Aplicaciones curiosas del aire comprimido: El sistema CAES
Desde los tiempos del fuelle hasta nuestros días, los ingenieros han utilizado el aire comprimido para multitud de aplicaciones. En este artículo analizaremos una de ellas: el sistema CAES.
Seguramente, los lectores que siguen habitualmente nuestros artículos técnicos recordarán el de la Historia del Compresor, donde hablábamos de Ctesibio (285 - 222 a.C.), inventor y matemático griego considerado el padre de la neumática, que aplicó el aire comprimido para el funcionamiento de un órgano de música o a Herón de Alejandría (20 - 62 d.C.), ingeniero y matemático que, entre otros inventos, aplicó la neumática para la apertura automática de las puertas de un templo.
El aire comprimido es la base del funcionamiento de ambos inventos, que en aquella época, debieron resultar maravillosos o incluso mágicos. Pero la imaginación del ser humano no descansa y en la actualidad, con un nivel de conocimiento infinitamente superior, los ingenieros han utilizado el aire comprimido para multitud de aplicaciones, tan curiosas o más que las de nuestros antepasados.
En este artículo analizaremos una aplicación muy interesante del aire comprimido en la producción de energía eléctrica, el sistema CAES.
La producción de energía es sin duda uno de los principales problemas a los que se enfrentan actualmente los gobiernos de los diferentes países del mundo. El gran reto es producirla en grandes cantidades, con bajos costes y con el menor impacto ambiental posible. Basándose en esta necesidad, diferentes empresas han desarrollado procesos que permiten obtener energía eléctrica con la acumulación de aire comprimido.
La idea consiste en producir y almacenar aire comprimido durante las horas de bajo coste o con el sobrante de energía, para usarlo después en la producción de energía eléctrica durante los periodos de demanda punta. Esta tecnología no se puede considerar novedosa, porque lleva más de 20 años en uso. La primera planta, con una capacidad de 290MW, fue construida en Huntorf, Alemania, en el año 1978. La segunda planta se construyó en Alabama, USA, en el año 1991, con una capacidad de 110MW.
Esta aplicación, denominada CAES (por su descripción en inglés Compressed Air Energy Storage), requiere de grandes compresores y una instalación adecuada que permita almacenar el aire producido y recuperarlo después para alimentar la turbina de generación eléctrica.
En el esquema anterior se muestra un desarrollo básico del sistema CAES. Las partes principales del proceso y que debe incluir el sistema son:
Uno o varios compresores adecuados al caudal y presiones requeridas. Suelen ser equipos centrífugos debido a que se manejan grandes caudales y de varias etapas, por la presión.
Un recuperador de calor. Este es un elemento vital en el proceso, porque como se explicará más adelante, es el equipo clave para aumentar la eficiencia del sistema.
Un depósito acumulador. Existen distintas formas de acumular el aire y todas ellas requieren de grandes depósitos, lo que ha llevado a los ingenieros a realizar este trabajo en cavernas u otros sistemas que permitan grandes volúmenes.
Un generador de electricidad, accionado habitualmente por una turbina de expansión.
En la práctica, el desarrollo de una planta de este tipo es algo más complicado de lo que se indica en el esquema, debido a que para maximizar su rendimiento se tienen que resolver dos problemas básicos: dónde acumular grandes cantidades de aire comprimido y cómo recuperar el calor de compresión. Cada empresa ha basado su diseño en diferentes tecnologías que mantienen su principio básico, pero que difieren en su forma de aplicarlo.
La compañía Hydrostor desarrolló una planta de producción de energía eléctrica, basada en la acumulación de aire comprimido en grandes globos submarinos. En este tipo de plantas, se comprime aire a través de un acumulador de calor en el interior de globos submarinos. El aire desplaza el agua de los depósitos y se mantiene en esta posición hasta que se necesita electricidad.
Cuando se requiere que la planta comience a producir energía eléctrica, el proceso se invierte. El sistema permite que el peso del agua empuje el aire de nuevo a la superficie bajo presión. En la superficie, el calor almacenado se añade de nuevo en la corriente de aire. El aire caliente entra en una turbina de expansión, que acciona el generador que producirá energía eléctrica, devolviendo así a la red, la que se había acumulado en forma de aire comprimido.
Con esta misma idea Hydrostor ha presentado un diseño de planta en la que acumula aire comprimido en el interior de una caverna inundada. Cuando tiene que invertir el proceso para producir energía eléctrica usa directamente la contrapresión que ejerce el agua, que había sido desplazada por el aire comprimido y acumulada en una piscina superficial, para presurizar el aire acumulado en la caverna sobre el accionamiento del generador eléctrico.
A este diseño se le denomina A-CAES:
Otra forma de realizar este proceso es la propuesta por la empresa Dresser-Rand.
En su diseño varía el método de acumulación de aire, utilizando una caverna subterránea a modo de gran depósito.
La ubicación de estas cavernas no es sencilla. Se necesita un estudio geológico que permita determinar si es adecuada al proceso, es decir, si dispone del tamaño y profundidad suficiente, así como de una estructura que evite la fugacidad. También se pueden fabricar cavernas artificiales en domos salinos. Estas cavernas requieren de un proceso de formación que puede parecer más complicado, pero a la larga son más eficientes debido a que admiten frecuentes ciclos de producción o extracción, gracias a que las características de la sal reducen el riesgo de fugacidad.
El sistema de Dresser-Rand utiliza tres etapas de compresión para llegar a presiones de aire de aproximadamente 200 bar.
Otro de los problemas en el desarrollo de este sistema es la recuperación del calor de compresión. Al utilizar el aire comprimido en la fase de producción, es necesario calentarlo y por esa razón, algunos de estos procesos utilizan gas natural para hacer este trabajo. El uso de un combustible adicional perjudica la eficiencia de la planta y aumenta su impacto medioambiental, pero a pesar de ello, algunos expertos indican que el costo de la energía producida sigue siendo inferior al de una planta de ciclo combinado. Desde este punto de vista, se podría hablar de tres tipos de procesos:
Proceso tipo adiabático: Se trata de conservar el calor producido en la compresión acumulándolo en un medio exterior, como pueden ser unas sales o algún tipo de aceite. Para ello, primero enfriamos el aire en un intercambiador y después, el calor acumulado es devuelto al aire comprimido en la fase de generación, antes de su expansión en la turbina. Evidentemente, la eficiencia del proceso será mayor cuanto mayor sea la capacidad de recuperar el calor de compresión.
Proceso tipo diabático: El calor de compresión se pierde al enfriar el aire en los refrigeradores posteriores del sistema de compresión. Lógicamente, en la fase de uso del aire en la producción de energía eléctrica, éste se debe volver a calentar usando medios externos, como el gas natural o el calor residual producido en otros procesos de la planta.
Proceso tipo isotérmico: En este proceso, tanto la compresión como la expansión se tienen que realizar a una temperatura constante. Si se consiguiera esto, sería un proceso 100% eficiente, algo que no es posible debido a que las pérdidas de calor son inevitables. A pesar de lo comentado, existen proyectos muy interesantes de empresas como Sustain X, que utilizan unos cilindros hidráulicos para realizar la transferencia de calor entre aire y agua de forma directa, minimizando las pérdidas.
El sistema CAES está en constante innovación, debido a que compite con otros sistemas de acumulación de energía. Evidentemente, tiene ventajas y desventajas frente a otros sistemas.
Ofrece un bajo nivel en las emisiones de efecto invernadero. Esta es una ventaja importante, aunque depende del proceso de recuperación de calor que se emplee en cada caso. El uso de combustibles adicionales para calentar el aire perjudicaría al sistema, pero como hemos explicado, se dispone de alternativas altamente eficientes.
Aunque su capacidad de respuesta ante la demanda es elevada, el sistema CAES está todavía por debajo de otros sistemas como las centrales hidráulicas de bombeo.
Tiene una capacidad de producción muy elevada. Esta es una importante ventaja porque permite que plantas relativamente pequeñas, consigan una producción entre los 100 a 300 MW.
La vida media de una planta de este tipo es bastante elevada, por encima de los 25 años.
Su rendimiento es variable en función del diseño del proceso. Con un diseño tipo adiabático se podría estimar en un 70%; con el diabático es menor debido al uso de combustibles externos, alrededor de un 50%. El sistema más eficiente es el isotérmico, su rendimiento varía según los diferentes autores consultados, entre el 75% y el 90%, pero está en una fase más experimental.
El sistema CAES para el proceso de acumulación de energía eléctrica tiene un futuro muy prometedor, aunque es muy dependiente de las decisiones de los gobiernos en términos de inversión o de reducción de la producción de gases de efecto invernadero. Todavía es una tecnología poco madura y en algunos casos en fase experimental, pero la constante reducción en los costes de construcción y explotación está logrando que empiece a ser muy competitiva frente a otras grandes infraestructuras como las centrales hidráulicas de bombeo.
Sábado, 23 de noviembre de 2024 
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