O armazenamento de energia em ar comprimidohttp://www.energytower.org/cawegs.html Utiliza compressores movidos a energia eólica. (ou CAES, do inglês Compressed Air Energy Storage) é um método de armazenamento de energia gerada em um determinado período para uso posterior. Esta tecnologia permite utilizar a energia gerada em períodos de baixo consumo energético (horário de baixa) em períodos de maior demanda (horário de pico).Wild, Matthew, L. Wind Drives Growing Use of Batteries, New York Times, 28 de julho de 2010, pp.B1.

Tipos A compressão do ar gera calor, o ar se torna mais quente após a compressão. A expansão requer calor. Se nenhum calor extra for adicionado, o ar se tornará muito mais frio após a expansão. Se o calor gerado durante a compressão do ar puder ser armazenado e usado durante esta expansão, a eficiência do armazenamento melhora consideravelmente.

Há três modos em que um sistema CAES pode administrar o calor. O armazenamento de energia pode ser adiabático, diabático, ou isotérmico: O armazenamento adiabático retém o calor produzido pela compressão e o devolve ao ar quando este é expandido para gerar energia. Este método é alvo de estudo constante. No momento não há nenhuma usina deste tipo em operação, mas o projeto alemão ADELE deve ter seu desenvolvimento iniciado em 2013. Em teoria, a eficiência do armazenamento adiabático é próxima de 100% em perfeito isolamento, mas na prática a eficiência de retorno é próxima de 70%. O calor pode ser armazenado em sólidos como o concreto ou a pedra, ou de modo mais provável em fluidos como o óleo ou a água (acima de 300 °C) ou soluções de sais fundidos (600 °C).

O armazenamento diabático dissipa o calor extra com o auxilio de intercoolers (desse modo se aproximando da compressão isotérmica) na atmosfera como resíduo. Após ser removido do armazenamento, o calor deve ser reaquecido antes da expansão na turbina para impulsionar o gerador, o que pode ser realizado com um combustor de gás natural para o armazenamento em rede ou com uma massa metálica aquecida. O calor perdido diminui a eficiência, mas este método é mais simples e é até o momento o único que tem sido implementado em escala comercial. O armazenamento mecânico requer 2.5 MJ de eletricidade e 1.2 MJ poder calorífico inferior (PCI) de gás para cada megajoule de energia produzida. Uma usina de ciclo combinado 7FA 2x1 da General Electric, uma das usinas a gás natural mais eficientes em operação, utiliza 6.6 MJ (PCI) de gás por kW–h gerado, uma eficiência térmica de 54% comparável aos 6.8 MJ da usina de McIntosh, cuja eficiência térmica é de 53%. Os métodos de compressão e expansão isotérmica tentam manter a temperatura de operação através da troca constante de calor com o ambiente. Essa abordagem só é prática para baixos níveis energéticos, sem trocadores de calor muito eficazes. A eficiência teórica do armazenamento de energia isotérmico se aproxima de 100% num cenário de troca perfeita de calor com o ambiente. Na prática nenhum desses ciclos termodinâmicos perfeitos são possíveis, já que não se pode evitar alguma perda de calor.

Um outro arranjo muito eficiente, que não se encaixa em nenhuma das categorias descritas acima, utiliza pistões de baixa e alta pressão em série, em que cada estágio é seguido de um aspirador que suga o ar ambiente sobre um trocador de calor entre ar e ar (ou entre ar e água marinha) entre cada estágio de expansão. Os primeiros designs de torpedos a ar comprimido utilizavam uma abordagem similar, substituindo água marinha por ar. O aspirador aquece o gás de exaustão do estágio anterior e transmite o gás pré-aquecido ao estágio seguinte. Esta abordagem foi adotada por vários veículos a ar comprimido como as locomotivas mineiras H. K. Porter, IncCompressed-Air Propulsion e trens.3-stage propulsion with intermediate heating Com este método o calor da compressão é efetivamente armazenado na atmosfera (ou mar) e retornado posteriormente.

A compressão pode ser alcançada com turbocompressores e turbo 'expandidores' movidos a energia elétrica ou motores pneumáticos impulsionando geradores elétricos para produzir eletricidade.

O tanque de armazenamento muitas vezes consiste numa caverna subterrânea criada pela mineração por solução (em que o sal é dissolvido na água para a sua extração) ou numa mina abandonada. Essas usinas operam num ciclo de dia e noite, carregando à noite e descarregando durante o dia.

O armazenamento de energia também pode ser empregado em menor escala, como nos carros a ar e locomotivas pneumáticas, e também pelo uso de tanques de fibra de carbono de alta resistência.

História

Sistemas urbanos de armazenamento de energia em ar comprimido têm sido construídos desde 1870. Cidades como Paris, França; Birmingham, Inglaterra; Rixdorf, Offenbach e Dresden na Alemanha e Buenos Aires, Argentina adotaram este sistema. Victor Popp construiu os primeiros sistemas para relógios, em que um pulso de ar era liberado a cada minuto para mover o ponteiro. Esta tecnologia evoluiu rapidamente para fornecer energia a lares e à indústria.Technische Mislukkingen by Lex Veldhoen & Jan van den Ende Em 1896, o sistema de Paris distribuía 2.2 MW de energia gerada a 550 kPa em 50 km de aerodutos às indústrias leve e pesada. O gasto era medido em metros. Estes sistemas eram a principal fonte de energia doméstica na época e também forneciam energia às máquinas de dentistas, ateliers, estamparias e padarias. 1978 — O primeiro projeto de usina de armazenamento de ar comprimido em escala útil foi a usina de 290 megawatts de Huntorf na Alemanha, que utilizava um domo de sal. 1991 — Uma usina de 110 megawatts com capacidade de geração de 26 foi construída em McIntosh, Alabama (1991). O custo de $65 das instalações da usina do Alabama resultou numa capacidade de $550 por kilowatt-hora, utilizando uma caverna de sal de 5,79 milhões de m² para armazenar ar a uma pressão acima de 1100 psi. Apesar da eficiência da fase de compressão se aproximar de 82%, a fase de expansão requer a combustão do gás a um terço da taxa de uma turbina a gás produzindo a mesma quantidade de eletricidade. Novembro de 2009 — O Departamento de Energia dos Estados Unidos libera $24.9 milhões em fundos para a primeira fase da instalação da usina CAES Pacific Gas and Electric de 300 MW, orçada em $356 milhões utilizando uma formação de rocha porosa salina em desenvolvimento nas proximidades de Bakersfield, Califórnia. As metas do projeto são a construção e validação de um design avançado. Dezembro de 2010 — O Departamento de Energia dos Estados Unidos libera mais $29.4 milhões para a condução de trabalhos preliminares em um projeto de usina CAES de 150 MW em sal sendo desenvolvida pela Iberdrola USA em Watkins Glen, Nova Iorque. A meta é incorporar a tecnologia de armazenamento de energia para equilibrar as fontes intermitentes de energia renovável. 2013 (projeção) — Data de início da construção do primeiro projeto de usina CAES adiabática, uma usina de 200 megawatts denominada ADELE, na Alemanha.

Termodinâmica do armazenamento

Para se chegar a um processo termodinâmico reversível de modo que a maior parte da energia seja aproveitada pelo sistema e então distribuída, e ao mesmo tempo minimizar as perdas, objetiva-se um processo isotérmico ou processo isentrópico.

Armazenamento isotérmico

Em um processo de compressão isotérmico, o gás do sistema é mantido a uma temperatura constante em tempo integral. Isto implica na remoção do calor do gás, que de outra forma sofreria uma elevação na temperatura devido à energia adicionada ao gás pelo compressor. Esta remoção de calor pode ser atingida através de trocadores de calor (intercoolers) entre os estágios subsequentes no compressor. Para evitar a perda de energia, os intercoolers podem ser aprimorados para melhorar a propagação térmica e a queda de baixa pressão. Naturalmente, isto é apenas uma aproximação de uma compressão isotérmica, considerando que o aquecimento e a compressão ocorrem em fases discretas. Alguns compressores menores podem se aproximar da compressão isotérmica mesmo sem um intercooler, devido ao índice relativo da área superficial relativa ao volume e à melhoria resultante na dissipação do calor do compressor em si.

Para se obter um processo de armazenamento isotérmico perfeito, é necessário que o processo seja reversível. Isto requer uma transferência de calor entre o gás e o meio externo ocorra com uma diferença de temperatura mínima. Nesse caso, não há nenhuma perda de exergia no processo de transferência de calor, e assim o processo de compressão pode ser completamente recuperado como processo de expansão, cujo resultado é uma eficiência de armazenamento de 100%. No entanto, na prática sempre há uma diferença de temperatura em qualquer processo de transferência de calor, por isso qualquer método de armazenamento de energia atinge níveis de eficiência significativamente abaixo de 100%.

Para se estimar o trabalho de compressão/expansão em um processo isotérmico, pode-se imaginar que o ar comprimido obedece à lei dos gases ideais, . De um processo de um estado inicial A a um estado final B, com uma temperatura absoluta constante, descobre-se que o trabalho necessário para a compressão (negativo) ou executado pela expansão (positivo), é de , onde , e portanto, . Nesta equação, representa a pressão absoluta, representa o volume do tanque, é a quantidade de substância do gás (mol) e é a constante dos gases ideais.

Exemplo

Quanto de energia pode-se armazenar em 1m³ de um tanque à pressão de 7 000 000 Pa (=70 bar), se a pressão ambiente for de 100 000 Pa (=1 bar)? Neste caso, o trabalho do processo é

= 7 000 000 × 1 m³ × ln(1/70) = -29 MJ.

O sinal negativo indica que o trabalho é executado sobre o gás pelo ambiente. As irreversibilidades do processo (tal como a transferência de calor) resultarão em menos energia sendo recuperada do processo de expansão do que é demandado pelo processo de compressão. Se o ambiente estiver à temperatura constante, por exemplo, a resistência térmica nos intercoolers implicará que a compressão ocorre a uma temperatura um tanto maior que a temperatura ambiente, e a expansão ocorrerá a uma temperatura um tanto menor que a temperatura ambiente. Portanto, um sistema de armazenamento isotérmico perfeito é inatingível.

Armazenamento adiabático (isentrópico)

Um processo adiabático é aquele em que não há qualquer transferência de calor entre o fluido e seus arredores: o sistema é isolado da transferência de calor. Este processo é internamente reversível (suave, devagar e sem fricção, ao limite ideal) tendo, portanto a característica adicional de ser isentrópico.

Um sistema de armazenamento adiabático elimina o processo de refrigeração interna durante o processo de compressão, permitindo o simples aquecimento do gás durante a compressão, e o resfriamento durante a expansão. Esta abordagem é interessante, já que a perda de energia associada à transferência de calor é evitada, mas a desvantagem é que o tanque de armazenamento deve ser isolado contra a perda de calor. Também deve ser ressaltado que os compressores e turbinas reais não são isentrópicos, ao invés, possuem uma eficiência isentrópica de aproximadamente 85%, cujo resultado é uma eficiência de armazenamento de retorno para os sistemas adiabáticos consideravelmente abaixo do ideal.

Termodinâmica de grandes sistemas de armazenamento