En su apuesta por hacer que los Juegos Olímpicos de Invierno sean "verdes y limpios", China activó la planta hidroeléctrica de bombeo más grande del mundo. La central eléctrica de almacenamiento por bombeo de Fengning de 3,6 GW y valor de 3.000 millones de dólares (18.960 millones de yuanes) en la provincia de Hebei proporcionará 600 MW de electricidad a las ciudades anfitrionas de Beijing y Zhangjiakou, evitando el equivalente a quemar 480.000 toneladas de carbón al año y reduciendo las emisiones de CO2 en 1,2 millones. toneladas
La Chinese State Grid Corporation abrió otras cinco estaciones hidroeléctricas de bombeo el año pasado y planea aumentar su capacidad de almacenamiento de bombeo de los 26,3 GW actuales a 100 GW para 2030. En todo el mundo, los operadores de redes buscan desesperadamente almacenamiento de energía de larga duración. soluciones para aprovechar la energía renovable como energía de carga base y abordar la naturaleza variable de los recursos limpios.
"[La energía hidroeléctrica de bombeo] desempeñará un papel importante en el apoyo al despliegue de fuentes de energía variables, ya que otras soluciones de almacenamiento por sí solas no pueden proporcionar un almacenamiento adecuado y suficiente flexibilidad de red", dice François Le Scornet, consultor sénior de Carbonexit Consulting. “Se puede esperar que la demanda de almacenamiento por bombeo crezca significativamente en las próximas décadas”.
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El almacenamiento de energía hidroeléctrica por bombeo (PHES, por sus siglas en inglés) ha estado en uso durante más de un siglo. Implica bombear agua desde un depósito inferior a uno superior cuando hay capacidad de generación de energía disponible (en días ventosos o soleados, por ejemplo), y dejarla correr hasta el depósito inferior a través de una turbina para generar electricidad cuando hay un déficit. como por la noche.
Las redes eléctricas deben poder hacer coincidir el suministro de electricidad entrante con la demanda en tiempo real, o experimentarán escasez o sobrecarga. Hay varias formas en que los operadores de la red pueden hacer esto, incluido compartir energía en grandes regiones a través de líneas de transmisión y localmente a través de redes de distribución, controlar la demanda (como proporcionar incentivos financieros para que las personas carguen sus vehículos eléctricos en horas no pico) y almacenar energía. . Para estos últimos, las baterías y los PHES se han convertido en las opciones preferidas.
“Juntos, las baterías y los PHES pueden reemplazar por completo los servicios auxiliares [que ayudan a los operadores de la red a mantener un sistema eléctrico confiable] proporcionados hasta ahora por generadores fósiles y nucleares”, dice Andrew Blakers, profesor de ingeniería en la Universidad Nacional de Australia.
A medida que el mundo busca alejarse de los combustibles fósiles, alrededor de dos tercios de la capacidad de generación de electricidad que se agrega cada año ahora proviene de la energía eólica y solar. Sin embargo, debido a su variabilidad innata, estas energías renovables requieren almacenamiento de energía. Para las redes con pequeñas cantidades de energía eólica y solar, los generadores tradicionales de carbón, gas e hidroeléctrica pueden equilibrar efectivamente la oferta y la demanda, pero a medida que aumentan esas cantidades, como ahora en todo el mundo, crece la necesidad de capacidad de almacenamiento.
PHES representa actualmente el 94 % de la capacidad de almacenamiento de energía global instalada. Según la Asociación Internacional de Energía Hidroeléctrica, las plantas PHES de hoy pueden almacenar alrededor de 9.000 gigavatios-hora (GWh) de energía. Países como Japón han instalado enormes cantidades de capacidad de PHES, lo que permite que su flota de combustibles fósiles y nucleares mantenga una producción casi constante.
Las baterías constituyen la mayor parte del resto del mercado de almacenamiento de electricidad. Están cayendo rápidamente de precio y pueden competir con PHES para el almacenamiento a corto plazo (minutos a horas), pero PHES es mucho más barato para el almacenamiento de energía a largo plazo (durante la noche o varios días) y tiene una vida útil más larga, de 50 a 100 años. .
"La energía hidroeléctrica bombeada es, con mucho, el almacenamiento nocturno más económico", dice Blakers. "Lo que es más importante, el fluido de trabajo es agua en lugar de productos químicos para baterías".
La mayoría de las plantas de PHES se construyeron entre las décadas de 1960 y 1980, y en 2005 había más de 200 en funcionamiento en todo el mundo, a menudo desarrolladas junto con represas hidroeléctricas tradicionales basadas en ríos. Pasaron de moda debido a las preocupaciones sobre su impacto ambiental, pero han experimentado un renacimiento a medida que los países buscan soluciones de almacenamiento para sus carteras de energías renovables en rápida expansión.
Los proyectos PHES líderes en el mundo
Hay numerosos proyectos PHES grandes en desarrollo en todo el mundo hoy en día. En Uzbekistán, el productor estatal de energía hidroeléctrica y desarrollador de proyectos JSC Uzbekhydroenergo está en conversaciones con la empresa de servicios públicos francesa EDF sobre la construcción de un proyecto PHES de 200MW en la región de Tashkent.
En los Emiratos Árabes Unidos, la Autoridad de Agua y Electricidad de Dubái está construyendo una planta de 250 MW en las montañas Hajar. Será la primera planta de PHES en el Golfo Arábigo y se espera que entre en funcionamiento a principios de 2024.
En EE. UU., Eagle Crest Energy está desarrollando una planta de 1300 MW con 18 horas de almacenamiento en una antigua mina de hierro en California. El proyecto está programado para entrar en servicio en 2027, pero actualmente pende de un hilo después de que los grupos locales expresaron su preocupación por su posible impacto en el medio ambiente local y las aguas subterráneas.
En Escocia, el desarrollador ILI Group anunció en junio de 2021 que el gobierno había aprobado las propuestas para la planta Red John PHES de 550 millones de libras esterlinas (774 millones de dólares) y 450 MW a orillas del lago Ness.
La primera planta PHES de Australia en casi 40 años se completará en 2024. La instalación Kidston Stage 2 de 250MW en Queensland costará aproximadamente $600 millones. También hay otros dos proyectos PHES a gran escala en desarrollo en Nueva Gales del Sur; el proyecto Snowy 2.0 de 2GW y el proyecto Oven Mountain de 600MW.
Se espera que el proyecto de almacenamiento por bombeo Pinnapuram de Greenko Group en Andra Pradesh, India, se ponga en marcha en 2023. Combinará 2 GW de energía solar fotovoltaica con 400 MW de energía eólica y 1,2 GW de PHES y, tras haber recibido una tarifa de 0,054 USD por kilovatio-hora, se considera la propuesta de proyecto de energía solar más almacenamiento de menor costo en el mundo.
No es una bala de plata
Sin embargo, no todo el mundo está convencido de la idea, y PHES tiene una serie de inconvenientes que impiden su estado de almacenamiento de bala de plata. Según una revisión bibliográfica reciente, las principales barreras para los PHES son la falta de infraestructura de apoyo, como carreteras y líneas de transmisión; topografías favorables limitadas; altos costos de capital, operación y mantenimiento; y largos periodos de recuperación.
“La capacidad hidroeléctrica actual significa que [PHES] solo puede desempeñar un papel menor”, dice Arij Van Berkel, vicepresidente y director de grupo de investigación energética de Lux Research, una empresa de investigación y asesoría con sede en EE. UU. “Expandir esa capacidad es increíblemente perjudicial para el medio ambiente en comparación con otras opciones de almacenamiento de energía. Además, hay muchos otros factores limitantes, como el uso del agua en la agricultura”.
Van Berkel cree que los PHES existentes pueden desempeñar un papel modesto pero significativo en la transición energética al proporcionar almacenamiento de larga duración para aproximadamente el 8 % de la producción mundial de electricidad. Expandirlo será difícil, dice.
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La energía hidroeléctrica a menudo requiere inundaciones y la construcción de una extensa infraestructura de conexión con impactos en cadena para el medio ambiente y las comunidades locales. Un estudio reciente encontró que 631 represas hidroeléctricas construidas desde 2001 se asociaron con una reducción del crecimiento económico local, la población y la vegetación en áreas dentro de los 50 km de los sitios de las represas, particularmente en el Sur Global.
El calentamiento global en sí mismo reduce el potencial de los PHES a través de una mayor evaporación de los embalses y mayores fluctuaciones en sus niveles. Durante el verano extremadamente seco de Noruega de 2019, los embalses cayeron por debajo de los niveles críticos, lo que puso en peligro la seguridad del suministro eléctrico del país.
La naturaleza de la energía hidroeléctrica también significa que los proyectos son grandes y requieren mucho tiempo para desarrollarse y construirse. “A medida que se acelere la transición energética, serán más convenientes otras opciones de almacenamiento que sean más fáciles de escalar en pasos pequeños y rápidos”, dice Van Berkel.
Soluciones 'fuera del río'
Las represas son con razón controvertidas, y la mayoría de los sistemas PHES existentes están basados en ríos, pero no tienen por qué serlo. “El almacenamiento hidroeléctrico por bombeo a menudo se pasa por alto debido a la preocupación por el impacto de la energía hidroeléctrica en los ríos, pero lo que mucha gente no se da cuenta es que la mayoría de los mejores sitios de almacenamiento hidroeléctrico no están en los ríos en absoluto”, dice Blakers de la Universidad Nacional de Australia.
La creación de sistemas PHES de 'circuito cerrado' o 'fuera del río' que usen pares de lagos o embalses existentes en lugar de ríos evitaría la necesidad de nuevas represas, con poca demanda de tierra adicional excepto para las líneas de transmisión. Un par de embalses de 250 acres y 20 m de profundidad con una diferencia de altitud de 600 m pueden almacenar 24 GWh de energía, lo que significa que el sistema podría suministrar 1 GW de energía durante 24 horas, suficiente para una ciudad de un millón de habitantes.
Además, los supresores de evaporación (pequeños objetos que flotan en el agua para atrapar el aire húmedo) pueden ayudar a reducir la evaporación del agua. En promedio, el agua requerida para un sistema PHES fuera del río equivale a unos tres litros por persona por día, equivalente a 20 segundos de una ducha matutina o una décima parte del agua evaporada por persona por día en los sistemas de refrigeración de combustibles fósiles de EE. UU. centrales eléctricas de combustible.
La energía almacenada en un sistema PHES fuera del río suele ser menor que en una represa hidroeléctrica en un río, pero mucho más que una batería a gran escala. La construcción de sistemas PHES fuera del río también puede ser mucho más rápida que otros métodos de almacenamiento: los cronogramas de 2 a 3 años son factibles para almacenamientos de 10 GWh. Aunque una batería individual se puede completar en unos pocos meses, por lo general es dos órdenes de magnitud más pequeña que un sistema PHES fuera del río.
PHES fuera del río también cuenta con una cantidad mucho mayor de sitios potenciales que su contraparte en el río. En una encuesta global de PHES fuera del río greenfield realizada en 2019, la Universidad Nacional de Australia encontró 616,000 sitios apropiados en todo el mundo. Cada sitio comprendía un par de reservorios estrechamente espaciados con un potencial de almacenamiento de energía definido de 2, 5, 15, 50 o 150 GWh.
“El mundo tiene 100 veces más potencial de almacenamiento hidroeléctrico de bombeo fuera del río que el necesario para respaldar un sistema de energía 100 % renovable basado en la energía solar y eólica”, dice Blakers.
Para aquellas áreas sin la geografía para hidroeléctrica de bombeo fuera del río, existen soluciones. En caso de que no haya agua, una empresa llamada Energy Cache ha adaptado el sistema PHES para usar grava en su lugar. Un sistema de cangilones en una línea recoge grava en la parte inferior de una colina y la lleva a la cima; cuando se invierte el proceso, la grava se mueve colina abajo y alimenta un generador para producir energía. Si no hay colina, una empresa llamada Quidnet Energy, respaldada por Breakthrough Energy Ventures de Bill Gates, es pionera en un sistema que utiliza energía renovable para bombear agua a pozos subterráneos, creando enormes cantidades de presión. Cuando se necesita esa energía, se libera la presión, empujando el agua hacia arriba del pozo y a través de una turbina, generando electricidad.
El papel de la energía hidroeléctrica de bombeo en el cero neto
La descarbonización requiere electrificación. Según Blakers et al, la demanda de electricidad se triplicará a medida que el transporte, la calefacción y la fabricación industrial se vuelvan eléctricos. Algunos de estos consumidores de energía tienen capacidad de almacenamiento incorporada: baterías en vehículos eléctricos, agua caliente en tanques de almacenamiento e hidrógeno y carbono en plantas de síntesis química. Sin embargo, es probable que los requisitos de almacenamiento de las redes eólicas y solares requieran una combinación de PHES, baterías a gran escala y gestión de la demanda en la parte superior.
Según Blakers, el consumo de electricidad per cápita en las economías avanzadas es de alrededor de 5 a 10 MWh por persona al año. Eliminar los combustibles fósiles de la economía implica triplicar la producción de electricidad, lo que la llevaría a 20MWh por persona al año. Se espera que la población mundial alcance un máximo de diez mil millones a mediados de siglo, elevando los requisitos de producción de electricidad mundial a aproximadamente 200 000 TWh al año.
La mayoría de los países tienen como objetivo satisfacer esta creciente demanda aumentando masivamente los recursos eólicos y solares. Suponiendo que, para 2050, la electricidad se produzca mediante una combinación de energía solar (60 %), eólica (30 %) y otros métodos (10 %), Blakers pronostica una necesidad de 81 TW de energía solar y 17 TW de energía eólica. En ese escenario, un día de almacenamiento ascendería a unos 500 TWh y requeriría 20 TW. Eso es mucho más de lo que las plantas de PHES de 9000 GWh pueden almacenar hoy en día, pero mucho más pequeño que los 23 000 TWh de capacidad potencial de PHES fuera del río que Blakers cree que existe en todo el mundo.
