, en la industria minera.

Durante un período de 33 años que comenzó en 1896, se construyeron dieciocho gigantescos compresores hidráulicos de aire, principalmente en los EE. UU., Canada, Alemania y Suecia. En la más grande de estas instalaciones, que se construyeron parcial o completamente bajo tierra, el agua y el aire cayeron a través de tuberías y pozos, excavados en las rocas, que podían tener mas de 100 metros de profundidad y hasta 4 metros de ancho. La presión de entrada ascendió a 8 bar y la potencia de salida podría llegar a 3.000 kilovatios. ²⁸ ²⁹ ³⁰

Las primeras instalaciones utilizaron una multitud de pequeñas tuberías de aire descendentes, como en el “trompe” original, mientras que las instalaciones posteriores usaban solo dos ejes. Las compuertas y las tuberías forzadas suministraban agua a las “cabezas mezcladoras” de aire y agua, las cuales podían tener diversos diseños, y el aire comprimido a menudo se subdividía para llegar a diferentes minas y se canalizaba a muchos kilómetros de distancia. La mayoría de los compresores de aire hidráulicos funcionaron durante décadas, el último hasta 1981. ²⁸ ³⁰

Las pruebas de rendimiento, realizadas periódicamente entre los años 1890 y 1950, reportan que la eficiencia de conversión de energía hidroeléctrica a neumática vario entre 53% y 88%. Una investigación más reciente ha reducido estos números al tomar en cuenta los efectos de solubilidad del gas, informando eficiencias de 40 a 78%. ²⁸ ²⁹ Aunque la compresión de aire hidráulico produce poco calor residual, se introduce un nuevo tipo de pérdida de energía: parte del aire se disuelve en el agua, evitando el proceso de separación aire-agua, reduciendo así el flujo de aire en la salida. ²⁸

Últimamente, el compresor de aire hidráulico ha suscitado un renovado interés. Un equipo de investigación canadiense desarrollo una plataforma de demostración de compresión de aire hidráulico de 30 m de altura en un antiguo pozo de ascensor de mina. ²⁸ ³¹ El “Proyecto Demostrador de HAC” (“The HAC demonstrator project” en inglés) mide y verifica el potencial de ahorro de energía de esta tecnología principalmente en aplicaciones para la minería. Sin embargo, también podría ser una alternativa para los compresores de etapas múltiples utilizados en la industria y en los sistemas CAES. Esto se debe a que el nuevo diseño también se puede configurar en de circuito cerrado, utilizando una bomba en lugar de una fuente de agua natural.

Aunque la bomba introduce un uso de energía extra, una configuración de circuito cerrado tiene dos ventajas importantes. En primer lugar, podría aplicarse en cualquier lugar, en lugar de tener que estar cerca de una fuente de agua explotable y una gran diferencia de altura. En segundo lugar, ofrece la oportunidad de suprimir los efectos indeseados de la física de la solubilidad, por ejemplo, mediante la adición de sal al agua circulante.

Según los investigadores, un compresor de aire hidráulico de circuito cerrado podría tener una eficiencia del 75%, teniendo en cuenta el uso de energía extra de la bomba. Esto es un 13% más eficiente que un compresor centrífugo de tres etapas, y las ventajas relacionadas al costo seran mayores debido a los menores requisitos de mantenimiento. ²⁸ ³¹

El compresor de aire hidráulico parece una combinación perfecta para sistemas CAES a gran escala con depósitos subterráneos. De hecho, muchos de los compresores de aire hidráulicos de los siglos XIX y XX utilizaron la cámara de separación de aire inferior también para el almacenamiento de energía de aire comprimido, en lo que podría considerarse el primer uso a gran escala de CAES. El almacenamiento, que podría ser de hasta 5.600 m3, se utilizo para satisfacer un exceso de demanda de aire a corto plazo, lo que significa que el compresor de aire hidráulico no tuvo que diseñarse para las cargas más grandes. ²⁹

El futuro del aire comprimido

Ninguna de estas ideas hará que las plantas de CAES sean 100% eficientes desde el punto de vista energético. Sin embargo, podrían ayudarlos a alcanzar eficiencias similares a las baterías, pero con problemas ambientales mucho menores y mucho menos consumo de energía. En el siguiente artículo, nos enfocaremos con más detalle en los sistemas CAES de pequeña escala, que prometen ser una alternativa sostenible a las baterías químicas en sistemas fuera de la red.

Gracias a George Fleming.

Chen, Haisheng, et al. “Compressed air energy storage.” Energy Storage-Technologies and Applications. InTech, 2013. https://www.intechopen.com/books/energy-storage-technologies-and-applications/compressed-air-energy-storage ↩︎ ↩︎
Luo, Xing, et al. “Overview of current development in electrical energy storage technologies and the application potential in power system operation.” Applied Energy 137 (2015): 511-536. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261914010290 ↩︎ ↩︎
Barnhart, Charles J., and Sally M. Benson. “On the importance of reducing the energetic and material demands of electrical energy storage.” Energy & Environmental Science 6.4 (2013): 1083-1092. https://gcep.stanford.edu/pdfs/EES_reducingdemandsonenergystorage.pdf ↩︎ ↩︎
Solo una de estas plantas CAES se usa (parcialmente) para almacenar el excedente de energía eólica. Ambas fueron diseñadas como plantas de potencia pico con motivos económicos. ↩︎
Kaiser, Friederike. “Steady State Analyse of existing Compressed Air Energy Storage Plants.” Power and Energy Student Summit (PESS). Dortmund, Germany (2015). https://www.efzn.de/uploads/tx_wiwimitarbeiter/S02.2.pdf ↩︎
Las eficiencias más altas se alcanzan en condiciones de funcionamiento óptimas. La pérdida de eficiencia adicional es causada por el hecho de que durante la expansión, el depósito de almacenamiento se descarga y la presión disminuye. Mientras tanto, se requiere que la presión de entrada para el expansor varíe solo en un rango mínimo para garantizar una alta eficiencia durante la expansión. Para reunir ambos requisitos, el aire se puede almacenar en un tanque con presión excedente y reducir a la presión de entrada del expansor requerida, lo que obviamente está relacionado con la pérdida de eficiencia. ↩︎
Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage (AA-CAES), Energy Storage Association. Retrieved May 2018. http://energystorage.org/advanced-adiabatic-compressed-air-energy-storage-aa-caes ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Sun, Hao, Xing Luo, and Jihong Wang. “Feasibility study of a hybrid wind turbine system–Integration with compressed air energy storage.” Applied Energy 137 (2015): 617-628. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261914006680 ↩︎ ↩︎
De hecho, las plantas CAES de hoy son esencialmente turbinas de gas convencionales en las que la compresión del aire de combustión se separa del proceso real de la turbina de gas. A diferencia de las turbinas de gas convencionales, que consumen aproximadamente dos tercios de su combustible de entrada para comprimir el aire en el momento de la generación de energía, CAES precomprime el aire con electricidad de bajo costo de la red eléctrica, en horas de menor actividad, y lo utiliza con algo combustible de gas para generar electricidad cuando sea necesario. ↩︎
Smil, Vaclav. “Energy in world history.” (1994). ↩︎
Ewbank, Thomas. A Descriptive and Historical Account of Hydraulic and Other Machines for Raising Water, Ancient and Modern: Including the Progressive Development of the Steam Engine. No. 32707. Tilt and Bogue, 1842. ↩︎
Nye, David E. “Hunter Louis C. and Bryant Lynwood. A History of Industrial Power in the United States, 1780–1930. Volume 3: The Transmission of Power. Cambridge, Mass, and London: MIT Press, 1991. Pp. xxv+ 596 ISBN 0-262-08198-9.” The British Journal for the History of Science 25.4 (1992): 476-477. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
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“Compressed air, its production, uses, and applications; comprising the physical properties of air from a vacuum to its highest pressure, its thermodynamics, compression, transmission and uses as a motive power“, Gardner D. Hiscox, 1909 ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
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“Histoire de la SUDAC (1877-1996)” (PDF), Tristan de la Broise & Florence Meffre, 1996 ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
“The transmission of power by compressed air“, Robert Zahner, 1890 ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
“Compressed air: experiments upon the transmission of power by compressed air in Paris (Popp’s system)“, F.E. Idell, 1892 ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Las conversiones de energía no son necesariamente algo malo. La transmisión de potencia mecánica no implica conversiones de energía, pero tiene pérdidas de energía muy elevadas cuando es transportada a largas distancias y cuando se subdivide para una gran cantidad de máquinas. Esta es la razón por la cual los llamados ” equipos de transmisión eólica y neumática” aparecieron en la escena en el siglo XIX. Aunque su conversión a otra forma de energía implica una pérdida de energía, esta pérdida se compensa , ya que su eficiencia es mucho mayor en la transmisión y subdivisión. Sin embargo, la combinación de dos equipos de transmisión eólica y neumática, como el aire comprimido y la electricidad, es un desperdicio por definición. ↩︎
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Schulze, Leroy E. Hydraulic air compressors. Vol. 7683. Dept. of the Interior, Bureau of Mines, 1954. https://babel.hathitrust.org/cgi/pt?id=mdp.39015078460238;view=1up;seq=11 ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Hartenberg, R. S., and J. Denavit. “The fabulous air compressor.” Mach. Des 21 (1960): 168-170. ↩︎ ↩︎
Millar, Dean L. “A review of the case for modern-day adoption of hydraulic air compressors.” Applied Thermal Engineering 69.1-2 (2014): 55-77. ↩︎ ↩︎