La hidroelectricidad de almacenamiento por bombeo ( PSH ), o almacenamiento de energía hidroeléctrica por bombeo ( PHES ), es un tipo de almacenamiento de energía hidroeléctrica que utilizan los sistemas de energía eléctrica para equilibrar la carga . El método almacena energía en forma de energía potencial gravitacional del agua, bombeada desde un depósito de menor elevación a una mayor elevación. La energía eléctrica excedente de bajo costo fuera de las horas pico se usa típicamente para hacer funcionar las bombas. Durante períodos de alta demanda eléctrica, el agua almacenada se libera a través de turbinas.para producir energía eléctrica. Aunque las pérdidas del proceso de bombeo hacen que la planta sea un consumidor neto de energía en general, el sistema aumenta los ingresos vendiendo más electricidad durante los períodos de máxima demanda , cuando los precios de la electricidad son más altos. Si el lago superior recoge una cantidad significativa de lluvia o es alimentado por un río, entonces la planta puede ser un productor neto de energía a la manera de una planta hidroeléctrica tradicional.
La hidroelectricidad de almacenamiento por bombeo permite ahorrar energía de fuentes intermitentes (como la solar , eólica ) y otras energías renovables, o el exceso de electricidad de fuentes de carga base continua (como el carbón o la nuclear) para períodos de mayor demanda. [1] [2] Los embalses utilizados con el almacenamiento por bombeo son bastante pequeños en comparación con las represas hidroeléctricas convencionales de capacidad de potencia similar, y los períodos de generación suelen ser inferiores a medio día.
El almacenamiento por bombeo es, con mucho, la forma de almacenamiento de energía de la red de mayor capacidad disponible y, a partir de 2020, la base de datos de almacenamiento de energía global del Departamento de Energía de los Estados Unidos informa que PSH representa alrededor del 95% de todas las instalaciones de almacenamiento con seguimiento activo en todo el mundo, con un capacidad total instalada de más de 181 GW , de los cuales alrededor de 29 GW se encuentran en los Estados Unidos, y una capacidad total de almacenamiento instalada de más de 1,6 TWh , de los cuales aproximadamente 250 GWh se encuentran en los Estados Unidos. [3] La eficiencia energética de ida y vuelta de la PSH varía entre el 70% y el 80%, [4] [5] [6] [7] y algunas fuentes afirman hasta el 87%. [8] La principal desventaja de PSH es la naturaleza especializada del sitio requerido, que necesita tanto altura geográfica como disponibilidad de agua. Por lo tanto, es probable que los sitios adecuados se encuentren en regiones montañosas o montañosas, y potencialmente en áreas de belleza natural, lo que hace que la PSH sea susceptible a problemas sociales y ecológicos. Muchos proyectos propuestos recientemente, al menos en los EE. UU., Evitan las áreas muy sensibles o escénicas, y algunos proponen aprovechar las ubicaciones "abandonadas", como las minas en desuso. [9]
Descripción general
Principio básico
En momentos de baja demanda eléctrica, el exceso de capacidad de generación se utiliza para bombear agua al depósito superior. Cuando hay una mayor demanda, el agua se devuelve al depósito inferior a través de una turbina , generando electricidad. Los conjuntos de turbina / generador reversibles actúan como una unidad combinada de bomba y generador de turbina (generalmente un diseño de turbina Francis ). [10] La operación de velocidad variable optimiza aún más la eficiencia del viaje de ida y vuelta en las plantas de almacenamiento de agua por bombeo. [11] [12] En aplicaciones micro-PSH, un grupo de bombas y Pump As Turbine (PAT) podrían implementarse respectivamente para las fases de bombeo y generación. [13] La misma bomba podría usarse en ambos modos cambiando la dirección de rotación y la velocidad: [13] el punto de operación en el bombeo generalmente difiere por el punto de operación en el modo PAT.
Tipos: reservorios naturales o artificiales
En los sistemas de circuito abierto, las plantas de almacenamiento por bombeo puro almacenan agua en un depósito superior sin entradas naturales, mientras que las plantas de bombeo utilizan una combinación de almacenamiento por bombeo y plantas hidroeléctricas convencionales con un depósito superior que se repone en parte por entradas naturales de un arroyo o río. Las plantas que no utilizan almacenamiento por bombeo se denominan plantas hidroeléctricas convencionales; Las plantas hidroeléctricas convencionales que tienen una capacidad de almacenamiento significativa pueden desempeñar un papel similar en la red eléctrica al almacenamiento por bombeo al diferir la producción hasta que se necesite.
Eficiencia económica
Teniendo en cuenta las pérdidas por evaporación de la superficie del agua expuesta y las pérdidas de conversión, se puede lograr una recuperación de energía del 70-80% o más. [14] Esta técnica es actualmente el medio más rentable de almacenar grandes cantidades de energía eléctrica, pero los costos de capital y la presencia de una geografía adecuada son factores de decisión críticos en la selección de sitios de plantas de almacenamiento por bombeo.
La densidad de energía relativamente baja de los sistemas de almacenamiento por bombeo requiere grandes caudales y / o grandes diferencias de altura entre depósitos. La única forma de almacenar una cantidad significativa de energía es tener una gran masa de agua ubicada relativamente cerca, pero lo más arriba posible, de una segunda masa de agua. En algunos lugares esto ocurre naturalmente, en otros uno o ambos cuerpos de agua fueron creados por el hombre. Los proyectos en los que ambos reservorios son artificiales y en los que no hay afluencias naturales con ninguno de los reservorios se denominan sistemas de "circuito cerrado". [15]
Estos sistemas pueden ser económicos porque aplanan las variaciones de carga en la red eléctrica, lo que permite que las centrales térmicas, como las centrales de carbón y las centrales nucleares que proporcionan electricidad de carga base, continúen funcionando con la máxima eficiencia, al tiempo que reducen la necesidad de "picos". "centrales eléctricas que utilizan los mismos combustibles que muchas centrales térmicas de carga base, gas y petróleo, pero que han sido diseñadas para ofrecer flexibilidad en lugar de máxima eficiencia. Por lo tanto, los sistemas de almacenamiento por bombeo son cruciales a la hora de coordinar grandes grupos de generadores heterogéneos . Los costos de capital para las plantas de almacenamiento por bombeo son relativamente altos, aunque esto se ve mitigado en parte por su larga vida útil de hasta 75 años o más, que es de tres a cinco veces más larga que las baterías a escala de servicios públicos.
Junto con la gestión de la energía, los sistemas de almacenamiento por bombeo ayudan a controlar la frecuencia de la red eléctrica y proporcionan generación de reserva. Las plantas térmicas son mucho menos capaces de responder a cambios repentinos en la demanda eléctrica, lo que podría causar inestabilidad de frecuencia y voltaje . Las plantas de almacenamiento por bombeo, al igual que otras plantas hidroeléctricas, pueden responder a los cambios de carga en cuestión de segundos.
El uso más importante del almacenamiento por bombeo ha sido tradicionalmente para equilibrar las centrales eléctricas de carga base, pero también puede usarse para reducir la producción fluctuante de fuentes de energía intermitentes . El almacenamiento por bombeo proporciona una carga en momentos de alta producción de electricidad y baja demanda de electricidad, lo que permite una capacidad máxima del sistema adicional. En ciertas jurisdicciones, los precios de la electricidad pueden ser cercanos a cero u ocasionalmente negativos en ocasiones en que hay más generación eléctrica disponible que carga disponible para absorberla; aunque en la actualidad esto rara vez se debe únicamente a la energía eólica o solar , el aumento de la generación eólica y solar aumentará la probabilidad de que ocurran tales casos. Es particularmente probable que el almacenamiento por bombeo se vuelva especialmente importante como equilibrio para la generación fotovoltaica a muy gran escala . [16] Una mayor capacidad de transmisión de larga distancia combinada con cantidades significativas de almacenamiento de energía será una parte crucial de la regulación de cualquier despliegue a gran escala de fuentes de energía renovables intermitentes. [17] La alta penetración de la electricidad renovable no firme en algunas regiones suministra el 40% de la producción anual, pero puede alcanzarse el 60% antes de que sea necesario un almacenamiento adicional. [18] [19] [20]
Instalaciones de pequeña escala
Las plantas de almacenamiento por bombeo más pequeñas no pueden lograr las mismas economías de escala que las más grandes, pero algunas existen, incluido un proyecto reciente de 13 MW en Alemania. Shell Energy ha propuesto un proyecto de 5 MW en el estado de Washington. Algunos han propuesto pequeñas plantas de almacenamiento por bombeo en edificios, aunque todavía no son económicas. [21] Además, es difícil encajar grandes embalses en el paisaje urbano. [21] Sin embargo, algunos autores defienden la simplicidad tecnológica y la seguridad del suministro de agua como externalidades importantes . [21]
Historia
El primer uso del almacenamiento por bombeo fue en 1907 en Suiza , en la instalación de almacenamiento por bombeo de Engeweiher cerca de Schaffhausen, Suiza. [22] [23] En la década de 1930 se dispuso de turbinas hidroeléctricas reversibles. Estas turbinas podrían funcionar como turbinas-generadores y en reversa como bombas impulsadas por motores eléctricos. Lo último en tecnología de ingeniería a gran escala son las máquinas de velocidad variable para una mayor eficiencia. Estas máquinas operan en sincronización con la frecuencia de la red cuando generan, pero operan asincrónicamente (independientemente de la frecuencia de la red) cuando bombean.
El primer uso de almacenamiento por bombeo en los Estados Unidos fue en 1930 por Connecticut Electric and Power Company, utilizando un gran depósito ubicado cerca de New Milford, Connecticut, que bombeaba agua desde el río Housatonic hasta el depósito de almacenamiento 70 metros (230 pies) arriba. . [24]
Uso mundial
En 2009, la capacidad mundial de generación de almacenamiento por bombeo era de 104 GW , [25] mientras que otras fuentes afirman 127 GW, que comprende la gran mayoría de todos los tipos de almacenamiento eléctrico de calidad de servicios públicos. [26] La UE tenía una capacidad neta de 38,3 GW (36,8% de la capacidad mundial) de un total de 140 GW de energía hidroeléctrica y representaba el 5% de la capacidad eléctrica neta total en la UE. Japón tenía una capacidad neta de 25,5 GW (24,5% de la capacidad mundial). [25]
En 2010, Estados Unidos tenía 21,5 GW de capacidad de generación de almacenamiento por bombeo (20,6% de la capacidad mundial). [27] PSH generó (neto) -5.501 GWh de energía en 2010 en los Estados Unidos [28] porque se consume más energía en el bombeo de la que se genera. La capacidad de almacenamiento por bombeo de la placa de identificación había aumentado a 21,6 GW en 2014, y el almacenamiento por bombeo comprendía el 97% del almacenamiento de energía a escala de la red en los Estados Unidos. A finales de 2014, había 51 propuestas de proyectos activos con un total de 39 GW de nueva capacidad de placa de identificación en todas las etapas del proceso de concesión de licencias de la FERC para nuevas plantas hidroeléctricas de almacenamiento por bombeo en los Estados Unidos, pero actualmente no se están construyendo nuevas plantas en los Estados Unidos. Estados Unidos en ese momento. [29] [30]
Las cinco plantas de almacenamiento por bombeo operativas más grandes se enumeran a continuación (para obtener una lista detallada, consulte la Lista de centrales hidroeléctricas de almacenamiento por bombeo ) :
Estación | País | Localización | Capacidad ( MW ) | Refs |
---|---|---|---|---|
Estación de almacenamiento por bombeo del condado de Bath | Estados Unidos | 38 ° 12′32 ″ N 79 ° 48′00 ″ W / 38.20889 ° N 79.80000 ° W / 38.20889; -79.80000 ( Estación de almacenamiento por bombeo del condado de Bath ) | 3.003 | [31] |
Central eléctrica de almacenamiento por bombeo de Guangdong | porcelana | 23 ° 45′52 ″ N 113 ° 57′12 ″ E / 23.76444 ° N 113.95333 ° E / 23,76444; 113.95333 ( Central de almacenamiento por bombeo de Guangzhou ) | 2.400 | [32] [33] |
Central eléctrica de almacenamiento por bombeo Huizhou | porcelana | 23 ° 16′07 ″ N 114 ° 18′50 ″ E / 23.26861 ° N 114.31389 ° E / 23.26861; 114.31389 ( Central eléctrica de almacenamiento por bombeo Huizhou ) | 2.400 | [34] [35] [36] [37] |
Central eléctrica de almacenamiento por bombeo Okutataragi | Japón | 35 ° 14′13 ″ N 134 ° 49′55 ″ E / 35.23694 ° N 134.83194 ° E / 35.23694; 134,83194 ( Central Hidroeléctrica Okutataragi ) | 1.932 | [38] |
Planta de energía de almacenamiento por bombeo de Ludington | Estados Unidos | 43 ° 53′37 ″ N 86 ° 26′43 ″ O / 43.89361 ° N 86.44528 ° W / 43,89361; -86.44528 ( Planta de energía de almacenamiento por bombeo de Ludington ) | 1.872 | [39] [40] |
Nota: esta tabla muestra la capacidad de generación de energía en megavatios como es habitual en las centrales eléctricas. Sin embargo, la capacidad total de almacenamiento de energía en megavatios-hora (MWh) es una propiedad intrínseca diferente y no puede derivarse de las cifras dadas anteriormente. |
País | Capacidad de generación de almacenamiento bombeado ( GW ) | Capacidad de generación instalada total ( GW ) [42] | Almacenamiento bombeado / capacidad total de generación |
---|---|---|---|
porcelana | 32,0 | 1646.0 | 1,9% |
Japón | 28,3 | 322.2 | 8,8% |
Estados Unidos | 22,6 | 1074,0 | 2,1% |
España | 8.0 | 106,7 | 7,5% |
Italia | 7.1 | 117,0 | 6,1% |
India | 6,8 | 308,8 | 2,2% |
Alemania | 6.5 | 204,1 | 3,2% |
Suiza | 6.4 | 19,6 | 32,6% |
Francia | 5.8 | 129,3 | 4,5% |
Austria | 4,7 | 25,2 | 18,7% |
Corea del Sur | 4,7 | 103,0 | 4,6% |
Portugal | 3,5 | 19,6 | 17,8% |
Ucrania | 3.1 | 56,9 | 5,4% |
Sudáfrica | 2.9 | 47,3 | 6,1% |
Reino Unido | 2.8 | 94,6 | 3,0% |
Australia | 2.6 | 67,0 | 3,9% |
Rusia | 2.2 | 263,5 | 0,8% |
Polonia | 1,7 | 37,3 | 4,6% |
Tailandia | 1.4 | 41,0 | 3,4% |
Bélgica | 1.2 | 21,2 | 5,7% |
Australia
En junio de 2018, el gobierno federal australiano anunció que se habían identificado 14 sitios en Tasmania para almacenamiento hidroeléctrico por bombeo, con el potencial de agregar 4,8 GW a la red nacional si se construía un segundo interconector debajo del estrecho de Bass.
Se han otorgado aprobaciones para el proyecto Snowy 2.0, que unirá dos presas existentes en las Montañas Nevadas de Nueva Gales del Sur para proporcionar 2.000 MW de capacidad y 350.000 MWh de almacenamiento. [43]
Represas hidroeléctricas de bombeo
Las represas hidroeléctricas convencionales también pueden hacer uso de almacenamiento por bombeo en un sistema híbrido que genera energía a partir del agua que fluye naturalmente hacia el embalse y almacena el agua bombeada al embalse desde debajo de la presa. La presa Grand Coulee en los Estados Unidos se amplió con un sistema de bombeo en 1973. [44] Las presas existentes pueden reacondicionarse con turbinas reversibles, extendiendo así el tiempo que la planta puede operar a su capacidad. Opcionalmente, se puede agregar una central de bombeo como la presa Russell (1992) a una presa para aumentar la capacidad de generación. Hacer uso del embalse superior y el sistema de transmisión de una presa existente puede acelerar los proyectos y reducir los costos.
En enero de 2019, State Grid Corporation of China anunció planes para invertir 5.700 millones de dólares en cinco plantas de almacenamiento de agua por bombeo con una capacidad total de 6 GW, que se ubicarán en las provincias de Hebei, Jilin, Zhejiang, Shandong y en la Región Autónoma de Xinjiang. China está tratando de construir 40 GW de capacidad hidroeléctrica de bombeo instalada para 2020. [45]
Tecnologías potenciales
Agua de mar
Las plantas de almacenamiento por bombeo pueden operar con agua de mar, aunque existen desafíos adicionales en comparación con el uso de agua dulce. Inaugurada en 1966, la central mareomotriz de 240 MW Rance en Francia puede funcionar parcialmente como una estación de almacenamiento por bombeo. Cuando las mareas altas ocurren fuera de las horas pico, las turbinas se pueden usar para bombear más agua de mar al embalse de la que la marea alta habría traído naturalmente. Es la única planta de energía a gran escala de su tipo.
En 1999, el proyecto Yanbaru de 30 MW en Okinawa fue la primera demostración de almacenamiento por bombeo de agua de mar. Desde entonces ha sido dado de baja. Se consideró un proyecto de almacenamiento por bombeo Lanai basado en agua de mar de 300 MW para Lanai, Hawaii, y se han propuesto proyectos basados en agua de mar en Irlanda. [46] Un par de proyectos propuestos en el desierto de Atacama en el norte de Chile utilizarían 600 MW de energía solar fotovoltaica (Skies of Tarapacá) junto con 300 MW de almacenamiento por bombeo (Espejo de Tarapacá) que elevarían el agua de mar a 600 metros (2,000 pies) de la costa. acantilado. [47] [48]
Embalses subterráneos
Se ha investigado el uso de embalses subterráneos. [49] Ejemplos recientes incluyen el proyecto Summit propuesto en Norton, Ohio , el proyecto propuesto Maysville en Kentucky (mina subterránea de piedra caliza) y el proyecto Mount Hope en Nueva Jersey , que debía haber utilizado una antigua mina de hierro como depósito inferior. El almacenamiento de energía propuesto en el sitio de Callio en Pyhäjärvi ( Finlandia ) utilizaría la mina de metal base más profunda de Europa, con una diferencia de elevación de 1.450 metros (4.760 pies). [50] Se han propuesto varios proyectos nuevos de almacenamiento subterráneo por bombeo. Las estimaciones de costo por kilovatio para estos proyectos pueden ser más bajas que para los proyectos de superficie si utilizan el espacio de la mina subterránea existente. Hay oportunidades limitadas que involucran un espacio subterráneo adecuado, pero el número de oportunidades de almacenamiento subterráneo por bombeo puede aumentar si las minas de carbón abandonadas resultan adecuadas. [51]
En Bendigo , Victoria, Australia, Bendigo Sustainability Group ha propuesto el uso de las antiguas minas de oro bajo Bendigo para el almacenamiento de energía hidráulica bombeada. [52] Bendigo tiene la mayor concentración de minas de roca dura de pozos profundos en todo el mundo, con más de 5.000 pozos hundidos bajo Bendigo en la segunda mitad del siglo XIX. El pozo más profundo se extiende 1.406 metros verticalmente bajo tierra. Un reciente estudio de prefactibilidad ha demostrado que el concepto es viable con una capacidad de generación de 30 MW y un tiempo de ejecución de 6 horas utilizando una altura de agua de más de 750 metros.
Sistemas descentralizados
Se podrían construir pequeñas (o micro) aplicaciones para el almacenamiento por bombeo en los arroyos y dentro de las infraestructuras, como las redes de agua potable [53] y las infraestructuras de fabricación de nieve artificial. En este sentido, se ha implementado concretamente una cuenca de aguas pluviales como una solución rentable para un depósito de agua en un almacenamiento de energía hidroeléctrica microbombeada. [13] Estas plantas proporcionan almacenamiento de energía distribuido y producción de electricidad flexible distribuida y pueden contribuir a la integración descentralizada de tecnologías de energía renovable intermitentes , como la energía eólica y la energía solar . Los embalses que se pueden utilizar para pequeñas centrales hidroeléctricas de almacenamiento por bombeo podrían incluir [54] lagos naturales o artificiales, embalses dentro de otras estructuras como riego o partes no utilizadas de minas o instalaciones militares subterráneas. En Suiza, un estudio sugirió que la capacidad instalada total de las pequeñas centrales hidroeléctricas de almacenamiento por bombeo en 2011 podría aumentarse de 3 a 9 veces mediante la provisión de instrumentos de política adecuados . [54]
Reservorios submarinos
En marzo de 2017, el proyecto de investigación StEnSea (almacenamiento de energía en el mar) anunció la finalización con éxito de una prueba de cuatro semanas de un depósito submarino de almacenamiento por bombeo. En esta configuración, una esfera hueca sumergida y anclada a gran profundidad actúa como depósito inferior, mientras que el depósito superior es el cuerpo de agua circundante. La electricidad se genera cuando se deja entrar el agua a través de una turbina reversible integrada en la esfera. Durante las horas de menor actividad, la turbina cambia de dirección y bombea el agua de nuevo, utilizando el "excedente" de electricidad de la red. La cantidad de energía creada cuando se deja entrar el agua crece proporcionalmente a la altura de la columna de agua sobre la esfera, en otras palabras: cuanto más profunda se encuentra la esfera, más densamente puede almacenar energía. Como tal, la capacidad de almacenamiento de energía del depósito sumergido no se rige por la energía gravitacional en el sentido tradicional, sino más bien por la variación de presión vertical .
Si bien la prueba de StEnSea se llevó a cabo a una profundidad de 100 m en el lago de Constanza de agua dulce , se prevé que la tecnología se utilice en agua salada a mayores profundidades. Dado que el depósito sumergido solo necesita un cable eléctrico de conexión, la profundidad a la que se puede emplear está limitada solo por la profundidad a la que puede funcionar la turbina, actualmente limitada a 700 m. El desafío de diseñar un almacenamiento por bombeo de agua salada en esta configuración submarina trae una serie de ventajas:
- No se requiere área de tierra,
- Ninguna estructura mecánica que no sea el cable eléctrico necesita abarcar la distancia de la diferencia de energía potencial,
- En presencia de suficiente área del lecho marino, múltiples reservorios pueden escalar la capacidad de almacenamiento sin límites,
- En caso de colapso de un reservorio, las consecuencias serían limitadas además de la pérdida del reservorio en sí,
- La evaporación del depósito superior no tiene ningún efecto sobre la eficiencia de conversión de energía,
- La transmisión de electricidad entre el depósito y la red se puede establecer desde un parque eólico marino cercano , lo que limita la pérdida de transmisión y evita la necesidad de permisos de cableado en tierra.
Un diseño comercial actual con una esfera con un diámetro interior de 30 m sumergida a 700 m correspondería a una capacidad de 20 MWh que con una turbina de 5 MW llevaría a un tiempo de descarga de 4 horas. Un parque energético con múltiples depósitos de este tipo llevaría el costo de almacenamiento a unos pocos céntimos de euro por kWh con costos de construcción y equipos en el rango de € 1200 a € 1400 por kW. Para evitar costos y pérdidas de transmisión excesivos, los embalses deben colocarse frente a costas de aguas profundas de áreas densamente pobladas, como Noruega, España, Estados Unidos y Japón. Con esta limitación, el concepto permitiría un almacenamiento mundial de electricidad de cerca de 900 GWh. [55] [56]
A modo de comparación, un almacenamiento por bombeo tradicional basado en la gravedad capaz de almacenar 20 MWh en un depósito de agua del tamaño de una esfera de 30 m necesitaría una altura hidráulica de 519 m con la elevación abarcada por una tubería de agua presurizada que requiere típicamente una colina o montaña. para soporte.
Uso doméstico
Utilizando un sistema de almacenamiento por bombeo de cisternas y pequeños generadores, pico hydro también puede ser eficaz para sistemas de generación de energía domésticos de "circuito cerrado". [57] [58]
Ver también
- Almacenamiento de energía de aire comprimido
- Batería de gravedad
- Almacenamiento de energía de la red
- Hidroelectricidad
- Energía hidroeléctrica
- Molino de mareas
- Lista de proyectos de almacenamiento de energía
- Lista de centrales hidroeléctricas de almacenamiento por bombeo
- Base de datos de almacenamiento de energía global del Departamento de Energía de los Estados Unidos
- Almacenamiento por bombeo de agua de mar Okinawa, Japón - Yanbaru
Referencias
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enlaces externos
- Hidroelectricidad de almacenamiento por bombeo en Curlie