“La pregunta general para mí es cómo descarbonizar la sociedad de la manera más asequible”, dice Nestor Sepulveda SM ’16, PhD ’20. Como postdoctorado en el MIT e investigador de la Iniciativa de Energía del MIT (MITEI), trabajó con un equipo durante varios años para investigar qué combinación de fuentes de energía podría lograr mejor este objetivo. Los estudios iniciales del grupo sugirieron la "necesidad de desarrollar tecnologías de almacenamiento de energía que se puedan implementar de manera rentable durante períodos mucho más largos que las baterías de iones de litio", dice Dharik Mallapragada, científico investigador del MITEI.

En un nuevo artículo publicado en Nature Energy, Sepulveda, Mallapragada y sus colegas del MIT y la Universidad de Princeton ofrecen una evaluación integral de costos y rendimiento del papel de las tecnologías de almacenamiento de energía de larga duración (LDES) en la transformación de los sistemas de energía. LDES, un término que cubre una clase de tecnologías emergentes diversas, puede responder a la producción variable de energías renovables, descargando electrones durante días e incluso semanas, proporcionando resistencia a una red eléctrica preparada para desplegar energía solar y eólica a gran escala.

"Si queremos depender abrumadoramente de la energía eólica y solar para obtener electricidad, cada vez más la forma más asequible de reducir las emisiones de carbono, tenemos que lidiar con su intermitencia", dice Jesse Jenkins SM '14, PhD '18, profesor asistente de mecánica e ingeniería aeroespacial y el Centro Andlinger de Energía y Medio Ambiente de la Universidad de Princeton y ex investigador del MITEI.

En su artículo, los investigadores analizaron si LDES junto con fuentes de energía renovable y opciones de almacenamiento de energía de corta duración como las baterías de iones de litio podrían impulsar una transición masiva y rentable a una red descarbonizada. También investigaron si LDES podría incluso eliminar la necesidad de fuentes de energía disponibles bajo demanda o firmes, bajas en carbono, como la energía nuclear y el gas natural con captura y secuestro de carbono.

“El mensaje aquí es que las tecnologías LDES innovadoras y de bajo costo podrían tener un gran impacto, haciendo que un sistema eléctrico profundamente descarbonizado sea más asequible y confiable”, dice el autor principal Sepúlveda, quien ahora trabaja como consultor con McKinsey and Company. Pero, señala, "aún será mejor que retengamos fuentes de energía firmes con bajas emisiones de carbono entre nuestras opciones".

Además de Jenkins y Mallapragada, los coautores del artículo incluyen a Aurora Edington SM ’19, asistente de investigación del MITEI en el momento de esta investigación y ahora consultora de The Cadmus Group; y Richard K. Lester, profesor de la industria siderúrgica japonesa y rector asociado del MIT, y ex director del Departamento de Ciencia e Ingeniería Nuclear.

“A medida que el mundo comienza a enfocarse más seriamente en cómo lograr objetivos de descarbonización profunda en las próximas décadas, los conocimientos de estos estudios a nivel de sistema son esenciales”, dice Lester. "Los investigadores, innovadores, inversores y legisladores se beneficiarán del conocimiento de los objetivos de rendimiento técnico y de costes que sugiere este trabajo".

Rendimiento y costo

El equipo se propuso evaluar los impactos de las soluciones LDES en sistemas eléctricos hipotéticos que reflejan las condiciones del mundo real, donde las tecnologías se analizan no solo por sus atributos independientes, sino por su valor relativo cuando se comparan con otras fuentes de energía.

“Necesitamos descarbonizar a un costo asequible para la sociedad, y queríamos saber si LDES puede aumentar nuestra probabilidad de éxito y al mismo tiempo reducir el costo general del sistema, dadas las otras tecnologías que compiten en el espacio”, dice Sepúlveda.

En pos de este objetivo, el equipo implementó un modelo de expansión de capacidad del sistema eléctrico, GenX, desarrollado anteriormente por Jenkins y Sepulveda mientras estaban en el MIT. Esta herramienta de simulación permitió evaluar el impacto potencial en el sistema de la utilización de tecnologías LDES, incluidas las tecnologías que se están desarrollando actualmente y otras que potencialmente podrían desarrollarse, para diferentes escenarios futuros de redes eléctricas bajas en carbono caracterizados por los atributos de costo y rendimiento de la generación renovable, diferentes tipos de generación firme, así como proyecciones alternativas de demanda de electricidad. El estudio, dice Jenkins, fue “el primer uso extensivo de este tipo de método experimental de aplicación de incertidumbre paramétrica a gran escala y análisis a nivel de sistemas a largo plazo para evaluar e identificar objetivos con respecto al costo y el rendimiento para el almacenamiento de energía emergente de larga duración tecnologías ".

Para su estudio, los investigadores examinaron una gama de tecnologías de larga duración, algunas respaldadas por el programa de Energía de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada del Departamento de Energía de EE. UU. (ARPA-E), para definir los atributos plausibles de costo y rendimiento de los futuros sistemas LDES basados ​​en cinco parámetros clave que abarcan una variedad de enfoques mecánicos, químicos, electroquímicos y térmicos. Estos incluyen almacenamiento de energía hidroeléctrica bombeada, baterías de flujo redox de vanadio, baterías de flujo de azufre acuoso y almacenamiento térmico calentado por resistencia a ladrillos refractarios, entre otros.

"Piense en una bañera, donde el parámetro de la capacidad de almacenamiento de energía es análogo al volumen de la bañera", explica Jenkins. Continuando con la analogía, otro parámetro importante, la capacidad de carga de energía, es el tamaño del grifo que llena la bañera y la capacidad de descarga, el tamaño del desagüe. En la versión más generalizada de una tecnología LDES, cada atributo del sistema se puede dimensionar de forma independiente. Al optimizar un sistema de energía donde la tecnología LDES funciona como “un contribuyente económicamente atractivo para una red libre de carbono de menor costo”, dice Jenkins, los investigadores encontraron que el parámetro que más importa es el costo de la capacidad de almacenamiento de energía.

“Para una evaluación integral del diseño de la tecnología LDES y su valor económico para las redes descarbonizadas, evaluamos casi 18,000 casos distintivos”, explica Edington, “que abarcan variaciones en la carga y la disponibilidad de recursos renovables, climas de latitudes norte y sur, diferentes combinaciones de tecnologías LDES y Parámetros de diseño LDES y elección de recursos de generación de bajas emisiones de carbono de la empresa competidora ”

Algunas de las conclusiones clave del riguroso análisis de los investigadores:

Las tecnologías LDES pueden ofrecer una reducción de más del 10 por ciento en los costos de los sistemas eléctricos profundamente descarbonizados si el costo de la capacidad de almacenamiento de energía (el costo de aumentar el tamaño de la bañera) permanece por debajo del umbral de $ 20 / kilovatio-hora. Este valor podría aumentar al 40 por ciento si el costo de la capacidad energética de las tecnologías futuras se reduce a $ 1 / kWh y hasta el 50 por ciento para las mejores combinaciones de parámetros modelados en el espacio. Para fines de comparación, el costo actual de la capacidad de almacenamiento de energía de las baterías es de alrededor de $ 200 / kWh.

Dados los patrones de demanda de electricidad predominantes en la actualidad, el costo de la capacidad de energía LDES debe caer por debajo de $ 10 / kWh para reemplazar la energía nuclear; Para que LDES reemplace por completo todas las opciones de energía firme, el costo debe caer por debajo de $ 1 / kWh.

En escenarios con electrificación extensa del transporte y otros usos finales para cumplir con los objetivos de descarbonización profunda de toda la economía, será más difícil en las latitudes norteñas desplazar la generación de empresas bajo cualquier combinación futura probable de costos y rango de rendimiento de eficiencia para tecnologías LDES conocidas. Esto se debe principalmente a una mayor demanda máxima de electricidad resultante de las necesidades de calefacción en climas más fríos.

Conocimientos prácticos

Si bien los avances en la energía de fusión, la energía nuclear de próxima generación o la captura de carbono podrían alterar sus modelos, los investigadores creen que los conocimientos de su estudio pueden tener un impacto en este momento.

“Las personas que trabajan con LDES pueden ver dónde encaja su tecnología en la combinación de electricidad futura y preguntar: '¿Tiene sentido económico desde la perspectiva del sistema?'”, Dice Mallapragada. "Y es un llamado a la acción en política e inversión en innovación, porque mostramos dónde se encuentran las brechas tecnológicas y dónde vemos el mayor valor para los avances en investigación en el desarrollo de tecnología LDES".

No todas las tecnologías LDES pueden despejar el listón en este espacio de diseño, ni puede confiarse en LDES como el medio exclusivo para expandir la energía eólica y solar rápidamente a corto plazo, o para permitir una transición completa a una economía de cero emisiones de carbono para 2050.

“Mostramos lo prometedoras que pueden ser las tecnologías LDES”, dice Sepúlveda. "Pero también demostramos que estas tecnologías no son la única solución, y que aún estamos mejor si complementan los recursos de la empresa".

Jenkins detecta oportunidades de nicho de mercado para LDES de inmediato, como lugares con una gran cantidad de energía eólica y solar desplegada y límites en la transmisión para exportar esa energía. En tales ubicaciones, el almacenamiento podría llenarse cuando la transmisión está en su límite y exportar energía más tarde mientras se maximiza el uso de la capacidad de la línea eléctrica. Pero las tecnologías LDES deben estar listas para tener un gran impacto a finales de la década de 2030 y 2040, cree, para cuando las economías deban dejar de depender por completo del gas natural si se quiere que la descarbonización tenga éxito.

“Debemos desarrollar e implementar LDES y mejorar otras tecnologías bajas en carbono en esta década, para que podamos presentar alternativas reales a los encargados de formular políticas y operadores de sistemas eléctricos”, dice.

A la luz de esta necesidad urgente, Jenkins en Princeton y Mallapragada en MIT ahora están trabajando para evaluar y promover tecnologías con el mayor potencial en los campos de almacenamiento y energía para acelerar el objetivo de cero emisiones de carbono. Con la ayuda de ARPA-E y MITEI, están haciendo del modelo de planificación del sistema eléctrico GenX de última generación una herramienta de código abierto para uso público también. Si su enfoque de investigación y modelado puede mostrar a los desarrolladores y legisladores qué tipo de diseños son más impactantes, dice Sepúlveda, "podríamos tener un sistema descarbonizado que sea menos costoso que el sistema actual si hacemos las cosas bien".