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2021-03-30Impulsando la transición energética con un mejor almacenamiento

MIT |Los investigadores evalúan el papel y el valor de las tecnologías de almacenamiento de energía de larga duración para asegurar una red eléctrica libre de carbono.

"La cuestión general para mí es cómo descarbonizar la sociedad de la manera más asequible", dice Néstor Sepúlveda, SM 16, PhD 20. Como postdoctorado en el MIT e investigador de la Iniciativa de Energía del MIT (MITEI), trabajó con un equipo durante varios años para investigar qué combinación de fuentes de energía podría lograr mejor este objetivo. Los estudios iniciales del grupo sugirieron la "necesidad de desarrollar tecnologías de almacenamiento de energía que puedan desplegarse de forma rentable durante periodos mucho más largos que las baterías de iones de litio", afirma Dharik Mallapragada, científico investigador del MITEI.  

En un nuevo artículo publicado en Nature Energy, Sepúlveda, Mallapragada y sus colegas del MIT y la Universidad de Princeton ofrecen una exhaustiva evaluación de costes y rendimiento del papel de las tecnologías de almacenamiento de energía de larga duración (LDES) en la transformación de los sistemas energéticos. Las LDES, un término que abarca una clase de tecnologías diversas y emergentes, pueden responder a la producción variable de las energías renovables, descargando electrones durante días e incluso semanas, proporcionando resistencia a una red eléctrica preparada para desplegar la energía solar y eólica a gran escala.

"Si queremos depender mayoritariamente de la energía eólica y solar para obtener electricidad -la forma más asequible de reducir las emisiones de carbono-, tenemos que hacer frente a su intermitencia", afirma Jesse Jenkins, doctorado en ingeniería mecánica y aeroespacial en el Centro Andlinger de Energía y Medio Ambiente de la Universidad de Princeton y antiguo investigador del MITEI.

En su artículo, los investigadores analizaron si la LDES, combinada con fuentes de energía renovables y opciones de almacenamiento de energía de corta duración, como las baterías de iones de litio, podría impulsar una transición masiva y rentable hacia una red descarbonizada. También investigaron si la LDES podría incluso eliminar la necesidad de fuentes de energía disponibles bajo demanda, o firmes, con bajas emisiones de carbono, como la energía nuclear y el gas natural con captura y secuestro de carbono.

"El mensaje aquí es que las tecnologías LDES innovadoras y de bajo coste podrían tener un gran impacto, haciendo que un sistema eléctrico profundamente descarbonizado sea más asequible y fiable", dice el autor principal Sepúlveda, que ahora trabaja como consultor en McKinsey and Company.  Pero, señala, "seguirá siendo mejor mantener fuentes de energía firmes y bajas en carbono entre nuestras opciones".

Además de Jenkins y Mallapragada, entre los coautores del documento se encuentran Aurora Edington SM ´19, asistente de investigación del MITEI en el momento de realizar esta investigación y ahora consultora de The Cadmus Group; y Richard K. Lester, profesor de la industria siderúrgica de Japón y rector asociado del MIT, y antiguo director del Departamento de Ciencia e Ingeniería Nuclear.

"A medida que el mundo comienza a centrarse más seriamente en cómo lograr los objetivos de descarbonización profunda en las próximas décadas, las ideas de estos estudios a nivel de sistema son esenciales", dice Lester. "Los investigadores, los innovadores, los inversores y los responsables políticos se beneficiarán del conocimiento de los objetivos de coste y rendimiento técnico que sugiere este trabajo". 

Rendimiento y coste

El equipo se propuso evaluar el impacto de las soluciones LDES en sistemas eléctricos hipotéticos que reflejan las condiciones del mundo real, donde las tecnologías se examinan no sólo por sus atributos independientes, sino por su valor relativo cuando se comparan con otras fuentes de energía.

"Necesitamos descarbonizar a un coste asequible para la sociedad, y queríamos saber si la LDES puede aumentar nuestras probabilidades de éxito a la vez que reduce el coste global del sistema, teniendo en cuenta las otras tecnologías que compiten en el espacio", dice Sepúlveda.

Para lograr este objetivo, el equipo utilizó un modelo de expansión de la capacidad del sistema eléctrico, GenX, desarrollado anteriormente por Jenkins y Sepúlveda mientras estaban en el MIT. Esta herramienta de simulación permitió evaluar el impacto potencial en el sistema de la utilización de tecnologías LDES, incluidas las tecnologías que se están desarrollando actualmente y otras que podrían desarrollarse, para diferentes escenarios futuros de redes eléctricas con bajas emisiones de carbono, caracterizados por atributos de coste y rendimiento de la generación renovable, diferentes tipos de generación firme, así como proyecciones alternativas de la demanda de electricidad. El estudio, dice Jenkins, fue "el primer uso extensivo de este tipo de método experimental de aplicar la incertidumbre paramétrica a gran escala y el análisis a nivel de sistemas a largo plazo para evaluar e identificar los objetivos de coste y rendimiento de las tecnologías emergentes de almacenamiento de energía de larga duración".

Para su estudio, los investigadores analizaron una serie de tecnologías de larga duración -algunas de ellas respaldadas por el programa ARPA-E (Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada) del Departamento de Energía de EE.UU.- para definir los atributos de coste y rendimiento plausibles de los futuros sistemas de almacenamiento de energía de larga duración basándose en cinco parámetros clave que abarcan una serie de enfoques mecánicos, químicos, electroquímicos y térmicos. Entre ellos se encuentran el almacenamiento hidroeléctrico por bombeo, las baterías de flujo de redox de vanadio, las baterías de flujo de azufre acuoso y el almacenamiento térmico calentado por resistencia de ladrillos, entre otros.

"Piensa en una bañera, donde el parámetro de la capacidad de almacenamiento de energía es análogo al volumen de la bañera", explica Jenkins. Siguiendo con la analogía, otro parámetro importante, la capacidad de energía de carga, es el tamaño del grifo que llena la bañera, y la capacidad de energía de descarga, el tamaño del desagüe. En la versión más generalizada de una tecnología LDES, cada atributo del sistema puede tener un tamaño independiente. A la hora de optimizar un sistema energético en el que la tecnología LDES funcione como "un contribuyente económicamente atractivo a una red de menor coste y sin emisiones de carbono", dice Jenkins, los investigadores descubrieron que el parámetro que más importa es el coste de la capacidad de almacenamiento de energía.

"Para realizar una evaluación exhaustiva del diseño de la tecnología LDES y su valor económico para las redes descarbonizadas, evaluamos casi 18.000 casos distintos", explica Edington, "que abarcan variaciones en la disponibilidad de carga y recursos renovables, climas de latitud norte y sur, diferentes combinaciones de tecnologías LDES y parámetros de diseño LDES, y la elección de recursos de generación firmes y bajos en carbono que compiten entre sí".

Algunas de las principales conclusiones del riguroso análisis de los investigadores:

Las tecnologías LDES pueden ofrecer una reducción de más del 10 por ciento en los costes de los sistemas eléctricos profundamente descarbonizados si el coste de la capacidad de almacenamiento de energía (el coste de aumentar el tamaño de la bañera) se mantiene por debajo del umbral de 20 dólares/kilovatio-hora. Este valor podría aumentar hasta el 40% si el coste de la capacidad energética de las futuras tecnologías se reduce a 1 $/kWh y hasta el 50% para las mejores combinaciones de parámetros modeladas en el espacio. A modo de comparación, el coste actual de la capacidad energética de las baterías es de unos 200 dólares/kWh.

Teniendo en cuenta los patrones actuales de demanda de electricidad, el coste de la capacidad energética del LDES debe caer por debajo de 10 $/kWh para sustituir a la energía nuclear; para que el LDES sustituya por completo a todas las opciones de energía firme, el coste debe caer por debajo de 1 $/kWh.

En escenarios con una amplia electrificación del transporte y otros usos finales para cumplir los objetivos de descarbonización profunda de toda la economía, será más difícil en las latitudes septentrionales desplazar la generación firme bajo cualquier combinación futura probable de costes y rango de rendimiento de eficiencia para las tecnologías LDES conocidas. Esto se debe principalmente a la mayor demanda de electricidad en los picos de demanda resultantes de las necesidades de calefacción en los climas más fríos.

Perspectivas de acción

Aunque los avances en el campo de la energía de fusión, la energía nuclear de nueva generación o la captura de carbono podrían poner en entredicho sus modelos, los investigadores creen que los resultados de su estudio pueden tener un impacto inmediato.

La gente que trabaja con LDES puede ver dónde encaja su tecnología en el futuro mix de electricidad y preguntarse: "¿Tiene sentido económico desde la perspectiva del sistema?", dice Mallapragada. "Y es una llamada de atención a la política y a la inversión en innovación, porque mostramos dónde están las lagunas tecnológicas y dónde vemos el mayor valor para los avances de la investigación en el desarrollo de la tecnología LDES".

No todas las tecnologías LDES pueden superar el listón en este espacio de diseño, ni se puede confiar en las LDES como medio exclusivo para ampliar rápidamente la energía eólica y solar a corto plazo, o para permitir una transición completa a una economía de carbono cero para 2050.

"Mostramos lo prometedoras que pueden ser las tecnologías LDES", dice Sepúlveda. "Pero también mostramos que estas tecnologías no son la única solución, y que todavía estamos mejor con ellas complementando los recursos firmes".

Jenkins ve inmediatamente oportunidades de mercado en nichos para las LDES, como los lugares con mucha energía eólica y solar desplegada y con limitaciones en la transmisión para exportar esa energía. En esos lugares, el almacenamiento podría llenarse cuando la transmisión esté al límite y exportar la energía más tarde, aprovechando al máximo la capacidad de la línea eléctrica. Pero las tecnologías LDES deben estar listas para tener un impacto importante a finales de la década de 2030 y 2040, según él, momento en el que las economías podrían tener que dejar de depender completamente del gas natural para que la descarbonización tenga éxito.

"Debemos desarrollar y desplegar LDES y mejorar otras tecnologías de baja emisión de carbono en esta década, para poder presentar alternativas reales a los responsables políticos y a los operadores de sistemas eléctricos", afirma.

Ante esta necesidad urgente, Jenkins, de Princeton, y Mallapragada, del MIT, trabajan ahora en la evaluación y el avance de las tecnologías con mayor potencial en los campos del almacenamiento y la energía para acelerar el objetivo de carbono cero. Con la ayuda de ARPA-E y MITEI, están convirtiendo el modelo de planificación del sistema eléctrico GenX en una herramienta de código abierto para uso público. Si su enfoque de investigación y modelización puede mostrar a los desarrolladores y a los responsables políticos qué tipo de diseños son más impactantes, dice Sepúlveda, "podríamos tener un sistema descarbonizado que sea menos costoso que el actual si hacemos las cosas bien".

Esta investigación ha sido financiada por una subvención de la National Science Foundation y por el Centro de Energía Baja en Carbono para Sistemas de Energía Eléctrica del MITEI.

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