Batería de gravedad

Una batería de gravedad es un tipo de dispositivo de almacenamiento de energía que almacena energía gravitacional : la energía potencial E entregada a un objeto con una masa m cuando se eleva contra la fuerza de gravedad de la Tierra ( g , 9,8 m/s²) en una diferencia de altura h .

En una aplicación común, cuando las fuentes de energía renovables , como la eólica y la solar , proporcionan más energía de la que se necesita inmediatamente, el exceso de energía se utiliza para mover una masa hacia arriba contra la fuerza de la gravedad para generar energía potencial gravitatoria. Cuando los clientes finalmente requieren más energía de la que las fuentes pueden proporcionar, la masa se reduce para convertir la energía potencial en electricidad utilizando un generador eléctrico . Aunque se pueden utilizar masas sólidas como bloques de hormigón, lo más común es que la generación de energía hidroeléctrica mediante almacenamiento por bombeo implique bombear agua a elevaciones más altas y luego guiarla a través de turbinas hidráulicas para generar electricidad. ^[1]

Una aplicación antigua y sencilla es el reloj de péndulo accionado por un peso, que con 1 kg y 1 m de recorrido puede almacenar casi 10 Newton-metro [Nm], julios [J] o vatios-segundo [Ws], es decir, 1/3600 de un vatio-hora [Wh], mientras que una celda típica de batería de iones de litio 18650 ^[2] puede almacenar alrededor de 7 Wh, es decir, 2500 veces más con 1/20 del peso. Un humano de 100 kg tendría que subir escaleras de diez pisos (25 m) para igualar la pequeña celda de la batería. Un King Kong de 10 toneladas que sube un edificio de 250 m y se cae, equivale a 7 kWh de batería de gravedad , el tamaño de una batería de motocicleta eléctrica pequeña, o la primera serie de baterías de almacenamiento doméstico Tesla Powerwall .

Utilizando un peso del tamaño de un autobús ^[3] hecho de chatarra de hierro , de 700 toneladas, bajado a un pozo de mina de 1000 m de profundidad , se obtendrían 1900 kWh, pero a más de 100 dólares ^[4] por tonelada de chatarra, costaría 70.000 dólares, lo que en 2023 ya podría comprar más de 500 kWh de baterías de iones de litio a 139 dólares por kWh. ^{[5] [ dudoso – discutir ]}

Para desafiar a las baterías químicas del planeta Tierra, con g alrededor de 9,8 m/s² y diferencias de altura limitadas a las de las montañas o los fondos marinos, solo se puede escalar la masa, utilizando agua en al menos dos lagos para la hidroelectricidad de almacenamiento por bombeo . Por ejemplo, se pueden almacenar hasta 4 gigavatios hora (GWh) de energía en la planta de Markersbach en Alemania, que opera desde 1979, utilizando dos reservorios de agua de más de 6 millones de m3 de capacidad (6 millones de toneladas de masa) con una diferencia de altura ( carga hidráulica ) de 288 m (945 pies). Las turbinas pueden bombear, o generar, hasta 1045 MW, durante varias horas, y generalmente dos ciclos completos de bombeo-generación en 24 horas. En Alemania, a partir de junio de 2024, el almacenamiento por bombeo puede contener una energía total de 39 GWh ^[6], mientras que el almacenamiento en batería supera los 14 GWh, con una potencia instalada ^[7] de poco menos de 10 GW para cada uno. Se estima que la capacidad de los 1,4 millones de coches eléctricos de batería en Alemania será de unos 102 GWh ^[8] a partir de junio de 2024; solo unos pocos de ellos pueden devolver energía a una casa o a la red eléctrica.

El primer dispositivo que utilizaba la gravedad para impulsar el movimiento mecánico fue el reloj de péndulo , inventado en 1656 por Christiaan Huygens . El reloj funcionaba gracias a la fuerza de la gravedad mediante un mecanismo de escape que hacía que un péndulo se moviera hacia adelante y hacia atrás. Desde entonces, las baterías de gravedad han avanzado hasta convertirse en sistemas que pueden utilizar la fuerza de la gravedad y convertirla en electricidad para el almacenamiento de energía a gran escala.

El primer sistema de almacenamiento hidroeléctrico por bombeo basado en la gravedad (PSH) se desarrolló en 1907 en Suiza. En 1930, el almacenamiento por bombeo llegó a los Estados Unidos de la mano de la Connecticut Electric and Power Company. En 2019, la capacidad mundial total de PSH es de 168 GW (gigavatios). ^[9] Estados Unidos tiene una capacidad de 23 GW de PSH, lo que representa casi el 2% del sistema de suministro de energía y el 95% del almacenamiento de energía a escala de servicios públicos en los EE. UU. La electricidad por bombeo basada en la gravedad es actualmente la forma más grande de almacenamiento de energía en la red del mundo. ^{[10] [11] [12] [13]}

En 2012, Martin Riddiford y Jim Reeves desarrollaron el primer prototipo funcional de GravityLight , una batería de gravedad a pequeña escala que ahora está disponible comercialmente en algunos países. ^[14]

Energy Vault , una empresa suiza fundada en 2017, almacena electricidad mediante una grúa que sube y baja bloques de hormigón. ^{[15] [16] [17]} A finales de 2020, un prototipo construido en Arbedo-Castione utilizó seis grúas en una torre de 110 metros de altura para mover bloques de hormigón de 35 toneladas con una capacidad de 80 megavatios hora. ^{[18] [19]}

Gravitricity, fundada en 2011 por Peter Fraenkel , construyó un prototipo de batería de gravedad de 15 metros y 250 kilovatios cerca de Edimburgo , Escocia, que comenzó las operaciones de prueba y la conexión a la red en abril de 2021. ^{[20] [21] [22]}

Las baterías de gravedad pueden tener diferentes diseños y estructuras, pero todas utilizan las mismas propiedades físicas para generar energía. La energía potencial gravitatoria es el trabajo necesario para mover un objeto en la dirección opuesta a la gravedad de la Tierra, expresada por la ecuación

${\displaystyle U=mgh}$

donde es la energía potencial gravitatoria, es la masa del objeto, es la aceleración debida a la gravedad (9,8 m/s2 ^en la Tierra) y es la altura del objeto. Utilizando el principio de trabajo-energía , la cantidad total de energía generada se puede expresar mediante la ecuación${\estilo de visualización U}$${\estilo de visualización m}$${\estilo de visualización g}$${\estilo de visualización h}$

${\displaystyle \Delta E=mg(h_{1}-h_{2})}$

donde es la cantidad total de energía generada y y representan las alturas inicial y final de un objeto. El cambio de energía se correlaciona directamente con el desplazamiento vertical de una masa; cuanto más alto se levanta una masa, más energía potencial gravitatoria se almacena. El cambio de energía también se correlaciona directamente con la masa de un objeto; cuanto más pesada es la masa, mayor es el cambio de energía.${\estilo de visualización E}$$estilo de visualización h_{1}}$$estilo de visualización h_{2}$

En una batería de gravedad, se desplaza o eleva una masa para generar energía potencial gravitatoria que se transforma en electricidad. Las baterías de gravedad almacenan energía potencial gravitatoria elevando una masa a una determinada altura mediante una bomba, una grúa o un motor. Una vez que se eleva la masa, esta almacena una determinada energía potencial gravitatoria en función de la masa del objeto y de la altura a la que se elevó. La energía potencial gravitatoria almacenada se convierte entonces en electricidad. La masa se baja para volver a caer a su altura original, lo que hace que un generador gire y genere electricidad.

La energía hidroeléctrica de almacenamiento por bombeo (PSH, por sus siglas en inglés) es la forma de almacenamiento de energía en red más utilizada y de mayor capacidad. En PSH, el agua se bombea desde un depósito inferior a un depósito superior, que luego se puede liberar a través de turbinas para producir energía. Una propuesta alternativa de PSH utiliza un líquido patentado de alta densidad, 2+1 ⁄ 2 veces más denso que el agua, lo que requiere una menor altura (elevación) y, por lo tanto, disminuye el tamaño y el costo de la infraestructura necesaria. ^{[23] [24]}

El almacenamiento de energía por ferrocarril es un concepto en el que se utiliza el exceso de energía renovable para hacer funcionar vagones de tren pesados ​​cuesta arriba durante épocas de baja demanda energética. La energía potencial se libera más tarde mediante el uso de frenado regenerativo mientras ruedan cuesta abajo, actuando como una batería de gravedad. ^[25] Advanced Rail Energy Storage comenzó a construir en octubre de 2020 una instalación a gran escala (50 MW) llamada GravityLine, ubicada en la mina de grava Gamebird Pit en el valle de Pahrump , Nevada , y está previsto que brinde hasta 15 minutos de servicio a plena capacidad. ^[26]

Lift Renewable Energy utiliza una especie de batería gravitacional. Para almacenar energía, se bajan al agua contenedores de gas flotantes mediante un cabrestante, lo que hace que el agua se eleve cientos de metros. Luego, el ciclo se invierte y se genera electricidad a medida que los contenedores de gas se elevan. Se requiere relativamente poca infraestructura, las baterías se pueden ubicar cerca de los principales centros de población, la eficiencia de ida y vuelta es del 85 % y el sistema se puede construir a escala de GWh. ^{[ cita requerida ]}

La tecnología de almacenamiento de peso elevado (LWS) utiliza energía sobrante para levantar mecánicamente pesos sólidos en forma vertical, generalmente mediante un sistema de poleas. Cuando se necesita energía adicional, se baja la masa y la polea hace girar un generador. ^[27]

EnergyVault está diseñando un sistema LWS que utiliza una torre construida con bloques de hormigón de 32 toneladas, apilados con grúas de 120 metros. Se espera que una unidad comercial almacene 20 MWh de energía, o lo suficiente para abastecer a 2.000 hogares suizos por día. ^[16]

El sistema LWS de Gravitricity en un pozo subterráneo utiliza un cabrestante eléctrico para levantar un peso de 500 a 5000 toneladas, que al bajarlo hace girar el motor del cabrestante como generador. El sistema genera 10 MWh, suficiente para abastecer a 13 000 hogares durante dos horas. El peso también se puede dejar caer rápidamente para obtener una pequeña explosión de energía. ^{[28] [29]}

GravityLight es una pequeña lámpara alimentada por gravedad que funciona levantando manualmente una bolsa de piedras o arena y dejándola caer por sí sola para generar energía. Está diseñada como una alternativa para quienes no tienen acceso a la electricidad y suelen depender de lámparas de queroseno , que son caras, peligrosas y contaminantes. ^{[14] [30] [31]}

El costo de las baterías de gravedad varía según el diseño.

La energía hidroeléctrica de almacenamiento por bombeo cuesta 165 dólares por MWh para operar, con un costo nivelado de almacenamiento (LCOS) de 0,17 dólares por kWh. ^{[32] [33]} Las bombas y turbinas de los sistemas PSH funcionan con una eficiencia de hasta el 90%. ^[34]

Se espera que el demostrador de 250 kW de Gravitricity cueste 1,25 millones de dólares, lo que promete una vida útil de 50 años y una eficiencia del 80-90 %. ^{[ cita requerida ]} Una revisión comparativa de la propuesta en 2018 fue favorable considerando la vida útil extendida y la relación costo-energía. ^[35]

Las baterías de gravedad pueden hacer que la energía solar y eólica sean más viables, ya que pueden almacenar el exceso de energía que producen durante las horas pico y distribuirlo más tarde cuando sea necesario. ^{[27] [36]}

Las baterías de gravedad están diseñadas para combinarse con soluciones de energía renovable cuyas fuentes (luz solar, viento, etc.) son frecuentemente variables y no necesariamente coinciden con la demanda. Se espera que tengan un mejor costo a largo plazo que las baterías químicas, al mismo tiempo que presentan menos problemas ambientales que otras soluciones de almacenamiento tradicionales, como el almacenamiento de agua bombeada. Se anticipa que los sistemas de baterías de gravedad podrán proporcionar energía rápidamente durante el consumo pico, lo que puede permitirles complementar o reemplazar las plantas de energía de combustibles fósiles en picos de consumo . Se espera que los sistemas de peso único puedan lograr la generación de energía completa en menos de un segundo. ^[20]

Entre los métodos de almacenamiento de energía de larga duración y bajo nivel de carbono, la energía hidroeléctrica de almacenamiento por bombeo tuvo el costo energético actual más bajo, aunque se espera que las baterías de iones de litio la superen en el futuro. ^{[37] : 38} Se considera que la energía hidroeléctrica de almacenamiento por bombeo y otros métodos de almacenamiento de larga duración tienen bajos riesgos ambientales y de seguridad en comparación con la tecnología de baterías, y el único factor limitante es la geología. ^{[37] : 45–47}

Entre 1870 y 1930, ^[38] el término "batería de gravedad" se utilizó para describir una colección de tipos de baterías populares en las que se utilizaba la gravedad para mantener los componentes químicos separados en función de sus respectivas densidades. ^[39]

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Batería de gravedad .

• Almacenamiento de energía mediante volante de inercia
• Almacenamiento de energía en red
• Hidroelectricidad de almacenamiento por bombeo