Almacenamiento energético en centrales hidroeléctricas de bombeo Por: Aguilar Díaz Perla Esmeralda Salcedo Barquera Elías Alejandro Sánchez Rodríguez Ana María Materia: Recursos Energéticos Profesor: Luis Romeo Guillén Palacio Facultad de Ciencias Químicas Grupo 581 Ingeniería Ambiental Quinto semestre 1 19 / Nov / 2021 Índice o Introducción Preámbulo energético global y la alternativa energética o Desarrollo Central Eléctrica ▪ Definición ▪ Clasificación Central Hidroeléctrica ▪ ¿Qué es? ▪ Equipos que las componen y su Funcionami ento Centrales Hidroeléctricas de Bombeo Almacenamiento de energía ▪ Definición ▪ Importancia ▪ Curva de demanda ▪ Clasificación Almacenamiento por bombeo reversible ▪ Definición ▪ Características ▪ Clasificación ▪ Ventajas y desventajas o Conclusiones o Referencias 2 Introducción Preámbulo energético global y la alternativa energética Los incrementos descomunales en los precios del gas natural y en el carbón han llevado a que la crisis mundial energética sea un hecho y es provocada por el drástico cambio climático y el aumento de la demanda, lo que hace preguntarnos, ¿estamos preparados para el invierno? ¿habrá suficiente energía para iluminar y calentar los hogares? Éstas preguntas ya están siendo cuestionadas a los gobiernos de todo el mundo que intentan limitar el impacto en los consumidores, advirtiendo (en la mayoría de los casos) que las facturas incrementarán. Y lo que parece aún más increíble China, el mayor consumidor de carbón en el mundo, ya presentó estragos por el agotamiento de dicho recurso, los apagones para los residentes ya son una realidad, mientras que en la India las centrales eléctricas se afanan por conseguir carbón. (Horowitz, J., 2021, párr. 1) Figura 1. Crisis energética y las alternativas. CNN (2021) La presión sobre los gobiernos para acelerar la transición a las energías renovables es cada vez mayor, porque no sólo existe la preocupación sobre el cómo se suministrará al consumidor, si no que ésta debe ser asequible y suficiente. Cómo se puede lograr una transición adecuada si es un proceso que requería de tiempo que los gobiernos optaron por ignorar, ahora la crisis está en puerta. Muchas energías renovables son de gran eficiencia, pero de costos elevados en construcción y mantenimiento, por lo que el acceso a la energía de este tipo es costoso para el consumidor, otras aún están en vías de ser opción para suministrar energía a la población, una opción de respuesta inmediata al desabastecimiento podría ser el almacenamiento de energía, hay múltiples opciones para almacenar energía, sin embargo, se hablará del almacenamiento más efectivo. 3 La generación energética actualmente se basa en el uso de combustibles fósiles, como todos sabemos esta industria genera efectos negativos hacia el ambiente. Esto se complementa con el crecimiento poblacional, pues del mismo modo aumenta el consumo energético mundial. (Navarro, M., 2012) Para el 2030 se prevé que aumente en un 50% la demanda energética. Por lo que algunas potencias mundiales han optado como alternativa las fuentes de energía renovables, no solo por la disminución del impacto ambiental, sino también por la ventaja de que es una fuente energética totalmente autóctona, pero tienen un gran problema, su eficiencia no es tan buena como la de los combustibles fósiles. (Navarro, M., 2012) Para poder mejorar este aspecto se han investigado y desarrollado, según lo dicho por Zarco J. (2020), mecanismos de almacenamiento de energía, para ello existen diferentes formas de almacenar energía. Es posible emplear calor en elementos como la sal, componentes químicos donde se requiere de una o varias baterías de algún elemento químico como podrían ser el sodio, el litio o plomo lo que finalmente representa un desecho a la larga, por lo tanto, no es una opción que sea amigable con el ambiente, y el agua principalmente. (Zarco, J.; 2020, párr. 7 y 8) Por otro lado, el agua es un recurso puede almacenar energía dado que al retenerla en una presa está lista para pasar por turbinas en el momento que exista una demanda, siendo este uno de los más eficientes es con una central hidroeléctrica de bombeo reversible, que permite almacenar la energía sobrante y utilizarla en los momentos del día en el que exista deficiencia de esta, llegando a alcanzar rendimientos del 70-80%. (Navarro, M., 2012) Desarrollo Centrales eléctricas DEFINICIÓN De acuerdo con la Secretaría de Energía (2012) se define como cualquier instalación que tenga la capacidad de transformar la energía potencial en trabajo. Usualmente se pueden encontrar cerca de la materia prima que pueden aprovechar, como en los ríos, yacimientos de carbón, puntos geotérmicos, entre otros. Algunos tantos, optan por estar en la cercanía de los asentamientos humanos o zonas industriales donde se utiliza la energía que producen. CLASIFICACIÓN La clasificación de estas centrales depende de la materia prima que emplean, pues se requieren de distintos métodos para poder transformar la energía que almacenan. • • Nucleares: La obtención energética es gracias a la fisión del uranio, que al liberar una gran cantidad de energía térmica precisa para obtener vapor de agua. Mareomotrices: Aprovechan la energía que llevan las mareas de las aguas. 4 • • • Geotérmicas: Existen zonas en la superficie de la tierra que expulsan vapores de altas temperaturas provenientes del centro de la tierra. Eólicas: Se aprovecha la energía que llevan las corrientes de aire para mover hélices que la transforman en energía eléctrica. Hidráulicas o hidroeléctricas: Son accionadas por el agua como consecuencia de la energía cinética o a la de presión que ha desarrollado en su descenso. Otra forma de clasificarlas es dependiendo el servicio que brindan: 1. Centrales de base o principales: Suministran energía de forma constante, sin sufrir interrupciones, por lo que requieren de una lata potencia. 2. Centrales de punta: Su función es cubrir la demanda de energía eléctrica cuando existen picos de consumo. Su funcionamiento es periódico. 3. Centrales de reserva: Instalaciones capaces de sustituir, total o parcialmente, a las centrales de base en las siguientes situaciones: escasez o falta de materias primas. 4. Centrales de socorro: Se diferencian de las centrales de reserva en que estas son pequeñas centrales autónomas y transportables en camiones, trenes o barcos. Secretaría de Energía (2012). Central hidroeléctrica ¿QUÉ SON? Figura 2. Central Hidroeléctrica. Iberdrola. (2021) “Las centrales hidroeléctricas son instalaciones que permiten aprovechar la energía potencial gravitatoria (masa a una cierta altura) contenida en el agua de los ríos, al convertirla en energía eléctrica mediante turbinas hidráulicas acopladas a generadores eléctricos (equipos turbina-generador).” (Moreno, F., 2012) 5 EQUIPOS QUE LAS COMPONEN Y SU FUNCIONAMIENTO Primero es importante destacar las partes generales de una central hidroeléctrica: 1. Presa. Es la obra civil situada en el lecho de un cuerpo de agua que modifica y reestructura completamente el paso del agua, acumulándola artificialmente en el embalse, con fines de aprovechar la fuerza del agua en movimiento. 2. Embalse. Zona diseñada para almacenar el agua en dónde adquirirá energía potencial. Para generar electricidad habrá una toma de agua protegida de rejillas metálicas (filtrando al paso objetos no necesarios) con una válvula que permite controlar la entrada del agua a la galería de presión. 3. Galería de conducción. Abarca a todos los túneles por los que pasa el agua antes de llegar a la zona de la central eléctrica, pero hay un conducto que tiene un tratamiento más específico generalmente está revestido de hormigón y que termina en un tramo blindado antes de la turbina, es la galería de presión; va desde la toma hasta la turbina, en un salto hidroeléctrico. Requiere de mucha atención y Figura 3. Galería de presión. Keller (2020) cuidado pues por la cantidad de fuerza que ejerce el agua sobre esta puede llegar a fisurarse y si no se detecta provocar la fractura del túnel. (Keller, 2020, párr. 1 y 2) 4. Chimenea de equilibrio. Construida para regular el exceso de presión entre conexiones. 5. Central eléctrica. Construcción localizada estratégicamente sobre la presa y, sobre los equipos para la generación eléctrica, es alimentada por la tubería forzada y comprende de una turbina accionada por el agua transformando la energía cinética a energía mecánica rotatoria, en el generador eléctrico dicha energía será transformada a energía eléctrica de media tensión y alta intensidad que será enviada por el transformador en líneas de transporte de alta tensión a los hogares e industrias de red eléctrica. 6 Centrales Hidroeléctricas de Bombeo “Una central hidroeléctrica de bombeo es un tipo especial de central hidroeléctrica que tiene dos embalses. El agua contenida en el embalse situado en el nivel más bajo (embalse inferior), es bombeada al depósito situado en la zona más alta (embalse superior), con el fin de turbinarla, posteriormente, para generar electricidad […]” (Moreno, F., 2012) Figura 4. Central Hidroeléctrica. Iberdrola. (2021) Almacenamiento de energía. DEFINICIÓN El almacenamiento de energía se entiende como todos aquellos métodos que se pueden utilizar para conservar la energía, (potencial o cinética) para su posterior aprovechamiento. Para lograr esto debe de existir un sistema de generación del cual obtenerla y cumplir con las siguientes características: fácil de transformar y que tenga la capacidad para ser transportada. (García, A., 2017) Existen una clasificación de almacenamiento de energía de acuerdo con su capacidad: 1. (GW) Almacenamiento a Gran Escala 2. (MW) Almacenamiento en redes y activos de generación 3. (kW) Almacenamiento a nivel de usuario final (Iberdrola, 2021) IMPORTANCIA Su importancia radica en 3 factores, diferencias de la curva de demanda (gran demanda en el día, y poca en la noche), integración de las fuentes renovables y el desarrollo de las Smart Grid (redes de distribución eléctrica donde la electricidad tiene un sentido bidireccional). 7 En cuanto a la curva de demanda, el almacenamiento soluciona problemas de abastecimiento, calidad y poca eficiencia; para las energías renovables es indispensable el almacenamiento de energía, pues no tienen una producción energética constante y almacenarla en su pico de generación permite aumentar la eficiencia y cumplir con la demanda; los sistemas SmartGrid permiten que pequeños generadores aporten energía a la red establecida, el exceso que esto pueda provocar se debe almacenar para su correcto aprovechamiento. (Martín, G., 2016) CURVA DE DEMANDA Muchos sistemas de almacenamiento energético han optado por aprovechar la curva de demanda de la siguiente manera: Figura 4. Curva de demanda (Consejería de economía y hacienda Comunidad de Madrid., 2011) Como podemos observar en la Figura 4, de las 23 a las 9 horas aproximadamente la demanda cae por debajo de la media (horas valle), mientras que, de 11 a 21 horas, la demanda excede la media (horas pico). Si suponemos que la producción energética es constante y está representada por la línea de demanda media, podemos ver que en horas de madrugada existe un exceso de producción a comparación de la demanda, caso contrario de las horas del día, donde la demanda es tanta que supera lo generado. Este comportamiento permite el almacenamiento de la energía en exceso que existe por la noche para poder abastecer la demanda que se presenta en el día. Como se muestra en la Figura 5 de una forma más realista. (Consejería de economía y hacienda Comunidad de Madrid., 2011) 8 Figura 5. Almacenamiento energético aprovechando la curva de demanda CLASIFICACIÓN Existen diversas formas de almacenar la energía, y cada una tiene sus propias aplicaciones de acuerdo con las tecnologías en uso. Dentro del sistema eléctrico nacional de México se clasifican de acuerdo con la forma de energía almacenada: • • • • Electroquímica Térmica Mecánica Eléctrica A su vez se pueden categorizar por su aplicación: • • Intensivas en potencia. – Entregan grandes cantidades de potencia en segundos o minutos. Intensivas de energía. – Almacenan grandes cantidades de energía para que coincida la demanda con la oferta. De acuerdo con los requisitos de la industria en que se necesite, se debe analizar las características de cada una, como su eficiencia, forma de entrada y de salida, periodo de almacenamiento, huella ecológica, costo y capacidad de almacenamiento. Siendo ésta última una de las más limitantes pues prácticamente ningún sistema de almacenamiento actual tiene la capacidad de almacenamiento necesaria para cubrir demandas increíblemente grandes, a excepción del almacenamiento por bombeo reversible. (Instituto Nacional de Ecología y Cambio climático, 2020) Almacenamiento por bombeo reversible. Son en las llamadas horas valle (horario nocturno en días cotidianos y fines de semana) se emplea la energía sobrante, que en el mercado tiene menor coste, para llevar el agua contenida en el embalse inferior depósito superior por medio de una bomba hidráulica sube el agua a través de una tubería forzada y de la galería de conducción. Actuando ahora el embalse superior, como un depósito de almacenamiento. 9 “Durante las horas pico, es decir, durante el día, la central de bombeo funciona como una planta hidroeléctrica convencional. […] En lo que es diferente es que el agua, una vez generada la electricidad, cae por el canal de desagüe hasta el embalse inferior, donde queda de nuevo almacenada.” (Iberdrola, 2021) DEFINICIÓN Es un sistema que se ha empleado desde los años veinte, siendo un sistema mecánico de almacenamiento de energía. Consiste en 2 embalses de diferente altitud, donde la energía excedente en las horas valle se emplea para bombear agua del embalse inferior hacia el superior a través de una tubería forzada, de esta manera se puede reservar en forma de energía potencial. Cuando llegan las horas pico, la funciona como una central hidroeléctrica normal al revertir su funcionamiento, donde se aprovecha la energía potencial que tiene el agua almacenada para mover una turbina que la transforma en eléctrica. De esta manera se pueden almacenar grandes cantidades de energía. (García, A., 2017) Figura 6. Esquema de una central hidroeléctrica de bombeo. Iberdrola. (2021) CARACTERÍSTICAS De acuerdo con Cabrales (2015), ningún sistema de almacenamiento llega a la eficiencia total, siempre existen perdidas, para el bombeo reversible oscila entre 70% y 80% siendo bastante alta. La pérdida mayor se encuentra en la bomba/turbina, siendo aproximadamente de un 8%. En la actualidad con la lucha por el cambio climático ha generado un interés hacia las energías renovables, donde el mayor problema es su almacenamiento, el uso de una central hidroeléctrica de bombeo reversible tiene la capacidad de desempeñar un papel significativo para potenciar estas energías. 10 Además, es un sistema de almacenamiento con los menores costes de todos, tomando en cuenta su rendimiento. evidentemente este factor puede ser muy variable según lo que se requiera. (Martín, G., 2016) CLASIFICACIÓN Existen 2 clasificaciones principales: De acuerdo con la ubicación de los embalses: • • • Centrales Convencionales. – ambos embalses se encuentran en la superficie terrestre, puede utilizarse un cuerpo de agua natural o mediante la construcción de una presa. Centrales Subterráneas. – el embalse inferior se encuentra bajo tierra, mientras que el superior se encuentra en la superficie terrestre. Centrales con agua de mar. – El embalse inferior es el océano, un ejemplo es la Okinawa Yanbaru, ubicada en Japón. (Cabrales, S., 2015) Figura 7. Imagen de la Central de Okinawa, Japón. (Cabrales, S., 2015) La segunda clasificación es según el afluente del embalse superior. • • Centrales hidroeléctricas de bombeo pump-back. – el agua del embalse superior es tomada de flujos naturales, en este caso las perdidas por evaporación pierden importancia. Centrales de bombeo puro. – Requieren de haber bombeado previamente agua desde el embalse inferior para poder funcionar al no existir un afluente natural. Las pérdidas por evaporación e infiltración son un factor para considerar. (Cabrales, S., 2015) VENTAJAS Y DESVENTAJAS Entre las principales ventajas de este sistema de almacenamiento tenemos sus altos rendimientos, pudiendo llegar hasta el 80%, además de ser el sistema más rentable económicamente a largo plazo, tiene una vida útil elevada y de requerir de poco mantenimiento. 11 Por otro lado, tenemos la dificultad de su localización, pues se requiere de un mínimo de 100m de diferencia de altura entre embalses, inicialmente es una inversión muy elevada, tiene un gran impacto ambiental al invadir espacios naturales ya sea para la construcción de la presa, o del embalse artificial, además de las tuberías reforzadas que conectan ambos embalses, por último estas centrales suelen estar en lugares aislados, por lo que aumenta el coste de la red para el transporte de energía, a la par que afecta la eficiencia debido a las pérdidas en su trayecto. (Martín, G., 2016) Conclusiones La obtención de energía siempre ha sido un problema global que por momentos parece ser solucionado. Sin embargo, muchos de los recursos de los que dependemos para poder abastecer a la población mundial ya se están agotando y por cuestiones de intereses o de accesibilidad no se optó por buscar nuevas formas de generación de energía, una manera de facilitar la transición energética a recursos renovables es la opción de almacenar energía. El sistema de almacenamiento energético por bombeo reversible en centrales hidroeléctricas no sólo ayuda a que la transición energética sea menos costosa si no que representa una manera de obtener también energía limpia sin ningún tipo de residuo o contaminación posterior o a largo plazo. También contiene sus desventajas, como el costo de instalación y mantenimiento de la central hidráulica, su ubicación y lo lejana que puede estar del consumidor final y la deforestación que podría implicar su construcción, principalmente. Por ello no podemos decir que es la mejor alternativamente la crisis energética, pero si una muy eficiente y ambientalmente aceptable. Referencias: ▪ ▪ ▪ ▪ Cabrales, S. (2015). Análisis del comportamiento de centrales hidroeléctricas de bombeo en la operación de sistemas interconectados. Universidad de Chile Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas departamento de Ingeniería Eléctrica. https://repositorio.uchile.cl/bitstream/handle/2250/134671/Analisis-delcomportamiento-de-centrales-hidrolectricas-debombeo....pdf?sequence=1&isAllowed=y Consejería de economía y hacienda Comunidad de Madrid. (2011). Guía del almacenamiento de energía. https://www.fenercom.com/wpcontent/uploads/2011/10/Guia-del-Almacenamiento-de-Energia-fenercom-2011.pdf García, A. (2017). Tecnologías de almacenamiento de energía en la red eléctrica. https://repositorio.unican.es/xmlui/bitstream/handle/10902/12027/396460.pdf?seque nce=1 Iberdrola. (2021). ¿Sabes para qué sirven las centrales hidroeléctricas de bombeo? https://www.iberdrola.com/medio-ambiente/central-hidroelectrica-bombeo 12 ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ Instituto Nacional de Ecología y Cambio climático (2020). Catálogo de Tecnologías de almacenamiento de energía. https://www.gob.mx/cms/uploads/attachment/file/590035/11_INFORME_D2_Catal ogo_de_Tecnologias_Almacenamiento_Energia_ESPANOL_CGMCC.pdf Keller, 2020. Inyecciones de Galerías y Cavernas Subterráneas. https://www.keller.com.es/inyecciones-de-galerias-y-cavernas-subterraneas Martín, G. (2016). Sistemas de almacenamiento de energía. https://uvadoc.uva.es/bitstream/handle/10324/18325/TFG-P432.pdf;jsessionid=C4A35D15885ABC2D7C66BB34E8601A90?sequence=1 Moreno, F. (2012). Centrales hidráulicas de bombeo. http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/5120/fichero/Memoria%252F4_Cap%C3%A Dtulo+2+Centrales+Hidr%C3%A1ulicas+de+Bombeo.pdf Navarro, M. (2012). Análisis de viabilidad de los bombeos reversibles. https://zaguan.unizar.es/record/9835/files/TAZ-TFM-2012-1223.pdf Secretaría de Energía (2012). Centrales eléctricas. Republica de Argentina. https://www.energia.gob.ar/contenidos/archivos/Reorganizacion/contenidos_didacti cos/publicaciones/centrales_electricas.pdf 13
