Armazenamento de energia de ar comprimido fora da rede ar comprimido DIY

Armazenamento de energia com ar comprimido fora da rede de ar comprimido DIY

(DIY) é a sigla da expressão em inglês Do It Yourself, que significa

Saindo da rede?

Pense duas vezes antes de investir em um sistema de bateria.

O armazenamento de energia de ar comprimido é a alternativa sustentável e resiliente

às baterias, com uma expectativa de vida muito mais longa, menores custos de ciclo de vida, simplicidade técnica e baixa manutenção. Projetar um sistema de armazenamento de energia de ar comprimido que combina alta eficiência com pequeno tamanho de armazenamento não é autoexplicativo, mas um número crescente de pesquisadores mostra que isso pode ser feito.

O armazenamento de energia por ar comprimido (CAES) é geralmente considerado como uma forma de armazenamento de energia em grande escala, comparável a uma usina hidrelétrica bombeada. Essa planta CAES comprime o ar e o armazena em uma caverna subterrânea, recuperando a energia expandindo (ou descomprimindo) o ar através de uma turbina, que opera um gerador.

(CAES) Armazenamento de energia em ar comprimido.
O armazenamento de energia em ar comprimido (ou CAES, do inglês Compressed Air Energy Storage) é um método de armazenamento de energia gerada em um determinado período para uso posterior.

Infelizmente, as plantas CAES de larga escala são muito ineficientes em termos energéticos.

A compactação e a descompressão do ar introduzem perdas de energia, resultando em uma eficiência elétrica-elétrica de apenas 40 a 52%, em comparação com 70 a 85% para usinas hidrelétricas e 70 a 90% para baterias químicas.

A baixa eficiência é principalmente porque o ar aquece durante a compressão.

Este calor residual, que detém uma grande parte do consumo de energia, é despejado na atmosfera.

Um problema relacionado é que o ar esfria quando é descomprimido, diminuindo a produção de eletricidade e possivelmente congelando o vapor de água no ar.

Para evitar isso, as usinas de CAES de grande escala aquecem o ar antes da expansão usando combustível de gás natural, o que deteriora ainda mais a eficiência do sistema e torna o armazenamento de energia renovável dependente de combustíveis fósseis.

Por que CAES de pequena escala?

No artigo anterior, delineamos várias ideias - inspiradas em sistemas históricos - que poderiam melhorar a eficiência de plantas CAES de larga escala.

Neste artigo, nos concentramos no pequeno mas crescente número de engenheiros e pesquisadores que pensam que o futuro não está no armazenamento de energia de ar comprimido em grande escala, mas sim em sistemas de micro ou pequena escala, usando vasos de armazenamento acima do solo ao em vez de reservatórios subterrâneos.

Esses sistemas podem estar conectados à rede ou à rede, operando sozinhos ou ao lado de um sistema de bateria.

A principal razão para investigar o armazenamento descentralizado de energia de ar comprimido é o simples fato de que tal sistema poderia ser instalado em qualquer lugar, assim como as baterias químicas.

CAES de grande escala, por outro lado, depende de uma geologia subterrânea adequada.

Embora existam mais locais potenciais para plantas CAES de larga escala do que para usinas hidrelétricas reversas de larga escala, encontrar cavernas de armazenamento adequadas não é tão fácil quanto se supunha anteriormente.

Configuração experimental do sistema de armazenamento de energia de ar comprimido de pequena escala.

Em comparação com as baterias químicas, os sistemas micro-CAES têm algumas vantagens interessantes. Mais importante ainda, uma rede distribuída de sistemas de armazenamento de energia de ar comprimido seria muito mais sustentável e ambientalmente amigável.

Ao longo de suas vidas, as baterias químicas armazenam apenas de duas a dez vezes a energia necessária para fabricá-las.

Os sistemas CAES de pequena escala se saem muito melhor do que isso, principalmente devido à sua vida útil muito mais longa.

Em comparação com as baterias químicas, uma rede distribuída de sistemas de armazenamento de energia de ar comprimido seria muito mais sustentável e ecologicamente correta.

Além disso, eles não exigem materiais raros ou tóxicos, e o hardware é facilmente reciclável. Além disso, o armazenamento de energia de ar comprimido descentralizado não precisa de linhas de produção de alta tecnologia e pode ser fabricado, instalado e mantido por empresas locais, ao contrário de um sistema de armazenamento de energia baseado em baterias químicas.

Finalmente, o micro-CAES não tem auto-descarga, é tolerante a uma ampla gama de ambientes e promete ser mais barato do que as baterias químicas.

Embora o custo de investimento inicial seja estimado superior ao de um sistema de bateria (cerca de US $ 10.000 para uma configuração residencial típica) e embora o armazenamento acima do solo aumente os custos em comparação com o armazenamento subterrâneo (o depósito é bom para aproximadamente metade do custo de investimento), um sistema de armazenamento de energia de ar comprimido oferece um número quase infinito de ciclos de carga e descarga.

As baterias, por outro lado, precisam ser substituídas a cada poucos anos, o que as torna mais caras a longo prazo.

Desafio: limitar o tamanho do armazenamento

No entanto, o CAES descentralizado também enfrenta desafios importantes. A primeira é a eficiência do sistema, que é um problema em sistemas de grande e pequena escala, e a segunda é o tamanho da embarcação de armazenamento, o que é especialmente problemático para sistemas CAES de pequena escala.

Ambas as questões tornam os sistemas CAES de pequena escala impraticáveis. Espaço suficiente para uma grande embarcação de armazenamento nem sempre está disponível, enquanto uma baixa eficiência de armazenamento requer uma maior usina solar fotovoltaica ou eólica para compensar essa perda, aumentando os custos e diminuindo a sustentabilidade do sistema.

Para piorar a situação, a eficiência do sistema e o tamanho do armazenamento estão inversamente relacionados: a melhoria de um fator é muitas vezes à custa do outro.
O aumento da pressão do ar minimiza o tamanho do armazenamento, mas diminui a eficiência do sistema, enquanto o uso de uma pressão mais baixa torna o sistema mais eficiente no uso de energia, mas resulta em um tamanho de armazenamento maior.

Alguns exemplos ajudam a ilustrar o problema.



Tanques de armazenamento de energia de ar comprimido.
Fonte: Shanghai Honest Compressor Co. LTD.

Uma simulação para um CAES independente destinado a áreas rurais não energizadas, e que é conectado a um sistema fotovoltaico solar e usado somente para iluminação, opera a uma pressão de ar relativamente baixa de 8 bar e obtém uma eficiência de 60% de ida e volta. - Comparável à eficiência das baterias de chumbo-ácido.

No entanto, para armazenar 360 Wh de energia elétrica potencial, o sistema requer um reservatório de armazenamento de 18 m3, o tamanho de uma pequena sala medindo 3x3x2 metros.

Os autores observam que “embora o tamanho do tanque pareça muito grande, ainda faz sentido para aplicações em áreas rurais”.

A incidência do sistema e o tamanho do armazenamento estão inversamente relacionados: a melhoria de um fator é muitas vezes à custa do outro.



Tal sistema pode, de fato, ser benéfico neste contexto, especialmente porque ele tem uma vida útil muito mais longa do que as baterias químicas.

No entanto, uma configuração semelhante em um contexto urbano com alto uso de energia é obviamente problemática. Em outro estudo, calculou-se que seria necessário um tanque de ar de 65 m3 para armazenar 3 kWh de energia. Isto corresponde a um vaso de pressão de 13 metros de comprimento com um diâmetro de 2,5 metros, mostrado abaixo.

Além disso, o consumo médio de eletricidade por dia nos países industrializados é ainda muito maior.

Por exemplo, no Reino Unido, é ligeiramente abaixo de 13 kWh por dia, nos EUA e no Canadá é mais de 30 kWh. Neste último caso, dez desses tanques de pressão de ar seriam necessários para armazenar um dia de uso de eletricidade.

Sistemas CAES de pequena escala com altas pressões dão os resultados opostos.

Por exemplo, uma configuração modelada para um uso elétrico doméstico típico na Europa (6.400 kWh por ano) opera a uma pressão de 200 bar (quase 4 vezes maior que a pressão em usinas CAES de grande escala) e atinge um volume de armazenamento de apenas 0,55 m3, que é comparável a baterias, tanto, a eficiência elétrico-elétrica desta configuração é de apenas 11-17%, dependendo do tamanho do sistema fotovoltaico solar.

Duas estratégias para fazer o trabalho do Micro CAES

Estes exemplos parecem sugerir que o armazenamento de energia de ar comprimido não faz sentido como um sistema de armazenamento de energia de pequena escala, mesmo com uma redução na demanda de energia.

No entanto, talvez surpreendentemente para muitos, este não é o caso.

Os sistemas CAES de pequena escala não podem seguir a mesma abordagem que os sistemas CAES de larga escala, que aumentam a capacidade de armazenamento e a eficiência geral usando a compressão de múltiplos estágios com intercooling e expansão de múltiplos estágios com reaquecimento.

Esse método envolve componentes adicionais e aumenta a complexidade e o custo, o que é impraticável para sistemas de pequena escala.

O mesmo vale para processos “adiabáticos” (AA-CAES), que visam usar o calor de compressão para reaquecer o ar em expansão, e quais são os principais focos de pesquisa para as CAES de grande escala. Para um sistema micro-CAES, é muito importante simplificar a estrutura o máximo possível.

Isso nos deixa com duas estratégias de baixa tecnologia que podem ser seguidas para alcançar capacidade de armazenamento e eficiência energética semelhantes às das baterias de chumbo-ácido.

Primeiro, podemos projetar sistemas de baixa pressão que minimizem as diferenças de temperatura durante a compressão e a expansão. Segundo, podemos projetar sistemas de alta pressão nos quais o calor e o frio da compressão e expansão são usados para aplicações domésticas.

Pequena escala, alta pressão

Sistemas de armazenamento de energia de ar comprimido em pequena escala com altas pressões de ar transformam a ineficiência de compressão e expansão em uma vantagem.

Enquanto o AA-CAES de grande escala visa recuperar o calor de compressão com o objetivo de maximizar a produção de eletricidade, esses sistemas de pequena escala aproveitam as diferenças de temperatura para permitir a tri geração de energia elétrica, de aquecimento e de resfriamento.

O calor dissipado de compressão é usado para aquecimento residencial e produção de água quente, enquanto o ar frio em expansão é usado para refrigeração e refrigeração de espaços. Baterias químicas não podem fazer isso.

Os sistemas de alta pressão em pequena escala usam o calor dissipado de compressão para aquecimento residencial e produção de água quente, enquanto o ar frio em expansão é usado para refrigeração e refrigeração de espaços.

Nestes sistemas, a eficiência elétrico-elétrica é muito baixa.

No entanto, existem agora várias eficiências a serem definidas, porque o sistema também fornece calor e frio. 

Além disso, essa abordagem pode tornar desnecessários vários aparelhos elétricos, como o refrigerador, o ar-condicionado e a caldeira elétrica para aquecimento de espaço e água.

Como o uso desses aparelhos é geralmente responsável por aproximadamente metade do uso de eletricidade em uma família média, um sistema CAES de pequena escala com alta pressão tem demanda de eletricidade mais baixa em geral.



Um compressor de ar típico.

Fonte: https://www.thomasnet.com/articles/machinery-tools-supplies/Air-Compressors

Os sistemas de alta pressão resolvem facilmente a questão do tamanho do armazenamento.

Como vimos, uma pressão de ar maior pode reduzir bastante o tamanho de um recipiente de armazenamento de ar comprimido, mas apenas à custa do aumento do calor residual.

Em um sistema de pequena escala que aproveita as diferenças de temperatura para fornecer aquecimento e resfriamento, isso é vantajoso.

Portanto, os sistemas de alta pressão são ideais para edifícios residenciais de pequena escala, onde o espaço de armazenamento é limitado e onde há uma grande demanda por calor e frio, bem como eletricidade.

As únicas desvantagens são que os sistemas de alta pressão exigem tanques de armazenamento mais fortes e mais caros, e esse espaço extra é necessário para os trocadores de calor.




1 - (DC - Corrente Alternada) - Motor (simulador de turbina eólica)

2- Simulador de Rolagem

3- Placa de Inércia

4- Embreagem A

5 - Sistema de transmissão por correia

6 - Embreagem B

7 - Torque e medidor de velocidade

8 - PMSG

Configuração experimental de um micro sistema CAES. 

Vários grupos de pesquisa projetaram, modelaram e construíram unidades CAES de calor e potência combinadas em pequena escala que fornecem aquecimento e resfriamento, bem como eletricidade.

O sistema de alta pressão com um volume de armazenamento de apenas 0,55 m3 que mencionamos anteriormente, é um exemplo desse tipo de sistema.

Como notado, sua eficiência elétrica é de apenas 11-17%, mas o sistema também produz calor suficiente para produzir 270 litros de água quente por dia. Se esta fonte térmica de energia também for levada em consideração, a eficiência “energética” de todo o sistema está próxima de 70%.

Eficiências similares de "exergia" podem ser encontradas em outros estudos, com sistemas operando a pressões entre 50 e 200 bar.

Calor e frio de compressão e expansão podem ser distribuídos para dispositivos de aquecimento ou resfriamento por meio de água ou ar.

A configuração de um sistema de aquecimento e resfriamento por ciclo de ar é muito semelhante a um sistema CAES, exceto para o tanque de armazenamento. O aquecimento e o resfriamento do ar têm muitas vantagens, incluindo alta confiabilidade, facilidade de manutenção e uso de um refrigerante natural, que é ambientalmente benigno.

Pressão de pequena escala e baixa

A segunda estratégia para alcançar maiores eficiências e menores volumes de armazenamento é exatamente o oposto do primeiro.

Em vez de comprimir ar a uma alta pressão e aproveitar o calor e o frio da compressão e expansão, uma segunda classe de sistemas CAES de pequena escala baseia-se em baixas pressões e compressão e expansão “quase isotérmicas”.

Abaixo das pressões de ar de aproximadamente 10 bar, a compressão e a expansão do ar exibem mudanças de temperatura insignificantes (“quase isotérmicas”) e a eficiência do sistema de armazenamento de energia pode estar próxima de 100%.

Não há calor residual e, consequentemente, não há necessidade de reaquecer o ar durante a expansão.



A compressão isotérmica requer a menor quantidade de energia para comprimir uma determinada quantidade de ar a uma determinada pressão.

No entanto, chegar a um processo isotérmico está longe da realidade. Para começar, ele só funciona com compressores e expansores pequenos e / ou de ciclo lento. Infelizmente, os compressores industriais típicos não são feitos para a máxima eficiência, mas para potência máxima e, portanto, funcionam sob condições não-isotérmicas de ciclo rápido.

O mesmo vale para a maioria dos expansores industriais.

Abaixo de pressões de ar de 10 bar, a compressão e a expansão do ar exibem mudanças de temperatura insignificantes e a eficiência pode estar próxima de 100%.

O uso de compressores e expansores industriais explica, em grande parte, por que os sistemas CAES de baixa pressão mencionados no início deste artigo têm vasos de armazenamento tão grandes.

Ambos os sistemas são baseados em dispositivos que são operados fora de suas condições ideais ou nominais.

Como as ineficiências se multiplicam durante conversões de energia, até mesmo diferenças relativamente pequenas na eficiência de compressores e expansores podem ter grandes efeitos.

Por exemplo, uma variação na eficiência do dispositivo de 60% a 80% resulta em uma eficiência do sistema de 36% a 64%, respectivamente.

Como o desempenho de um compressor e um expansor afetam significativamente a eficiência geral de um sistema CAES de pequena escala, vários pesquisadores construíram seus próprios compressores e expansores, que são especialmente voltados para o armazenamento de energia.

Por exemplo, uma equipe projetou, construiu e examinou um compressor isotérmico de baixa potência de estágio único que utiliza um pistão de líquido.

Ele opera com uma taxa de compressão muito baixa (entre 10-60 rpm), que corresponde à saída de painéis fotovoltaicos solares, e limita a flutuação de temperatura durante a compressão e expansão a 2 graus Celsius.

O dispositivo de baixo custo tem o mínimo de peças móveis e obtém eficiências de 60 a 70% a uma pressão de 3 a 7 bar.

Esta é uma eficiência muito alta para um dispositivo tão simples, considerando que um sofisticado compressor centrífugo de três estágios, usado em sistemas CAES de grande escala ou em ambientes industriais, tem aproximadamente 70% de eficiência.

Além disso, os pesquisadores afirmam que a eficiência é limitada pelo motor de prateleira que eles usam para alimentar seu compressor. De fato, outra equipe de pesquisa atingiu 83% de eficiência.



Um compressor de rolagem.

Outra novidade é o uso de compressores scroll, que são os tipos de compressores que hoje são usados em refrigeradores, sistemas de ar condicionado e bombas de calor.

Ambos os compressores de pistão e de rolagem de fluido têm uma alta relação área / volume, o que minimiza a produção de calor e pode facilmente manipular o fluxo de duas fases, o que significa que eles também podem ser usados como expansores.

Eles também são mais leves e menos barulhentos do que os compressores convencionais alternativos.

Pressão de ar variável

Embora os compressores e expansores sejam os determinantes mais importantes da eficiência do sistema em sistemas CAES de pequena escala, eles não são os únicos.

Por exemplo, em todo sistema de armazenamento de energia de ar comprimido, a perda de eficiência adicional é causada pelo fato de que durante a expansão o reservatório de armazenamento está esgotado e, portanto, a pressão cai.

Enquanto isso, a pressão de entrada para o expansor é necessária para variar apenas em uma faixa mínima para garantir alta eficiência.

Isso geralmente é resolvido de duas maneiras, embora nenhuma seja realmente satisfatória.

Primeiro, o ar pode ser armazenado em um tanque com pressão excedente, após o que ele é reduzido até a pressão de entrada necessária do expansor.

No entanto, este método - que é usado em CAES de grande escala - requer uso adicional de energia e, portanto, introduz ineficiência.

Em segundo lugar, o expansor pode operar em condições variáveis, mas nesse caso a eficiência cairá junto com a pressão enquanto o armazenamento é esvaziado.

Durante a expansão, o reservatório de armazenamento está esgotado e, portanto, a pressão cai.

Com esses problemas em mente, uma equipe de pesquisadores combinou um CAES de pequena escala com uma usina hidrelétrica bombeada de pequena escala, resultando em um sistema que mantém uma pressão constante durante a descarga completa do reservatório de armazenamento.

Consiste em dois tanques de ar comprimido conectados por um tubo preso às partes inferiores: cada um deles possui espaços separados para o ar (abaixo) e armazenamento de água (acima).

A configuração mantém uma cabeceira de água por meio de uma bomba, que consome 15% da energia gerada.

No entanto, apesar desse uso extra de energia, os pesquisadores conseguiram aumentar tanto a eficiência quanto a densidade de energia do sistema.

Armazenamento de energia fora da grade

Para ter uma ideia do que uma combinação dos componentes certos pode alcançar, vamos dar uma olhada em um último projeto de pesquisa.

Trata-se de um sistema que é baseado em um compressor / expansor altamente eficiente, feito sob medida, que é diretamente acoplado a um motor / gerador de corrente contínua.

Além de seus componentes eficientes, esse projeto CAES também introduz uma configuração de sistema inovadora.

Não usa um grande tanque de armazenamento de ar, mas vários menores, que são interconectados e controlados por computador.

Uma configuração modular resulta em maior eficiência do sistema e densidade de energia, principalmente por dois motivos.

Primeiro, ajuda a transferência de calor mais eficaz, porque cada tanque de ar atua como um trocador de calor adicional.

Segundo, permite um melhor controle sobre a taxa de descarga do reservatório de armazenamento.

Os cilindros podem ser descarregados em uníssono para satisfazer uma demanda por alta densidade de potência (mais energia à custa de um menor tempo de descarga), ou podem ser descarregados sequencialmente para satisfazer uma demanda por alta densidade de energia (maior tempo de descarga a custo de potência máxima). descarregar cilindros de armazenamento modulares em sequência, o tempo de descarga pode ser bastante aumentado, tornando o sistema comparável às baterias de chumbo-ácido em termos de densidade de energia.




Válvulas de ar controladas por computador. 

A eficiência elétrico-elétrica para a configuração de 3 cilindros atingiu um pico de 85% a uma pressão de 3 bar, enquanto a eficiência estimada para a configuração de 57 cilindros é de 75%.

Estes são valores comparáveis ​​aos das baterias de íons de lítio, mas a adição de mais vasos de armazenamento ou a operação em pressões mais altas introduz maiores perdas devido à compressão, ao calor, ao atrito e às conexões.

No entanto, quando enviei um e-mail para Abdul Alami, o principal autor do estudo, achando que os resultados pareciam bons demais para ser verdade, ele me disse que os números eram na verdade excessivamente conservadores.

“Nós nos prendemos a baixas pressões para alcançar quase isotérmicas. compressão e para garantir uma operação segura.

Operar a pressões superiores a 10 bar criaria sérias perdas térmicas, mas uma pressão de 7-8 bar pode ser benéfica em termos de energia e densidade de potência, embora talvez não em termos de eficiência. ”

Em conclusão, o armazenamento de energia de ar comprimido em pequena escala poderia ser uma alternativa promissora às baterias, mas a pesquisa ainda está em seus estágios iniciais - o primeiro estudo sobre CAES de pequena escala foi publicado em 2010 - e novas idéias continuarão a lançar luz sobre como melhor desenvolver a tecnologia.

No momento, não há produtos comerciais disponíveis, e a configuração do seu próprio sistema pode ser bastante intimidante se você for novo na área de pneumática.

Simplesmente obter os componentes e acessórios corretos é uma dor de cabeça, pois eles vêm em uma variedade desconcertante e são vendidos apenas para indústrias.

No entanto, se você é paciente e não é muito desleixado, e se você está determinado a usar um sistema de armazenamento de energia mais sustentável, é perfeitamente possível construir seu próprio sistema CAES.

Como os exemplos neste artigo mostraram, é um pouco mais difícil construir um bom.

Kris De Decker

Há mais ideias para sistemas CAES de pequena escala no artigo anterior: História e Futuro da Economia do Ar Comprimido.

LOW-TECH MAGAZINE


Referências e Notas:

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https://link.springer.com/article/10.1007/s40565-016-0240-5

[3] There is increasing competition for potential CAES geologic units, as many are also well suited to the storage of natural gas or sequestered carbon. Furthermore, cavern storage imposes harsh requirements on the geographical conditions. For example, the originally planned Iowa CAES project in the US was terminated due to its porous sandstone condition. [2]

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[20] Besharat, M. O. H. S. E. N., SANDRA C. Martins, and HELENA M. Ramos. "Evaluation of Energy Recovery in Compressed Air Energy Storage (CAES) Systems." 3rd IAHR Europe Congress. Book of Proceedings, Portugal. 2014. https://www.researchgate.net/profile/Mohsen_Besharat2/publication/270896130

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[23] Paloheimo, H., and M. Omidiora. "A feasibility study on Compressed Air Energy Storage system for portable electrical and electronic devices." Clean Electrical Power, 2009 International Conference on. IEEE, 2009.
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[24] Prinsen, Thomas H. Design and analysis of a solar-powered compressed air energy storage system. Naval Postgraduate School Monterey United States, 2016.
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[25] The small-scale system aimed at urban environments, which has a storage reservoir of 18 metres long, is based on a compressor that “had been in service for 30 years on building sites to run various air tools and had little maintenance done”. [8] This is detrimental to system efficiency, because a compressor that is not maintained well easily wastes as much as 30% of its potential output through air leaks, increased friction, or dirty air filters. This small-scale system also used a highly inefficient expander. All together, this explains why it combines a very large storage volume with a very low electric-to-electric efficiency (less than 5%).

[26] Van de Ven, James D., and Perry Y. Li. "Liquid piston gas compression." Applied Energy 86.10 (2009): 2183-2191.
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[29] Abdul Alami, e-mail conversation.

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