Almacenaje gravitacional

Últimamente se está empezando a dar este nombre a sistemas de almacenamiento energético basados en emplear los excedentes de energía para elevar una determinada masa, y recuperarla más tarde devolviendo ésta a su posición inicial. En realidad, éste es también el principio de la energía hidráulica y de las centrales de bombeo, en las que esa masa consiste en una gran cantidad de agua que se bombea hasta un embalse superior, y se turbina después hacia otro situado en una cota más baja.

Aunque este tipo de centrales es actualmente la forma más madura de almacenar energía a gran escala, recientemente se están proponiendo otro tipo de sistemas, en los que la masa que se moviliza consiste en uno o varios cuerpos sólidos, lo que presenta ciertas ventajas:

• Se pueden emplear materiales con densidad sustancialmente superior a la del agua, lo que reduce las dimensiones del almacenamiento para una determinada capacidad energética.
• Estas masas pueden ser más fáciles de manejar, al mantener su forma sin necesidad de confinarlas en depósitos o embalses.

Lo habitual es que estos nuevos sistemas utilicen motores reversibles, acoplados a tambores o poleas, de forma que consumen electricidad cuando se izan las masas hasta su posición superior, mientras que funcionan como generadores cuando las masas los hacen girar mientras descienden de forma controlada, a la vez que producen energía (de forma similar a lo que sucede con el freno regenerativo de los vehículos eléctricos).

A continuación, mencionaremos algunas empresas que están trabajando en este tipo de almacenamiento y revisaremos someramente los conceptos que proponen:

Energy Vault

Esta empresa, con sedes en California y Suiza, ha patentado un sistema basado en el apilado y desapilado de grandes bloques. En 2020 construyó un prototipo demostrador en Arbedo-Castione, Suiza, el EV1 Tower, que consistía en una grúa de 120 m de altura y seis brazos, instalada en una gran explanada sobre la que iba apilando y desapilando bloques de hormigón de 35 toneladas.  

Recientemente han desmontado este prototipo, y se han centrado en una evolución de su concepto, que denominan EVx.  

En este nuevo diseño, en lugar de usar una grúa, construyen una enorme estructura metálica (de unos 100 m de altura) en la que instalan múltiples puntos de izado, y se disponen carriles horizontales, que permiten que cada bloque se desplace hasta su posición de almacenamiento, mientras se iza el siguiente bloque. En este caso, proponen fabricar los bloques de un composite elaborado con materiales locales, para disminuir su coste y evitar el impacto ambiental del consumo de hormigón.

Según el tecnólogo, hace unos meses que empezaron la construcción de la primera planta de este tipo, con una capacidad de 100 MWh, ubicada en China junto a un parque eólico.

Gravitricity

Es una empresa escocesa que propone emplear pozos verticales para desplazar una gran masa hasta una profundidad de entre 150 y 1.500 m. El planteamiento inicial es aprovechar antiguos pozos de minas en desuso para reducir la inversión necesaria, aunque también manejan la posibilidad de construir pozos nuevos. La instalación incluye unos cabestrantes eléctricos que trabajan coordinadamente por parejas para subir o bajar enormes masas, de entre 500 y 5.000 toneladas.

El sistema se plantea para que se puedan ir elevando/descendiendo cierto número de masas sucesivamente, de forma que, mientras una pareja de cabestrantes desplaza una masa en un sentido, la otra lleva de vuelta los enganches de la masa anterior para poder recoger una nueva.

De momento sólo existe un pequeño banco de pruebas de 250 kW en un puerto escocés, aunque la empresa anuncia que está seleccionando un pozo minero en desuso para su primer proyecto subterráneo, aunque todavía utilizando un único peso, por lo que el tiempo de descarga de la batería será del orden de minutos. Para la primera instalación con múltiples masas están considerando construir un pozo ad hoc en un proyecto de 4 MWh, planteado para servicios auxiliares de red.

ARES

El concepto de esta empresa norteamericana se basa en movilizar las masas sobre un plano inclinado, en lugar de verticalmente, a modo de vagones de tren sobre sus raíles.

La ventaja de este sistema es que puede desplazar sucesivas masas entre las dos cotas y, con los mismos medios, llevarlas a la posición de almacenamiento, una vez alcanzada la cota deseada. Su desventaja es que necesita más terreno para la misma energía acumulada, y que posiblemente su rendimiento sea menor que el de un sistema con movimiento vertical.  

Hace dos años, iniciaron la construcción de una primera instalación de 50 MW en Nevada, para la que se proyectaron 210 vagones que sumaban 75.000 toneladas y se desplazaban sobre un sistema de 10 vías. Sin embargo, desde entonces no hay noticas sobre su terminación y operación, por lo que posiblemente no se ha llegado a poner en funcionamiento con éxito.

Gravity Power

Esta empresa propone lo que se podría denominar un almacenamiento hidráulico-gravitatorio, ya que en este caso el movimiento de una gran masa sólida se realiza inyectando/extrayendo agua en una cámara cerrada, de forma similar a lo que sucede dentro de un cilindro hidráulico cuando se desplaza un pistón, inyectando o extrayendo aceite a presión. Como en el caso de Gravitricity, la instalación se realizaría en un pozo subterráneo, aprovechando el de una mina en desuso o perforándolo expresamente.

Probablemente, la principal ventaja de este sistema es que, en lugar de desplazar una gran masa mediante cables (lo que entraña dificultades técnicas en términos de estabilidad, seguridad y desgastes, y obliga a utilizar una maquinaria pesada y costosa), emplea tuberías a presión y turbinas reversibles, una tecnología muy madura que presenta menos incertidumbres. Sin embargo, este concepto también se enfrenta a retos importantes, como la impermeabilización del pozo y el sellado eficiente entre el “pistón” y la cámara en la que éste se desplaza.

En cualquier caso, parece que este diseño aún está en fase conceptual y no hay constancia de que exista todavía ninguna instalación real de este tipo, ni siquiera a nivel demostrativo.

Conclusiones

Revisando el estado del arte de esta forma de almacenamiento energético, parece evidente que aún no ha alcanzado un grado de desarrollo suficiente como para demostrar su viabilidad comercial.

No obstante, comparando esta tecnología con las que actualmente dominan el sector, el almacenamiento gravitatorio tiene el atractivo de aunar algunas de las ventajas específicas de las centrales de bombeo con otras propias de las baterías electroquímicas.

• Un sistema de almacenamiento gravitatorio puede instalarse en cualquier ubicación, con unas condiciones similares a las de cualquier otra instalación industrial. Esto mismo sucede con las baterías convencionales, pero no así con las centrales de bombeo, supeditadas a la topografía y a las restricciones ambientales, que limitan enormemente los posibles emplazamientos.
• La degradación a lo largo del tiempo de su capacidad es virtualmente nula, y su vida útil puede ser de muchas décadas, con un coste de mantenimiento relativamente bajo. En esto se parece a las centrales de bombeo, en contraste con lo que sucede en las baterías electroquímicas, que van perdiendo capacidad de carga y tienen que sustituirse por unas nuevas al cabo de cierto número de ciclos de descarga.

Además, el rendimiento del ciclo completo de carga-descarga puede ser de alrededor del 80%, un valor ligeramente inferior al de las baterías de ion litio, pero algo superior al de las centrales reversibles de bombeo y, sobre todo, mucho más alto que el alcanzable si se produce hidrógeno con excedentes eléctricos y posteriormente se usa en pilas de combustible para volver a producir electricidad, que difícilmente llega al 50%.

El gran problema de las baterías gravitatorias es su baja densidad energética, es decir, requieren una gran cantidad de materiales e infraestructuras para almacenar una cantidad relativamente pequeña de energía. Esto se puede visualizar si pensamos que, para almacenar la energía que necesita un frigorífico estándar (de clase energética A) durante un solo día, sería necesario elevar el peso de una furgoneta grande (con el máximo de su carga autorizada) hasta la azotea de una de las “Torres Kio” de Madrid.  

Por lo tanto, parece esperable que la inversión inicial que requerirá una instalación de este tipo será muy cuantiosa, al menos si se pretende que tenga una capacidad de varios MWh (es decir, suficiente para mantener funcionando miles de frigoríficos durante un día). No obstante, ciertos actores como Energy Vault afirman que están en condiciones de lograr un coste de almacenamiento un 40% inferior al de las baterías de litio, generando mucha expectación con sus primeros proyectos pre-comerciales.

En cualquier caso, al igual que sucede en la producción de energía, es muy probable que la solución óptima al problema del almacenamiento energético pase por combinar varias tecnologías, en un “mix” en el que cada una de ellas aporte sus fortalezas para determinadas situaciones o aplicaciones. Y habrá que esperar unos años para saber si las baterías gravitatorias están llamadas a ser parte de esa solución que tanto necesita nuestro planeta.