Frente a la costa de California, los ingenieros se están preparando para hundir una esfera hueca de hormigón que funciona como una batería submarina. Lo llaman almacenamiento estilo StEnSea.
El prototipo descansará en el lecho marino cerca de Long Beach y almacenará electricidad utilizando la presión del agua profunda del océano.
Esta primera prueba a gran escala proviene del Instituto Fraunhofer de Economía Energética y Tecnología de Sistemas Energéticos (FIEEST) y sus socios.
En lugar de construir nuevas represas en valles montañosos, el equipo quiere colocar grandes reservas de energía a miles de pies bajo la superficie del mar.
Cómo funciona una batería submarina
En el centro del proyecto se encuentra el almacenamiento por bombeo, un método que utiliza el exceso de electricidad para mover el agua cuesta arriba y luego recuperar la energía.
En la versión marina, el depósito superior es el océano circundante y el depósito inferior es una esfera hueca de hormigón en el fondo del mar.
El sistema funciona en un ciclo simple con dos pasos principales. Cuando hay exceso de energía eólica o solar, una bomba eléctrica empuja el agua fuera de la esfera contra la presión circundante.
El trabajo está dirigido por el Dr. Bernhard Ernst, director senior de proyectos de FIEEST. Su investigación se centra en formas a gran escala de almacenar de manera confiable electricidad renovable para redes que dependen en gran medida de la energía eólica y solar.
Cuando se vuelve a necesitar electricidad, se abre una válvula y la misma máquina devuelve el agua a la esfera vacía. Luego, la turbina hace girar el generador, convirtiendo la presión almacenada en energía que puede enviarse a la red.
Prototipo de California en el fondo del mar
En el nuevo programa piloto, los ingenieros planean colocar una esfera hueca de hormigón de 30 pies y 400 toneladas en el lecho marino frente a Long Beach. Un informe de New Atlas señala que se ubicará a 2.000 pies de profundidad y está diseñado para entregar aproximadamente medio megavatio de energía.
Sperra construirá la esfera en el puerto utilizando técnicas de estampado de hormigón y la equipará con una turbina de bomba submarina de Pleuger Industries.
La bomba vacía la esfera cuando abunda la energía renovable y luego funciona como turbina cuando el agua regresa para generar electricidad.
«Con el almacenamiento esférico StEnSea hemos desarrollado una tecnología rentable que es especialmente adecuada para el almacenamiento a corto o medio plazo. Con la prueba realizada frente a la costa de Estados Unidos damos un gran paso hacia la escala y la comercialización de este concepto de almacenamiento», explicó Ernst.
Aprendiendo de una prueba en un lago
Los ingenieros probaron por primera vez la idea en el lago de Constanza reduciendo una esfera de hormigón de 3 metros de ancho a unos 330 pies. Realizaron ciclos repetidos durante el invierno de 2016 y los resultados mostraron que el sistema podía soportar la diferencia de presión, según una prueba de implementación.
El estudio del lago refinó detalles prácticos, incluido cómo bajar y recuperar la esfera, controlar el flujo de agua y operar el sistema de forma segura sin buzos.
Esas lecciones ahora se están aplicando al proyecto costa afuera cerca de Long Beach, donde los técnicos deben trabajar a mayores profundidades en agua salada.
Batería submarina en aguas profundas
Un concepto explica cómo el almacenamiento por bombeo submarino utiliza la presión estática del agua, que aumenta con la profundidad, para empaquetar energía en esferas huecas.
Cuando se bombea agua desde una esfera en el fondo del mar, la energía almacenada depende de la presión externa y del volumen vacío en el interior.
Para el sistema StEnSea, los científicos de Fraunhofer han identificado una profundidad de agua de aproximadamente 2000 a 2500 pies como un punto óptimo. Estas profundidades proporcionan una fuerte presión y al mismo tiempo permiten el uso de bombas sumergibles estándar y hormigón común.
La cartografía global utilizando un sistema de información geográfica, una herramienta digital que vincula datos con lugares, sugiere un gran margen para la expansión de esta tecnología.
Un posible análisis de Fraunhofer estima que un lecho marino costero adecuado podría contener 817 teravatios hora de almacenamiento repartidos en muchos países.
De una esfera a parques submarinos
A largo plazo, la visión es recolectar muchas esferas en parques de almacenamiento submarinos conectados a parques eólicos marinos o redes costeras.
Las esferas se pueden agregar en módulos y cablear entre sí, lo que facilita adaptar el tamaño del almacenamiento a la demanda local y expandir los proyectos con el tiempo.
Las esferas planificadas tienen un diámetro de unos 100 pies y pueden almacenar 20 megavatios hora de energía y entregar unos 6 megavatios de energía.
Un diseño de ingeniería examina la comparación de estas baterías del fondo marino con turbinas eólicas marinas frente a California, que utilizan cables y anclas para trasladar la energía a la costa.
¿Qué significa esto para la energía limpia?
A medida que fluye más energía eólica y solar hacia los sistemas eléctricos, los operadores de redes deben gestionar mayores oscilaciones entre producción alta y baja.
Las baterías de corta duración son útiles para variaciones de minutos u horas, mientras que el almacenamiento estilo StEnSea apunta a intervalos de unas pocas horas a dos días.
El almacenamiento estilo StEnSea es adecuado para dos modelos comerciales principales que ayudan a mantener estables los sistemas energéticos. Uno es el arbitraje de precios, una estrategia comercial que genera dinero comprando electricidad cuando los precios son bajos y vendiéndola cuando los precios vuelven a subir.
El otro mercado principal son los servicios auxiliares, tareas especializadas de soporte a la red que mantienen el voltaje y la frecuencia dentro de límites estrictos.
Debido a que las esferas submarinas pueden absorber y liberar energía rápidamente, pueden proporcionar estos servicios de equilibrio y al mismo tiempo ayudar a los parques eólicos marinos a mantener una producción más estable.
Una evaluación del concepto StEnSea encontró que los costos de almacenamiento pueden igualar a los de la energía hidroeléctrica de bombeo convencional cuando se instalan muchas unidades juntas.
Ese estudio también concluyó que, en ubicaciones apropiadas, las esferas submarinas pueden competir con otras opciones de almacenamiento a largo plazo para equilibrar las energías renovables variables.
Aún quedan desafíos por delante
Aún quedan importantes cuestiones de ingeniería antes de que las esferas de hormigón en el fondo marino puedan desempeñar un papel importante en los sistemas energéticos reales. Cada unidad debe sobrevivir décadas en agua salada y al mismo tiempo ser resistente a la presión, y las bombas, válvulas y generadores necesitan diseños que permitan el mantenimiento desde la superficie.
Las cuestiones medioambientales y sociales son igualmente importantes. El trabajo en torno al lago de Constanza ha sugerido que una ubicación cuidadosa y bajas velocidades de consumo mantienen los impactos pequeños, pero los futuros proyectos oceánicos deben controlar los hábitats y el ruido.
Si el prototipo de California funciona bien, las esferas de almacenamiento submarino podrían unirse a las represas hidroeléctricas y a los parques de baterías como otra opción a escala de red. Esto brinda a los países otra herramienta flexible para operar sistemas energéticos dominados por la energía eólica y solar sin recurrir a los combustibles fósiles.
Créditos de las imágenes: Fraunhofer IEE.
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