La empresa Energy Vault ha comercializado la tecnología definitiva de almacenamiento de energía que construirá los cimientos de un futuro energético limpio, paso a paso.
El Energy Vault almacena el exceso de energía eléctrica transformándola eficazmente en energía potencial gravitatoria mediante ladrillos de 35 toneladas que pueden subirse y bajarse a voluntad, y que pueden permanecer inmóviles almacenando la energía durante cualquier cantidad de tiempo, antes de transformarla de nuevo en energía eléctrica cuando se necesite.
No es una batería que pueda degradarse con el tiempo. No necesita agua ni elementos raros como litio o cobalto. No depende del clima y no se ve afectado por el clima extremo. Puede soportar vientos huracanados de categoría 4 y terremotos de magnitud 8 (probado en el Instituto de Tecnología de California).
Utiliza materiales comunes como la tierra para fabricar los ladrillos, incluso desechos sólidos, que se pueden obtener localmente y no utiliza cemento para unirlos. No utiliza diez veces el acero y el hormigón que utilizan las energías renovables en relación con la energía nuclear o el gas. Y tiene una de las huellas de carbono más bajas, si no la más baja, de cualquier sistema de generación o almacenamiento de energía.
Y esta tecnología llega justo a tiempo. Según el Informe de mercado del gran desafío de almacenamiento de energía 2020 del Departamento de Energía de EE. UU., el Consejo Mundial de Energía, la Administración de Información Energética de EE. UU., Bloomberg NEF y Lazard, las implementaciones de almacenamiento relacionadas con la red proyectadas entre ahora y 2030 deben ser de aproximadamente 830 GWh. La inversión acumulada en este almacenamiento relacionado con la red requerida durante este período de tiempo es de aproximadamente $ 270 mil millones.
Sé que el cambio de juego es un término usado en exceso, pero esta tecnología realmente cambia el juego. Con él, podemos lograr un futuro bajo en carbono para mediados de siglo. Y no necesitamos desperdiciar litio.
The Energy Vault se basa en la ciencia que la mayoría de nosotros aprendimos en la escuela secundaria: energía potencial versus energía cinética. Cuando subes la escalera de un tobogán de agua en el verano, tus músculos transforman la energía potencial química que almacenaste de tu comida en energía potencial gravitatoria. La cantidad de esa energía potencial depende de tu peso y de la altura sobre la piscina.
Cuando liberas ese potencial deslizándote hacia la piscina, la gran salpicadura es una indicación de la energía cinética que acabas de depositar en el agua.
La energía potencial gravitacional es cómo una represa hidroeléctrica genera electricidad. La energía potencial del agua que se encuentra a unos cien metros por encima del nivel aguas abajo se libera como energía cinética cuando el agua cae, lo que hace girar las turbinas que hacen girar los generadores, produciendo electricidad.
No es de extrañar que el almacenamiento hidroeléctrico por bombeo constituya más del 95% de nuestra capacidad actual de almacenamiento de energía en el mundo. La energía hidroeléctrica por bombeo básicamente crea una represa artificial en lo alto cerca de algún cuerpo de agua. El exceso de energía renovable bombea agua hacia el depósito detrás de la represa, que deja salir agua para hacer girar las turbinas hidroeléctricas cuando es necesario. Es bastante eficiente pero requiere mucho concreto y mucha agua. Y el público generalmente los rechaza.
Energy Vault refina aún más este proceso y requiere poco concreto y nada de agua. Usando los mismos fundamentos bien entendidos de física e ingeniería mecánica que la energía hidroeléctrica bombeada, Energy Vault reemplaza el agua con bloques compuestos hechos a medida que no son de cemento a través de un uso innovador de materiales locales de bajo costo y ciencia de materiales sofisticada.
Figura 1. Interior de la tecnología de Energy Vault que muestra filas de montacargas y ladrillos individuales, cada uno capaz de almacenar.
La tecnología utiliza motores para levantar esos enormes ladrillos compuestos, motores alimentados por energía eólica o solar cuando el viento y el sol producen más energía de la que se puede utilizar en ese momento, como en California durante el mediodía. Levantar los ladrillos cambia este exceso de energía renovable en energía potencial gravitacional que puede permanecer allí hasta que se necesite.
Cuando necesita energía, como cuando el sol se ha puesto o el viento deja de soplar, baja esos enormes ladrillos y los cables conectados hacen girar un generador motorizado que genera electricidad de regreso a la red. Por lo general, los ladrillos se mueven a 2,0 metros por segundo (alrededor de 6,6 pies/s), pero pueden acelerarse o ralentizarse mediante un control computarizado de inteligencia artificial para permitir una descarga de electricidad más rápida o más lenta. Un ladrillo elevado 100 metros en menos de un minuto almacena casi 10 MWh de electricidad.
Por lo general, el sistema realiza un ciclo una vez al día. Con cinco días de inactividad por año, una bóveda de 75 MWh con 10 000 ladrillos tendrá una producción anual de 360 x 75 000 MWh = 27 GWh, y se ubicará en solo 14 acres de tierra.
Los bloques se combinan con un diseño de sistema patentado y visión artificial, y un software habilitado para IA que opera ascensores especialmente diseñados que orquestan de forma autónoma el levantamiento y descenso de los bloques, almacenando así la energía potencial en altura y luego descargando electricidad a medida que se bajan los bloques ( ver figura arriba).
Es importante destacar que los ladrillos están hechos de tierra, arena o materiales de desecho de origen local, incluidos los productos de desecho de la producción de combustibles fósiles, como las cenizas de fondo de carbón, y los componentes de energía al final de su vida útil, como las palas de las turbinas eólicas, especialmente trituradas para este propósito (ver la siguiente figura).
Hay una razón por la que las baterías no han crecido a más del 3% de nuestra capacidad de almacenamiento actual, que en sí misma es solo el 3% de nuestras necesidades de almacenamiento. Hemos visto que no hay suficiente litio o cobalto para fabricar suficientes baterías de iones, aunque su eficiencia de ida y vuelta (round trip efficiency, RTE) es del 90%. Las baterías de flujo, como las baterías de flujo de vanadio, el almacenamiento térmico, el aire licuado y las baterías acuosas, simplemente no se han puesto de moda y solo tienen eficiencias entre el 50% y el 70%. Todos estos tienen duraciones de descarga estrechas.
Figura 2. Una sencilla Instalación de fabricación de ladrillos in situ que fabrica los ladrillos de 35 toneladas de la manera más ecológica posible.
Energy Vault ha medido RTE de entre 80 y 85% y tiene una amplia duración de descarga de minutos a días, y más si es necesario. En cuanto al costo, según la Revisión de almacenamiento de energía de Bloomberg NEF de junio de 2020, su LCOE de $ 65 / MWh será la mitad de los $ 128 / MWh de Li-ion, y más bajo que cualquier otra tecnología de almacenamiento. No hay peligros de seguridad para Energy Vault fuera de los de las operaciones de construcción ordinarias, y no hay riesgo de incendio o liberación de gases peligrosos como en las instalaciones de fabricación de iones de litio.
Su Energy Vault Resiliency Center estándar (EVRC) se puede modularizar, pero su capacidad de almacenamiento estándar actualmente es de 500 MWh. Tal centro, que respalda una matriz solar o un parque eólico de 1.500 MW, puede reemplazar una gran planta de carbón.
La primera unidad de demostración comercial de 5MW/35MWh de Energy Vault se completó mecánicamente en julio de 2020, al mismo tiempo que se conectaba a la red eléctrica nacional suiza (ver la figura a continuación). La arquitectura es modular y se puede construir en incrementos de 10MWh que se pueden escalar a una capacidad de almacenamiento de varios GW-hora.
El director ejecutivo, Robert Piconi, explicó que el sistema suele tardar entre 9 y 12 meses en construirse, siendo la principal limitación el tiempo de fabricación de los compuestos de ladrillo. “Podríamos hacerlo más rápido con dos máquinas de ladrillos en lugar de una si el cliente desea que el sistema se entregue más rápido”.
Esta tecnología no aborda todos los problemas de la energía eólica y solar. No cambia la enorme huella física que necesitan las energías eólica y solar ni las grandes cantidades de acero y hormigón necesarias para su construcción. No aumenta sus bajos factores de capacidad. No cambia la vida útil relativamente corta de las unidades solares y eólicas.
Pero elimina los peores aspectos de su intermitencia y permite que la energía eólica y solar sean más útiles cuando se necesitan. En otras palabras, aborda la Duck Curve .
Figura 3. Una Unidad de Demostración Comercial moviendo bloques en Suiza después de ser conectada.
Texas y California realmente podrían haber usado el Energy Vault en los últimos dos años cuando este problema exacto de intermitencia causó sus apagones durante un clima inusualmente frío y cálido.
California tiene 12.000 MW de energía solar. Durante los últimos años, el Estado ha reducido o desechado más de 300 000 000 kWh de energía solar en meses individuales, más de 2 000 millones de kWh solo en 2021. Esa es la magnitud de la energía perdida que podría almacenarse con Energy Vaults. Con alrededor del 10% de eso almacenado, los apagones de 2020 no se habrían producido.
De manera similar para Texas en medio de los apagones inducidos por el frío de febrero de 2021. El Estado tiene más de 30.000 MW de capacidad eólica, la mayoría de los cuales no pudo generar durante la ola de frío. Que esto fuera lo esperado no altera el hecho de que el viento no puede responder a condiciones climáticas extremas. El gas natural en Texas no pudo llenar el vacío, como suele ocurrir, debido al desvío para calentar los hogares y al suministro insuficiente de gasoductos.
Desde el mediodía del 14 de febrero hasta el mediodía del 15 de febrero en Texas, la cantidad de capacidad eólica fuera de línea aumentó a 18.300 MW. Durante el mismo período, la cantidad de capacidad de gas natural fuera de línea aumentó 25.000 MW. Ambos tuvieron la culpa. Y el problema aún no ha sido abordado.
Si se hubieran almacenado unos 30 millones de kWh en Energy Vaults, no se habría producido ningún apagón. No se habrían perdido más de $130 mil millones. Se habrían perdido muchas menos vidas.
Pero estos problemas no se limitan a Texas o California. En Nueva Inglaterra también se prevén apagones este invierno. Su consumo de energía es del mismo orden que el de California y Texas. Además, dependen cada vez más del gas, sin un suministro suficiente de gasoductos, y se limitan a suponer que Canadá les enviará suficiente energía hidráulica cuando la necesiten, algo poco probable en las próximas décadas, ya que esa fuente está siendo aprovechada por muchos estados del norte, y por el propio Canadá, a medida que descarbonizan sus redes.
Como se discutió anteriormente, cualquier plan bajo en carbono en Estados Unidos requerirá alguna forma de la siguiente combinación (calculada por tasas de construcción alcanzables) dominada por energías renovables y respaldada por energía nuclear e hidroeléctrica significativa:
- 500.000 nuevos MW de aerogeneradores (1,75 billones de kWhs/año)
- 200.000 MW nuevos reactores nucleares (1,58 billones de kWhs/año)
- 300.000 nuevos MW de nueva energía solar (0,92 billones de kWhs/año)
- 120 000 nuevos MW de energía hidroeléctrica con 80 000 MW existentes (0,77 billones de kWhs/año)
Y costará más de 9 billones de dólares entre ahora y 2050, de los cuales 4 billones de dólares son inversiones de capital. Esto no incluye la red relacionada o la infraestructura de transmisión, solo la construcción de las plantas de energía.
Aunque los nuevos diseños nucleares e hidroeléctricos son excelentes para las energías renovables que siguen la carga, tan buenos como el gas natural, esta gran producción renovable necesita una gran cantidad de amortiguación. Y nunca tendremos suficientes baterías. Pero suficientes EVRC de 500 MWh, alrededor de 1000 para la combinación anterior, suponiendo una reducción renovable máxima del 20%, pueden proporcionar el respaldo necesario en el marco de tiempo requerido.
Sí, esto suena como un cambio de juego.
Noticia tomada de: Forbes / Traducción libre del inglés por World Energy Trade
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