Almacenamiento de energía criogénica de larga duración, futuro de energía limpia al 100%

0
374

Un futuro en el que el 100% de la electricidad del mundo provenga de fuentes de energía limpias no es solo una ilusión, sino que está obligada por las duras realidades del cambio climático. Obtener energía de los combustibles fósiles es un hábito difícil de romper para la humanidad, pero la buena noticia es que el impulso finalmente está en el lado de la energía renovable y el almacenamiento de energía. 

Los objetivos de las fuentes renovables en todos los niveles de gobierno, las nuevas reglas de mercado de capacidad que están implementando los operadores de la red y la disponibilidad y la rentabilidad de los recursos de almacenamiento de energía de larga duración están ayudando a crear un cambio de paradigma importante en la industria de la energía.

En todo Estados Unidos, varios estados y más de 100 ciudades han adoptado ambiciosos objetivos de energía limpia al 100%. Xcel Energy hizo un anuncio histórico a fines de 2018 como la primera empresa de servicios públicos de EE. UU.

Que se comprometió a proporcionar energía limpia con la promesa de suministrar electricidad al 100% sin carbono para 2050 en toda su área de servicio en ocho estados de EE. UU.

Europa ha hecho un progreso aún mayor. La mayoría de los países europeos han establecido objetivos similares de energías renovables, y algunos han logrado avances significativos. 

Alemania obtiene el 36% de su electricidad de fuentes renovables, Dinamarca obtiene más del 50% e Islandia genera la electricidad más limpia por persona en la tierra, con casi el 100% de su energía proveniente de fuentes renovables.

Los saltos cuánticos que estamos viendo en el mercado también son posibles porque el costo de la energía renovable está a la par con la generación de combustibles fósiles. 

El costo nivelado de la electricidad (LCOE, por sus siglas en inglés) para la energía solar a escala de servicios públicos se redujo en un 85% de US $ 350 / MWh en 2009 a US $ 50 / MWh en 2017, y según el Laboratorio Nacional de Energía Renovable, se espera que caiga a US $ 37 / MWh para 2050. La industria eólica experimentó caídas de precios similares, con el LCOE de energía eólica promedio bajando a US $ 45 / MWh en 2017.

Los precios competitivos están ayudando a estimular niveles sin precedentes de despliegues de energías renovables. La Administración de Información de Energía de EE. UU. Proyecta que de 2020 a 2050 la capacidad eólica a escala de servicios públicos aumentará en 20 GW y la capacidad de la energía solar fotovoltaica a escala de servicios públicos aumentará en 127 GW solo en los Estados Unidos. Con estos impulsores del mercado que hacen que las energías renovables sean un negocio inteligente, está claro que la marcha hacia el 100% de energía limpia es mucho más que un movimiento político.

Para incorporar con éxito cantidades cada vez mayores de energía renovable en la red mientras se mantiene la confiabilidad, los activos de almacenamiento de energía tendrán que ser capaces de inyectar electricidad en la red de manera constante durante períodos de tiempo mucho más prolongados que en la actualidad. Los operadores de la red están recurriendo al almacenamiento de energía de larga duración (más de cuatro horas) para ayudar a mejorar la economía de la generación de energía, equilibrar la red y aumentar la confiabilidad. La promesa es permitir que las energías renovables se conviertan en un poder de carga básica, una hazaña que está más cerca de lo que muchos creen.

Piedra angular para el 100% de las energías renovables: almacenamiento de energía de larga duración

Un desafío al agregar más fuentes de energía renovable a la red eléctrica es descubrir cómo lidiar con la generación de energía intermitente de estas fuentes. Los consumidores, por supuesto, demandan energía confiable. Pero si todo el sistema carece de suficiente generación, los recursos de almacenamiento de energía de corta duración simplemente no podrían mantener una producción de energía suficiente durante un período de tiempo suficientemente largo para satisfacer las demandas de energía. La buena noticia es que con al menos ocho horas de capacidad, los recursos de almacenamiento de energía son equivalentes en rendimiento a, y podrían reemplazar, a una central eléctrica de combustible fósil.

Estos recursos de almacenamiento de energía de larga duración también pueden soportar los sistemas de transmisión y distribución de electricidad al tiempo que proporcionan una seguridad de suministro adicional. El beneficio para la red, y más importante para nuestro planeta, es que el almacenamiento de energía de mayor duración permitirá a los operadores de la red maximizar la penetración de energía renovable sin necesidad de generar combustibles fósiles para compensar la intermitencia.

Esto hace que el reemplazo de las plantas de energía de gas peaker con una combinación de almacenamiento de energía solar, eólica y energética sea una realidad viable y realmente sienta las bases para un futuro donde el 100% de la electricidad del mundo proviene de fuentes de energía limpia.

 

Figura 1. Cómo funcionan los sistemas de almacenamiento de energía criogénica. De archivo: Highview Power.

¿Qué opciones están disponibles hoy?

Muchas tecnologías de almacenamiento de energía ya están en uso, pero cada una presenta sus propios desafíos para el almacenamiento de descarga larga a escala de red. El almacenamiento de aire comprimido a base de agua hidráulica y cavernas bombeadas se ha utilizado de manera efectiva para proyectos de almacenamiento de energía a gran escala, pero ambos tienen limitaciones de ubicación. La energía hidráulica bombeada requiere una gran proximidad a dos grandes cuerpos de agua con cientos de pies de caída entre ellos; el almacenamiento de aire comprimido requiere la inyección de aire comprimido en estructuras herméticas y geológicamente estables, como cavernas o campos de petróleo o gas agotados, que pueden ser difíciles de encontrar. Las baterías de iones de litio se han utilizado para aplicaciones de almacenamiento de energía estacionarias, debido a su alta densidad de energía y su costo inicial relativamente bajo. Sin embargo, cuanto más largo sea el período de descarga para una capacidad determinada, más baterías necesitará. En la escala de cientos de megavatios,

Las baterías de ion litio también son duras para el medio ambiente; Después de una vida relativamente corta, sus componentes son difíciles de reciclar. También pueden presentar un riesgo de incendio si no se gestionan adecuadamente, y dependen de la disminución de los recursos de metales (como el cobalto) que conllevan los riesgos de la minería. Las baterías de flujo suelen ser más económicas que las de litio y no se degradan tan rápido. Sin embargo, hay un costo por escalar a mayores capacidades de potencia. Como todas las baterías, tienen una capacidad limitada para proporcionar de manera confiable la inercia sincrónica y el control de voltaje de la manera que es posible para las centrales eléctricas tradicionales con generadores de hilado.

Esto significa que, a medida que se agrega más y más energía solar y eólica a la red, el almacenamiento de la batería está limitado en su capacidad para responder a grandes desequilibrios entre el suministro y la demanda de electricidad, al tiempo que mantiene la frecuencia y el voltaje estables. Una opción emergente de almacenamiento de energía de larga duración, con el potencial de mitigar muchas de las limitaciones planteadas por otros sistemas, es la tecnología de almacenamiento de energía criogénica.

Surge una opción versátil y ecológica.

Los sistemas de almacenamiento de energía criogénica, que utilizan aire líquido, son más adecuados para proporcionar almacenamiento a escala de red que la energía hidroeléctrica bombeada o el aire comprimido, ya que son sistemas de ubicación libre que pueden ubicarse en cualquier lugar. Las plantas de almacenamiento de energía criogénica tienen una huella pequeña, no usan materiales peligrosos, no tienen riesgo de incendio asociado y pueden cumplir fácilmente con los estrictos códigos de construcción urbana. La tecnología utiliza aire líquido como medio de almacenamiento al enfriar el aire ambiente (utilizando refrigeración industrial convencional) a menos de -270 ° F (-170 ̊C), lo que resulta en una contracción de 700 veces en su volumen de gas a líquido. El proceso es similar al utilizado para licuar el gas natural, pero debido a que estos sistemas criogénicos usan solo aire, todo el ciclo de carga / descarga está completamente libre de emisiones de carbono.

El aire líquido se almacena en tanques aislados convencionales a baja presión (como los que se utilizan para el almacenamiento de oxígeno líquido o nitrógeno en instalaciones como hospitales). Cuando se necesita energía, el líquido se calienta y se bombea hasta la presión, luego se expande al gas con un aumento de 700 veces en volumen. La expansión se realiza a través de una turbina de expansión estándar conectada a un generador para generar electricidad, liberando así la energía almacenada. No hay combustión; lo único que se libera a la atmósfera es el aire limpio (Figura 1). Estos sistemas criogénicos son la única solución de almacenamiento de energía de larga duración disponible en la actualidad que ofrece múltiples horas de almacenamiento de gigavatios. Eso representa semanas de almacenamiento, no solo horas o días.

Los sistemas de almacenamiento de energía de larga duración basados ​​en tecnología criogénica son adecuados para proporcionar almacenamiento a escala de red. De archivo: Highview Power.

Modernización de la red para eliminar barreras a la energía renovable.

Un beneficio crítico de este almacenamiento a gran escala es que estos sistemas pueden proporcionar servicios en todos los niveles del sistema eléctrico, apoyando la generación de energía, proporcionando servicios de estabilización a las redes de transmisión y redes de distribución, y actuando como una fuente de energía de respaldo para los usuarios finales. El almacenamiento de energía criogénica puede ayudar a los sistemas de energía a lidiar con las limitaciones operativas que impiden que grandes cantidades de generadores renovables variables se integren en la combinación de energía en un momento dado. Estas limitaciones están relacionadas con la velocidad a la que los recursos pueden responder a los desequilibrios entre la demanda y el suministro de electricidad. Una de las tareas principales de los operadores de red es mantener la generación de electricidad y la demanda equilibradas en todo momento, ya que los desequilibrios sostenidos provocan apagones y fallas en el sistema.

Actualmente, la mayoría de los sistemas de electricidad dependen de una forma de almacenamiento de energía conocida como inercia sincrónica para ayudar a superar los desequilibrios entre la demanda y la generación de electricidad. Básicamente, la inercia síncrona funciona de manera muy parecida a los amortiguadores de su automóvil que limitan el impacto de los golpes o agujeros en la carretera. Los niveles de inercia síncrona disminuirán significativamente en el futuro a medida que se integren más energías renovables, lo que potencialmente limitará la participación máxima de las renovaciones en la combinación total de energía. La mayoría de las formas de generación no síncrona, incluyendo la energía solar fotovoltaica y las turbinas eólicas, dependen de la electrónica de potencia para convertir la energía primaria en electricidad.

Este tipo de generación, aunque excelente para el planeta, no es tan eficaz para actuar como un amortiguador porque, aunque la respuesta es muy rápida, no existe un mecanismo que garantice la estabilidad de la potencia. Los operadores del sistema han definido parámetros que ayudan a identificar los límites operativos de la cantidad de generación no síncrona que se puede integrar en la red en cualquier momento dado. En Irlanda, por ejemplo, los operadores de red controlan su relación de penetración no síncrona como una forma de estimar la proporción máxima de generación no síncrona en la combinación de energía que se puede integrar en cualquier momento sin poner en peligro la estabilidad del sistema. Esta relación se estima actualmente en 50%.

Para superar las limitaciones operacionales y garantizar la seguridad del suministro, los operadores de red están desarrollando nuevos códigos de red y están rediseñando sus mercados de servicios auxiliares con el objetivo de obtener una respuesta inercial síncrona (SIR) y otros productos auxiliares. El almacenamiento de energía criogénica puede proporcionar una respuesta inercial síncrona. Estos sistemas utilizan compresores accionados por motor para licuar el aire y cargar el almacén de energía, y un generador síncrono accionado por turbina para inyectar energía a la red. Esto crea un escenario donde las unidades de carga y descarga de un sistema criogénico pueden proporcionar inercia síncrona. Interesantemente, ambas unidades pueden funcionar simultáneamente, lo que puede ser muy valioso.

Por ejemplo, la resistencia del sistema tiende a ser muy débil cuando la demanda de electricidad está en su nivel mínimo y la penetración de la generación no sincronizada es alta. Estos eventos ocurren durante todo el año, normalmente de noche o en los fines de semana de verano soleados cuando las personas están de vacaciones. En este escenario, pocos generadores convencionales sirven la carga del sistema, reduciendo la inercia del sistema a niveles mínimos. En estas circunstancias, las fluctuaciones de la generación renovable pueden crear desequilibrios que deben resolverse más rápidamente de lo normal para evitar fallas importantes en el sistema, lo que afecta el costo de operación del sistema.

La gestión de los costos asociados con la operación del sistema en condiciones de baja inercia sincrónica conllevará la minimización de la reducción renovable y la obtención de servicios de sistemas rentables. La operación de la unidad de carga de un sistema de almacenamiento de energía criogénica no solo ayuda a evitar la restricción, sino que también contribuye a proporcionar inercia síncrona. Además, la unidad de descarga podría funcionar a su nivel mínimo de exportación o incluso funcionar como un condensador síncrono que contribuye a la inercia del sistema y al control de voltaje. Esto daría como resultado una reducción en la cantidad de reservas rápidas necesarias para el control de frecuencia y voltaje. Dadas las capacidades operativas de la mayoría de las redes eléctricas de todo el mundo, existe un límite en la cantidad de energía renovable que se puede integrar en un momento dado y al mismo tiempo mantener la capacidad de recuperación de la red. La operación de la red con niveles bajos de inercia síncrona resultaría costosa, especialmente cuando la demanda de electricidad es baja. Aquí es donde las opciones de almacenamiento de energía, como los sistemas criogénicos que proporcionan inercia sincrónica, pueden ayudar a reducir los costos al reducir la reducción de recursos renovables. Este podría ser un elemento clave para maximizar los beneficios de la integración de la energía renovable.

Conclusión

Solo con el almacenamiento de energía de larga duración a escala giga, las energías renovables serán lo suficientemente confiables para convertirse en la fuente de energía de carga base. A medida que las empresas de servicios públicos comprendan mejor los beneficios y las capacidades técnicas del almacenamiento de energía de larga duración, veremos una integración más rápida de las energías renovables para ayudarnos a alcanzar un futuro de energía limpia al 100%.

La tecnología podría ser versátil tanto en los sectores de electricidad como de calor. De archivo: Highview Power.

Otras aplicaciones de almacenamiento de energía criogénica.

Generación de energía

• Gestión de la generación renovable intermitente.

• Arbitraje energético

• afeitado pico

• Mejora la tasa de calor

• Calor perdido

Transmisión

• Servicios auxiliares

• Restricciones de transmisión

• Servicios de inercia.

• Servicios de flexibilidad responsable.

• Soporte de voltaje

Distribución

• Poder reactivo

• Soporte de voltaje

• seguridad local

• Pérdidas de distribución.

Usuarios finales

• Fiabilidad de potencia

• Gestión energética

• Recuperación de calor residual

• Uso de residuos fríos.

Dejar un Comentario

Por favor ingrese su comentario
Por favor entre su nombre aquí