Investigadores de la Universidad de Waterloo, en Canadá, han diseñado un sistema sólido de almacenamiento de energía por gravedad que podría utilizarse para almacenar energía renovable en edificios urbanos de gran altura.
El sistema, basado en un polipasto de cuerda -un aparejo de poleas-, está diseñado para funcionar en combinación con fachadas fotovoltaicas instaladas en los muros sur, este y oeste, así como con pequeños aerogeneradores en la azotea y baterías de iones de litio (Li-ion).
En la configuración propuesta, el sistema basado en la gravedad actúa como la unidad principal de almacenamiento de energía, mientras que las baterías se utilizan únicamente para el almacenamiento de respuesta rápida durante horas de producción con excedentes o déficits significativos. El sistema aprovecha la energía generada por las fachadas fotovoltaicas y los aerogeneradores para elevar una masa pesada dentro de un eje durante la fase de carga. Esta energía potencial almacenada se libera luego para hacer girar un generador eléctrico durante la descarga.
El sistema está compuesto por una unidad motor-generador, cuerdas de elevación, engranajes de transmisión y bloques de acero o de hormigón. Su funcionamiento es similar al de los ascensores convencionales en los edificios urbanos, operando casi a la misma velocidad.
“Este diseño es técnicamente viable y también ha sido demostrado comercialmente recientemente”, dijo a pv magazine el autor principal de la investigación, Muhammed A. Hassan. “En concreto, Gravitricity ha demostrado un sistema prototipo de 15 metros de altura y 250 kW en Leith Harbor, Edimburgo, con dos pesos suspendidos de 25 toneladas y dos generadores conectados a la red. La misma empresa también inició dos proyectos comerciales a escala completa con capacidades de 4 MW y 8 MW desde 2021”.
Los investigadores modelaron el sistema en 625 diseños genéricos de edificios, considerando factores como la proporción entre el área de la fachada y el volumen, la relación largo-ancho y la relación altura-superficie de base. También emplearon un algoritmo genético multiobjetivo (MOGA) para evaluar tanto el costo nivelado de electricidad (LCOE, por sus iniciales en inglés) como la dependencia de cada edificio de la electricidad de la red.
El análisis indicó que este sistema híbrido podría lograr valores de LCOE que varían entre 0,051 y 0,111 dólares/kWh, y costos de electricidad de red entre 0,195 y 0,888 dólares/kWh. Se informa que estos resultados son coherentes con los de sistemas de energía renovable integrados en edificios similares situados en Canadá y otras regiones con recursos renovables limitados.
“Los edificios más altos con grandes superficies de planta tienden a alcanzar un LCOE más bajo pero costos de electricidad de red más altos”, explicaron los investigadores, señalando que la capacidad del sistema de almacenamiento por gravedad debe aumentar a medida que se incrementa la intensidad del uso energético del edificio.
Los resultados de la modelización también mostraron que el sistema de almacenamiento por gravedad podría lograr períodos de recuperación de la inversión de entre 9 y 17 años, y períodos de recuperación descontados inferiores a 25 años en la mayoría de los casos.
“Esto confirma su viabilidad financiera a largo plazo”, señaló Hassan. Sin embargo, enfatizó que sigue siendo crucial alcanzar un consenso en la industria en varios frentes, incluidos la complejidad operativa, los costos iniciales y la necesidad de demostrar una fiabilidad continua 24/7 a lo largo de años de operación real.
“Aunque los principios mecánicos están comprobados, el desafío será escalar la ingeniería, asegurar costos de capital competitivos e integrar el sistema en entornos de red o industriales. Por tanto, la adopción en el mercado aún depende de demostrar que estos sistemas pueden superar a las baterías, los sistemas químicos y otras alternativas de almacenamiento por gravedad a lo largo de su vida operativa prevista, especialmente para aplicaciones que requieren suministro energético de varias horas o de un día completo sin pérdida de capacidad”, añadió.
“Análisis independientes sugieren que la madurez comercial, en términos de implementación financiable y generalizada en los mercados desarrollados fuera de China, probablemente llegue hacia finales de la década de 2020, una vez que se disponga de algunos años de datos operativos de los proyectos emblemáticos actuales”, continuó. “En la actualidad, el almacenamiento por gravedad sobre el suelo está probado comercialmente a escala inicial, pero aún no alcanza la adopción masiva con descuentos por volumen. Los contratos sostenidos y el rendimiento fiable durante los próximos tres años deberían permitir alcanzar la madurez comercial plena”.
El sistema fue presentado en “Building geometry-aware lifecycle optimization of hybrid renewable energy systems with solid gravity storage” (Optimización del ciclo de vida de sistemas híbridos de energía renovable con almacenamiento de gravedad sólida, teniendo en cuenta la geometría del edificio), publicado en Applied Science.
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