Tecnología y aplicaciones del almacenamiento gravitatorio de energía

Principios del almacenamiento de energía por gravedad

El almacenamiento de energía por gravedad pertenece al almacenamiento de energía mecánica, y su medio de almacenamiento de energía es principalmente materia sólida y agua. El principio básico del almacenamiento de energía por gravedad es elevar y bajar el medio de almacenamiento de energía en función de la diferencia de altura, para completar el proceso de carga y descarga del sistema de almacenamiento de energía.

● Cuando se utiliza agua como medio de almacenamiento de energía por gravedad, el sistema de almacenamiento de energía puede utilizar tuberías, pozos y otras estructuras con mejores prestaciones de estanqueidad. La mayor limitación del medio acuático es que su flexibilidad y capacidad de almacenamiento de energía estarán muy limitadas por la fuente de agua y el terreno;

● Cuando se utiliza material sólido como medio, el material pesado sólido necesita elegir un material con mayor densidad, como metal, cemento, arena de piedra, etc. para conseguir una densidad de energía relativamente alta. El nuevo almacenamiento de energía por gravedad se realizará a través de diversos caminos.

A finales del siglo XIX, existían centrales de acumulación por bombeo; la aplicación de la acumulación de energía por gravedad en China fue relativamente tardía, y la primera pequeña central híbrida de acumulación por bombeo se construyó en 1968. En la actualidad, existen varios esquemas de almacenamiento de energía por gravedad en función del medio de almacenamiento de energía y de la trayectoria de caída: basados en el almacenamiento por bombeo, basados en la diferencia de altura de las estructuras, basados en la caída de la montaña y basados en pozos subterráneos.

Clasificación de las tecnologías de almacenamiento de energía por gravedad

La tecnología de almacenamiento de energía por gravedad incluye principalmente el almacenamiento de energía por gravedad de pistón, el almacenamiento de energía por gravedad de suspensión, la torre de almacenamiento de energía de bloques de hormigón, el almacenamiento de energía por gravedad de montaña y otras tecnologías de generación de energía por almacenamiento de energía por gravedad.

Almacenamiento de energía por gravedad

El almacenamiento de energía por gravedad tipo pistón propuesto por la California Gravity Power Company se basa en la unidad de almacenamiento por bombeo, que utiliza el pistón pesado del eje para sustituir a la masa de agua para almacenar energía. Cuando la energía es abundante, el agua es bombeada y presurizada por la bomba de agua y la turbina para levantar el pistón del objeto pesado para almacenar energía, es decir, la masa de agua no almacena energía directamente;

Al generar electricidad, el pistón de peso cae, y su energía potencial se transfiere al flujo de agua, que la turbina de la bomba de agua convierte en energía mecánica para hacer funcionar el generador. En comparación con la central eléctrica de acumulación por bombeo con la misma energía potencial, la tecnología de generación eléctrica de acumulación de energía por gravedad de tipo pistón puede reducir la altura de construcción, reducir la dependencia de las condiciones geográficas y los recursos hídricos, y facilitar la selección del emplazamiento y la disposición de la central eléctrica. 

Almacenamiento de energía por gravedad en suspensión

La empresa escocesa Gravitricity ha propuesto un mecanismo que utiliza una plataforma de perforación abandonada y un cabrestante para almacenar energía. Utilizan plataformas de perforación y minas abandonadas para subir y bajar repetidamente plataformas de perforación de 16 metros de longitud y 500-5.000 toneladas en pozos de 150-1500 metros de longitud.

A través del cabrestante eléctrico, el equipo de perforación es arrastrado hasta la mina abandonada cuando el consumo de energía es bajo, y el equipo de perforación se deja caer directamente hacia abajo cuando el consumo de energía alcanza su punto máximo, "liberando" así la energía almacenada, el sistema puede controlar la velocidad de caída de objetos pesados para cambiar el tiempo de generación de energía y la generación de energía. La empresa afirma que el sistema puede reaccionar en un segundo, tiene una vida útil de hasta 50 años y una eficiencia de hasta el 90%.

Torre de almacenamiento de energía de bloques de hormigón

Gravitricity cree que el cabrestante y el sistema de control avanzados pueden hacerlo lo bastante flexible como para responder rápidamente en 1s a la demanda de pico de la red. Energy Vault propuso un sistema de generación de energía por almacenamiento gravitatorio basado en torres de almacenamiento de bloques de hormigón. Se dice que el proyecto puede funcionar entre 30 y 40 años, y que su coste será la mitad del de las actuales soluciones de almacenamiento en baterías a escala de red.

Cuando la energía es abundante, la grúa levanta los bloques de hormigón del suelo, los apila como si fueran bloques de construcción y convierte la energía en energía potencial de la torre de bloques de hormigón, es decir, la etapa de almacenamiento de energía; Cuando se necesita generar energía, los bloques de hormigón se dejan caer en secuencia para liberar la energía potencial de los objetos pesados y convertirla en energía eléctrica.

Almacenamiento de energía por gravedad en la montaña

El Almacenamiento de Energía por Gravedad en Montaña (MGES) propuesto por IIASA Research utiliza principalmente el terreno de las zonas montañosas escarpadas para almacenar energía a través de la energía potencial de la arena y la grava. Cuando la energía es abundante, se utiliza un sistema eléctrico similar a un telesquí para elevar el contenedor lleno de arena y grava hasta la cima de la montaña para su almacenamiento;

Durante los picos de consumo eléctrico, la arena y la grava se transportan de la cima al suelo por gravedad, y la energía potencial de la arena y la grava se libera para generar electricidad. El instituto cree que el sistema de almacenamiento de energía por gravedad en la montaña es un método de almacenamiento de energía más duradero y a mayor escala que la las mejores pilas recargables sistema de almacenamiento de energía con baterías de litio.

El almacenamiento de energía por gravedad en montaña parece sencillo y fácil de implantar, pero la eficiencia del sistema de teleféricos utilizado no es fácil de mejorar, los beneficios globales del sistema de generación de energía por almacenamiento pueden no ser ideales, y es necesario desarrollar las soluciones técnicas pertinentes.

Ventajas e inconvenientes del almacenamiento de energía por gravedad

Ventajas

El principio es simple y el umbral técnico es bajo; al mismo tiempo, debido al uso de medios físicos para almacenar energía, su eficiencia de almacenamiento de energía es tan alta como 90%, y sólo se necesitan 2,9 segundos para aumentar la potencia de salida de 0 a 100%, y la vida útil es de más de 30 años;

Además, no es necesario cumplir requisitos más estrictos de selección del emplazamiento, como ocurre con las centrales de acumulación por bombeo, por lo que su coste de construcción es sólo un tercio del de las centrales de acumulación por bombeo, y el coste por kilovatio-hora es sólo dos tercios del de las centrales de acumulación por bombeo.

● Almacenamiento de energía física pura, alta seguridad y respeto al medio ambiente.

El almacenamiento de energía gravitatoria no implica reacciones químicas en procesos de trabajo como el transporte de objetos pesados, el almacenamiento de energía potencial y la generación de energía mecánica, y su funcionamiento es seguro y fiable. La generación de energía por almacenamiento gravitatorio es limpia y baja en carbono, con escaso impacto en el entorno natural.

● Gran adaptabilidad medioambiental, adecuada para el almacenamiento "distribuido" de energía.

No existen condiciones ni requisitos especiales para el almacenamiento, el transporte y la generación de energía de objetos pesados. Por lo tanto, básicamente no existen condiciones externas como la selección del emplazamiento y las restricciones meteorológicas para las centrales eléctricas de almacenamiento de energía por gravedad.

La aplicación es muy flexible, y puede realizarse una disposición flexible en el lado de la red y en el lado de la fuente de alimentación según las necesidades del sistema eléctrico.

● La vida útil del ciclo de generación de energía es larga y el coste es bajo.

Los objetos pesados están hechos principalmente de hormigón o materiales locales, o utilizan otros materiales reciclados, que pueden reciclarse durante décadas, y la pérdida de objetos pesados es pequeña durante el funcionamiento. Si los materiales se utilizan adecuadamente, el coste de los objetos pesados puede reducirse considerablemente.

● Largo tiempo y sin problemas de autodescarga.

Es relativamente fácil ampliar los almacenes superior e inferior de la central eléctrica de almacenamiento de energía por gravedad, y no habrá pérdidas durante el almacenamiento de la energía potencial de objetos pesados. Tiene la comodidad y las ventajas inherentes del almacenamiento de energía a largo plazo.

Desventajas

La densidad energética es baja y la escala de construcción demasiado grande. La torre de altura media necesaria para el almacenamiento de energía por gravedad es de más de 100 metros, y su potencia de salida sólo equivale a la de una turbina eólica de la misma altura; Además, esta tecnología requiere una precisión muy alta para las grúas torre. Un cable con una longitud de decenas de metros necesita fabricar 5.000 ladrillos, y el error de posición de cada ladrillo es inferior a unos pocos milímetros;

Cada torre necesita miles de bloques de cemento, y para verterlos hay que emitir mucho dióxido de carbono.

Escenarios de aplicación de la tecnología de almacenamiento de energía por gravedad

●Selección del emplazamiento de las centrales térmicas desmanteladas

La elevación vertical de objetos pesados en la tecnología de almacenamiento de energía por gravedad ocupa poco espacio y permite una selección flexible de ubicaciones, y las centrales térmicas desmanteladas pueden ser uno de sus lugares preferidos debido a su infraestructura energética.

●Sinergia de almacenamiento de energía en aire comprimido + almacenamiento electroquímico de energía

Como almacenamiento de energía a largo plazo, el almacenamiento de energía por gravedad tiene una buena complementariedad y sinergia con el almacenamiento de energía a corto plazo, como la tecnología de almacenamiento de energía por aire comprimido y el almacenamiento de energía electroquímica (como el batería ternaria de litio y batería de litio hierro fosfato).

●Gestión integral de los residuos

El uso de escoria de residuos para fabricar módulos de gravedad puede resolver el problema de la eliminación de escoria de residuos y materias primas para el almacenamiento de energía por gravedad (módulos unitarios), reducir los costes de construcción y, al mismo tiempo, obtener beneficios económicos y sociales evidentes.

●Reutilización de las palas de los aerogeneradores

Se calcula que en 2025, el número de palas de aerogeneradores retiradas en China alcanzará las 8.112 toneladas. La oleada de desguaces y la necesidad de nuevos procesos para hacer frente a la degradación han convertido el reciclaje de los aerogeneradores retirados en una prioridad absoluta.

●Concepto de agricultura urbana no tripulada con cero emisiones de carbono

El edificio de almacenamiento de energía por gravedad tiene unos 30 pisos de altura, y los 9-22 pisos intermedios son en su mayoría espacio ocioso. Aprovechando estos espacios, pueden construirse fábricas no tripuladas de agricultura y hortalizas inteligentes, setas matsutake, alfalfa y otros cultivos de alto valor añadido para maximizar los beneficios económicos.

●Concepto de centro de datos

Del mismo modo, construir un centro de datos en una planta vacía de un edificio de almacenamiento de energía por gravedad puede resolver el problema de una fuente de energía limpia con un alto consumo de energía en el centro de datos, y aportar nuevas ideas para lograr el objetivo de "doble carbono".

●Integración del almacenamiento eólico y solar de hidrógeno y amoníaco

Con el almacenamiento de energía por gravedad como núcleo, la energía eólica y la generación de energía fotovoltaica se transforman en fuentes de energía estables para la producción de hidrógeno verde, y el problema del almacenamiento y el transporte de hidrógeno se resuelve además mediante la conversión de hidrógeno en amoníaco.

Aportar a la región beneficios económicos y sociales sostenibles, estables y crecientes, y maximizar el valor de los recursos.

● Almacenamiento de CO2

Los dispositivos de almacenamiento de energía por gravedad pueden aprovechar su larga vida útil y su amplia fuente de materiales para módulos gravitatorios, lo que proporciona condiciones favorables para el secuestro de dióxido de carbono. El uso de la tecnología de secuestro de carbono puede permitir el secuestro de dióxido de carbono a largo plazo o incluso permanente.

El futuro del almacenamiento de energía por gravedad

Aunque la tecnología de almacenamiento de energía por gravedad que se acaba de completar tiene muchas perspectivas comerciales atractivas, su viabilidad aún debe demostrarse con datos.

Las deficiencias de los indicadores técnicos existentes también deberán modificarse y mejorarse en el futuro. Con la retirada gradual de la energía tradicional del escenario de la historia y la determinación de China de alcanzar el objetivo de "doble carbono", el almacenamiento de energía por gravedad puede convertirse en la próxima salida.

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