Aplicaciones curiosas del aire comprimido: El sistema CAES 3g5x1q
Desde los tiempos del fuelle hasta nuestros das, los ingenieros han utilizado el aire comprimido para multitud de aplicaciones. En este artculo analizaremos una de ellas: el sistema CAES.
Seguramente, los lectores que siguen habitualmente nuestros artculos tcnicos recordarn el de la Historia del Compresor, donde hablbamos de Ctesibio (285 - 222 a.C.), inventor y matemtico griego considerado el padre de la neumtica, que aplic el aire comprimido para el funcionamiento de un rgano de msica o a Hern de Alejandra (20 - 62 d.C.), ingeniero y matemtico que, entre otros inventos, aplic la neumtica para la apertura automtica de las puertas de un templo.
El aire comprimido es la base del funcionamiento de ambos inventos, que en aquella poca, debieron resultar maravillosos o incluso mgicos. Pero la imaginacin 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 ms que las de nuestros antepasados.
En este artculo analizaremos una aplicacin muy interesante del aire comprimido en la produccin de energa elctrica, el sistema CAES.
La produccin de energa es sin duda uno de los principales problemas a los que se enfrentan actualmente los gobiernos de los diferentes pases del mundo. El gran reto es producirla en grandes cantidades, con bajos costes y con el menor impacto ambiental posible. Basndose en esta necesidad, diferentes empresas han desarrollado procesos que permiten obtener energa elctrica con la acumulacin de aire comprimido.
La idea consiste en producir y almacenar aire comprimido durante las horas de bajo coste o con el sobrante de energa, para usarlo despus en la produccin de energa elctrica durante los periodos de demanda punta. Esta tecnologa no se puede considerar novedosa, porque lleva ms de 20 aos en uso. La primera planta, con una capacidad de 290MW, fue construida en Huntorf, Alemania, en el ao 1978. La segunda planta se construy en Alabama, USA, en el ao 1991, con una capacidad de 110MW.
Esta aplicacin, denominada CAES (por su descripcin en ingls Compressed Air Energy Storage), requiere de grandes compresores y una instalacin adecuada que permita almacenar el aire producido y recuperarlo despus para alimentar la turbina de generacin elctrica.
En el esquema anterior se muestra un desarrollo bsico 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 centrfugos debido a que se manejan grandes caudales y de varias etapas, por la presin.
Un recuperador de calor. Este es un elemento vital en el proceso, porque como se explicar ms adelante, es el equipo clave para aumentar la eficiencia del sistema.
Un depsito acumulador. Existen distintas formas de acumular el aire y todas ellas requieren de grandes depsitos, lo que ha llevado a los ingenieros a realizar este trabajo en cavernas u otros sistemas que permitan grandes volmenes.
Un generador de electricidad, accionado habitualmente por una turbina de expansin.
En la prctica, el desarrollo de una planta de este tipo es algo ms complicado de lo que se indica en el esquema, debido a que para maximizar su rendimiento se tienen que resolver dos problemas bsicos: dnde acumular grandes cantidades de aire comprimido y cmo recuperar el calor de compresin. Cada empresa ha basado su diseo en diferentes tecnologas que mantienen su principio bsico, pero que difieren en su forma de aplicarlo.
La compaa Hydrostor desarroll una planta de produccin de energa elctrica, basada en la acumulacin de aire comprimido en grandes globos submarinos. En este tipo de plantas, se comprime aire a travs de un acumulador de calor en el interior de globos submarinos. El aire desplaza el agua de los depsitos y se mantiene en esta posicin hasta que se necesita electricidad.
Cuando se requiere que la planta comience a producir energa elctrica, el proceso se invierte. El sistema permite que el peso del agua empuje el aire de nuevo a la superficie bajo presin. En la superficie, el calor almacenado se aade de nuevo en la corriente de aire. El aire caliente entra en una turbina de expansin, que acciona el generador que producir energa elctrica, devolviendo as a la red, la que se haba acumulado en forma de aire comprimido.
Con esta misma idea Hydrostor ha presentado un diseo de planta en la que acumula aire comprimido en el interior de una caverna inundada. Cuando tiene que invertir el proceso para producir energa elctrica usa directamente la contrapresin que ejerce el agua, que haba 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 elctrico.
A este diseo se le denomina A-CAES:
Otra forma de realizar este proceso es la propuesta por la empresa Dresser-Rand.
En su diseo vara el mtodo de acumulacin de aire, utilizando una caverna subterrnea a modo de gran depsito.
La ubicacin de estas cavernas no es sencilla. Se necesita un estudio geolgico que permita determinar si es adecuada al proceso, es decir, si dispone del tamao y profundidad suficiente, as como de una estructura que evite la fugacidad. Tambin se pueden fabricar cavernas artificiales en domos salinos. Estas cavernas requieren de un proceso de formacin que puede parecer ms complicado, pero a la larga son ms eficientes debido a que iten frecuentes ciclos de produccin o extraccin, gracias a que las caractersticas de la sal reducen el riesgo de fugacidad.
El sistema de Dresser-Rand utiliza tres etapas de compresin para llegar a presiones de aire de aproximadamente 200 bar.
Otro de los problemas en el desarrollo de este sistema es la recuperacin del calor de compresin. Al utilizar el aire comprimido en la fase de produccin, es necesario calentarlo y por esa razn, 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 energa producida sigue siendo inferior al de una planta de ciclo combinado. Desde este punto de vista, se podra hablar de tres tipos de procesos:
Proceso tipo adiabtico: Se trata de conservar el calor producido en la compresin acumulndolo en un medio exterior, como pueden ser unas sales o algn tipo de aceite. Para ello, primero enfriamos el aire en un intercambiador y despus, el calor acumulado es devuelto al aire comprimido en la fase de generacin, antes de su expansin en la turbina. Evidentemente, la eficiencia del proceso ser mayor cuanto mayor sea la capacidad de recuperar el calor de compresin.
Proceso tipo diabtico: El calor de compresin se pierde al enfriar el aire en los refrigeradores posteriores del sistema de compresin. Lgicamente, en la fase de uso del aire en la produccin de energa elctrica, ste 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 isotrmico: En este proceso, tanto la compresin como la expansin se tienen que realizar a una temperatura constante. Si se consiguiera esto, sera un proceso 100% eficiente, algo que no es posible debido a que las prdidas de calor son inevitables. A pesar de lo comentado, existen proyectos muy interesantes de empresas como Sustain X, que utilizan unos cilindros hidrulicos para realizar la transferencia de calor entre aire y agua de forma directa, minimizando las prdidas.
El sistemaCAES esten constante innovacin, debido a que compitecon otros sistemas de acumulacin de energa. Evidentemente, tieneventajas 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 recuperacin de calor que se emplee en cada caso. El uso de combustibles adicionales para calentar el aire perjudicara 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 est todava por debajo de otros sistemas como las centrales hidrulicas de bombeo.
Tiene una capacidad de produccin muy elevada. Esta es una importante ventaja porque permite que plantas relativamente pequeas, consigan una produccin entre los 100 a 300 MW.
La vida media de una planta de este tipo es bastante elevada, por encima de los 25 aos.
Su rendimiento es variable en funcin del diseo del proceso. Con un diseo tipo adiabtico se podra estimar en un 70%; con el diabtico es menor debido al uso de combustibles externos, alrededor de un 50%. El sistema ms eficiente es el isotrmico, su rendimiento vara segn los diferentes autores consultados, entre el 75% y el 90%, pero est en una fase ms experimental.
El sistemaCAES para el proceso de acumulacin de energa elctrica tieneun futuro muy prometedor, aunque es muy dependientede las decisiones de los gobiernos en trminos de inversin o de reduccin de la produccin de gases de efecto invernadero. Todava es una tecnologa poco madura y en algunos casos en fase experimental, pero la constante reduccin en los costes de construccin y explotacin est logrando que empiece a ser muy competitiva frente a otras grandes infraestructuras como las centrales hidrulicas de bombeo.
Sbado, 24 de mayo de 2025 
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