Armazenamento isotérmico
Num processo de compressão isotérmica, o gás no sistema é mantido a uma temperatura constante durante todo o processo. Isto requer necessariamente a extracção de calor do gás, que de outra forma sofreria um aumento de temperatura devido à energia que foi adicionada ao gás pelo compressor. Esta extração aquecida pode ser conseguida por trocadores de calor (intercooler) entre os estágios subsequentes do compressor. Para evitar desperdício de energia, os intercoolers devem ser otimizados para alta transferência de calor e baixa queda de pressão. Naturalmente isto é apenas uma aproximação de uma compressão isotérmica, uma vez que o aquecimento e a compressão ocorrem em fases discretas. Alguns compressores menores podem aproximar-se da compressão isotérmica mesmo sem resfriamento intermediário, devido à relação entre área superficial e volume relativamente alta da sala de compressão e à melhoria resultante na dissipação de calor do corpo do compressor.
Para obter um processo de armazenamento isotérmico perfeito, o processo deve ser reversível. Isto requer que a transferência de calor entre o ambiente e o gás ocorra através de uma pequena diferença de temperatura infinitesimal. Nesse caso, não há perda de energia no processo de transferência de calor, e assim o trabalho de compressão pode ser totalmente recuperado como trabalho de expansão: 100% de eficiência de armazenamento. Porém, na prática existe sempre uma diferença de temperatura em qualquer processo de transferência de calor, portanto a eficiência energética do processo começa a diminuir a cada diferença em cada processo, isto implica que a eficiência de armazenamento final será inferior a 100%.
Para estimar o trabalho/expansão de compressão em um processo isotérmico, pode-se assumir que o ar comprimido obedece à lei dos gases ideais.
De um processo de um estado inicial A para a estado final B, com temperatura absoluta constante, encontra-se o trabalho necessário para compressão (negativo) ou realizado por expansão (positivo).
Onde, e então, . Aqui, é a pressão absoluta,
é o volume do navio, é a quantidade de substância gasosa (mol) e é a constante do gás ideal.
Exemplo.
Quanta energia pode ser armazenada em um recipiente de armazenamento de 1 bar (0,1 MPa) m³ a uma pressão de 70 bar (7,0), se a pressão ambiente for de 1 bar (0,10 MPa). Neste caso, o trabalho do processo é.
O sinal negativo significa que o trabalho é realizado sobre o gás pelo meio ambiente. As irreversibilidades do processo (como na transferência de calor) resultarão na recuperação de menos energia do processo de expansão do que a necessária para o processo de compressão. Se o ambiente estiver a uma temperatura constante, por exemplo, a resistência térmica nos intercoolers significará que a compressão ocorre a uma temperatura ligeiramente superior à temperatura ambiente e a expansão ocorrerá a uma temperatura ligeiramente inferior à temperatura ambiente. Portanto, é impossível alcançar um sistema de armazenamento isotérmico perfeito.
Armazenamento adiabático (isentrópico)
Um processo adiabático é aquele em que não há transferência de calor entre o fluido e a vizinhança: o sistema é isolado contra transferência de calor. Se o processo também for internamente reversível (suave, lento e sem atrito, até o limite ideal), então também é isentrópico.
Um sistema de armazenamento adiabático elimina o resfriamento intermediário durante o processo de compressão e simplesmente permite que o gás aqueça durante a compressão e também esfrie durante a expansão. Isto é atraente, uma vez que as perdas de energia associadas à transferência de calor são evitadas, mas a desvantagem é que o navio de armazenamento tem de ser isolado contra a perda de calor. Deve também ser mencionado que as turbinas e compressores reais não são isentrópicos, mas têm uma eficiência isentrópica de cerca de 85%, com o resultado de que a eficiência de armazenamento de ida e volta para sistemas adiabáticos também é consideravelmente inferior à perfeita.
Termodinâmica de grandes sistemas de armazenamento
Os sistemas de armazenamento de energia costumam usar grandes cavernas subterrâneas. Este é o projeto de sistema preferido, devido ao grande volume e, portanto, à grande quantidade de energia que pode ser armazenada com apenas uma pequena mudança de pressão. O espaço da caverna pode ser facilmente isolado, comprimido adiabaticamente com pequenas mudanças de temperatura (aproximando-se de um sistema isotérmico reversível) e perda de calor (aproximando-se de um sistema isentrópico). Essa vantagem se soma ao baixo custo de construção do sistema de armazenamento de gás, utilizando paredes subterrâneas para auxiliar na contenção da pressão.
Recentemente, foram desenvolvidos airbags isolados submarinos, com propriedades termodinâmicas semelhantes às de grandes cavernas subterrâneas de armazenamento.[27].