Almacenamiento de energía a largo plazo: ¿es la próxima tecnología energética disruptiva?
Recientemente se ha publicado el último informe del IPCC sobre el cambio climático global, que ha vuelto a dar la voz de alarma al mundo. Como componente clave de la construcción de una red eléctrica sin emisiones de carbono en el contexto del "carbono dual", el almacenamiento de energía ha abierto por fin una oportunidad de desarrollo explosiva.
El almacenamiento de energía que la mayoría de la gente tiene en mente es principalmente el almacenamiento de energía hidráulica por bombeo con un tiempo de descarga corto (<10 horas) o los sistemas de almacenamiento de energía electroquímica dominados por las baterías de litio, que representan 93% de la capacidad total de almacenamiento de energía instalada en el mundo. A continuación Las 5 principales empresas de baterías de litio para almacenamiento de energía eléctrica como referencia.
Con la continua innovación de la estructura energética, ¿será la próxima tecnología disruptiva de almacenamiento de energía? Veámoslo más de cerca desde las perspectivas de la definición, la aplicación y el proceso de comercialización.
Qué es el almacenamiento de energía a largo plazo
Hasta la fecha, no se ha definido claramente la duración del almacenamiento de energía a largo plazo, y el Departamento de Energía de EE.UU. lo clasifica como 10 horas o más de descarga continua a potencia nominal.
Sin embargo, no tiene sentido centrarse únicamente en el tiempo de carga y descarga lejos de la escena de uso. Una afirmación relativamente aceptada en el sector es un sistema de almacenamiento de energía que pueda realizar ciclos de carga y descarga a través del cielo, a través del mes e incluso a través de las estaciones.
En la pista más animada del almacenamiento electroquímico de energía, la empresa estrella del almacenamiento de energía a largo plazo, Form Energy, acaba de lanzar baterías de hierro-aire y ha alcanzado una cooperación estratégica con ArcelorMittal, el mayor fabricante de acero del mundo. El primer proyecto se pondrá en servicio en Minnesota en 2023.
El profesor Cui Yi, de la Universidad de Stanford, también creó EnergyVenue en 2020, centrada en las pilas metálicas de hidrógeno, muy utilizadas en el campo aeroespacial, y tiene previsto llevar a cabo un proyecto piloto con la Compañía de Gas de Hong Kong y China.
Las pilas de flujo son también una vía tecnológica comercial de almacenamiento de energía a largo plazo. Zinc8, Primus, Invinity y otras empresas europeas y estadounidenses de nueva creación se centran principalmente en las baterías de flujo de zinc. Empresas energéticas asiáticas como Sumitomo Electric, Rongke y Puneng utilizan baterías de flujo de vanadio como tecnología principal, y ya han empezado a competir con los principales fabricantes de baterías de litio en proyectos de almacenamiento de energía de 4-8 horas.
Por supuesto, el almacenamiento de energía a largo plazo abarca varios métodos de almacenamiento de energía distintos de la electroquímica. En el campo del almacenamiento mecánico de energía, además del almacenamiento de energía por bombeo tradicional más rentable, han surgido varias tecnologías nuevas de almacenamiento de energía centradas en el almacenamiento de energía por aire comprimido y por gravedad, y en los próximos dos o tres años se lanzarán demostraciones a nivel de 100 megavatios Proyectos como Hydrostor, Highview, Energy Vault, etc.
Además, el almacenamiento de energía térmica (como la empresa de almacenamiento de energía en sales fundidas Malta), el almacenamiento de energía química (hidrógeno, amoníaco) y otras tecnologías han ido entrando poco a poco en el campo de visión de la gente.
El almacenamiento de energía a largo plazo se encuentra aún en una fase de demostración de I+D de media a temprana, en la que se enfrentan un centenar de escuelas de pensamiento y aún no se ha anunciado el ganador. En la actualidad, el almacenamiento electroquímico de energía se encuentra en una posición competitiva relativamente favorable debido a la promoción de la industria de baterías de energía y no está restringido por el entorno geográfico.
Por qué necesitamos almacenamiento a largo plazo
En primer lugar, para alcanzar los objetivos de neutralidad de carbono, las centrales térmicas se retirarán gradualmente de la fase histórica, y se espera que representen 10% de la generación total de electricidad o incluso menos.
Cuando estos recursos estables de generación de energía de carga base disminuyan día a día, es probable que el almacenamiento de energía a largo plazo y los proyectos eólicos y solares a gran escala sustituyan a las fuentes de energía fósiles como centrales eléctricas de carga base, lo que tendrá un profundo impacto en la construcción a medio y largo plazo de un sistema energético sin emisiones de carbono.
En segundo lugar, con el continuo desarrollo de la energía solar y la energía eólica, la intermitencia de su generación de energía tiene efectos negativos cada vez más graves en la red eléctrica. Tras la destrucción del ecosistema, algunas centrales hidroeléctricas también se enfrentan a temporadas secas cada vez más largas y no pueden garantizar la producción.
Y para resolver este problema, no basta con construir más redes de transmisión. El almacenamiento de energía a largo plazo puede ajustar la fluctuación de la generación de nuevas energías en una dimensión temporal más larga en virtud de su gran capacidad y largo ciclo, evitar la congestión de la red cuando hay excedente de energía limpia y aumentar el consumo de energía limpia cuando se producen picos de carga.
Las frecuentes catástrofes naturales (como el frío intenso en Texas, los incendios forestales en California, las tormentas en Zhengzhou, etc.) no sólo provocarán cortes de electricidad a gran escala que afectarán a la vida cotidiana, sino que también acelerarán el envejecimiento de los equipos de transmisión y distribución de electricidad y aumentarán los costes de explotación de la red.
Otros factores externos de fuerza mayor, como el bloqueo del transporte por gasoducto de gas natural y la escasez de suministro de carbón, también provocarán un aumento de los precios de la electricidad debido a la escasez de suministro de recursos energéticos durante varios días o incluso por temporadas. Otra aplicación importante del almacenamiento de energía a largo plazo es garantizar el suministro eléctrico en condiciones meteorológicas extremas y reducir los costes sociales de la electricidad.
¿Cuánto falta para la comercialización del almacenamiento de energía a largo plazo?
Aunque la demanda a largo plazo es considerable, la cuenta económica del almacenamiento de energía a largo plazo sigue siendo difícil de calcular.
Si el almacenamiento de energía a largo plazo se limita a seguir el modelo de beneficios del almacenamiento de energía a corto plazo, los beneficios económicos serán limitados.
La mayor ventaja del almacenamiento de energía a largo plazo frente al almacenamiento de energía a corto plazo es su coste marginal de capacidad (Coste Marginal por kWh). La potencia y la capacidad pueden ampliarse de forma relativamente independiente, evitando el coste adicional de la potencia no utilizada. Gran flexibilidad en la conmutación de superposiciones.
La mayor parte del mercado de servicios eléctricos auxiliares es básicamente suficiente para sistemas de corta duración de 2-4 horas. Si el almacenamiento de energía a largo plazo quiere superar las barreras comerciales del almacenamiento de energía a corto plazo, es necesario resolver las dificultades actuales de la tecnología a corto plazo y demostrar su valor económico en la dimensión de mayor duración.
No es fácil medir de forma intuitiva y precisa el valor económico del almacenamiento de energía a largo plazo en una dimensión temporal más amplia.
El modelo de planificación de la expansión de la capacidad de la red eléctrica existente es producto del modo de funcionamiento tradicional de la red eléctrica del siglo pasado, y sólo se extraen unos pocos periodos de tiempo representativos de todo el año para el análisis de simulación de la red eléctrica.
A continuación, se calcula la fiabilidad del sistema con distintos ratios de energía, no se tienen en cuenta las condiciones meteorológicas extremas ni la flexibilidad y, naturalmente, no se puede reflejar el valor a largo plazo del almacenamiento de energía a largo plazo.
Tomemos como ejemplo el modelo de planificación a largo plazo de la expansión de nuevas energías RESOLVE utilizado por la Comisión de Servicios Públicos de California (CPUC). El modelo muestrea 37 días típicos para simular la producción del sistema eléctrico uno a uno. Cada muestra de un solo día no tiene continuidad temporal. La descarga sólo puede hacerse en 24 horas,
Esto limita la respuesta flexible del almacenamiento de energía a largo plazo en escenarios de varios días, y es imposible cuantificar con precisión el impacto de climas extremos en la red eléctrica; son precisamente estos sucesos de "cisne negro" de pequeña probabilidad los que impulsan directamente las decisiones de inversión en grandes proyectos.
En segundo lugar, el modelo RESOLVE sólo admite el diseño de tres sistemas de almacenamiento de energía: almacenamiento de energía de iones de litio, almacenamiento de energía de flujo líquido y almacenamiento hidroeléctrico por bombeo, y no tiene plenamente en cuenta otras fuentes de energía nuevas, lo que da lugar a estimaciones de costes elevadas.
Para resolver este problema, cada vez más empresas e instituciones de investigación han lanzado sus propios modelos, como Formware de Form Energy, WIS:dom de Vibrant Energy, Plexos de Energy Exemplar, el software de código abierto GenX de MIT-Princeton, etc.
Además de los beneficios económicos poco claros, el coste del almacenamiento de energía a largo plazo es también un obstáculo para su comercialización.
Un reciente equipo de investigación del MIT ha estudiado en Nature Energy el impacto del coste del almacenamiento de energía a largo plazo y otras características técnicas en el coste global de la generación de electricidad en una red con cero emisiones de carbono. La investigación sugiere que el almacenamiento de energía a largo plazo deberá tener un precio de al menos $50/kWh antes de que se generalice su uso;
Para reducir significativamente el coste global de la generación de electricidad (>10%), el coste debe situarse entre $1/kWh - $10/kWh. Además de la eficiencia de carga y descarga y del coste del propio almacenamiento de energía a largo plazo, existen muchas combinaciones energéticas (energía nuclear, energía fósil + tecnología de captura y almacenamiento de carbono, energía del hidrógeno, etc.) que pueden proporcionar servicios de energía estables que pueden competir con ella. El desarrollo futuro de estas tecnologías y su coste también afectan al espacio que el almacenamiento de energía a largo plazo puede ocupar en la red.
Al igual que otras tecnologías duras, el almacenamiento de energía a largo plazo se enfrentará a retos en la capacidad de producción, la cadena de suministro, la construcción, el funcionamiento y otros aspectos a lo largo del camino que va desde la I+D, la demostración y la implantación a escala. Los riesgos en cada eslabón deben controlarse estrictamente para alcanzar el objetivo de costes establecido.
El almacenamiento de energía a largo plazo también se enfrenta a importantes retos de financiación. Para obtener financiación para un proyecto, hay que demostrar a los inversores el rendimiento y la fiabilidad del activo de almacenamiento de energía.
La práctica común actual consiste en realizar un informe de ingeniería de terceros y emitir un acuerdo de garantía a largo plazo (O&M) y un acuerdo de garantía de capacidad (Capacity Maintenance).
Sin embargo, la tecnología de almacenamiento de energía a largo plazo aún no ha sido respaldada por datos de funcionamiento real a gran escala, y es difícil ofrecer garantías completas. Aunque la empresa haga una promesa, los inversores seguirán teniendo dudas: ¿quién se hará cargo del ciclo de 30 años del proyecto una vez que la empresa quiebre?
Muchas de las nuevas empresas energéticas que en su día estuvieron de moda, como LightSail Energy y Nikola, han caído del altar debido a fraudes técnicos, lo que ha aumentado las dudas de los inversores sobre tecnologías desconocidas y aumentará inevitablemente la dificultad del almacenamiento de energía a largo plazo.
Los gobiernos multinacionales, encabezados por Estados Unidos, han empezado a aumentar su apoyo a la tecnología de almacenamiento de energía a largo plazo. California, que es la veleta de la nueva política energética mundial, anunció recientemente un plan de expansión del almacenamiento de energía a largo plazo de hasta 50 GW para alcanzar el objetivo de neutralidad de carbono en 2060.
Ocho agencias comunitarias de gestión conjunta de la energía de California publicaron licitaciones ya a finales de 2020 para adquirir 500MW/4GWh de sistemas de almacenamiento de energía que superen claramente las 8 horas. El Departamento de Energía de Estados Unidos ha empezado a ofrecer préstamos a bajo interés en un intento de reducir el coste del almacenamiento de energía a largo plazo en un 90% durante la próxima década.
Breakthrough Energy Venture, dirigida por Bill Gates, también ha invertido $1.500 millones con el departamento de Energía para acelerar la comercialización del almacenamiento de energía a largo plazo en una asociación público-privada.
Almacenamiento de energía a largo plazo en China: situación actual e ilustración
El sector chino del almacenamiento de energía ha abierto por fin oportunidades de crecimiento tras años de duro trabajo y exploración. La economía del almacenamiento de energía a corto plazo acaba de dar un vuelco gracias a políticas favorables como los precios de la electricidad en función del tiempo de consumo y los mercados eléctricos.
El toque de clarín para hacer realidad el objetivo de "doble carbono" acaba de sonar, y llevará tiempo construir una red eléctrica con bajas emisiones de carbono (2030-2050). Es un poco "demasiado ambicioso" hablar de almacenamiento de energía a largo plazo en este momento?
En mi opinión, ahora es el momento de aumentar la inversión en almacenamiento de energía a largo plazo.
En la actualidad, la energía térmica representa 68% de la producción total de electricidad del país. En 2030, la proporción de generación térmica deberá reducirse en casi 20%. Toda la nueva generación de electricidad se cubrirá con energías limpias. Además, el desmantelamiento de las centrales térmicas y la transformación del secuestro de carbono agravarán las condiciones meteorológicas extremas.
Significa que en los próximos tres a cinco años habrá continuas fluctuaciones en el suministro de las redes eléctricas regionales. La comercialización del almacenamiento de energía a largo plazo en un plazo de cinco años será de gran importancia para el pico de carbono de China en 2030.
Cómo medir razonablemente los beneficios económicos del almacenamiento de energía a largo plazo es también un reto al que se enfrenta China. En la actualidad, las instituciones de investigación de energía eléctrica, como el Instituto de Investigación de Energía Eléctrica, tienen su propio software de simulación de producción. Los resultados de estos análisis de planificación energética afectarán directamente a la escala del almacenamiento de energía a largo plazo en China.
Ya nos enfrentamos a un sistema eléctrico complejo, con sistemas transregionales, múltiples tipos de generación de energía, mercado y plan paralelos de doble vía, híbridos distribuidos y centralizados. Por lo tanto, es necesario acelerar la actualización y transformación de la planificación energética, y considerar en el modelo un clima extremo más persistente. Establecer parámetros económicos y técnicos razonables para el almacenamiento de energía.
Controlar estrictamente la calidad de los datos masivos de la red eléctrica, realizar 8760 horas de simulación continua durante todo el año y utilizar datos de modelos de código abierto, integración académico-industrial, etc. para idear el esquema de configuración de almacenamiento de energía más económico y fiable.
Además, también es necesario promover de forma constante el mecanismo de mercado y el apoyo político a la tecnología de almacenamiento de energía a largo plazo. La tecnología nacional de almacenamiento de energía a largo plazo está dominada por las baterías de flujo, y hay muy pocas empresas de almacenamiento de energía a largo plazo con rutas tecnológicas no electroquímicas.
A medida que se intensifica el juego geopolítico, debemos ser más optimistas y pacientes con nuestras propias startups. Sobre la base de la diligencia debida, podemos ayudar a la tecnología de almacenamiento de energía a largo plazo a salir del dilema de la financiación de diversas formas, como la cooperación público-privada y el diseño de políticas de mercado de alto nivel. La Comisión Europea, por su parte, debería implantar normas técnicas de almacenamiento de energía, animar a más empresas eléctricas a hacer planes más científicos y sistemáticos para las necesidades de almacenamiento de energía a largo plazo, y aclarar el uso y las necesidades a largo plazo del almacenamiento de energía en la licitación.
El futuro sistema eléctrico será multienergéticamente complementario. El nuevo modelo de energía + almacenamiento de energía marcará el comienzo de una oportunidad histórica, y el almacenamiento de energía a largo plazo también se convertirá en una parte indispensable de la estrategia de neutralidad de carbono.
En los últimos diez años, CATL, como empresa líder de Las 10 principales empresas de baterías de almacenamiento de energía y Las 10 principales empresas de baterías eléctricas se ha hecho con el primer puesto en los campos del almacenamiento de energía y las baterías de potencia apoyándose en la innovación tecnológica y el trabajo duro. En los próximos diez años, en el campo del almacenamiento de energía a largo plazo, los líderes de China también pueden precipitarse a la vanguardia de los tiempos.
