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Diseño modular de presas promoverá la adopción de energías renovables

Sobre el blog

Fernando Arbe Falcón
INGENIERO AGRICOLA con experiencia en tecnología de la información y comunicaciones. He participado en proyectos de Agua y Saneamiento Rural en Perú. Actualmente me desempeño como redactor de contenidos.
  • Diseño modular presas promoverá adopción energías renovables

Hace unos días leí un artículo publicado por el Southwest Research Institute (SwRI). En este declaraban haber desarrollado un sistema modular de fabricación de represas para almacenar energía hidráulica [1]. Estas permitirían compensar, a muy bajo costo, las fluctuaciones e interrupciones de poder propias de las fuentes de energía renovable. Iba a pasar por alto este artículo de no ser porque encontré en la reconocida revista Science Daily que resaltaba la importancia de esta nueva técnica.

Desde hace décadas se emplea una tecnología denominada “Almacenamiento Hidroeléctrico por Bombeo” (o PSH por sus siglas en inglés) para equilibrar la carga en las redes eléctricas usando la energía potencial gravitacional del agua. El PSH funciona de la siguiente forma: En los momentos de baja demanda, el exceso de electricidad en la red es utilizada para bombear agua de un reservorio inferior a otro superior (Fig. 1a). En los momentos en que la demanda sube excediendo la capacidad de la central eléctrica, el agua almacenada regresa al depósito inferior, impulsando turbinas para introducir energía extra a la red [2] (Fig. 1b).

Aparición del Almacenamiento Hidroeléctrico por Bombeo – PSH

El PSH surge para resolver la inflexibilidad de las centrales de carbón y nucleares frente a las variaciones de demanda [3] como se muestra en la Fig. 2a. Estas plantas no pueden cambiar su potencia de salida rápidamente, por lo cual son llamadas de “carga base”. Es más, su funcionamiento a una potencia continua permite un consumo más eficiente del combustible.

Los primeros casos de uso conocidos de PSH se encontraron en Italia y Suiza en la década de 1890 [4]. En la actualidad, el PSH es el medio más empleado para almacenar energía en redes. De acuerdo a la International Energy Agency, el PSH representa más del 90 % del almacenamiento total de electricidad a nivel mundial [5]. 

La ventaja del PSH son las siguientes:

  • Capacidad de reserva de energía a gran escala.
  • Respuesta rápida a las fluctuaciones en la oferta y la demanda de electricidad, asegurando la fiabilidad de la red eléctrica.
  • Alta eficiencia en el ciclo de almacenamiento y descarga de energía de alrededor del 80 al 90%.
  • Tiempos de operación largos superando los 50 años.

El Almacenamiento Hidroeléctrico por Bombeo y las energías renovables

Como se mencionó antes, el PSH tienen su origen en la necesidad de compensar las variaciones de demanda ante una fuente que brinda una potencia invariable. Sin embargo, frente al gran potencial que ofrecen las energías renovables, la situación cambia. Ahora el PHS tienen la finalidad de compensar las fluctuaciones del suministro y no solo de la demanda, como se muestra en la Fig. 2b. En efecto, las energías renovables dependen de las condiciones ambientales existentes. Una estación eólica funcionará a plena capacidad a una fuerza de viento determinado, pero interrumpirá su suministro cuando no exista corriente de aire o cuando la fuerza ejercida por este sea tan alta que comprometa su integridad física.

De la misma forma, las plantas fotovoltaicas operan durante las horas de sol. Asimismo, la potencia que puede producir dependerá de la intensidad de la radiación. En la figura 2 se muestra cómo el PSH regula la producción de energía renovable generada.

Existen otras tecnologías de almacenamiento de energía tales como baterías, supercapacitores y otros. Sin embargo, solo el PSH y el almacenamiento de energía de aire comprimido (CAES por sus siglas en inglés) son capaces de manejar grandes volúmenes de energía a nivel de red. Estamos hablando de descargas de cientos de MW por decenas de horas de duración [6].


Fig. 1 Operación de un sistema de Almacenamiento Hidroeléctrico por Bombeo. Elaborado a partir de “Effects of the Splitter Blade on the Performance of a Pump-Turbine in Pump Mode” [8]

Fig. 2 Esquema de balanceo de oferta y demanda de energía. 2a. Considerando una Central de combustible fósil y nuclear y 2b. Incluyendo una fuente de energía renovable. Elaborado a partir de “Solar Farms as the Only Power Source for the Entire Country” [9]


Las dificultades para la puesta en operación de Sistemas Almacenamiento Hidroeléctrico por Bombeo

La expansión del empleo de energías renovables va a depender, en gran medida, de los costos y eficiencia de los sistemas de almacenamiento. Sin embargo, en lo referente al PSH enfrentamos diversas situaciones.

La construcción de instalaciones de PSH puede resultar costosa, especialmente debido a las grandes estructuras de hormigón que involucra. El tiempo para implementar embalses también es un componente importante del costo. A menudo se necesitan 10 años en ubicar, diseñar, construir y poner en marcha un proyecto PSH convencional, lo que supera el tiempo de retorno que ofrecen las plantas de energías renovables en sí. [2]

Las consideraciones ambientales juegan en contra de las PSH en la medida en que en la actualidad obtener permisos para construir infraestructura que afecten el cauce de los ríos y el comportamiento de la cuenca resulta cada vez más difícil. Aun así, se consigan los permisos, el riesgo de represar cursos de agua podría generar impactos no previstos.


Fig. 3 Sistema modular desarrollado por la firma Southwest Research Institute (SwRI).  Fuente de imagen:  SwRI

La solución propuesta por Southwest Research Institute

A fin de superar las restricciones de costos y tiempos de instalación, la firma Southwest Research Institute ha desarrollado un sistema modular de construcción de reservorios denominado “mPresa”. De acuerdo al fabricante, estos módulos de acero se pueden transportar en remolques de plataforma de tamaño estándar y ser instalados por grúas, tal como se muestra en la Fig. 3. La altura de la presa puede variar de 10 a 40 pies de y es capaz de confinar una amplia gama de áreas de superficie y volúmenes de agua.

Esta versatilidad le permite almacenar de cientos a miles de MWh de energía para proveerla durante los períodos de máxima demanda.

De acuerdo a SWRI su sistema modular de fabricación reduce los costos de construcción a $1,500 por kW, lo cual es significativo porque los procedimientos convencionales alcanzan hasta los $5,000 por Kw. De esta manera, el PSH resulta competitivo con otros modos de almacenamiento de energía a largo plazo. [1]


Fig. 4 Vista panorámica de un sistema PHS de circuito cerrado. Fuente de imágen: SwRI 

En lo que respecta al impacto sobre el ambiente, el sistema mPresa puede funcionar como un circuito cerrado sin necesidad de hacer embalses de río ni alterar las cuencas. Para ello se instalan dos represas a diferente nivel con un volumen de agua constante, tal como se muestra en la Fig. 4.

En lo referente al impacto ambiental de los PSH de circuito cerrado, el Pacific Northwest National Laboratory realizó un estudio el año 2020 [7]. Al respecto, Bo Saulsbury -redactor del informe- declaró lo siguiente: "En su mayor parte, nuestro estudio confirmó la sabiduría convencional de que los proyectos de PSH de circuito cerrado generalmente tienen impactos ambientales menores y de menor extensión que los proyectos de circuito abierto porque están localizados fuera de la corriente y tienen una mayor flexibilidad de ubicación".

_____________________________

[1] Southwest Research Institute. SwRI’s modular dam design could accelerate the adoption of renewable energy. SwRI [online]. 10 Oct 2023 [accesed 19 Oct 2023]

[2] Southwest Research Institute. Modular dam design could accelerate the adoption of renewable energy. ScienceDaily [online]. 10 Oct 2023 [accesed 19 Oct 2023]

[3] IRENA. Innovation landscape brief: Innovative operation of pumped hydropower storage. Abu Dhabi: International Renewable Energy Agency, 2020. ISBN 978-92-9260-180-5

[4] Water Power Technologies Office. Pumped Storage Hydropower. Office of Energy Efficiency and Renewable Energy [online]. [accesed 19 Oct 2023]

[5] International Energy Agency. Grid-scale Storage. IEA [online]. [accesed 19 Oct 2023]

[6] Akhil, A.; Et Al. DOE/EPRI Electricity Storage Handbook in Collaboration with NRECA. United States: Sandia National Laboratories, Sep 2016. https://doi.org/10.2172/1431469

[7] Pacific Northwest National Laboratory. Open or Closed: Pumped Storage Hydropower is on the Rise. PNNL [online]. 11 August 2020 [accesed 19 Oct 2023] 

[8] Li, G.; et al. Effects of the Splitter Blade on the Performance of a Pump-Turbine in Pump Mode. Mathematical Problems in Engineering. 2018, 2018, 1-10. Doi 10.1155/2018/2403179.

[9] Manowska, A.; Nowrot, A. Solar Farms as the Only Power Source for the Entire Country. Energies 2022, 15, 5297. https://doi.org/10.3390/en15145297

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