Deje que la gravedad almacene la energía

Jun 25, 2023

Gravity Power LLC, una startup con sede en Santa Bárbara, California, ha desarrollado una tecnología de almacenamiento de energía de bajo costo, inicio rápido y respuesta dinámica rápida que compite con las clásicas turbinas hidroeléctricas y de gas de almacenamiento por bombeo para la generación de energía de pico y de servicio intermedio. El sistema es simple, pero su potencial es profundo.

Gran parte de los equipos de generación de energía que se están instalando actualmente son para energía renovable (predominantemente eólica y solar) o para ciclos combinados alimentados por gas que aprovechan los bajos precios históricos del gas natural. Sin embargo, muchas de esas plantas alimentadas con gas se construyeron con un propósito adicional: servir como fuente de electricidad de reacción rápida que pueda reemplazar la generación renovable cuando el viento deja de soplar o el sol no brilla. Una mejor opción tecnológica para “perseguir” la energía eólica y solar es el almacenamiento de electricidad a granel.

Las complicaciones de planificación del sistema y operación de la red que plantean las energías renovables se analizaron detalladamente en un artículo anterior (“El almacenamiento de energía permite la generación justo a tiempo”, abril de 2011, disponible en powermag.com). El tema clave de ese artículo era que el almacenamiento de energía a escala comercial debe comercializarse antes de que la electricidad renovable pueda alcanzar su máximo potencial.

Hoy en día, la mayoría de los grandes proyectos de almacenamiento de energía parecen ser poco más que un contenedor lleno con decenas de miles de pequeñas baterías. El valor del almacenamiento de energía se materializa verdaderamente con sistemas a escala de servicios públicos capaces de “mover” la mayor parte de la energía eólica producida principalmente durante las horas de menor actividad a las horas de mayor actividad, cuando el valor de la energía es significativamente mayor. El valor es igualmente importante para los sistemas solares fotovoltaicos que ciclan violentamente cuando las nubes pasan por encima.

En el artículo anterior se analizaron varias tecnologías de almacenamiento de energía a gran escala en su etapa inicial de desarrollo. Gravity Power LLC fue identificada como una empresa que se destacó de las demás, principalmente porque su tecnología adopta completamente el principio de KISS (Google it) y debería poder implementarse en el corto plazo. De hecho, el Departamento de Energía de EE. UU. examinó la tecnología y no pudo financiar el trabajo de desarrollo porque no se necesitaba investigación ni desarrollo.

En el tiempo que lleva leer este artículo, incluso los no tecnólogos entenderán intuitivamente cómo funciona el sistema y apreciarán su simplicidad.

Según Tom Mason, director ejecutivo de Gravity Power, el concepto de diseño final tomó forma en 2008, al que siguió inmediatamente la primera ronda de financiación de la empresa a principios de 2009 de The Quercus Trust, seguida de una serie de otras pequeñas inversiones. Actualmente, la compañía está planteando una ronda Serie B para financiar el diseño final y las pruebas del sistema. La primera patente de Gravity Power que cubre su tecnología fue emitida por la Oficina de Patentes de EE. UU. en mayo de 2012, y otras patentes globales están pendientes.

El módulo de potencia por gravedad (GPM) es una máquina sencilla (Figura 1). En el corazón del sistema hay una bomba-turbina reversible y un motor-generador, muy similares a los utilizados en los sistemas hidroeléctricos de almacenamiento por bombeo (PSH) convencionales durante 70 años o más. A 40 metros (m) bajo tierra se encuentra la parte superior de un “circuito de agua” subterráneo donde se encuentra la bomba-turbina. El circuito consta de dos ejes verticales sellados llenos de agua. El primero es un eje perforado verticalmente de gran diámetro llamado "eje de potencia". El más pequeño es el eje de la “compuerta forzada”. Dentro del eje de potencia se encuentra un pistón grande que almacena o devuelve energía cuando el agua lo mueve hidráulicamente hacia arriba o hacia abajo. El agua es simplemente un fluido hidráulico. El agua fluye en un circuito en ambas direcciones: o el agua fluye dentro del circuito del sistema, empujando el pistón hacia arriba, o el agua es empujada en la otra dirección por el pistón mientras cae.

Al igual que un sistema PSH convencional, la electricidad se consume cuando la transmisión reversible bombea el agua desde la tubería forzada al eje de potencia debajo del pistón, levantando el pistón para almacenar su energía potencial. Para liberar su energía almacenada, se suelta el pistón y, a medida que desciende, el agua pasa a través de la bomba que ahora actúa como una turbina hidráulica y genera energía utilizando el motor que ahora funciona como generador. La velocidad a la que cae el pistón determina la potencia instantánea generada. La profundidad y el diámetro del eje de potencia y la masa del pistón determinan la cantidad de energía almacenada.

Una vez explicado, el funcionamiento del sistema es intuitivo. La gravedad hace la mayor parte del trabajo.

La respuesta del sistema está a la par de los sistemas PSH modernos y mucho más rápida que la de otras fuentes de energía de respaldo alimentadas por combustibles fósiles. Un motor-generador de bomba-turbina sincronizado puede pasar de cero a potencia máxima en menos de 15 segundos. La eficiencia general del almacenamiento de energía (energía producida dividida por la energía consumida para cargar el sistema) supera el 80%. Además, la ubicación de la instalación es muy flexible: se pueden instalar 1.600 MW o más en menos de tres acres, a diferencia de un sistema PSH típico que requiere dos grandes embalses y quizás de 15 a 20 años para completar el proceso de permiso ambiental y la construcción.

Gravity Power propone que su primer GPM de demostración comercial se diseñe con un eje de potencia de 30 m de diámetro que se extienda a 500 m de profundidad. Estos parámetros de diseño producirán el equivalente a 160 MWh, o 40 MW por 4 horas de almacenamiento de energía a granel a cambio de consumir 40 MW durante aproximadamente 5 horas. El costo de este sistema se estima en $4,400/kW o $1,100/kWh.

Aunque la construcción del primer proyecto de demostración es el mayor obstáculo al que se enfrenta ahora Gravity Power, Mason está mirando más allá del proyecto de demostración hacia una futura línea de productos comerciales. Su objetivo es construir sistemas más grandes, que van desde 200 MW a 1.600 MW y más, con precios de venta estimados de 2.000 dólares/kW a 950 dólares/kW, basados ​​en economías de escala, tal vez bajando hasta 500 dólares/kW en casos especiales donde la infraestructura existente está disponible. Estas son estimaciones de costos “de la noche a la mañana” (no incluyen el costo del dinero durante la construcción) y conllevan las advertencias de exclusión habituales: compra de terrenos, permisos, interconexión de transmisión, llenado de agua y otros costos indirectos del desarrollador. Las estimaciones incluyen una generosa contingencia del 25%.

Por muy bueno que parezca el sistema, un producto sólido, el interés del mercado y el apoyo gubernamental no garantizan el éxito. Los inversores exigen un fuerte compromiso de los clientes, mientras que las empresas de servicios públicos (que se cree que son los principales clientes del GPM) quieren ver con sus propios ojos una planta de demostración en funcionamiento. El edificio número 1 es el punto conflictivo para Gravity Power, que está listo para avanzar hoy, como pronto lo estará para otras tecnologías de almacenamiento de energía a granel que se encuentran actualmente en la mesa de dibujo.

En Estados Unidos, el desafío se ve agravado por una tasa fija de crecimiento de la carga que frena el entusiasmo de las empresas de servicios públicos por ofrecer acuerdos de compra y venta de energía que incentivarán a los desarrolladores y entusiasmarán a los inversores. Muchas empresas de servicios públicos consideran el almacenamiento masivo de energía como otra pérdida de carga en lugar de un paso progresivo hacia una red inteligente reforzada pero muy receptiva.

La comercialización exitosa de las tecnologías de almacenamiento de energía en desarrollo también requerirá que los mercados eléctricos otorguen formalmente un valor tangible al almacenamiento de energía a granel. Varias regiones están desarrollando ahora tarifas específicas para el almacenamiento de energía, de conformidad con las Órdenes 890 y 719 de la Comisión Federal Reguladora de Energía, que exigen que los operadores de sistemas independientes desarrollen tarifas y reglas de mercado para recursos no generadores. Las reglas actuales del mercado se centran en los mercados en tiempo real o diarios, donde las tecnologías de almacenamiento de energía a granel deben tener garantizada una corriente de ingresos a largo plazo, como acuerdos de compra de energía o tarifas reguladas para sus productos, para que los desarrolladores de nuevos Tecnología para atraer inversores. La Comisión de Servicios Públicos de California, por ejemplo, presentó recientemente una propuesta que seguramente acelerará la comercialización de tecnologías de almacenamiento de energía a granel en su estado (ver recuadro).

El 10 de junio, la Comisión de Servicios Públicos de California (CPUC) publicó una propuesta que requeriría que las tres empresas de servicios públicos propiedad de inversionistas del estado (Pacific Gas and Electric Co., San Diego Gas & Electric Co. y Southern California Edison Co.) adquirieran 1,325 GW de almacenamiento de energía para 2020. La propuesta, “Proponer objetivos y mecanismos de adquisición de almacenamiento y convocar a una reunión de todas las partes”, es una respuesta al AB 2514, que requiere que la CPUC diseñe reglas regulatorias y de adquisición del mercado eléctrico para energía a escala de red. almacenamiento. Se espera que estas reglas entren en vigor a principios del próximo año.

La propuesta "sugiere objetivos de adquisición de almacenamiento de energía con el objetivo de transformar el mercado" de modo que "el mercado de almacenamiento de energía se vuelva sostenible, los objetivos de adquisición de almacenamiento ya no serán necesarios y competirá para brindar servicios junto con otros tipos de recursos".

La propuesta reconoce acertadamente que existen muchas tecnologías diferentes de almacenamiento de energía, por lo que está redactada para ser inclusiva. Aunque el objetivo principal de la propuesta es "ayudar a derribar las barreras del mercado, reducir los costos y aumentar la escala de penetración del mercado con el tiempo", no es una propuesta de I+D, sino que está destinada a "tecnologías de almacenamiento elegibles y disponibles comercialmente utilizadas en la red". aplicaciones” que han sido demostradas. El enfoque de adquisición sugerido es una copia del Mecanismo de Subasta de Energías Renovables actualmente vigente. Esta es una buena noticia para los defensores del almacenamiento de energía a granel y, dados los importantes niveles de almacenamiento de energía contemplados por la CPUC, la inversión en tecnologías de almacenamiento de energía seguramente aumentará.

Mi único deseo es que los burócratas que redactan estas propuestas aprendan pronto que el almacenamiento de energía se mide en MWh, no en MW.

Planos de Ingeniería y Construcción

El concepto de operación de GPM puede ser sencillo, pero los inversionistas y compradores potenciales deben asegurarse de que el dinero de su inversión no esté expuesto a riesgos excesivos, particularmente riesgos de costos de producto, construcción y cronograma. Gravity Power encargó a Babendererde Engineers, expertos en ingeniería y construcción subterránea ubicados en Bad Schwartau, Alemania, que produjeran planes de construcción, estimaciones de costos y cronogramas de GPM. Ese trabajo fue examinado más a fondo por Hochtief, una gran empresa internacional de ingeniería y construcción con sede en Essen, Alemania.

Después de completar su análisis del GPM, Hochtief se ofreció a construir plantas GPM, brindando las garantías habituales. Andritz Hydro, el mayor fabricante de turbinas de bombeo del mundo, también se ha comprometido a suministrar equipos con las garantías habituales, al igual que otros proveedores de equipos. Mason dijo que el diseño preliminar de GPM, que incluye detalles de ingeniería y construcción para todos los elementos críticos del sistema, está a punto de completarse.

La tarea más importante en la construcción de un GPM es la construcción de los ejes de energía y de tubería forzada. La construcción del pozo utiliza técnicas de minería a cielo abierto, y el motor-generador de turbina-bomba tiene el mismo diseño que el utilizado para el almacenamiento por bombeo clásico. El pistón está construido de roca, ya sea tallada en el lugar o removida y mezclada con concreto. A continuación, el pistón se recubre con hormigón armado, se cubre con una piel de acero inoxidable y se monta sobre una placa base de acero.

La obra civil, que incluye la construcción del eje de potencia, el eje de la tubería forzada y el pistón, tomará aproximadamente dos años y cuatro meses para el sistema de 160 MWh (40 MW por 4 horas). La ruta crítica del proyecto es el cronograma de entrega del equipo rotativo.

La red eléctrica alemana está experimentando cambios dramáticos causados ​​por el cierre de sus plantas nucleares y su creciente dependencia de la energía eólica y solar. La región de Neckar-Alb en el estado alemán de Baden-Württemberg está considerando la tecnología GPM en lugar de uno o más de los cinco diseños de plantas PSH convencionales propuestos (cada uno de más de 300 MW) que proporcionarían respaldo a sus activos de energía renovable.

Como era de esperar, estas grandes plantas de PSH se topan con una fuerte oposición pública y problemas de zonificación, lo que hace imposible que Baden-Württemberg avance con su Plan Regional. Regionalverband, la autoridad de planificación local, ha incluido el GPM como una alternativa rentable al PSH clásico en su plan de recursos revisado, que fue aprobado y publicado en abril de 2013. El Plan Regional proporciona el marco legal que califica las selecciones de tecnología en esta región de Alemania. Esta es la primera vez que se incluye una nueva tecnología de almacenamiento en su planificación de red regional. La Neckar-Alb Regionalverband también está investigando dos sitios para un GPM de 300 MW, y se está considerando seriamente el GPM como un reemplazo menos invasivo para un proyecto PSH convencional propuesto de 700 MW en Baviera. Es evidente que el mercado del almacenamiento de energía a granel está en auge en Alemania.

Aunque existe un interés considerable en el almacenamiento de energía a gran escala en Alemania, persisten barreras. Por ejemplo, las actuales tarifas de alimentación alemanas no incluyen el almacenamiento de energía. Estos problemas pueden resolverse después de las elecciones de otoño, cuando el recién elegido Bundestag alemán considere una legislación para el apoyo federal y estatal a las tecnologías de almacenamiento de energía a granel.

Para mantener su impulso en el mercado, Gravity Power debe completar la ronda de financiación Serie B mientras completa los pasos finales del desarrollo del producto. El último obstáculo del diseño es el desarrollo del sello del pistón. El GPM utiliza un sistema de sello estacionario montado en la mitad del eje principal. El sello debe tener baja fricción a lo largo del pistón en movimiento, pero también debe resistir un diferencial de presión de ~500 psi y adaptarse a pequeñas variaciones del diámetro del pistón. Se está planificando una prueba de sellado de 2 m para identificar el material de sellado óptimo, seguida de una prueba a gran escala de 30 m a plena presión y velocidad máxima del pistón. El desarrollo de sellos es un problema que tiene solución; incluso puede implicar el uso de un producto disponible en el mercado.

El sello del pistón es el último hito del diseño preliminar del GPM. El siguiente paso es construir la planta de demostración propuesta. Es para estas pruebas para las que se busca financiación de la ronda Serie B.

Gravity Power promete un almacenamiento de energía a granel a un precio razonable, de fácil ubicación y con un impacto ambiental insignificante. Predigo que el GPM pronto será una parte fundamental de la red del futuro, tanto en Estados Unidos como en otros países.

— Dr. Robert Peltier, PE es el editor en jefe de POWER.

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