Introducción a la energía hidroeléctrica de bombeo y al almacenamiento de hidrógeno: cómo elegir entre el almacenamiento que abarca horas y el almacenamiento que abarca temporadas.

A medida que crece la energía solar y eólica, la red eléctrica se enfrenta a desajustes en distintos plazos, no solo en los próximos segundos, sino también ante la demanda durante las estaciones, el mal tiempo de esta semana y otras variaciones estacionales. Las baterías de iones de litio permiten diseñar la potencia (kW) y la capacidad (kWh) de forma bastante independiente, lo que las hace ideales para ajustes en intervalos de minutos a horas (para conocer los fundamentos de las baterías, consulte la Introducción a las baterías de potencia). Sin embargo, intentar almacenar energía durante días o incluso estaciones solo con baterías implica que la capacidad requerida aumenta rápidamente y el coste deja de ser rentable. El almacenamiento hidroeléctrico por bombeo lleva tiempo cubriendo este plazo más largo, y en los últimos años el hidrógeno ha captado la atención como la tecnología con mayor alcance. Este artículo deja la explicación de la física básica de las turbinas hidráulicas para la Introducción a la Energía Hidroeléctrica, y en su lugar presenta la energía hidroeléctrica de bombeo y el almacenamiento de hidrógeno como dos soluciones a un mismo problema: "almacenar energía y convertirla posteriormente en electricidad".

Resumen en 30 segundos

• El almacenamiento hidroeléctrico de bombeo, que transporta agua entre un embalse superior e inferior, es una tecnología de almacenamiento consolidada de gran capacidad y larga duración. La eficiencia de ida y vuelta oscila entre el 70 % y el 87 %, con un valor medio cercano al 80 %.

• Las turbinas-bomba de velocidad variable pueden ajustar continuamente la potencia consumida durante el bombeo y, al reducir rápidamente la carga de bombeo cuando la frecuencia disminuye, pueden contribuir a la red eléctrica en la misma dirección que el aumento de la producción de los generadores (consulte la Introducción a la Energía Hidroeléctrica para obtener más detalles).

• El hidrógeno no almacena electricidad como tal; electroliza el agua para convertirla en hidrógeno, lo almacena y lo transforma de nuevo en electricidad cuando se necesita mediante una pila de combustible o una turbina de gas. Su eficiencia de ciclo completo se sitúa actualmente entre el 30 % y el 50 %, inferior a la de la energía hidroeléctrica de bombeo.

• A cambio, el hidrógeno permite diseñar el medio de almacenamiento (tanques o almacenamiento subterráneo) y el equipo de conversión de energía (electrolizadores, pilas de combustible) por separado, por lo que, en principio, no depende del terreno y es adecuado para el almacenamiento a largo plazo, desde semanas hasta temporadas.

• Considerar la energía hidroeléctrica de bombeo como un «almacenamiento eficiente durante horas o días» y el hidrógeno como un «almacenamiento a largo plazo menos eficiente pero independiente de la ubicación» refleja una relación más complementaria que competitiva.

1. Clasificación del problema del «almacenamiento a largo plazo» según la escala temporal

La variabilidad de las energías renovables no puede describirse en una única escala temporal. Una variación de pocos minutos debido al paso de las nubes, un aumento gradual de varias horas a medida que la demanda vespertina aumenta y la producción solar disminuye al atardecer, un déficit de viento de varios días por un sistema de baja presión estancado, diferencias estacionales en la luz solar y los patrones de lluvia: las características del almacenamiento necesario cambian según la escala temporal.

Las baterías pueden diseñar su potencia (kW) y capacidad (kWh) con relativa libertad mediante el número de celdas, pero el coste aumenta casi proporcionalmente a medida que se amplía la capacidad. La energía hidroeléctrica de bombeo y el hidrógeno almacenan energía en forma de "energía potencial del agua" o "energía química de las moléculas de hidrógeno", por lo que la curva de costes para ampliar la capacidad de almacenamiento tiene una estructura diferente a la de las baterías. Por ello, ambas pueden desempeñar un papel fundamental en el almacenamiento a largo plazo.

2. Almacenamiento hidroeléctrico de bombeo: una revisión de una tecnología consolidada de gran capacidad

Los principios básicos de la energía hidroeléctrica de bombeo y la física de la turbina se trataron en la Introducción a la energía hidroeléctrica. Aquí nos centramos en su rendimiento como tecnología de almacenamiento.

La cantidad de energía que se puede almacenar se puede estimar utilizando el volumen de agua V, la altura efectiva H y la eficiencia global \eta:

La capacidad equivalente a los kWh de una batería viene determinada por el volumen de almacenamiento efectivo de los embalses superior e inferior y la altura, mientras que la potencia de salida (kW) viene determinada por la potencia nominal de la bomba-turbina y el motor-generador. La posibilidad de diseñar estos dos componentes de forma independiente es una característica que la hidroeléctrica de bombeo comparte con las baterías, pero en la hidroeléctrica de bombeo, las limitaciones del terreno y los derechos de agua son un requisito previo para el diseño de la capacidad.

La eficiencia de ida y vuelta —el porcentaje de energía que se recupera tras un ciclo completo de bombeo (carga) y generación (descarga)— es el producto de la eficiencia de la bomba, la eficiencia de la turbina, la eficiencia del motor-generador y las pérdidas en las tuberías. Los valores medidos se sitúan aproximadamente entre el 70 % y el 87 %, con una cifra central cercana al 80 %. Esta cifra, respaldada por décadas de experiencia operativa, es comparable o ligeramente inferior a la eficiencia de ciclo completo de las baterías de iones de litio.

Las turbinas-bomba de velocidad fija consumen una potencia prácticamente constante durante el bombeo, lo que dificulta el seguimiento del excedente de energía renovable, que suele ser variable. El almacenamiento por bombeo de velocidad variable utiliza electrónica de potencia para variar continuamente la velocidad de rotación, permitiendo un ajuste preciso de la carga de bombeo. Además, cuando la frecuencia disminuye, puede reducir rápidamente el volumen de bombeo, apoyando así la red en la misma dirección que el aumento de la producción. En Japón, la central hidroeléctrica de Kannagawa (TEPCO), en la prefectura de Gunma, es conocida como una de las mayores centrales de almacenamiento por bombeo del mundo. Está diseñada con una altura de caída efectiva de 653 m y, en teoría, cuenta con seis unidades motor-generador de 470 000 kW cada una, para una producción máxima de 2,82 millones de kW con todas las unidades en funcionamiento. Actualmente, las unidades 1 y 2 están operativas, con una producción máxima actual de 940 000 kW. Para obtener detalles técnicos sobre la energía hidroeléctrica de bombeo, incluyendo el funcionamiento a velocidad variable y el escalado de capacidad, consulte la sección correspondiente de la Guía básica de energía hidroeléctrica.

Figura 1 — La hidroeléctrica de bombeo transporta agua entre los depósitos superior e inferior, alternando entre el bombeo y la generación con una bomba-turbina reversible. La eficiencia de ida y vuelta oscila entre el 70 % y el 87 %, con un promedio del 80 %.

3. Almacenamiento de larga duración mediante hidrógeno: Almacenamiento de electricidad como moléculas

La idea básica del almacenamiento de hidrógeno consiste en utilizar el excedente de energía para electrolizar el agua y convertirla en hidrógeno, almacenarlo comprimido, licuado o bajo tierra, y transformarlo de nuevo en electricidad cuando sea necesario mediante pilas de combustible o turbinas de gas alimentadas con hidrógeno o coalimentadas. Todo este proceso se denomina Power-to-Gas-to-Power (P2G2P). El hidrógeno producido con energía derivada de fuentes renovables como la solar o la eólica se denomina «hidrógeno verde», y su Una característica distintiva son las bajas emisiones de CO₂ durante la producción.

Los tipos de electrolizadores incluyen la electrólisis alcalina del agua, la electrólisis del agua con membrana de intercambio protónico (PEM) y las celdas de electrólisis de óxido sólido (SOEC), que operan a temperaturas más altas. La electrólisis alcalina del agua lidera en escalabilidad y trayectoria, mientras que se dice que la PEM ofrece una capacidad de respuesta superior, lo que la hace idónea para la generación de energía renovable variable. El hidrógeno producido a veces se convierte en otra forma química —gas a alta presión, hidrógeno líquido o amoníaco— para su almacenamiento y transporte.

En cuanto a la reconversión, además de generar energía con celdas de combustible de electrolito polimérico (PEFC) o celdas de combustible de óxido sólido (SOFC), también se está considerando la generación de energía mediante turbinas de gas alimentadas con hidrógeno para aplicaciones a gran escala. La eficiencia de ciclo completo que combina la electrólisis y la reconversión se mantiene alrededor del 48 % para una configuración simple (aproximadamente 80 % de eficiencia de electrólisis × aproximadamente 60 % de eficiencia de la celda de combustible), y las cifras reportadas para sistemas completos varían en la literatura desde aproximadamente el 28 % hasta 52%. Algunas investigaciones apuntan a cifras cercanas al 60% para electrolizadores más avanzados combinados con sistemas de óxido sólido, e incluso superiores al 80% para futuros sistemas de alta eficiencia. Sin embargo, en la actualidad, la configuración convencional presenta una eficiencia de ciclo completo inferior a la de la energía hidroeléctrica de bombeo.

Un importante centro de demostración en Japón es el Campo de Investigación de Energía de Hidrógeno de Fukushima (FH2R), inaugurado en marzo de 2020 en Namie, prefectura de Fukushima. Este centro combina una planta de energía solar de 20 MW con la que se considera una de las mayores unidades de electrólisis de agua alcalina del mundo en la categoría de 10 MW (potencia nominal de 6 MW, consumo máximo de energía de 10 MW), capaz de producir 1200 Nm³ de hidrógeno por hora a plena capacidad. Se estima que esta cantidad es suficiente para abastecer aproximadamente 560 vehículos de pila de combustible (VPC), y la instalación se posiciona como un centro de demostración para validar la cadena tecnológica completa que convierte el excedente de energía renovable en hidrógeno y lo almacena. y lo utiliza.

Figura 2 — El hidrógeno almacena electricidad convirtiéndola en una forma molecular. Debido a las pérdidas tanto en la electrólisis como en la reconversión, la eficiencia de ciclo completo es menor que la de la energía hidroeléctrica de bombeo, pero la separación del medio de almacenamiento del equipo de generación resulta adecuada para el almacenamiento a largo plazo y a gran escala.

4. Comparación de las dos tecnologías

Velocidad de respuesta: de segundos a minutos (más rápido con unidades de velocidad variable). Depende de las características de arranque del electrolizador/celda de combustible.

Madurez tecnológica: madura (décadas de experiencia operativa comercial). Etapa de demostración y escalado.

Usos secundarios: operación síncrona del condensador, arranque en negro. Versatilidad como hidrógeno industrial y combustible para el transporte.

Si consideramos únicamente la eficiencia, la energía hidroeléctrica de bombeo resulta superior, pero esta ventaja es condicional: «si existe un terreno adecuado». El hidrógeno sacrifica eficiencia a cambio de la capacidad de implementarse en terrenos llanos o en áreas con infraestructura existente, y por una versatilidad que le permite compartir valor con usos más allá de la electricidad (materia prima industrial, vehículos con celdas de combustible, futuros usos como combustible). En lugar de que uno reemplace al otro, es más práctico considerarlos como tecnologías que se dividen sus funciones según el terreno, la demanda y la infraestructura existente.

5. Perspectiva de la red eléctrica

Desde el punto de vista de la operación de la red, ni la energía hidroeléctrica de bombeo ni el almacenamiento de hidrógeno son centrales eléctricas; ambos son dispositivos que modifican el tiempo. La respuesta en escalas de segundos a minutos, como la regulación de frecuencia, se gestiona mejor con baterías o energía hidroeléctrica de bombeo de velocidad variable, gracias a su mayor velocidad de respuesta. La gestión de la energía en escalas de horas a días se realiza mejor con energía hidroeléctrica de bombeo, que ofrece una mayor eficiencia en el ciclo de ida y vuelta. Y para la variabilidad de larga duración que la capacidad de almacenamiento de baterías o energía hidroeléctrica de bombeo por sí sola no puede cubrir —varios días de mal tiempo prolongado o un desajuste estacional entre la oferta y la demanda— el almacenamiento molecular, como el hidrógeno, se convierte en una opción viable.

En diseños de mercado como el de energía de equilibrio, se establecen diferentes categorías de productos de regulación de potencia para cada tiempo de respuesta objetivo, y la clave para obtener el máximo rendimiento de cada tecnología reside en adaptar la escala temporal ideal de una tecnología de almacenamiento al diseño del producto del mercado. Los detalles de este sistema de mercado se tratan en la Introducción a las Centrales Eléctricas Virtuales (VPP) y en la Introducción a la Inercia de la Red y la Regulación de Frecuencia.

Resumen: Análisis de la relación entre eficiencia y ubicación

La energía hidroeléctrica de bombeo, gracias a su tecnología consolidada y su alta eficiencia de ciclo completo, ha permitido el almacenamiento de energía en escalas de tiempo que van desde horas hasta unos pocos días. El hidrógeno sacrifica eficiencia, pero la flexibilidad de separar el medio de almacenamiento del equipo de generación le permite alcanzar un almacenamiento a largo plazo y a gran escala que la energía hidroeléctrica de bombeo no puede, y expandirse a usos más allá de la electricidad.

Al evaluar un proyecto de almacenamiento a gran escala, conviene considerar lo siguiente:

1. ¿Cuál es el plazo objetivo: horas, días o estaciones?

2. ¿Cómo se compara la eficiencia de ciclo completo con la de la energía hidroeléctrica de bombeo?

3. ¿Cuánto depende el diseño de las condiciones del emplazamiento (terreno, suelo, infraestructura existente)?

4. ¿Puede aportar valor a otros usos además de la electricidad (uso industrial, uso como combustible)?

Teniendo en cuenta estos cuatro puntos, se puede entender la energía hidroeléctrica de bombeo y el almacenamiento de hidrógeno no como una rivalidad entre lo antiguo y lo nuevo, sino como tecnologías complementarias adaptadas a diferentes plazos.

Referencias

• EE. UU. Administración de Información Energética — Las baterías a escala industrial y el almacenamiento por bombeo devuelven aproximadamente el 80 % de la electricidad que almacenan
• NREL — Energía hidroeléctrica de bombeo, Línea base tecnológica anual
• TEPCO Renewable Power — Centrales hidroeléctricas representativas (Central eléctrica de Kannagawa)
• Toshiba Energy Systems & Solutions — Campo de investigación de energía de hidrógeno de Fukushima (FH2R)
• NEDO — Materiales sobre el campo de investigación de energía de hidrógeno de Fukushima
• Agencia de Recursos Naturales y Energía — Política de hidrógeno
• AIE — Hidrógeno
• Asociación Internacional de Energía Hidroeléctrica — Almacenamiento por bombeo )