Energy Storage: Present or Future?

Every time we talk about renewable energy we end up in the same conundrum: offices work during office hours, factories work according to their own schedules and, in our homes, we want light as soon as we hit the switch. This means a permanent and consistent energy supply. Even if Nature covers the first characteristic, it sure doesn’t cover the second as the below charts clearly demonstrate.

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Solar and eolic energy production in Spain in the period 2014-16 (source: e-sios/ REE)

This variability makes it a necessity for all Transmission System Operators (TSO), i.e. the companies that manage the energy grids such as the REE in Spain, to always rely on a backup from regulatable energy sources (which right now means nuclear centrals or combustion engines).

Therefore, any sort of transition into a CO2-free energy economy, will require the introduction of large-scale storage mechanisms to work in conjunction with energy generation (especially if we consider the future impact of distributed generation, as we’ve discussed in the past here), in order to give us, not just the exact amount of energy we want, but as importantly: when and where we want it.

But what exactly are we storing?

As you well know, we use electricity to power almost everything. A good example is a hair dryer: once you switch it on you create a difference of potential (a sort of an “electric vacuum”) which turns the potential energy waiting in your house’s wiring into a current of moving electrons. The energy contained in these moving particles generates a magnetic field (that in turn generates the force) that moves the fan, but it also generates heat (by being moved through a highly resistive wire) and also the light that tells you the hair drier is on (photons from an LED). Noticed that word: “potential”? That word is one of the keys to solving the vast majority our energy problems in a CO2–free economy.

The subject of energy if profound. It’s part of myth, philosophy and underpins all the theories of natural sciences. From what we know, Energy is… everything. There’s no context-free definition for it, but so far we do know that natural laws prevent us from creating it. All we do is make it change “form” or simply transfer it from one particle/body to another. By that time-changing process we measure it – whether it’s through “work” or “heat flux” – and by it we also generate electricity.

But what happens when there’s nothing moving? If I just said that I cannot create energy, yet when I connect the hair drier things happen, that must mean that energy is actually waiting somewhere. That “energy-in-waiting” is called “potential energy” (because it has the potential to do things) and it can take many forms. It may reside in the chemical bonds of the substances contained in your typical car battery (lead and acid), in the weight of the water behind a dam’s wall or in the particles that compose matter itself (nuclear energy).

So, if we want to turn the volatile renewable energy supply into a constant electrical supply, all we have to do is change the kinetic energy of the moving wind into potential energy. We could use batteries, but even though the cost of a battery dropped a lot in recent years, they are expensive and pollutant so they remain in the realm of small things (such as electric cars and mobile phones).To ensure there are no misconceptions, we’ll call these alternatives by the more generic term of “accumulator.

How do they work?

Nowadays the best example of an “accumulator” is pumped-storage hydropower (PSH). This system uses two water reservoirs at different heights to store energy: a large dam and a smaller reservoir. Water flows into the lower reservoir to generate electricity (at a controlled rate) during peak (expensive) hours and is pumped up again to the upper reservoir at cheaper hours, usually the ones where most wind energy (unregulated) is present. A working example of this technology is Iberdrola’s “La Muela”: the largest PSH complex in Spain and Europe. La Muela I (seen in the image below) provided Spain with 630MW of hydropower and 555MW of PSH, but the complex was overhauled in 2013 with La Muela II, a completely underground system, that increased the central’s output to 1,77GW of hydropower and 1,28GW of PSH.

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Aerial image of Iberdrola’s Cortes-La muela hydropower complex in Valencia, Spain. source: El Pais

But is this the only method? Definitely no! Apart from PSH (and excluding batteries) there are four other main methods which show promise (some are already in use).

Thermal Energy Storage (TES)

This term actually encompasses a very broad range of technologies and systems, designed for all sorts of applications. Nevertheless, they all share the same common background: they temporary store energy in the form of heat and release it at a time of our convenience.

A famous application is molten salt: in some thermal solar plants the excess energy produced during peak sunlight is used to melt salt, which is stored in reservoirs, so that the plant can produce steam later in the day (and even during the night) when (obviously) there’s no sunlight available. This can increase immensely a plant’s efficiency.

The main reference facility in the domain of thermal solar plants with storage is Soltar Reserve’s Crescent Dunes plant, in Nevada (US), which has an ouput of 110MW. Spain was a pioneer of this system since 2011, with Gemasolar operated by Terrasol Energy. This central in Andalusia has a power output of 19MW and can generate power for 15h without any direct sunlight.

Compressed Air Energy Storage (CAES)

These plants are much like PSH plants conceptually, but instead of relying on the weight of water, they rely on the pressure of air. Ambient air is compressed and stored under pressure in an underground reservoir (usually a cavern to keep projects affordable). When electricity is required, the pressurized air is heated and expanded in an expansion turbine driving a generator for power production. The heating is done using a natural gas turbine, a recuperator or by creating a hybrid system (by merging it with a thermal storage system).

Hydrostor, a Canadian company in partnership with AECOM, is leading the implementation of this technology, both on sea and land. Just some days ago it introduced their most recent system which (they claim) can compete with natural gas plants. It already has a pilot project running for the Utilities Company Toronto Hydro.

Flywheel Energy Storage Systems (FESS)

Flywheels store energy in the form of motion, in this case the motion of a spinning mass, called a rotor. The rotor (a massive rotating cylinder) spins in a vacuum to (almost) eliminate drag, and is usually mounted on magnetically levitated bearings to ensure the movement is almost frictionless. The inertia of its movement allows for it to continue spinning, even without power, which is to produce electricity.

Right now the company Temporal Power claims to create the most powerful flywheels in the world with 500kW of output per flywheel.

Gravitational Energy Storage (GES)

This system generates electricity by releasing a heavy cargo from a certain height when required. The cargo is moved upwards and downwards at will and uses regenerative braking (usual on electric vehicles, such as trams) to convert the energy of braking to electricity. These systems are very interesting because they have a very fast response (or discharge) time if required, but can be regulated as well. They also (in theory) are several times cheaper than the previously mentioned systems.

A leading company in this field is Ares, which claims it costs 40% less than PHS and is more efficient. The system is composed of a single uphill track with a central queue of shuttle-trains, loaded with concrete blocks, which travel up and down. It operates a 55MW facility in Nevada.

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Storage technologies comparison. Source: ARES

Where do we go from here

In February 2017 the European Commission published a document outlining the role of energy storage in relation to electricity, presenting different technologies and discussing policy approaches.

Nevertheless, we cannot forget that some storage systems (particularly the PSH) take up a lot of electricity as well and therefore, in times of expensive electricity, the energy they deploy to the grid can be, not just more expensive than usual, but even more expensive than thermal coal and far more than natural gas.

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Hours in which PSH and Thermal Coal market the daily price of electricity in the Iberian Market, distributed by price range. Source: OMIE

Even so, the price of a CO2-free energy economy is not just measured in money, but in the end result for us as a Civilization. I, for one would gladly pay more for storage generated power (in the existing marginalist market) if that is what’s required to boost renewable energy investment and sustainability.

Hugo Martins | Analyst


 

Almacenamiento de Energía: ¿ Presente o Futuro ?

Siempre que hablamos de energía terminamos con el mismo rompecabezas: las oficinas trabajan en horario de oficina, las industrias operan de acuerdo a sus propios horarios de producción y, en nuestras casas, queremos luz tan pronto como encendemos el interruptor. Esto implica que necesitamos un suministro de energía permanente y consistente. Aunque la Naturaleza cumpla el primer requisito sin problema, obviamente no cumple el segundo tal y cómo los gráficos demuestran abajo claramente.

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Solar and eolic energy production in Spain in the period 2014-16 (source: e-sios/ REE)

Esta variabilidad crea la necesidad a todos los Operadores de Sistemas de Transmisión (TSO), i.e. las empresas que gestionan las redes de distribución como es el caso de REE en España, de siempre mantener un soporte basado en fuentes energéticas regulables (que ahora mismo es lo mismo que decir centrales nucleares o motores de combustión interna).

Por lo tanto, cualquier transición hacia una economía energética libre de CO2, necesitará la introducción de sistemas de almacenamiento de energía a larga escala que trabajen en conjunto con los sistemas de generación (particularmente si consideramos el impacto futuro de la generación distribuida, como hemos discutido en el pasado aquí), para que tengamos, no solo la cantidad exacta de energía que necesitamos pero igualmente importante: cuando y donde la necesitamos.

Pero exactamente ¿qué estamos almacenando?

Como bien sabes, utilizamos electricidad para alimentar casi todo. Un buen ejemplo es un secador de pelo: cuando lo enciendes creas una diferencia de potencial (una especie de “vacío eléctrico”) que transforma la energía potencial que se encuentra esperando en el cableado de tu casa en una corriente de electrones en movimiento. La energía contenida en estas partículas en movimiento genera un campo magnético (que por su vez genera la fuerza) que hace mover el ventilador, pero también genera calor (al moverse por hilo conductor altamente resistivo) y hasta la luz que te indica que el secador se encuentra encendido (fotones del LED). ¿Has reparado en la palabra: “potencial”?

Esa palabra es una de las claves para solventar la mayoría de los problemas que llevan a un futuro energético sin CO2.

El tema de la energía es algo profundo. Energía es parte de mitos, filosofía y consolida todas las teorías de las ciencias naturales. Por lo que sabemos, Energía es… todo. Asimismo, no hay ninguna definición libre de contexto para ella, lo que sí sabemos es que las leyes naturales nos impiden crearla. Todo lo que hacemos es hacerla cambiar de “forma” o simplemente transferirla de una partícula/cuerpo a otra/o. Con este cambio, a lo largo del tiempo, la medimos ya sea a través de “trabajo” o “flujo de calor” – lo que nos permite generar electricidad.

¿Pero qué pasa cuando no hay nada moviéndose? Si yo acabo de decir que no puedo crear energía pero, si conecto mi secador de pelo pasan cosas, esto tiene que significar que hay energía esperando en algún lugar. Esta “energía en espera” se llama “energía potencial” (precisamente porque tiene el potencial para hacer cosas) y puede asumir muchas formas. Puede residir en las ligaciones químicas entre las substancias contenidas en una típica batería de coche (plomo y ácido), en el peso del agua detrás de una presa o en las partículas que constituyen los propios átomos (energía nuclear).

Por lo tanto, si queremos transformar las volátiles formas de energía renovable en un suministro eléctrico constante, todo lo que tenemos que hacer es transformar la energía cinética del viento (aire en movimiento) en energía potencial. Podríamos utilizar baterías pero, aunque su coste haya bajado enormemente en los últimos años, siguen siendo caras y contaminantes, por ende siguen en el reino de las pequeñas cosas (como coches eléctricos o teléfonos móviles). Para evitar confusiones, llamaremos a estas alternativas a las baterías por el nombre más genérico de “acumulador”.

¿Cómo funcionan?

Hoy en día el mejor ejemplo de un “acumulador” son las centrales hidroeléctricas reversibles (PSH). Este sistema utiliza dos depósitos de agua a diferentes alturas para almacenar energía: una presa grande y una reserva más pequeña. El agua fluye hacia el embalse inferior para generar electricidad (regulable) durante las horas pico (costosas) y se bombea de nuevo al embalse superior a horas más baratas, generalmente aquellas donde la energía eólica (no regulable) es predominante. Un ejemplo práctico de esta tecnología es “La Muela” de Iberdrola: el mayor complejo PSH de España y Europa. La Muela I (vista en la imagen de abajo) suministraba a España 630MW de energía hidroeléctrica y 555MW de PSH, pero el complejo fue reacondicionado en 2013 con La Muela II, un sistema completamente subterráneo, que incrementó la producción de esta central a 1,77GW de energía hidroeléctrica y 1,28GW de PSH.

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Aerial image of Iberdrola’s Cortes-La muela hydropower complex in Valencia, Spain. source: El Pais

¿Pero es éste el único método? ¡Definitivamente no! Aparte del PSH (y excluyendo las baterías) hay otros cuatro métodos principales que son prometedores (algunos ya se encuentran implementados en larga escala).

Almacenamiento de energía térmica (TES)

Este término en realidad abarca una gama muy amplia de tecnologías y sistemas, diseñados para todo tipo de aplicaciones. Sin embargo, todos comparten el mismo fondo común: almacenan temporalmente energía bajo la forma de calor y la liberan en un momento de nuestra conveniencia.

Una aplicación famosa es la sal fundida: en algunas plantas solares térmicas, el exceso de energía producido en horas de producción de pico se utiliza para fundir sal, que se almacena en reservatorios, de modo que la planta puede producir vapor más tarde , no solo durante el día sino incluso durante la noche cuando (obviamente) no hay luz solar disponible. Esto puede aumentar enormemente la eficiencia de una planta.

La principal instalación de referencia en el campo de las plantas solares térmicas con almacenamiento es la planta Crescent Dunes de la empresa Solar Reserve, en Nevada (EE.UU.), que cuenta con una potencia de 110MW. España fue pionera en este sistema en 2011, con Gemasolar, una planta operada por Torresol Energy. Esta central solar en Andalucía tiene una potencia de 19MW y puede generar energía durante 15h sin luz solar directa.

Almacenamiento de Energía de Aire Comprimido (CAES)

Conceptualmente, estas plantas se parecen mucho a las plantas PSH, pero en lugar de depender del peso del agua, dependen de la presión del aire. El aire ambiente se comprime y se almacena bajo presión en una reserva subterránea (en teoría una caverna para mantener los proyectos asequibles). Cuando se requiere electricidad, el aire a presión se calienta y se expande en una turbina de expansión que conduce un generador para la producción de energía. El calentamiento se realiza mediante una turbina de gas natural, un recuperador o mediante la creación de un sistema híbrido (fusionándolo con un sistema de almacenamiento térmico como el comentado anteriormente).

Hydrostor, una empresa canadiense en asociación con AECOM, está liderando la implementación de esta tecnología, tanto en el mar como en tierra. Hace apenas unos días introdujo su sistema más reciente que (según ellos) puede competir con las plantas de gas natural. Ya cuentan también con un proyecto piloto para la empresa de servicios públicos Toronto Hydro.

Sistemas de almacenamiento de energía por volante de inercia (FESS)

Los volantes almacenan energía de forma mecánica, en este caso mediante el movimiento de una masa giratoria, llamada rotor. El rotor (un cilindro giratorio masivo) gira en un ambiente casi sin presión (en vacío) para eliminar la resistencia del aire, y generalmente se monta sobre cojinetes levitados magnéticamente para asegurar que el movimiento se hace también casi sin fricción. La inercia de su movimiento le permite seguir girando por bastante tiempo, generando electricidad.

En este momento, la empresa Temporal Power afirma crear los volantes de inercia más potentes del mundo con 500kW de potencia por volante.

Almacenamiento de energía gravitacional (GES)

Este sistema genera electricidad liberando una carga pesada desde cierta altura cuando se requiere. La carga se mueve hacia arriba y hacia abajo a voluntad y utiliza frenado regenerativo (común en vehículos eléctricos, como tranvías) para convertir la energía cinética perdida en el frenado en electricidad. Estos sistemas son muy interesantes porque tienen una respuesta (o tiempo de descarga) muy rápida si es necesario, pero también pueden ser regulados. También (en teoría) son varias veces más baratos que los sistemas mencionados anteriormente.

Una empresa líder en este campo es Ares, que afirma que cuesta un 40% menos que PHS y es más eficiente. El sistema se compone de una sola pista cuesta arriba con una cola central de trenes lanzadera, cargados con bloques de hormigón, que viajan hacia arriba y hacia abajo. Opera una instalación de 55MW en Nevada.

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Storage technologies comparison. Source: ARES

A dónde vamos desde aquí

En febrero de 2017, la Comisión Europea publicó un documento en el que describía el papel del almacenamiento de energía para este fin, presentando diferentes tecnologías y debatiendo los posibles enfoques políticos.

Sin embargo, no podemos olvidar que algunos sistemas de almacenamiento (particularmente el PSH) también consumen mucha electricidad y, por lo tanto, en tiempos de electricidad costosa, la energía que despliegan en la red puede ser, no sólo más cara que lo normal, sino incluso más cara que el carbón térmico y mucho más que el gas natural.

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Hours in which PSH and Thermal Coal market the daily price of electricity in the Iberian Market, distributed by price range. Source: OMIE

Aun así, el precio de una economía de energía libre de CO2 no se mide sólo en dinero, sino en el resultado final para nosotros como Civilización. Yo, por ejemplo, estaría dispuesto a pagar más por la energía generada por el almacenamiento (en el mercado marginalista existente) si eso es lo que se requiere para impulsar la inversión en energía renovable y su sostenibilidad.

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