CAES - Compressed Air Energy Storage

          Durante o nosso curso, iremos abordar as aplicações, características e vantagens da utilização de sistemas de armazenamento de energia em redes elétricas, com destaque para geração distribuída. É de suma importância que exista o conhecimento das diferentes tecnologias de armazenamento, neste texto estarei descrevendo e apresentando o Armazenamento de Energia por Ar Comprimido (CAES).

        Nessa tecnologia o ar é comprimido e armazenado num reservatório para posteriormente ser expandido através de uma turbina e produzir energia elétrica, esse é a visão básica do funcionamento desta tecnologia. Existem duas centrais no mundo que operam usinas de armazenamento de ar comprimido comercialmente, uma é a central de Huntorf na Alemanha que apresenta capacidade nominal de 290 MW  e utiliza um domo de sal para armazenar. Outra central, é a McIntosh, no Alabama, estado dos Estados Unidos, esta possui capacidade nominal de 110 MW e utiliza uma caverna de sal como reservatório. A primeira central opera desde 1978, já a segunda é mais moderna operando desde 1991. É importante destacar, que ambas operam de forma similar do ponto de vista das tecnologias.

           A energia na rede, podendo ser em excesso, alimenta os compressores, estes realizam a compressão do ar atmosférico e injetando num reservatório geológico subterrâneo por meio de furos de injeção. No processo de expansão o ar é aquecido enquanto é liberado para uma turbina para que produza eletricidade, quando solicitada. No processo de compressão ocorre o processo de aquecimento natural do ar, enquanto na expansão ocorre o resfriamento natural, isso é de suma importância para compreender as técnicas utilizadas nesse armazenamento. A figura abaixo ilustra um esquema genérico do sistema.                                                         

             Existem duas técnicas de armazenamento, Adiabático e Diabático, o primeiro ainda é uma tecnologia imatura, já o segundo é maduro e já se apresenta no mercado. Essas técnicas se diferenciam no processo em como opera a termodinâmica do ciclo de compressão e expansão do ar.

       No armazenamento Adiabático, quando ocorre a compressão, o calor proveniente da transformação é retido e utilizado quando o ar sofre a expansão com a finalidade de aumentar a eficiência quando atingir a turbina. Esse calor é a armazenado em sólidos ou fluidos que realizam troca de calor durante os estágios. Esse método apresenta uma eficiência prática de 70% .[3]

         Já no armazenamento Diabático, o calor gerado na compressão é dissipado por meio de intercoolers e o aquecimento na expansão do ar é realizado por queima de combustível fóssil (gás natural). Apesar do processo apresentar menos eficiência, ele é mais simples e mais implementável, tendo em vista que já se encontra nas usinas em atividade.[3]

             No contexto de tecnologias de geração distribuída e smat grids, o CAES pode ser aplicado nas seguintes áreas[4]:

• Proporcionar flexibilidade para redes inteligentes;
• Arbitragem de Preço;
• Melhor integração de renováveis;
• Controle de "Peak Shaving";
• Balanceamento da energia (supply/demand);
• Provisão para religamento.

         A tabela abaixo faz uma comparação entre outras tecnologias de natureza mecânica para armazenamento. [2]

Tecnologia	Calendar Life (Anos)	Cycle Life (Ciclos)	Eficiência por ciclo (%)	Capacidade nominal (MW)
CAES	20 - 40	8000 - 12000	70 - 89	5 - 300
PHS	40 - 60	10000 - 30000	71 - 85	100 - 5000

     A principal desvantagem está em encontrar formações geológicas compatíveis com as necessidades do CAES. A estocagem subterrânea em maciços rochosos não revestidos demandam a existência de rochas de baixíssima permeabilidade ao ar ou a periódica injeção de água no entorno da caverna. A permeabilidade de maciços rochosos ao ar é maior do que a permeabilidade dos mesmos à água. Por causa do alto custo associado, o armazenamento de ar em tanques metálicos de alta pressão só está destinado a aplicações de geração de energia elétrica em pequena escala. [1]  

          VÍDEO: https://www.youtube.com/watch?v=MNVG7x9ZKBc     

                                                     Referências

[1]  Armazenamento de Energia:Situação atual, perspectivas e recomendações. Disponível em: https://anebrasil.org.br/wp-content/uploads/2018/05/Armazenamento-de-Energia-Fev-2017.pdf . Acesso em: 31 de Agosto de 2019.

[2] Sistemas de Armaznamento de Energia Elétrica em Redes Inteligentes: Características, Oportunidades e Barreiras. Dísponível em: https://sbpe.org.br/index.php/rbe/article/download/351/332/. Acesso em: 31 de Agosto de 2019.

[3] Definição de reservatórios geológicos para armazenamento de energia em ar comprimido e sinergias com produção de energia. Disponível
em: https://dspace.uevora.pt/rdpc/bitstream/10174/12182/1/Defini%C3%A7%C3%A3o%20de%20reservat%C3%B3rios%20geol%C3%B3gicos%20para%20armazenamento%20de%20energia%20em%20ar%20comprimido%20e%20sinergias%20com%20produ%C3%A7%C3%A3o%20de%20energia.pdf . Acesso em: 31 de Agosto de 2019.

[4] Compressed Air Energy Storage (CAES). Disponível em: http://energystorage.org/compressed-air-energy-storage-caes. Acesso em: 31 de Agosto de 2019.
Outros links:
https://ambienteonline.pt/canal/detalhe/colunista-filipe-vasconcelos-energia--tecnologia-armazenamento-de-energia-a-ar-comprimidohttp://integratedenergystorage.org/https://theconversation.com/lets-store-solar-and-wind-energy-by-using-compressed-air-103183https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/compressed-air-energy-storagehttps://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=ar-comprimido-guarda-energia-solar-eolica-rochas-subterraneas&id=010115130606#.XWry4ehKjIV
http://www.usp.br/portalbiossistemas/?p=8040

Breve Análise de Artigos do GM 2019 : 4 Artigos Propostos

Primeiro Artigo : " Design and Control of Storage Systems for Voltage Source Controlled Autonomous Microgrids " [1]

           Este primeiro artigo apresenta um enfoque nos aspectos regulatórios de microgrids ilhados, baseados no tamanho e no controle dos sistemas de armazenamento. O dimensionamento do sistema de armazenamento está totalmente ligado a estratégia de controle utilizada pelo microgrid. Para simulação em tempo real, foi utilizado o simulador OPAL-RT, sendo considerado uma rede baseada em conversores onde cada unidade de geração atua como fonte de tensão e que contribui para o controle de frequência.

              O artigo ainda detalha aspectos de controle, enumerando os diversos esquemas cooperativos, apontando qual estratégia foi escolhida para o trabalho, sendo essa o Controle por Queda Descentralizada (Droop Control).

Segundo Artigo : " Energy Storage Strategy in a Non-Agent Energy Trading Platform: Energy Bank System " [2]

              Este artigo propõe uma plataforma desvinculada de agências para negociação de energia que utiliza a tecnologia de Sistemas de Armazenamento de Energia Distribuídos (DESS). A plataforma é baseada na negociação P2P (person to person) para formar o chamado Energy Bank System, que é um paralelo com o sistema bancário aplicado na evolução das redes distribuídas. O banco apresenta um mecanismo com referência ao sistema Bitcoin. Aspectos técnicos do armazenamento são utilizados como parâmetros para relacionar taxas e outras variáveis de negócio.

         O estudo baseia-se nos dados reais do mercado Australiano de Eletricidade considerando sistemas de geração renovável distribuída.

Terceiro Artigo : " Novel Technique for Developing Linearized Convex System Models from Experimentally Derived Data " [3]

              Este trabalho apresenta uma nova técnica para gerar um modelo de sistema convexo a partir de dados derivados experimentalmente, destacando quais características variam entre sucessivas medições. Este modelo caracteriza as perdas dinâmicas de sistema de uma bateria de fluxo de vanádio em função da potência ativa e do State of Charge. Este artigo leva em consideração características construtivas do sistema de baterias para propor melhoras de desempenho.

Quarto Artigo: " Decentralized Control Framework for Mitigation of the Power-Flow Fluctuations at the Integration Point of Smart Grids " [4]

        Este artigo propõe uma nova estrutura de controle para redução de flutuação do fluxo de potência no ponto de integração de smart grids. Como tem sido estudado nesta disciplina, o trabalho destaca a intermitência das fontes renováveis associadas ao sistemas de geração distribuída. Esta estrutura proposta utiliza o Plug-in Electric Vehicles (PEVs) como Sistemas de Armazenamento Elétrico Distribuídos (DESSs), que vai minimizar a flutuação da rede. As taxas de carga dos PEVs aumentam no excesso de geração de energia e diminuem na escassez de geração.

        Para as simulações foram realizadas na ferramenta de simulação Simulink do Matlab. Os resultados mostraram que a estrutura apresenta uma melhora com relação as flutuações.

                                                          Referências

[1] S. Lalitha, D. Vincent, G. B Hoay, "Design and Control of Storage Systems for Voltage Source Controlled Autonomous Microgrids" in IEEE Power and Energy Society General Meeting, 2019.

[2] L. Sun, X. Chen, Z.Y. Dong, K. Meng, J. Qiu, Y. Cao, "Energy Storage Strategy in a Non-Agent Energy Trading Platform: Energy Bank System" in IEEE Power and Energy Society General Meeting, 2019.

[3] L. Aadil, B. Richard, N. Ardash, "Novel Technique for Developing Linearized Convex System Models from Experimentally Derived Data" in IEEE Power and Energy Society General Meeting, 2019.

[4] R. Jalilzadeh Hamidi,  R. H. kiany, "Decentralized Control Framework for Mitigation of the Power-Flow Fluctuations at the Integration Point of Smart Grids" in IEEE Power and Energy Society General Meeting, 2019.