El almacenamiento de energía criogénica ( CES ) es el uso de líquidos de baja temperatura ( criogénicos ), como aire líquido o nitrógeno líquido, para almacenar energía. [1] [2] La tecnología se utiliza principalmente para el almacenamiento de electricidad a gran escala . Después de las plantas de demostración a escala de red, ahora se está construyendo una planta comercial de 250 MWh en el Reino Unido y se planea un almacenamiento de 400 MWh en los EE. UU.
Cuando es más barato (normalmente por la noche), se utiliza electricidad para enfriar el aire de la atmósfera a -195 °C mediante el ciclo de Claude hasta el punto en que se licua. El aire líquido, que ocupa una milésima parte del volumen del gas, se puede mantener durante mucho tiempo en un gran matraz de vacío a presión atmosférica . En momentos de gran demanda de electricidad , el aire líquido se bombea a alta presión a un intercambiador de calor , que actúa como caldera. El aire de la atmósfera a temperatura ambiente, o el agua caliente de una fuente de calor industrial, se utilizan para calentar el líquido y convertirlo de nuevo en gas. El aumento masivo de volumen y presión que esto produce se utiliza para impulsar una turbina para generar electricidad. [3]
De manera aislada, el proceso tiene una eficiencia de tan solo el 25 %. Esta se incrementa a alrededor del 50 % cuando se utiliza con un depósito frigorífico de baja calidad, como un lecho de grava grande, para capturar el frío generado al evaporar el criógeno. [4] El frío se reutiliza durante el siguiente ciclo de refrigeración. [3]
La eficiencia aumenta aún más cuando se utiliza junto con una planta de energía u otra fuente de calor de bajo grado que de otro modo se perdería en la atmósfera. Highview Power afirma una eficiencia de ida y vuelta de CA a CA del 70%, al utilizar una fuente de calor residual del compresor y otro calor residual de bajo grado desperdiciado del proceso a 115 °C, y la IMechE (Institución de Ingenieros Mecánicos) coincide en que estas estimaciones de eficiencia para una planta a escala comercial son realistas. [5] Sin embargo, esta cifra no fue verificada ni confirmada por instituciones profesionales independientes.
El sistema se basa en una tecnología probada, se utiliza de forma segura en muchos procesos industriales y no requiere ningún elemento especialmente raro ni componentes caros para su fabricación. El Dr. Tim Fox, director de Energía en IMechE, afirma: "Utiliza componentes industriales estándar, lo que reduce el riesgo comercial; durará décadas y se puede arreglar con una llave inglesa". [6]
La tecnología sólo es económica cuando hay una gran variación en el precio mayorista de la electricidad a lo largo del tiempo. Normalmente, en estos casos es difícil variar la generación en respuesta a los cambios en la demanda. Por lo tanto, la tecnología complementa fuentes de energía en crecimiento como la eólica y la solar, y permite una mayor penetración de dichas energías renovables en la combinación energética. Es menos útil cuando la electricidad se genera principalmente mediante generación despachable , como plantas térmicas a carbón o gas, o hidroelectricidad.
Las plantas criogénicas también pueden proporcionar servicios de red, incluido el equilibrio de la red, el soporte de voltaje, la respuesta de frecuencia y la inercia sincrónica. [7]
A diferencia de otras tecnologías de almacenamiento de energía a escala de red que requieren geografías específicas, como embalses de montaña ( energía hidroeléctrica de almacenamiento por bombeo ) o cavernas de sal subterráneas ( almacenamiento de energía por aire comprimido ), una planta de almacenamiento de energía criogénica se puede ubicar prácticamente en cualquier lugar. [8]
Para lograr la máxima eficiencia, una planta criogénica debe estar ubicada cerca de una fuente de calor de baja calidad que, de otro modo, se perdería en la atmósfera. A menudo, se trata de una central térmica que también podría generar electricidad en momentos de máxima demanda y precios más altos. La ubicación junto a una fuente de frío no utilizada, como una instalación de regasificación de GNL , también es una ventaja. [9]
En abril de 2014, el gobierno del Reino Unido anunció que había otorgado £8 millones a Viridor y Highview Power para financiar la siguiente etapa de la demostración. [10] La planta de demostración a escala de red resultante en las instalaciones del vertedero Pilsworth en Bury, Gran Manchester , Reino Unido , comenzó a funcionar en abril de 2018. [11] El diseño se basó en la investigación del Centro de Birmingham para el almacenamiento de energía criogénica (BCCES) asociado con la Universidad de Birmingham, y tiene almacenamiento de hasta 15 MWh, y puede generar un suministro máximo de 5 MW (por lo que cuando está completamente cargada dura tres horas a máxima potencia) y está diseñada para una vida útil de 40 años.
En 2019, el Fondo de Energía Limpia del Departamento de Comercio del Estado de Washington anunció que otorgaría una subvención para ayudar a Tacoma Power a asociarse con Praxair para construir una planta de almacenamiento de energía de aire líquido de 15 MW/450 MWh. Almacenará hasta 850.000 galones de nitrógeno líquido para ayudar a equilibrar las cargas energéticas. [12]
En octubre de 2019, Highview Power anunció que planeaba construir una planta comercial de 50 MW / 250 MWh en Carrington, Gran Manchester . [13] [14] La construcción comenzó en noviembre de 2020, [15] [8] con operación comercial planificada para 2022. [7] Con 250 MWh, la planta igualaría la capacidad de almacenamiento de la batería de iones de litio existente más grande del mundo, la instalación Gateway Energy Storage en California. [16] En noviembre de 2022, Highview Power declaró que todavía estaban tratando de recaudar dinero "para construir una planta de almacenamiento en Carrington que tenga una capacidad de 30 megavatios y pueda almacenar 300 megavatios hora de electricidad" con la puesta en servicio planificada para "finales de 2024". [17]
En 2024, Highview Power anunció que había recaudado 300 millones de libras esterlinas en inversiones del Banco de Infraestructura del Reino Unido y Centrica y que comenzaría de inmediato la construcción de una instalación de 50 MW/300 MWh en Carrington. Está previsto que la operación comercial comience a principios de 2026. [18]
En diciembre de 2019, Highview anunció planes para construir una planta de 50 MW en el norte de Vermont, con la instalación propuesta capaz de almacenar ocho horas de energía, para una capacidad de almacenamiento de 400 MWh. [19]
En junio de 2021, Highview anunció que estaba desarrollando una planta de almacenamiento de 50 MW / 500 MWh en la región de Atacama de Chile. [20]
Tanto el aire líquido como el nitrógeno líquido se han utilizado experimentalmente para propulsar automóviles. Entre 1899 y 1902 se construyó un automóvil propulsado por aire líquido llamado Liquid Air, pero en aquel momento no podía competir en términos de eficiencia con otros motores. [21]
Más recientemente, se construyó un vehículo con nitrógeno líquido . Peter Dearman, un inventor de garaje de Hertfordshire, Reino Unido, que inicialmente había desarrollado un automóvil propulsado por aire líquido, luego utilizó la tecnología para almacenar energía en la red [5]. El motor Dearman se diferencia de los diseños anteriores de motores de nitrógeno en que el nitrógeno se calienta al combinarlo con el fluido de intercambio de calor dentro del cilindro del motor. [22] [23]
En 2010, la tecnología se puso a prueba en una central eléctrica del Reino Unido. [24] Un sistema piloto de energía criogénica con capacidad de almacenamiento de 300 kW y 2,5 MWh [25] desarrollado por investigadores de la Universidad de Leeds y Highview Power [26] que utiliza aire líquido (con el CO2 y el agua eliminados ya que se volverían sólidos a la temperatura de almacenamiento) como almacén de energía y calor residual de baja calidad para impulsar la reexpansión térmica del aire, funcionó en una central eléctrica de biomasa de 80 MW en Slough , Reino Unido, desde 2010 hasta 2014, cuando se trasladó a la Universidad de Birmingham. [5] [25] [27] La eficiencia es inferior al 15% debido a los componentes de hardware de baja eficiencia utilizados, pero los ingenieros apuntan a una eficiencia de alrededor del 60 por ciento para la próxima generación de CES basándose en las experiencias de funcionamiento de este sistema.