Llegar al 100% de energías renovables requiere un almacenamiento de energía barato. ¿Pero qué tan barato?

Fuente: https://www.vox.com/

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Uno de los debates más acalorados e interesantes en el mundo de la energía hoy en día tiene que ver con cuán lejos puede llegar Estados Unidos solo con energía renovable libre de carbono.

Una facción cree que las energías renovables pueden suministrar el 100 por ciento de la energía de los EE. UU., Con suficiente ayuda del almacenamiento de energía barato y la gestión inteligente de la demanda.

Otra facción cree que las energías renovables finalmente se quedarán cortas y necesitarán asistencia de energía nuclear y gas natural o biomasa con captura y almacenamiento de carbono .

Esta guerra se libra en gran medida detrás de escena en documentos académicos competidores, pero es muy relevante para los eventos actuales, ya que una gran cantidad de estados y ciudades están aprobando leyes que apuntan a «energía 100 por ciento limpia». Algunos, como Hawai, apuntan específicamente al 100 por ciento energías renovables Algunos, como el estado de Washington , apuntan al 100 por ciento «limpio», dejando espacio para fuentes no renovables.

¿Qué objetivo es más realista y prudente? ¿Hasta dónde pueden llegar las energías renovables?

En el centro del debate está el simple hecho de que las dos mayores fuentes de energía renovable, la eólica y la solar, son «variables». Van y vienen con el clima y la hora del día. No son » despachables » , lo que significa que no se pueden encender y apagar, ni subir y bajar, según las necesidades de la red. No se ajustan a la cuadrícula; la cuadrícula se ajusta a ellos.

Eso significa que una red con muchas energías renovables necesita mucha flexibilidad, muchas formas diferentes de suavizar y equilibrar las fluctuaciones de la energía eólica y solar. Cuando las personas predicen que las energías renovables no alcanzarán el 100 por ciento, lo que predicen es que no podremos encontrar suficiente flexibilidad para acomodarlas (al menos no lo suficientemente rápido). Requerirán «reafirmación» de fuentes despachables, no renovables.

Hay muchas fuentes de flexibilidad de la red, pero la que parece tener el mayor potencial y está cargada de las mayores esperanzas es el almacenamiento de energía . Para una primera aproximación, la cuestión de si las energías renovables podrán llegar al 100 por ciento se reduce a la cuestión de si el almacenamiento será lo suficientemente barato. Con un almacenamiento lo suficientemente barato, podemos agregar una tonelada a la red y absorber casi cualquier fluctuación.

¿Pero qué tan barato es lo suficientemente barato?

Esa pregunta es el tema de una nueva investigación fascinante de un laboratorio del MIT dirigido por la investigadora Jessika Trancik (he escrito sobre el trabajo de Trancik antes ), recién publicado en la revista Joule.

Para estropear el final: La respuesta es $ 20 por kilovatio hora en costos de capacidad energética. Así es como debería tener un almacenamiento barato para que las energías renovables lleguen al 100 por ciento. Eso es alrededor de una caída del 90 por ciento de los costos actuales. Si bien eso está completamente dentro del ámbito de lo posible, existe un amplio desacuerdo sobre cuándo podría suceder; pocos lo esperan para 2030.

Sin embargo, hay giros y vueltas en este cuento, y un final más feliz de lo que podría indicar ese resumen. Miremos más de cerca.

Poner el almacenamiento de energía a prueba

En un giro inteligente en el enfoque de modelado tradicional, que busca el camino óptimo de costo para la descarbonización, dado un conjunto particular de supuestos de demanda y costo de tecnología, el equipo de Trancik comienza construyendo un escenario en el que la energía renovable y el almacenamiento proporcionan el 100 por ciento de los EE. UU. energía y luego pregunta: ¿Qué tan barato tendría que ser el almacenamiento para que esta sea la opción más barata?

No establecieron un objetivo fácil. La mayoría de los modelos de energía renovable coinciden con el rendimiento de una combinación de recursos contra uno o dos años de datos meteorológicos sobre la disponibilidad de energía solar y eólica en ubicaciones particulares. El equipo de Trancik eligió cuatro ubicaciones (Arizona, Iowa, Massachusetts y Texas) y recopiló 20 años de datos sobre ellas.

Es importante probar la energía renovable durante períodos de tiempo más largos. Además de las fluctuaciones diarias y semanales en la energía solar y eólica, puede haber fluctuaciones anuales o incluso multianuales. Y, de hecho, al mirar hacia atrás durante más de 20 años, el equipo descubrió varios eventos raros en los que la energía eólica y solar fueron inusualmente bajas durante un tiempo inusualmente largo. Estos eventos raros representan un aumento en la cantidad de almacenamiento necesario. Planificarlos aumenta sustancialmente el costo de un sistema de energías renovables puras.

Para cada uno de los cuatro estados, el equipo de Trancik modeló un sistema de almacenamiento renovable + que tiene un «factor de disponibilidad equivalente» (EAF) del 100 por ciento. Eso significa que el sistema igualaría con precisión la oferta con la demanda, proporcionando una carga base, una potencia intermedia y pico, dadas las condiciones de disponibilidad de recursos del mundo real, en cada hora de cada día, durante 20 años.

(En realidad, hicieron múltiples escenarios por estado: solo solar, solo viento, una mezcla optimizada de viento solar, y todos aquellos con dos niveles diferentes de tecnologías de almacenamiento. Estoy tratando de mantenerlo simple).

Esa es una barra alta: suficiente almacenamiento para acomodar cualquier posible fluctuación del viento y la energía solar durante dos décadas.

El resultado básico es que los costos de capacidad de energía de almacenamiento tienen que caer a alrededor de $ 20 por kilovatio hora para que un sistema de almacenamiento de energías renovables + sea competitivo en la tarea de proporcionar el 100 por ciento de la energía de los EE. UU.

Eso es un promedio. Aquí están los detalles sangrientos:

Una combinación de energía eólica y solar de costo óptimo con almacenamiento alcanza la competitividad de costos con una planta de fisión nuclear que proporciona electricidad de base a un costo de $ 0.075 / kWh a un costo de capacidad de almacenamiento de energía de $ 10-20 / kWh. Para alcanzar la competitividad de costos con una planta de gas natural más alta a $ 0.077 / kWh, los costos de la capacidad de almacenamiento de energía deben caer por debajo de $ 5 / kWh (a un costo de capacidad de energía de almacenamiento de $ 1,000 / kW). Para proporcionar electricidad de carga básica, intermedia, bipeaker y pico a $ 0.10 / kWh con una combinación óptima de energía solar-eólica, los costos de capacidad de almacenamiento de energía deben alcanzar aproximadamente $ 30–70 / kWh, $ 30v90 / kWh, $ 10–30 / kWh y $ 10– 30 / kWh respectivamente.

Estos son objetivos de costos extremadamente desalentadores, no fuera del ámbito de la posibilidad, sino más allá del límite de la mayoría de las proyecciones convencionales. (Discutiremos qué tipo de tecnologías de almacenamiento podrían cumplir ese objetivo en un momento).

En la superficie, esto podría parecer la confirmación de que un sistema de almacenamiento totalmente renovable + no es realista, que se basa en caídas fantásticas en los costos de la tecnología.

Pero arañe un poco más y las noticias para los fanáticos de las energías renovables se ven mucho mejor.

El almacenamiento probablemente puede ganar mucho antes de alcanzar el objetivo de $ 20 / kWh

Como dije, estos investigadores establecieron una barra extremadamente alta: un sistema con energía totalmente renovable, con flexibilidad manejada completamente por almacenamiento, adecuado para satisfacer la demanda a cada hora de cada día durante 20 años.

Suavizar cualquiera de estas restricciones incluso un poco y el objetivo de costo que debe cumplir el almacenamiento se eleva a algo mucho más manejable.

Primero y más notablemente, afloje la cantidad de tiempo que el sistema debe satisfacer la demanda y las cosas se vuelven mucho más fáciles de almacenar. Y un EAF 100 por ciento es un poco loco de todos modos; el sistema de energía existente no está activo y disponible el 100 por ciento del tiempo. Hay apagones y apagones, después de todo. Ningúnsistema de energía es 100 por ciento confiable.

El equipo de Trancik descubrió que si el objetivo de EAF se reduce del 100 al 95 por ciento, el objetivo de costo que debe alcanzar el almacenamiento aumenta a $ 150 / kWh. (Más específicamente, reducir el EAF redujo el costo total del almacenamiento de energía en un 25 por ciento para el primer nivel de tecnologías de almacenamiento y 48 por ciento para el segundo nivel). Esa es una cifra mucho más manejable, al alcance de las tecnologías existentes.

¿Por qué bajar tan poco el EAF alivia la presión sobre el almacenamiento? La explicación está en esos raros eventos meteorológicos de viento y sol bajos prolongados. No ocurren a menudo durante un período de 20 años, pero construir suficiente almacenamiento para lidiar con ellos cuando suceden hace que el último porcentaje de EAF sea exponencialmente más caro. Reducir el EAF al 95 por ciento es decir, «algo más puede manejar esos eventos raros». (En cuanto a qué podría ser ese algo, lo discutiremos más adelante).

Segundo, recuerde, el equipo está modelando un sistema en el que el almacenamiento está haciendo casi todo el trabajo de flexibilidad. De hecho, hay otras fuentes de flexibilidad de la red . Mi candidato favorito para la flexibilidad del caballo oscuro es la » flexibilidad de carga » , programas del lado de la demanda que pueden cambiar el consumo de energía a tiempo. Otra fuente de flexibilidad es la transmisión de larga distancia mejorada , para transportar energía renovable desde las regiones que la producen a las regiones que la necesitan. Otro son las energías renovables despachables como la hidroeléctrica de pasada y la geotérmica avanzada.

Todas esas fuentes de flexibilidad crecerán y ayudarán a suavizar las energías renovables. El almacenamiento no tendrá que hacer todo el trabajo por sí solo. Eso también debería aliviar la presión sobre los precios.

Tercero, un sistema de almacenamiento de energías renovables también se vuelve más fácil si las energías renovables sevuelven más baratas. Los números que usa el equipo de Trancik para las energías renovables son bastante conservadores. (Por ejemplo, los costos solares de $ 1 / vatio ya están siendo superados rutinariamente en los EE. UU.) Si la energía renovable continúa desafiando las expectativas y se desploma en el costo, sería más barato y más fácil sobredimensionar las energías renovables y reducir el exceso de energía. Eso a su vez aliviaría la presión sobre el almacenamiento.

En resumen, el objetivo principal de costo de $ 20 / kWh para el almacenamiento de energía es casi seguramente más estricto de lo que se requerirá en el mundo real. Incluso el objetivo de $ 150 / kWh requerido para un EAF del 95 por ciento es probablemente demasiado estricto. En el mundo real, el almacenamiento será asistido por otras formas de flexibilidad de la red, como la transmisión a larga distancia, la flexibilidad de la carga y las microrredes, junto con reformas regulatorias y legislativas. Y las energías renovables probablemente continuarán siendo más baratas más rápido de lo que nadie predice.

Entonces llamemos al objetivo $ 150- $ 200, o por ahí. ¿Puede el almacenamiento golpear eso?

El almacenamiento de energía se está desarrollando rápidamente y a una distancia sorprendente de los costos de transformación.

Hay dos características clave de una tecnología de almacenamiento: capacidad de potencia y capacidad de energía. Hablando en términos generales, la capacidad de potencia se refiere a qué tan rápido puede obtener energía de ella, medida en kW; La capacidad de energía se refiere a la cantidad de energía que puede almacenar en ella, medida en kWh. Cada uno tiene un precio por separado, costos de capacidad de energía y costos de capacidad de energía. Este último es el número que hemos estado usando para objetivos (explicaré por qué en un segundo).

¿Recuerdas cómo el estudio divide las tecnologías de almacenamiento en dos niveles? Las tecnologías de nivel uno se modelaron con altos costos de capacidad de energía ($ 1,000 / kW) y bajos costos de capacidad de energía ($ 20 / kWh). Incluyen cosas como hidro bombeado, almacenamiento de aire comprimido (CAES) y algunas baterías de flujo propuestas, que utilizan elementos baratos y abundantes disueltos en grandes volúmenes de agua para almacenar energía. Tienden a tener una densidad de energía más baja que las tecnologías de nivel dos, pero debido a sus bajos costos de capacidad de energía, son buenos para el almacenamiento a la red a largo plazo.

Las tecnologías de nivel dos se modelaron con costos de capacidad de energía relativamente más bajos ($ 700 / kW) y costos de capacidad de energía más altos ($ 150 / kWh). Incluyen cosas como baterías de iones de litio más avanzadas, otras químicas de baterías, volantes y supercondensadores que son más adecuados para aplicaciones de alta potencia de corta duración como, por ejemplo, vehículos o electrodomésticos.

El costo global nivelado de almacenamiento de energía (LCOSE) en el sistema «muestra una mayor sensibilidad a los costos de capacidad de energía de almacenamiento que a los costos de capacidad de energía de almacenamiento», principalmente porque los sistemas de tamaño óptimo necesitan mucho almacenamiento, suficiente para funcionar entre 6 y 180 horas a la vez, dependiendo del sistema y la ubicación. Eso significa que los bajos costos de capacidad energética del almacenamiento a largo plazo son apreciados; Es por eso que se utilizan en el estudio como objetivos.

Entonces, con esta información en nuestro bolsillo trasero, echemos un vistazo a cómo van las tecnologías de almacenamiento (esto vale una publicación mucho más larga, pero consideremos esto como una instantánea). Recuerde, en el mundo real, el almacenamiento competirá con otras fuentes de flexibilidad de la red, incluidas las fuentes no renovables como el gas nuclear y natural con CCS.

¿Puede el almacenamiento superarlos?

Un informe de 2017 de la Agencia Internacional de Energías Renovables (IRENA) contiene algunas proyecciones interesantes.

Se espera, para 2030, «una caída en el costo total de instalación de las baterías de iones de litio para aplicaciones estacionarias entre USD 145 por kilovatio-hora (kWh) y USD 480 / kWh, dependiendo de la química de la batería». Hey, $ 145 está bien dentro de nuestro rango objetivo!

No obstante, las baterías de iones de litio son limitadas. Los investigadores generalmente tratan los costos de las materias primas de una tecnología de almacenamiento como el límite más bajo posible de sus costos totales. Los costos de fabricación y transporte pueden reducirse con escala, pero los costos de los materiales son obstinados, y los materiales involucrados en las baterías de iones de litio por sí solos son lo suficientemente costosos que probablemente nunca lleguen a $ 20 / kWh. Sin embargo, en el rango de $ 150, eso es factible.

(Una posibilidad interesante: pronto habrá vatios de baterías de vehículos eléctricos desechados, cada uno con capacidad de energía restante. Hay esfuerzos en marcha para agruparlos como almacenamiento en la red , con LCOSE potencialmente extremadamente bajo. Un área para observar).

¿Qué hay de las baterías de flujo? «Las dos tecnologías principales de batería de flujo – flujo redox de vanadio y flujo de bromo de zinc – tuvieron un costo total de instalación en 2016 de entre USD 315 y USD 1,680 / kWh», informa IRENA. «Para 2030, se espera que el costo se reduzca a entre USD 108 y USD 576 / kWh». Sí, $ 108 está dentro de nuestro rango objetivo. (Tenga en cuenta que hay compañías de baterías de flujo que ya afirman superar eso).

Las baterías de alta temperatura de azufre de sodio (NaS) y cloruro de níquel de sodio han existido por un tiempo, pero también se espera que sean mucho más baratas. «Se podrían lograr reducciones de costos de hasta el 75% para 2030, con un costo de instalación de la batería NaS que disminuya a entre USD 120 y USD 330 / kWh», dice IRENA. «En paralelo, el costo de instalación de energía de la batería de alta temperatura de cloruro de níquel y sodio podría caer de los actuales USD 315 a USD 490 / kWh a entre USD 130 y USD 200 / kWh para 2030». De nuevo, en el extremo inferior, bueno dentro de nuestro rango objetivo.

Los costos de CAES son extremadamente específicos del sitio, ya que dependen de un depósito en el que bombear el aire. «Se estima que el costo de instalación típico es de aproximadamente USD 50 / kWh», dice IRENA, «posiblemente cayendo a USD 40 / kWh si hay un depósito existente disponible».

Luego están las opciones de almacenamiento térmico, como la opción cada vez más popular de almacenar electricidad como calor en sal fundida, con reclamos de costos de capacidad de energía tan bajos como $ 50 / kWh.

Y hay un gran trabajo en torno a una serie de nuevas tecnologías prometedoras.

Hay mucho interés en las baterías de flujo que usan azufre, principalmente porque los costos de los materiales son increíblemente bajos, este documento los coloca en $ 1 / kWh, lo que abre la posibilidad de almacenamiento de alto volumen, a pesar de que la densidad de energía puede ser baja y El poder en sí es caro. Uno de los autores de ese artículo, el profesor del MIT Yet-Ming Chiang, cofundó una nueva y exitosa startup llamada Form Energy que busca explícitamente el almacenamiento de larga duración.

Otra nueva empresa, Antora, ha desarrollado un sistema de almacenamiento térmico extremadamente barato: almacena energía como calor en materias primas de bajo costo y la convierte de nuevo en electricidad con un motor de calor termo-fotovoltaico, que según afirma vendrá a menos de $ 10 / kWh.

Otra startup, e-Zn , tiene una celda electroquímica, como una batería, pero con un giro . La energía se almacena como zinc metálico en una cámara entre las secciones de carga y descarga; Es estable y puede almacenarse durante largos períodos de tiempo. Su operación mecánica simple y materiales baratos lo convierten en un contendiente para el almacenamiento a largo plazo.

Podría continuar para siempre, estoy seguro de que recibiré docenas de correos electrónicos de compañías que dejé afuera, pero el punto es que hay disponible una cartera completa de opciones de almacenamiento, con muchas más opciones en desarrollo, muchas de las cuales se puede esperar razonablemente que ponerse dentro del rango de costos que el equipo de Trancik dice que puede permitir que las energías renovables alcancen un EAF del 95 por ciento.

El almacenamiento está evolucionando rápidamente, diversificándose y cayendo en costos, hasta el punto de que las plantas de energía eólica y solar junto con el almacenamiento están comenzando a competir directamente con las plantas de energía de combustibles fósiles en el costo. Eso solo se acelerará a medida que las energías renovables y el almacenamiento se vuelvan más baratos. Proporcionar toda la energía de EE. UU., Todo el día todos los días, requerirá un gran tamaño de energías renovables e instalar una enorme cantidad de almacenamiento, pero si se vuelven lo suficientemente baratas, eso es lo que haremos.

Para decirlo más claramente: una red de energía de EE. UU. Funciona completamente con energía renovable (al menos el 95 por ciento del tiempo), apoyándose principalmente en el almacenamiento de energía para proporcionar flexibilidad de red, puede ser más realista y más cercano de lo que la sabiduría convencional tiene .