Mostrar código-fonte de Armazenamento de energia em ar comprimido

O '''armazenamento de energia em ar comprimido'''<ref>http://www.energytower.org/cawegs.html {{Wayback|url=http://www.energytower.org/cawegs.html |date=20121019211402 }} Utiliza compressores movidos a energia eólica.</ref> (ou '''CAES''', do inglês '''''C'''ompressed '''A'''ir '''E'''nergy '''S'''torage'') 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]]).<ref name="NYT-2010.07.28">Wild, Matthew, L. [http://www.nytimes.com/2010/07/28/business/energy-environment/28storage.html Wind Drives Growing Use of Batteries], [[New York Times]], 28 de julho de 2010, pp.B1.</ref>

== 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 [[Transformação isotérmica|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.<ref name="ADELE1">{{citar web|título= ADELE – Adiabatic compressed-air energy storage (CAES) for electricity supply| url = http://www.rwe.com/web/cms/en/365478/rwe/innovations/power-generation/energy-storage/compressed-air-energy-storage/project-adele/|acessodata= 31 de dezembro de 2011}}</ref> Em teoria, a [[Eficiência energética|eficiência]] do armazenamento adiabático é próxima de 100% em perfeito isolamento, mas na prática a eficiência de retorno é próxima de 70%.<ref name="BINE1">{{citar web|título= German AACAES project information|url= http://www.bine.info/pdf/publikation/projekt0507englinternetx.pdf|acessodata= 22 de fevereiro de 2008
  }}{{Ligação inativa|data=maio de 2019 }}</ref> 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&nbsp;°C) ou soluções de sais fundidos (600&nbsp;°C).

* O armazenamento diabático dissipa o calor extra com o auxilio de [[intercooler]]s (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 de energia|armazenamento mecânico]] requer 2.5 MJ de eletricidade e 1.2 MJ [[Poder calorífico|poder calorífico inferior]] (PCI) de gás para cada megajoule de energia produzida.<ref>{{Citar web |url=http://my.epri.com/portal/server.pt?Abstract_id=TR-101751-V2 |titulo=Cópia arquivada |acessodata=2012-05-21 |arquivourl=https://web.archive.org/web/20121016102947/http://my.epri.com/portal/server.pt?Abstract_id=TR-101751-V2 |arquivodata=2012-10-16 |urlmorta=yes }}</ref> 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,<ref>{{Citar web |url=http://www.westgov.org/wieb/electric/Transmission%20Protocol/SSG-WI/pnw_5pp_02.pdf |titulo=Cópia arquivada |acessodata=2012-05-21 |arquivourl=https://web.archive.org/web/20080411124518/http://www.westgov.org/wieb/electric/Transmission%20Protocol/SSG-WI/pnw_5pp_02.pdf |arquivodata=2008-04-11 |urlmorta=yes }}</ref> 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 [[Trocador de calor|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 [[Torpedo |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, Inc]]<ref>
[http://www.aqpl43.dsl.pipex.com/MUSEUM/TRANSPORT/comprair/comprair.htm Compressed-Air Propulsion]</ref> e trens.<ref name=autogenerated1>
[http://www.aircaraccess.com/images/3stage%201.jpg 3-stage propulsion with intermediate heating]</ref>  Com este método o calor da compressão é efetivamente armazenado na atmosfera (ou mar) e retornado posteriormente.

A compressão pode ser alcançada com [[turbocompressor]]es e turbo 'expandidores' movidos a energia elétrica<ref name="DEP1">

{{citar web|título=Distributed Energy Program: Compressed Air Energy Storage|url=http://www.eere.energy.gov/de/compressed_air.html|publicado=United States Department of Energy|acessodata=27 de agosto de 2006}}</ref> ou [[Motor pneumático|motores pneumáticos]] impulsionando [[Gerador elétrico|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 [[mineração|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 [[carro a ar comprimido|carros a ar]] e [[locomotiva]]s 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.<ref name=chambers>

{{citar livro|título= Chambers's Encyclopaedia: A Dictionary of Universal Knowledge|ano= 1896|publicado=W. & R. Chambers, LTD|páginas= 252–253| url = http://books.google.com/books?id=4pwMAAAAYAAJ&pg=PA252|acessodata= 7 de janeiro de 2009}}</ref> 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.<ref>Technische Mislukkingen by Lex Veldhoen & Jan van den Ende</ref> Em 1896, o sistema de Paris distribuía 2.2 MW de energia gerada a 550 kPa em 50&nbsp;km de aerodutos às indústrias leve e pesada.  O gasto era medido em metros.<ref name=chambers/>  Estes sistemas eram a principal fonte de energia doméstica na época e também forneciam energia às máquinas de [[dentista]]s, [[atelier]]s, estamparias e [[padaria]]s.
* 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 [[Metro quadrado|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.<ref>{{citation|url=http://www.dresser-rand.com/literature/general/85164-10-CAES.pdf|formato=pdf|título=Compressed Air Storage (CAES)|publicado=Dresser-Rand Corporation|id=brochure form# 85230|data=2010|acessodata=2012-05-21|arquivourl=https://web.archive.org/web/20120907175639/http://www.dresser-rand.com/literature/general/85164-10-CAES.pdf|arquivodata=2012-09-07}}</ref><ref>{{citation|publicado=New York Times|data= 29 de setembro de 1991|último =Wald|primeiro =Matthew|título=Using Compressed Air To Store Up Electricity|url=http://www.nytimes.com/1991/09/29/business/technology-using-compressed-air-to-store-up-electricity.html?pagewanted=all&src=pm}}</ref><ref>{{citation|acessodata=15 de abril de 2012|data=2010|publicado=PowerSouth Energy Cooperative|url=http://www.powersouth.com/mcintosh_power_plant/compressed_air_energy|título=CAES:McIntosh Power Plant|urlarquivo=https://web.archive.org/web/20111018130933/http://www.powersouth.com/mcintosh_power_plant/compressed_air_energy|arquivodata=2011-10-18|urlmorta=si}}</ref>
*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.<ref name=sandia1>{{citation|url=http://www.sandia.gov/ess/docs/ARRA_StorDemos_4-22-11.pdf|formato=pdf|título=ARRA Energy Storage Demonstrations|publicado=Sandia National Laboratories|acessodata=13 de abril de 2012}}</ref>
* 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|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]].<ref name=sandia1 /><ref>{{citation|título=NYSEG considering Compressed Air Energy Storage|publicado=Energy Overviews Publishing|acessodata=13 de abril de 2012|url=http://epoverviews.com/articles/visitor.php?keyword=Smart%20Grid%20Demonstration|urlarquivo=https://web.archive.org/web/20180729200608/http://epoverviews.com/articles/visitor.php?keyword=Smart%20Grid%20Demonstration|arquivodata=2018-07-29}}</ref>
* 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 [[Reversibilidade|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 [[Transformação isotérmica|processo isotérmico]] ou [[Transformação isentrópica|processo isentrópico]].

=== Armazenamento isotérmico ===

Em um processo de compressão [[Transformação isotérmica|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]],
: <math>pV=nRT=\operatorname{constante}</math>.
De um processo de um estado inicial ''A'' a um estado final ''B'', com uma [[temperatura absoluta]] <math>T = T_A = T_B</math> constante, descobre-se que o trabalho necessário para a compressão (negativo) ou executado pela expansão (positivo), é de
: <math>\begin{align}
W_{A\to B} & = \int_{V_A}^{V_B} p dV = \int_{V_A}^{V_B} \frac{nRT}{V} dV = nRT\int_{V_A}^{V_B} \frac{1}{V} dV \\
 & = nRT(\ln{V_B}-\ln{V_A}) = nRT\ln{\frac{V_B}{V_A}} = nRT\ln{\frac{p_A}{p_B}} = p_A V_A\ln{\frac{p_A}{p_B}} \\
\end{align}</math>,
onde <math>pV = p_A V_A = p_B V_B</math>, e portanto, <math>\frac{V_B}{V_A} = \frac{p_A}{p_B} </math>. Nesta equação, <math>p</math> representa a [[pressão]] absoluta,
<math>V</math> representa o [[volume]] do tanque, <math>n</math> é a [[quantidade de substância]] do gás (mol) e <math>R</math> é a [[Constante universal dos gases perfeitos|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

: <math>W = p_B V_B \ln \frac{p_A}{p_B}</math> = 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 [[Transformação isentrópica|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 [[Turbina a vapor|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 ===
Os sistemas de armazenamento de energia costumam utilizar grandes cavernas subterrâneas. Este design é favorecido devido ao grande volume disponível, o que possibilita que uma grande quantidade de energia possa ser armazenada com uma pequena variação de temperatura. O espaço da caverna pode ser facilmente isolado e comprimido adiabaticamente sem que haja grande mudança de temperatura e (aproximando-se de um sistema isotrópico) e perda de calor (aproximando-se de um sistema isentrópico). Esta vantagem é uma adição ao baixo custo de construção de um sistema de armazenamento de gás utilizando as paredes subterrâneas para auxiliar na contenção da pressão.

Pesquisadores desenvolveram bolsas de ar isoladas no fundo do mar com propriedades termodinâmicas similares às do armazenamento em cavernas subterrâneas.<ref>[http://cleantechnica.com/2011/04/18/energy-bags-under-the-sea-to-be-tested-to-store-off-shore-wind/ Energy bags under the sea to be tested] em 2011(website da Cleantechnica). Ver seções abaixo.</ref>

== Restrições práticas no transporte ==

Para se utilizar o armazenamento de ar em veículos ou aeronaves para [[transporte terrestre]] ou aéreo, o sistema de armazenamento de energia deve ser compacto e leve. [[Densidade de energia]] é o termo utilizado na engenharia para descrever estas qualidades.

=== Densidade e eficiência energética ===

Tal como exposto na seção sobre a termodinâmica do armazenamento de gás acima, a compressão do ar gera o aquecimento do mesmo, enquanto a expansão provoca o resfriamento. Por isso, motores pneumáticos precisam de trocadores de calor para evitar temperaturas excessivamente altas ou baixas e mesmo assim não atingem condições de temperatura constante ou de isolamento térmico ideais.

No entanto, como mencionado acima, vale descrever o máximo de energia armazenável utilizando o caso isotérmico, que equivale a 100 kJ/m<sup>3</sup> [&nbsp;ln(''P''<sub>''A''</sub>/''P''<sub>''B''</sub>)].

Desse modo, se 1.0&nbsp;m<sup>3</sup> de ar ambiente for comprimido muito lentamente em um cilindro de 5 L em 20 MPa, a energia potencial armazenada é de 530 kJ. Um motor pneumático altamente eficiente pode transformar essa energia potencial em energia cinética se funcionar vagarosamente e conseguir expandir o ar de seus 20 MPa até baixar a 100 kPa (cilindro completamente "vazio" à temperatura ambiente).  Obter uma alta eficiência é um desafio técnico devido à perda de calor ao ambiente e ao calor do gás interno irrecuperável.<ref>A perda de calor é descrita na seção [[#Termodinâmica de grandes sistemas de armazenamento]].</ref> Se o cilindro acima for esvaziado até uma pressão de 1 MPa, então a energia extraível  é de aproximadamente 300 kJ no eixo do motor.

Um cilindro padrão de 20 MPa e 5 L possui uma massa de 7.5&nbsp;kg; e um superior, de 5&nbsp;kg. Fibras de alta resistência como a [[fibra de carbono]] ou o [[Kevlar]] podem pesar abaixo de 2&nbsp;kg nesta dimensão, consistente com as normas legais de segurança. Um metro cúbico de ar a 20&nbsp;°C possui massa de 1.225&nbsp;kg.<ref>
[http://www.engineeringtoolbox.com/air-desity-specific-weight-d_600.html Air – Density and Specific Weight], The Engineering Toolbox</ref> Assim, as densidades de energia '''''teóricas''''' são de aproximadamente 70&nbsp;kJ/kg no eixo do motor para um cilindro de aço a 180&nbsp;kJ/kg para um cilindro composto de fibras mais avançadas, em que as densidades de energia '''''atingíveis''''' para os mesmos tanques variariam de 40 a 100&nbsp;kJ/kg.

=== Comparação com as baterias ===

Cilindros de fibra reforçada são comparáveis às [[Acumulador de chumbo|baterias chumbo-ácidas]] [[Bateria recarregável|recarregáveis]] em termos de densidade de energia. As baterias também fornecem uma voltagem quase constante em todos os níveis de carga, ao passo que a pressão varia muito quando os tanques variam entre cheio e vazio.  Projetar motores pneumáticos que mantêm alta eficiência e energia o suficiente em diferentes níveis de pressão representa um grande desafio técnico. O ar comprimido pode transferir energia em níveis de fluxo muito altos, o que é adequado para promover a aceleração e desaceleração em sistemas de transportes, principalmente para os [[Veículo híbrido|veículos híbridos]].

Os sistemas de ar comprimido possuem algumas vantagens sobre as baterias convencionais, incluindo a vida útil maior dos [[vasos de pressão]] e a baixa toxicidade do material. Designs mais recentes de baterias tais como a [[bateria lítio-ferro-fosfato]] não apresentam estes problemas. Os custos do ar comprimido são potencialmente menores, porém, o desenvolvimento e testes de segurança de vasos de pressão avançados são atualmente mais caros que as baterias produzidas em massa.

Assim como na tecnologia de armazenamento elétrico, o ar comprimido é tão "limpo" quanto a fonte de energia armazenada. A [[análise do ciclo de vida]] aborda a questão das emissões totais de determinada tecnologia de energia combinada com determinado mix de geração em uma rede de energia.

=== Segurança ===

Assim como na maioria das tecnologias, o armazenamento de energia em ar comprimido também levanta preocupações acerca da segurança, principalmente sobre o risco da ruptura catastrófica de um tanque. As normas de segurança tornam esta ocorrência rara, às custas de um sistema mais pesado. As normas podem limitar a pressão utilizada legal a 40% da pressão de ruptura para cilindros de aço ([[fator de segurança]] de 2.5), e menos de 20% para cilindros de fibra (fator de segurança de 5).  Designs comerciais adotam o padrão da ISO 11439.<ref>[http://www.iso.org/iso/catalogue_detail?csnumber=33298 Gas cylinders – High pressure cylinders for the on-board storage of natural gas as a fuel for automotive vehicles]</ref> Cilindros de alta pressão são fortes o bastante a ponto de suportarem acidentes de veículos sem se romper.

== Aplicações em veículos ==

{{Main|Veículo a ar comprimido}}

=== História ===

Motores a ar têm sido utilizados desde o século XIX para fornecer energia a [[locomotiva]]s [[Mineração|mineradoras]], [[Bomba hidráulica|bombas hidráulicas]], [[furadeira]]s e [[bonde]]s por meio da distribuição centralizada em meio urbano.

[[Imagem:Compressed Air Loco.jpg|thumb|right|300px|Uma locomotiva a ar comprimido da companhia [[H. K. Porter, Inc.]], utilizada na mina [[Homestake]] entre 1928 e 1961.]]

Os [[Automobilismo|carros de corrida]]s utilizam ar comprimido para impulsionar seu [[motor de combustão interna]].

Vários pesquisadores têm desenvolvido ideias de veículos a ar comprimido, que tiveram interesse renovado desde a crise dos preços do petróleo de 1990.

=== Motor ===
{{Principal|Motor pneumático}}

Um motor pneumático usa a expansão do ar comprimido para impulsionar os [[Pistão|pistões]] de um motor, rolar um [[eixo de rodas]], ou girar uma [[turbina]].

Os seguintes métodos podem aumentar a eficiência:

* Uma turbina de expansão contínua de alta eficiência
* Múltiplos estágios de expansão
* Uso do calor residual, notavelmente em um design de [[máquina térmica]]
* Uso do calor ambiental

Um arranjo de alta eficiência utiliza pistões de baixa, média e alta pressão em série, em que cada estágio é seguido por um aspirador que suga o ar ambiente em um [[trocador de calor]] entre ar e ar. O aspirador aquece o [[gás de exaustão]] do estágio anterior e transmite o gás pré-aquecido ao estágio seguinte. O único gás de exaustão resultante em cada estágio é o ar frio, que pode ser tão frio quanto −15.°C; este ar pode ser utilizado como o [[ar condicionado]] de um carro.<ref name=autogenerated1 />

O calor adicional pode ser suprido pela queima de combustível, tal como nos torpedos Whitehead de 1904.<ref>
[http://archive.is/DIiw A History of the Torpedo The Early Days]</ref>  Isto melhora o alcance e velocidade disponível para determinado volume de tanque ao custo de combustível adicional.

Uma alternativa aos pistões e às turbinas, a [[quasiturbine]], também é capaz de rodar a ar comprimido, e portanto ser impulsionada por um motor pneumático.

==== Carros ====
{{Principal|Veículo a ar comprimido|carro a ar comprimido}}

Desde 1990 várias companhias anunciaram estar desenvolvendo carros a ar comprimido, mas nenhum modelo se encontra disponível no mercado. Geralmente, as principais vantagens anunciadas são: ausência de poluição, baixo custo, uso de óleo de cozinha para [[lubrificação]], e condicionamento de ar integrado.

O tempo necessário para repor um tanque esvaziado é fator importante para a aplicação desse sistema em veículos. A "transferência de volume" desloca ar pré-comprimido de um tanque estacionário quase que instantaneamente. De maneira alternativa, um [[compressor]] estacionário ou a bordo pode comprimir ar conforme a demanda, o que possivelmente requer algumas horas. O custo projetado de se dirigir um carro a gás comprimido gira em torno de €0.75 por 100&nbsp;km com abastecimento completo em postos custando aproximadamente US$3.

== Tipos de sistemas==
===Sistemas criogênicos===
Um sistema CAES especial foi desenvolvido utilizando [[ar líquido]] como vetor de energia. Este sistema é chamado ''CryoEnergy System'' (CES), e foi desenvolvido pela companhia britânica Highview Power Storage.<ref>[http://www.gizmag.com/liquid-air-energy-storage/18148/ CryoEnergy System]</ref>

=== Sistemas híbridos ===
Os motores de [[ciclo Brayton]] comprimem e aquecem o ar com um combustível adequado para um [[motor de combustão interna]]. Por exemplo, o ar é comprimido com o calor do gás natural ou biogás, então um motor convencional de [[turbina a gás]] ou a porção traseira de um [[motor a jato]] o expande para gerar movimento.

Motores pneumáticos podem recarregar uma [[Bateria automotiva|bateria elétrica]]. O [[Energine]] promoveu seu sistema Pne-PHEV (''Pneumatic Plug-in Hybrid Electric Vehicle-system'').<ref>{{Citar web |url=http://www.energine.com/phev/e_phev_03.php |titulo=Energine PHEV-system schematic |acessodata=2012-05-21 |arquivourl=https://web.archive.org/web/20140513011738/http://www.energine.com/phev/e_phev_03.php |arquivodata=2014-05-13 |urlmorta=yes }}</ref>

==== Sistemas híbridos existentes ====
As cidades de [[Huntorf]], [[Alemanha]] em 1978, e [[McIntosh (Alabama)|McIntosh, Alabama]] em 1991 construíram usinas energéticas híbridas.<ref name="DEP1"/><ref name='new.scientist.com/vol.195 n.º 2623 p.&nbsp;45'>{{citar periódico|título=Squeeze the breeze: Want to get more electricity from the wind? The key lies beneath our feet |periódico=New Scientist |data=17 de novembro de 2007 |primeiro =Daniel|último =Pendick |volume=195|número=2623|página=4 |url=http://environment.newscientist.com/channel/earth/mg19526231.700-rocks-could-be-novel-store-for-wind-energy.html |acessodata= 17 de novembro de 2007 }}</ref> Ambos os sistemas utilizam energia de horários de baixa para a compressão. A usina de McIntosh completa seu ciclo de 24 horas queimando uma mistura de gás natural com ar comprimido.

==== Sistemas híbridos futuros ====

O [[Iowa Stored Energy Park]] (ISEP) utilizará o armazenamento em [[aquífero]] no lugar do armazenamento em caverna. A retirada da água do aquífero resulta na regulação da pressão do ar através da pressão hidrostática constante da água. A ISEP afirma que "você pode otimizar o seu equipamento para melhorar a eficiência se você mantiver uma pressão constante."<ref name="new.scientist.com/vol.195 n.º 2623 p.&nbsp;45"/> A produção energética da usina de McIntosh e os sistemas de Iowa é da ordem de 2–300 MW.<ref>
[http://www.isepa.com/FAQs.asp Frequently Asked Questions]</ref>

Instalações adicionais estão em desenvolvimento em [[Norton (Ohio)|Norton, Ohio]]. A [[FirstEnergy]], uma companhia energética de [[Akron (Ohio)|Akron, Ohio]] obteve os direitos de desenvolvimento do projeto de Norton de 2,700 MW em novembro de 2009.<ref>
http://www.firstenergycorp.com/NewsReleases/2009-11-23%20Norton%20Project.pdf</ref>

=== Armazenamento em lago ou oceano ===

As águas profundas dos lagos e oceanos podem fornecer pressão sem a necessidade de [[vasos de pressão|vasos de alta pressão]] ou perfuração de cavernas ou aquíferos.<ref name='caes.aquifer'>{{citar web |url=http://www.wapa.gov/es/pubs/ESB/2003/03Aug/esb084.htm |título=Wind plus compressed air equals efficient energy storage in Iowa proposal |acessodata=29 de abril de 2008 |obra=Energy Services Bulletin website |publicado=Western Area Power Administration |arquivourl=https://web.archive.org/web/20080509104206/http://www.wapa.gov/es/pubs/esb/2003/03Aug/esb084.htm |arquivodata=2008-05-09 |urlmorta=yes }}</ref> O ar é enviado a câmaras baratas e flexíveis no fundo de lagos ou no leito de águas costeiras com depressões profundas. Obstáculos incluem o número limitado de localidades adequadas e a necessidade de dutos de alta pressão entre os containeres e a superfície. Como essas câmaras seriam muito baratas, a necessidade de elevada pressão (e grande profundidade) pode não ser um fator importante. Um benefício fundamental dos sistemas construídos de acordo com este conceito é que a carga e descarga são uma constante função da profundidade. As ineficiências do [[Máquina de Carnot|Carnot]] podem assim ser reduzidas na usina. A eficiência do Carnot pode ser aumentada através do uso de múltiplos estágios de carga e descarga e fontes e sumidouros baratos de calor como a água fria de rios e água quente de [[lagoa solar|lagoas solares]]. O ideal é que o sistema seja inteligente — por exemplo, resfriando o ar antes do bombeamento nos dias de verão. O sistema deve ser projetado para evitar ineficiência, como variações de pressão dispendiosas causadas pelo diâmetro inadequado dos dutos.<ref>
[http://www.google.com/patents?id=uno9AAAAEBAJ&dq=4873828 Prior art]. Oliver Laing et al. Energy storage for off peak electricity. Patente registrada nos Estados Unidos N.º 4873828.</ref>

Uma solução quase [[Transformação isobárica|isobárica]] é possível se o gás comprimido for usado para impulsionar um sistema hidrelétrico. No entanto, esta solução requer grandes tanques de pressão baseados na terra (assim como bolsas subaquáticas). Além disto, o gás hidrogênio é o fluido ideal, considerando que outros gases sofrem de pressões hidrostáticas substanciais mesmo em profundidades relativamente baixas (como 500 metros).

A [[Universidade de Nottingham]] no Reino Unido é um centro de pesquisa que estuda a utilização de bolsas de ar no leito submarino. A E.ON, uma das maiores companhias energéticas da Europa, forneceu €1.4 milhões em verbas para o desenvolvimento do armazenamento de ar comprimido em bolsas submarinas.<ref>{{citar web|url=http://www.nottingham.ac.uk/news/pressreleases/2008/june/energybagsandsuperbatteries.aspx|título=Energy bags and super batteries|data=1 de junho de 2008|publicado=Universidade de Nottingham|acessodata=2012-05-21|arquivourl=https://web.archive.org/web/20110203142906/http://www.nottingham.ac.uk/news/pressreleases/2008/june/energybagsandsuperbatteries.aspx|arquivodata=2011-02-03|urlmorta=yes
}}</ref>
<ref>{{citar web|url=http://news.bbc.co.uk/1/hi/england/nottinghamshire/7315059.stm|título=The man making 'wind bags'|data=26 de março de 2008|publicado=BBC}}</ref>
A companhia [[Hydrostor]] do Canadá está desenvolvendo um sistema comercial de armazenamento subaquático em "acumuladores" para o armazenamento de energia em ar comprimido, começando na escala de 1 a 4 MW.<ref>{{citar web|url=http://techcrunch.com/2011/07/09/hydrostor-power-storage-under-water|título=How Hydrostor Aims To Change The Power Game By Storing Energy Under Water|data=9 de julho de 2011|publicado=[[TechCrunch]]}}</ref>

== Ver também ==
{{multicol }}
* [[Ar comprimido]]
* [[Armazenamento de energia em rede]]
* [[Bateria de ar comprimido]]
* [[Central hidroeléctrica reversível]]
* [[Combustível alternativo]]
* [[Gás natural comprimido]]
* [[Iowa Stored Energy Park]]
* [[Motor a vácuo]]
{{multicol-break}}
* [[Motor pneumático]]
* [[Pneumática]]
* [[Propulsão alternativa]]
* [[Vehicle-to-grid]]
* [[Veículo a ar comprimido]] (CAV)
* [[Veículo elétrico a bateria]]
* [[Veículo zero emissões]]
{{multicol-end}}

{{Referências|col=3}}

== Ligações externas ==
* Sistema de ar comprimido de Paris – notas técnicas [http://chestofbooks.com/crafts/scientific-american/sup6/The-Compressed-Air-System-Of-Paris.html Parte 1] [http://chestofbooks.com/crafts/scientific-american/sup6/The-Compressed-Air-System-Of-Paris-Part-2.html Parte 2] [http://chestofbooks.com/crafts/scientific-american/sup6/The-Compressed-Air-System-Of-Paris-Part-3.html Parte 3] [http://chestofbooks.com/crafts/scientific-american/sup6/The-Compressed-Air-System-Of-Paris-Part-4.html Parte 4] [http://chestofbooks.com/crafts/scientific-american/sup6/The-Compressed-Air-System-Of-Paris-Part-5.html Parte 5] [http://chestofbooks.com/crafts/scientific-american/sup6/The-Compressed-Air-System-Of-Paris-Part-6.html Parte 6 ] ([[Scientific American]], 1921). {{en}}
* [http://www.sandia.gov/media/NewsRel/NR2001/norton.htm Solution to some of country’s energy woes might be little more than hot air] - Laboratório Sandia, [[Departamento de Energia dos Estados Unidos]]. {{en}}
* [http://www.msnbc.msn.com/id/10695864/ Cities to Store Wind Power for Later Use] - [[MSNBC]], 4 de janeiro de 2006. {{en}}
* [http://www.rwe.com/web/cms/de/365478/rwe/innovationen/stromerzeugung/energiespeicherung/druckluftspeicher/projekt-adele/ Projeto ADELE]. {{de}}
* [http://www.seco.cpa.state.tx.us/re_wind-reserve.htm Compressed air storage]. {{en}}
* [http://www.economist.com/science/displaystory.cfm?story_id=9539806 Power storage: Trapped wind] - [[The Economist]], 26 de julho de 2007. {{en}}
* [http://www.theaircar.com/further_applications.html Electrification and renewable energy storage using MDI systems]. {{en}}
* [http://www.businessweek.com/magazine/content/07_41/b4053092.htm Catching The Wind In A Bottle A group of Midwest utilities is building a plant that will store excess wind power underground]. {{en}}
* [http://www.generalcompression.com Compressing with Wind turbine]. {{en}}
* [http://query.nytimes.com/gst/fullpage.html?res=9D0CEEDE103DF93AA1575AC0A967958260&sec=&spon=&pagewanted=print Technology; Using Compressed Air To Store Up Electricity] - [[The New York Times]], 29 de setembro de 1991. {{en}}
* [http://www.aircaraccess.com/index.htm Pneumatic Options]. {{en}}

{{tecnologias emergentes}}

[[Categoria:Armazenagem de energia]]