От 1870 г. системите за съхранение на компресиран въздух са внедрени, за да осигурят ефективна енергия при нужда, поискана от индустриалните предприятия, както и битовите консуматори. Въпреки, че съществуват много по-малки приложения, първата система от комунален мащаб е въведена през 1970 г. с капацитет от над 290 MW. Системите за съхранение на компресиран въздух (CAES) могат да бъдат използвани както за малки мощности, така и за по-големи инсталации, които могат да осигурят огромни енергийни резерви за електропреносната мрежа.

Как функционират системите за съхранение на компресиран въздух?

Инсталациите за съхранение на енергия със сгъстен въздух (CAES) са до голяма степен еквивалентни на помпените водноелектрически централи (ПАВЕЦ) . Но вместо да се изпомпва вода от долно към горно воден басейн по време на периоди на излишък от енергия, в CAES инсталация, околният въздух или друг газ се компресира и съхранява под налягане в подземно хранилище или контейнер. Когато е необходимо електричество, въздухът под налягане се нагрява и разширява в разширителна турбина, задвижваща генератор за производство на енергия.

Особеното при съхранението на сгъстен въздух е, че при компресирането му налягането достига до 70 bar, стартирайки от атмосферно налягане.  Стандартните многостъпални въздушни компресори използват междинни и последващи охладители, за да намалят температурите на изпускане до 149 - 177°C. Температурата на въздуха за впръскване в хранилището, се намалява до 43 - 49°C. Следователно топлината от процеса на компресиране се извлича или бива отстранявана от междинен охладител. Загубата на топлинната енергия се компенсира по време на фазата на генериране на електроенергия от разширителната турбина, чрез нагряване на въздуха под високо налягане в горивните камери, използвайки гориво от природен газ. Като алтернативно решение може да бъде използвана топлината от изгорелите газове на турбината в рекуператор за загряване на входящия въздух преди цикъла на разширяване. Отделяната топлина, по време на компресиране, може да бъде термично съхранена преди влизане в подземното хранилище и използвана за адиабатно разширение.

Диабатен CAES метод

Всички предложени проекти, както и въведените в експлоатация CAES инсталации -  в Хънторф, Германия и в Макинтош, САЩ, се основават на диабатния метод. В основния си принцип този тип инсталации са конвенционални газови турбини, при които обаче компресирането на въздуха за горене е отделена и независима от действителния процес на газовата турбина. Това води и до двете основни предимства на този метод.

Тъй като степента на компресия обикновено използва около 2/3 от капацитета на турбината, турбината CAES може да генерира 3 пъти повече мощност за същия входящ поток природен газ. Това намалява специфичната консумация на газ, както и намалява емисиите на въглероден диоксид с около 40 до 60%, в зависимост от това дали отпадната топлина се използва за затопляне на въздуха в рекуператор. Ефективността мощност е приблизително 42% без и 55% с оползотворяване на отпадна топлина. Вместо да се компресира въздухът с допълнително количество газ, излишната енергия с по-ниска цена може да се използва по време на непиковите периоди на мрежата.

И двете гореспоменати инсталации използват едновалови машини, при които компресорът-двигателят/генераторът-газовата турбина са разположени на един и същи вал и са свързани чрез скоростна кутия. В други концептуални проекти на CAES системи, моторно-компресорният агрегат и турбино-генераторният блок са механично разделени. Това дава възможност за модулно разширяване на инсталацията по отношение на допустимата входна и изходната мощност.

Използването на отработена топлинна енергия от конвенционалните газови турбини за целите на нагряване на въздуха под високо налягане,  дава възможност CAES инсталациите да имат различни технологични възможности, в зависимост от обема на хранилището и налягането.

Адиабатен метод

Много по-висока ефективност, приблизително до 70%, може да бъде постигната, ако топлината от компресията се възстанови и използва за повторно загряване на сгъстения въздух по време на работа на турбината, тъй като вече няма нужда да се изгаря допълнителен природен газ за затопляне на въздуха.

Опции за съхранение

Независимо от избрания метод, са необходими много големи места за съхранение поради ниската плътност. Предпочитаните места са в изкуствено изградени солни хранилища в дълбоки солни пещери. Солните хранилища се характеризират с няколко положителни свойства: висока гъвкавост, липса на загуби на налягане и липса на реакция с кислорода във въздуха и солената скала.  Ако няма подходящи солни образувания е възможно да се използват естествени водоносни хоризонти. За целта обаче първо трябва да се извършат тестове, за да се определи дали и как кислородът реагира със скалата и с всякакви микроорганизми в скалната формация на водоносния хоризонт, което може да доведе до изчерпване на кислород или запушване на порите в резервоара. Изчерпаните находища на природен газ също се изследват за съхранение на сгъстен въздух.

Електроцентралите CAES са реалистична алтернатива на ПАВЕЦ, тъй като капиталните и експлоатационни разходи на вече работещите диабатни инсталации са конкурентни.