Crédito: CC0 Dominio público
Desde glaciares que se derriten rápidamente hasta incendios forestales récord, Alaska está sintiendo los efectos del calentamiento global más que la mayoría de los 48 estados contiguos.
Alaska, el estado más grande del país por área, se está calentando más rápido que cualquier otro estado de EE. UU., según el Departamento de Agricultura de EE. UU. Los resultados incluyen erosión costera, mayor daño por tormentas, retirada del hielo marino y derretimiento del permafrost.
El gran tamaño del estado y el paisaje diverso han creado necesidades y desafíos energéticos únicos. Alaska no está conectada a una gran red eléctrica interestatal como la mayoría de los otros estados. Consiste en dos sistemas de transmisión más grandes y más de 150 sistemas pequeños y aislados que sirven a comunidades remotas.
Alaska funciona principalmente con energía basada en combustibles fósiles, que emite el dióxido de carbono que impulsa el cambio climático. El estado obtiene aproximadamente el 30% de su energía de energías renovables, incluidas la eólica, la solar y la hidráulica. Para integrar estas fuentes de energía sin carbono en la red eléctrica a mayor escala, los investigadores están buscando formas rentables de almacenar energía para proporcionar energía constante cuando el sol y el viento son escasos. En Alaska, el sol puede brillar las 24 horas del día en algunos días de verano, y casi nada en invierno.
Investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) realizaron una investigación para determinar el potencial del almacenamiento por bombeo como una forma eficiente de almacenar grandes cantidades de energía y mejorar la resiliencia de la red en Alaska. Como parte del proyecto, Argonne se asoció con el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) del DOE.
Los investigadores de ambos laboratorios colaboraron en el mapeo y el análisis geoespacial para identificar ubicaciones en Alaska que sean adecuadas para una planta de almacenamiento por bombeo. La energía hidroeléctrica de almacenamiento por bombeo proporciona actualmente aproximadamente el 93% de toda la capacidad de almacenamiento de EE. UU. Aproximadamente 1800 sitios en Alaska son adecuados para el desarrollo de proyectos de almacenamiento por bombeo, y muchos más son adecuados para proyectos de almacenamiento por bombeo de ciclo abierto.
A diferencia de la energía hidroeléctrica convencional, la tecnología hidroeléctrica de almacenamiento por bombeo genera electricidad cuando el agua se libera desde el depósito superior a través de turbinas hacia el depósito inferior. Por la noche, cuando la electricidad es más barata y está disponible en abundancia, las turbinas se invierten para bombear agua de regreso al depósito superior elevado. La energía se almacena y libera según sea necesario.
“En Alaska, el almacenamiento por bombeo tiene el potencial de integrar más energía eólica y solar en la red eléctrica al almacenar el exceso de energía renovable para compensar los patrones climáticos estacionales”, dijo Vladimir Koritarov, director del Centro de Análisis de Sistemas Económicos, Ambientales y Energéticos (CEEESA) en la división de Análisis de Infraestructura y Sistemas Energéticos de Argonne. “No esperamos que los proyectos se completen en los 1.800 sitios, pero hay muchos sitios disponibles para desarrollo potencial”.
Junto con la reducción de las emisiones de carbono, la energía renovable puede reducir los costos de electricidad causados por el alto costo del suministro de combustible diesel a áreas remotas de Alaska. La electricidad en Alaska se encuentra entre las más caras del país. Las personas que viven en áreas rurales pagan de tres a cuatro veces más que las personas que viven en las ciudades.
Alaska necesita almacenamiento de energía a corto y largo plazo
Los científicos de Argonne han evaluado el potencial de la energía hidroeléctrica de almacenamiento por bombeo en el sistema Railbelt integrado de Alaska. La red de transmisión incluye cinco servicios públicos regulados que se extienden desde las ciudades de Fairbanks hasta Anchorage y la península de Kenai. Alrededor del 80% de la electricidad de Railbelt proviene del gas natural, que emite dióxido de carbono.
Los investigadores de Argonne crearon modelos detallados utilizando A-LEAF (Argonne Low-Carbon Electricity Analysis Framework), un marco de simulación nacional integrado para las operaciones y la planificación del sistema de energía. Los investigadores examinaron las tendencias pasadas y presentes de transmisión de energía y analizaron el aumento general de la demanda de electricidad previsto para los próximos 25 años. A-LEAF también consideró desmantelar los generadores existentes cuando alcanzaron su vida útil económica.
“Uno de los aprendizajes clave del modelado A-LEAF es que el sistema Railbelt requerirá almacenamiento de energía tanto a corto como a largo plazo en el futuro. Este almacenamiento compensará la variabilidad operativa de la generación eólica y solar y garantizará la confiabilidad y la capacidad de respaldo durante períodos prolongados”, dijo Koritarov.
La energía hidroeléctrica de almacenamiento por bombeo proporciona aproximadamente 10 o más horas de almacenamiento de energía. El estudio mostró que las baterías de iones de litio son adecuadas para el almacenamiento de energía a corto plazo (cuatro horas) en el sistema Railbelt.
Los investigadores de NREL evaluaron áreas remotas de Alaska que funcionan con pequeñas redes eléctricas aisladas, o “microredes”. Utilizando el HOMER (Modelo de Optimización Híbrido para Energías Renovables Eléctricas), los investigadores analizaron la rentabilidad de los proyectos de almacenamiento por bombeo a pequeña escala en comunidades rurales de al menos 250 habitantes. El equipo identificó 18 comunidades remotas con potencial para proyectos más pequeños de almacenamiento por bombeo. Las comunidades cumplieron con una serie de criterios, incluido el tamaño de la población.
Los investigadores descubrieron que, en la mayoría de los casos, el almacenamiento por bombeo puede no ser económicamente factible en áreas remotas debido al alto costo de capital de los pequeños proyectos de almacenamiento por bombeo. El almacenamiento de baterías de iones de litio puede ser más viable económicamente en áreas rurales que buscan reducir los costos de electricidad, pero no proporcionará un almacenamiento económico a largo plazo.
“Además de identificar comunidades remotas con recursos óptimos y características de almacenamiento por bombeo, el estudio incluyó un análisis de sensibilidad del costo de capital y el precio del diésel del almacenamiento por bombeo”, dijo Rebecca Meadows, ingeniera sénior de NREL.
“El objetivo era determinar cuándo los proyectos hidroeléctricos de almacenamiento por bombeo distribuido podrían volverse económicamente viables. Para comunidades remotas más grandes con costos de diesel más altos, los resultados mostraron que el almacenamiento por bombeo podría ser una opción viable según las consideraciones específicas del sitio, como los recursos renovables y la viabilidad”.
Ejecución de proyectos de centrales eléctricas de bombeo
Además de validar el uso del almacenamiento por bombeo como una tecnología viable para reducir las emisiones de carbono, el estudio Argonne-NREL ofrece orientación para desarrollar políticas y regulaciones de energía limpia y tomar decisiones de inversión.
Dichos proyectos también pueden inyectar dólares en la economía de Alaska. Los desarrolladores ya están preguntando sobre el desarrollo potencial de almacenamiento por bombeo en el estado, dijo Koritarov.
Argonne, que aportó una amplia experiencia al proyecto, estuvo dirigida por un Guía patrocinada por DOE 2021 cómo evaluar proyectos de plantas de energía de almacenamiento por bombeo.
El estudio Argonne-NREL se llevó a cabo como parte de la iniciativa HydroWIRES (Innovación del agua para un sistema eléctrico resistente) del DOE para comprender, permitir y mejorar la contribución de la energía hidroeléctrica y el almacenamiento por bombeo a la confiabilidad, la resiliencia y la integración en el sistema eléctrico estadounidense en rápida evolución.
Más información:
Vladimir Koritarov et al., Las perspectivas de la energía hidroeléctrica de almacenamiento por bombeo en Alaska, (2023). DOI: 10.2172/1987825. publicaciones.anl.gov/anlpubs/2023/07/183313.pdf