Se acabaron los tiempos en que escasas filas de trabajadores acudían a las máquinas a las siete de la mañana, ya las ocho de la tarde salían de las fábricas en el mismo orden y luego se quedaban dormidos frente al televisor casi simultáneamente. Ahora las megaciudades nunca se duermen, y junto con ellas 24/7 y toda la humanidad progresista, "búhos", la industria del entretenimiento y las corporaciones de redes globales. Todos ellos necesitan electricidad, y en cualquier momento, sin una ciclicidad pronunciada. Mientras tanto, el mundo está cambiando a fuentes de energía renovables, cuya producción depende de condiciones naturales que no están controladas por los humanos. ¿Cómo en este mundo abastecerse y luego compartir electricidad, evitando apagones? Hablemos del ejemplo de las tecnologías Toshiba.
Más la electrificación de todo el planeta
El consumo de electricidad aumentará. Las principales direcciones de este proceso son la electrificación de vehículos, la transferencia de algunos procesos industriales de la energía térmica al suministro de energía, así como el crecimiento del consumo doméstico de corriente eléctrica. En concreto, según la previsión de la Agencia Internacional de la Energía, 130 millones de vehículos eléctricos circularán en nuestro planeta para 2040, aunque en 2018 eran 5,1 millones de unidades. En total, la cantidad de automóviles se estima ahora en mil millones, y para 2035 puede crecer a 2 mil millones de unidades. En las industrias alimentaria, farmacéutica, textil, papelera y otras, la electricidad sustituirá al carbón y al gas en la producción de calor a media y baja temperatura. También continuará la electrificación de los países pobres, donde la electricidad será más utilizada en la vida cotidiana.Y la participación de la electricidad en el consumo total de energía aumentará del 19% en 2018 al 24% en 2040.
En consecuencia, aumentarán los riesgos de apagones: cortes de energía a gran escala que afectarán a una amplia variedad de consumidores. Según el Banco Mundial, en 2019, un promedio de todos los países del mundo, varias organizaciones experimentaron 6,8 cortes de energía por mes. Es cierto que en los países de la OCDE esta cifra fue de 0,4 apagones, y en Rusia, 0,2 apagones por mes.
2003 Desastre de la red eléctrica en Estados Unidos y Canadá: vista desde el espacio El 14 de agosto de 2003, 10 millones de personas en Canadá y 40 millones de personas en los Estados Unidos se quedaron sin electricidad. Fuente: Administración Nacional Oceánica y Atmosférica, Programa de Satélites Meteorológicos de Defensa / Wikimedia Commons
Al mismo tiempo, la introducción en la producción y la vida cotidiana de tecnologías como la inteligencia artificial y el Internet de las cosas (incluido el Internet de las cosas industrial) requiere minimizar los cortes de energía que pueden interrumpir gravemente el funcionamiento de sistemas inteligentes complejos.
Además, el enfoque del consumo de energía cambiará después de la introducción de fuentes de energía renovables, que dan una producción diferente según la hora del día y el clima. Durante el día o con viento, los paneles solares y los parques eólicos generan más corriente que durante la noche y en tiempo tranquilo. En consecuencia, es mejor ahorrar el exceso de energía por si acaso. ¿Pero cómo?
Metamorfosis energética
Conservar energía, especialmente a escala industrial, no es fácil. A pesar de que se conoce bien la naturaleza de la electricidad, su conservación requiere soluciones técnicas engorrosas o costosas (o ambas al mismo tiempo). Entonces, ¿qué protegerá el mundo altamente electrificado del futuro de los apagones?
En resumen, química y mecánica. Casi todos los métodos de acumulación de electricidad se reducen a su transformación mediante reacciones químicas o movimiento mecánico.
La primera idea que tienen todos los usuarios de teléfonos inteligentes o propietarios de automóviles eléctricos es: ¿por qué no utilizar enormes baterías de iones de litio a escala industrial? Ya ha habido intentos de crear grandes unidades de este tipo. Por ejemplo, Tesla ahora está trabajando para aumentar la capacidad (de 100 a 150 MW) del almacenamiento de electricidad de iones de litio más grande del mundo, recolectado en 2017 en el estado de Australia Meridional en el Continente Verde. Consiste en baterías de iones de litio Tesla Powerpack diseñadas para usuarios industriales y de servicios públicos. En el interior hay 16 paquetes de baterías independientes, cada uno con un convertidor CC / CC aislado.
La potencia de cada uno de ellos alcanza los 130 kW, y el consumo energético es de 232 kWh. Una instalación de almacenamiento Tesla Powerpack en Australia del Sur ayuda a conservar la energía de un parque eólico cercano. Cuando está completamente cargada, esta "batería" con una capacidad de 129 MWh puede proporcionar electricidad a 30 mil hogares.
Firma: cada Powerpack es como un ladrillo del que se construye un almacenamiento de energía. Se puede conectar un inversor de uno a 20 Powerpacks. Tales paquetes de baterías e inversores pueden usarse para crear una instalación de almacenamiento de enorme intensidad energética. Fuente: Tesla
Sin embargo, además de las conocidas desventajas de tales baterías, también está esto: al aumentar las baterías de iones de litio a escala industrial, estamos aumentando igualmente el problema de su eliminación. Por lo tanto, siendo respetuosos con el medio ambiente durante el período de funcionamiento, las baterías enormes en el futuro representarán una amenaza para el medio ambiente y un problema cuando se cancelen.
Otra forma de convertir energía es la electrólisis.
Expliquemos usando el ejemplo de nuestra instalación H2One, de la que ya hablamos.: los paneles solares proporcionan el proceso de electrólisis del agua, como resultado del cual se libera hidrógeno; el hidrógeno se almacena o se suministra al consumidor, y el hidrógeno puede proporcionar inmediatamente calor, energía mecánica o electricidad cuando se oxida en una pila de combustible. El único problema hasta ahora es que si bien la energía de una estación H2One es suficiente solo para objetos pequeños, por ejemplo, la estación de tren de la ciudad de Kawasaki (Japón). Escala industrial en el futuro.
Las opciones más simples en principio, pero complejas en implementación, son mecánicas. El esquema general es el siguiente: durante el período pico de producción, la electricidad se almacena bombeando gas o agua en tanques especiales, elevando cargas a una altura o comprimiendo un resorte. Durante un período de escasez de energía, la energía se libera mecánicamente retroalimentando la sustancia, el peso o aflojando el resorte. El principio es simple, ecológico, escalable industrialmente y muy duradero. Es por eso que, según Vygon Consulting, el 95% de los sistemas de almacenamiento de energía en el mundo son plantas de almacenamiento por bombeo (PSPP) que usan solo lo que la naturaleza nos ha dado: agua y paisajes montañosos para el almacenamiento de energía.
Giro, giro, quiero magnetizar
Por primera vez, en Suiza se inventó el uso del agua y los paisajes montañosos para el almacenamiento de energía. En 1909, cerca de la ciudad de Schaffhausen, en el cantón del mismo nombre, se construyó la primera estación de almacenamiento por bombeo Engeweiher del mundo con una capacidad de 1,5 MW. El principio de funcionamiento del PSPP plasmado en esa instalación se ha conservado en general hasta el día de hoy.
La estación consta de una bomba, dos depósitos ubicados a diferentes alturas y una turbina. Cuando hay un excedente de electricidad, la bomba bombea agua al depósito superior. Cuando no hay suficiente electricidad en la red, el agua se desvía hacia el depósito inferior a través de una turbina, que proporciona la electricidad. La simplicidad y fiabilidad de este principio ha sido probada por el tiempo, así como por la historia de la propia estación Engeweiher, que todavía está en funcionamiento; sus capacidades resultaron ser muy útiles en el contexto del desarrollo de fuentes de energía renovables en Suiza.
La central hidroeléctrica de almacenamiento es una de las fuentes de energía renovable más antiguas del mundo. Fuente: Toshiba Energy Systems & Solutions Corporation
El siguiente paso en el desarrollo de la tecnología se dio en la década de 1930. Se entendió que las turbinas hidráulicas acopladas a generadores podrían funcionar con mayor eficiencia si se controlara su velocidad de rotación. Por lo tanto, en 1930, Toshiba desarrolló un motor-hidrogenerador asíncrono de 750 kVA, que se instaló en la estación Yoshino en la ciudad de Kanazawa (Prefectura de Ishikawa, Japón). La velocidad de rotación de la turbina en ella podría cambiarse para lograr la máxima eficiencia.
Sin embargo, esta tecnología no encontró una amplia aplicación en ese momento, y posteriormente, se utilizaron principalmente hidrogeneradores-motores síncronos, que operan con una velocidad de rotación constante (síncrona), por lo que la potencia de entrada no se puede cambiar. Esto significa que ajustar el funcionamiento de la estación a la demanda cambiante (por ejemplo, por la noche, cuando se necesita gastar más energía en bombear agua y dar menos a la red) no fue fácil: la eficiencia de la inyección o la producción disminuyó.
En 1990, Toshiba volvió a recurrir a la tecnología de motores hidrogeneradores asíncronos: en cooperación con la Compañía de Energía Eléctrica de Tokio (TEPCO), se desarrolló e instaló la primera unidad de bombeo de velocidad variable del mundo en la estación de bombeo de Yagasawa, utilizando un motor generador de CA de excitación secundaria. baja frecuencia. Está controlado por un controlador digital de alta velocidad y alto rendimiento que puede cambiar la potencia de entrada y salida mucho más rápido que en las unidades hidráulicas convencionales, lo que permite una estabilización más rápida de las fluctuaciones de potencia en la red, por ejemplo, en caso de emergencias. Desde entonces, los motores-generadores asíncronos en las plantas de energía de almacenamiento por bombeo comenzaron a usarse con más frecuencia, y ahora son el modelo más prometedor para el almacenamiento por bombeo.
En junio de 2014, la unidad de bombeo de velocidad variable más grande del mundo con una capacidad de 475 MVA comenzó a operar para el cuarto bloque de la PSP de Kazunogawa (Prefectura de Yamanashi, Japón), que también tiene la altura de bomba más grande del mundo (785 m). para una turbina de bomba de una etapa. Esta estación también es operada por TEPCO. Fuente: Toshiba Energy Systems Co., Ltd / YouTube
La unidad hidráulica de velocidad variable aumenta la eficiencia de los modos de bombeo y turbina, aumentando así la eficiencia del ciclo completo de la planta de energía de almacenamiento por bombeo, además de reducir la vibración y el desgaste mecánico del sistema. Además, tal máquina puede reaccionar instantáneamente a cambios repentinos en la demanda de electricidad asociados, por ejemplo, con el uso de fuentes de energía renovables inestables o apagones.
Y dijimos: "Plantas de energía de almacenamiento por bombeo con un generador de motor asíncrono, ¡sean fructíferas y multipliquen!" Fuente: Abubakirov Sh. I. Experiencia y perspectivas de uso de hidrogeneradores asincronizados en proyectos de JSC "Institute Hydroproject" // Hidroenergética. - 2010.— Nº 2 (19).
Encontrar el equilibrio
Las soluciones descritas, como puede ver, tienen una gran escala industrial. Pero, ¿cuán razonable es tal centralización? ¿Y no es mejor implementar soluciones distribuidas que puedan resolver los problemas de igualar los desequilibrios en el sistema de suministro de energía? Nada impide combinar estos dos enfoques, combinando grandes sistemas de almacenamiento de energía y locales, como los construidos sobre la base de baterías individuales instaladas en objetos específicos e incluso en edificios residenciales, dentro de un sistema de suministro de energía.
Las baterías recargables, especialmente las SCiBTM de Toshiba, son más adecuadas para resolver este tipo de problemas. Su ánodo está basado en óxido de litio y titanio (LTO), lo que permite una mayor capacidad efectiva, y también proporciona una larga vida útil, funcionamiento a bajas temperaturas, carga rápida, entrada y salida de alta potencia. Toshiba SCiBTM se puede aplicar en una amplia variedad de aplicaciones, desde almacenamiento estacionario pequeño (kW) para aplicaciones residenciales hasta automóviles, autobuses, vagones de tren, ascensores, plantas de energía y almacenamiento de energía (MW) a gran escala para redes eléctricas, redes inteligentes y plantas de energía solar. Fuente: Toshiba
Además, las instalaciones individuales de almacenamiento local de electricidad pueden, a su vez, combinarse en grandes estructuras: plantas de energía virtuales, del que ya hemos hablado en este blog. Y estas soluciones ya se están implementando.
Por ejemplo, en Alemania, TenneT, la empresa de distribución más grande, junto con el fabricante de sistemas de almacenamiento para el hogar, Sonnen, anunció la creación de una especie de cadena de bloques de energía: planean conectar dispositivos de almacenamiento de energía para el hogar en una red para igualar los desequilibrios en el sistema energético a nivel de país. Sin embargo, hasta ahora el número de propietarios de dispositivos de almacenamiento adecuados para esto es mucho menor que el de propietarios de estaciones domésticas que utilizan fuentes de energía renovables.
La combinación de enormes instalaciones de almacenamiento de energía y pequeñas locales, conectadas entre sí, ayudará a suavizar los desequilibrios de consumo y generación de los que hablamos al principio, y minimizará la posibilidad de apagones.