ANÁLISIS ENERGÉTICO DE UN SISTEMA CAES IMPLEMENTADO POR ENERGÍA RENOVABLE DE PEQUEÑA ESCALA EN LA CIUDAD DE MONTERÍA, CÓRDOBA

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ANÁLISIS ENERGÉTICO DE UN SISTEMA CAES IMPLEMENTADO POR ENERGÍA RENOVABLE DE PEQUEÑA ESCALA EN LA CIUDAD DE MONTERÍA, CÓRDOBA.
Yarley Andrea Buelvas Arrieta 
Mauricio José Benítez Pacheco 
Juan Andrés Tirado Espitia 
Conversión de Energía 
INTRODUCCIÓN
CAES es una tecnología de almacenamiento que utiliza energía eléctrica fuera de las horas pico para comprimir aire y almacenarlo en un tanque de almacenamiento de alta presión, que luego se libera durante los tiempos de carga para impulsar un generador de turbina para generar electricidad teniendo en cuenta que este sistemas de almacenamiento de energía presenta un mínimo impacto ambiental, considerando que estas plantas cuentan con excelentes características de desempeño operativo como rampas de regulación de frecuencia y reservas giratorias (Anierobi et al., 2020; Yu et al., 2022). 
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MATERIALES Y MÉTODOS
METODOLOGÍA
Análisis Bibliométrico 
 En esta investigación, la cual tiene un enfoque cuantitativo y descriptivo, se realizó una recopilación y análisis del estado actual de las investigaciones en tema de energía y los sistemas de almacenamiento de aire comprimido (CAES). Para ello se llevó a cabo una búsqueda de análisis bibliométrico desde la página web de scopus, en la cual se puede recopilar información de los trabajos que se han hecho con la temática anteriormente mencionada. 
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Ubicación Geográfica 
En Colombia los valores de irradiación global horizontal media recibida en superficie se encuentra entre 5,5 y 6,0 2 kWh/m2 por día. 
En el transcurso del año, la temperatura varia generalmente de 23 °C a 35°C y rara vez se excede a más de 38°C o desciende por debajo de 22 °C
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Figura 1. Irradiación global media anual incidente sobre una superficie horizontal en Latinoamérica. 
Figura 2. Mapa de radiación solar en Colombia, promedio multianual. 
Descripción del Sistema CAES
En este trabajo, nos centraremos en una pequeña escala del sistema CAES, en el cual contará con un sistema de paneles solares, los cuales son los receptores de la irradiación solar, ya sea por cualquier tipo de radiación existente o la combinación de ellas.
La energía captada, es transformada en energía eléctrica (Carga eléctrica), la cual es regulada por un controlador de carga y dirigida a un compresor, dándole la energía necesaria para que el compresor funcione de manera eficiente para la comprimir el aire y almacenarlo en un tanque, cuya característica es elaborado de material de Acero, con dos aberturas una a la cual ingresa el aire y la otra para liberarlo, mediante una válvula de control para su respectiva distribución
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Análisis energético del Sistema CAES
Panel Solar
 [1]
Compresor
 [2]
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Balance de Energía 
 [3]
Determinando el flujo másico de la entrada y salida del compresor, tenemos:
Simulación del Sistema CAES
Por medio del programa DWSIM, el cual es un software que nos permite establecer la simulación del proceso de un sistema CAES, con base al sistema de escala pequeña de la figura 3. Haciendo énfasis en la energía suministrada por el panel solar, para el funcionamiento del compresor, teniendo en cuenta variables y operaciones unitarias definidas por el procesador y así poder hacer los estudios necesarios del consumo de energía y el flujo del arie. 
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Figura 3. Esquema del Sistema CAES de escala pequeña de Estudio
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
ANÁLISIS 
A través del programa de DWSIM, encontramos las siguientes características del compresor, como se muestra en la Tabla 2. 
 Tabla 2. Propiedades termodinámicas 
Calculo del consumo de energía 
Tabla 1. Especificaciones del compresor 
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Balance de energía y trabajo del compresor 
El diámetro de la tubería de salida del compresor es de 0,75 in (19,05mm). Calculamos la velocidad .
Los demás datos se extrajeron de la simulación realizada en DWSIM, del cual, reemplazamos en [5], obteniendo que el flujo másico del aire es:
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Balance de energía y trabajo del compresor 
El trabajo empleado por el Compresor de la ecuación [3] es:
Calculamos la demanda de energía que consume el compresor en kWh. Para un consumo de 12 h de duración del día en Montería se tiene que:
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Dimensiones de paneles solares, trabajo eléctrico del panel solar y la energía generada por el panel solar 
Ficha Técnica [Panel Solar Victron 330W Poly]
 Intensidad Máxima (IMPP): 37,3 A
 Tensión Máxima (VMPP): 8,86 V
De la ecuación [2], determinamos el trabajo eléctrico del Panel Solar
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El número de paneles que se necesitan para satisfacer la capacidad energética del compresor son 2 paneles solares para el sistema CAES a implementar en este proyecto.
La Energía Generada por este panel Solar es:
Donde, HSP son las horas de sol Pico del mes crítico calculado
La energía generada diaria por los 2 receptores solares es 7,28 kWh.
Regulador de carga 
Se necesita un controlador de carga, que regule el voltaje que se necesita para que el compresor funcione correctamente.
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Capacidad del tanque 
El caudal de aire comprimido de salida del compresor hacia el tanque es 93 L/ min. Ahora calculamos la capacidad del recipiente que almacenará el aire en galones.
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Para una demanda de 11 h, aproximadamente se tiene que:
Energía solar
Lo que indica que por cada m2 de superficie la energía solar captada es 5,28 kWh. Para los 2 paneles solares (cuyas dimensiones son 1,96 m x 0,99 m x 0,04 m) la superficie total de los paneles es 3,88 m2 por lo que se tiene que:
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Así que para 3,88 m2, la energía solar recolectada por los 2 paneles será 20,48 kWh, lo cual, cumpliría con la demanda que se necesita para que el compresor como elemento principal del proceso funcione adecuadamente. 
Simulación
En la simulación CAES, se plantea las especificaciones industriales, de los paneles, compresor y la del tanque, dando como resultado la energía que necesita en el compresor, en el instante de tiempo que tarda en llenar en su totalidad al tanque, cabe mencionar que el funcionamiento de un sistema caes, es mucho más complejo, en este caso buscamos medir la eficiencia de estos sistemas que el sistema general de funcionamiento. 
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Figura 4. Simulación CAES en DWSIM
Eficiencia 
La eficiencia del Sistema CAES implementado es:
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Figura 5. Componentes principales de un sistema CAES Generalizado
CONCLUSIÓN 
CONCLUSIÓN
Conclusiones
La implementación de paneles solares para satisfacer la demanda energética del compresor para almacenamiento de aire comprimido (CAES) para la ciudad de Montería resulta ser una alternativa sostenible de gran relevancia, ya que este sistema a escala pequeña produjo una eficiencia de 33.52 %; además de que cuenta con una buena posición geográfica para la irradiación solar, haciéndola accesible a sistemas CAES más grandes. 
Por medio de la simulación, comprobamos que el consumo de energía necesario a escala pequeña del sistema CAES, es pequeña, a comparación de otros sistemas de energía, afirmando que la eficiencia producida es positivamente importante, teniendo en cuenta la posición geográfica con la cual se hizo la simulación.
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INTRODUCCIÓN
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Idea principal
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Gracias!
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2020
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😉
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Eficiencia 
(%) 
Voltaje 
(V) 
Corriente 
(A) 
Fase RPM Presión Desplazamiento del 
aire 
75 110 4 Monofásico 1500 170 93L/min@270kPa 
 
 
 [Aire] 
Estado Temperatura 
(K) 
Presión 
(Kpa) 
Entalpía 
[kJ/kg] 
Caudal 
(m
3
/s) 
1 298 100 298,18 0,0029 
2 427,95 270 130,558 0,0015