El acrónimo PHES corresponde a las siglas en inglés del almacenamiento energético mediante bombeo hidráulico. Este concepto está cada vez más de moda en la imparable unión de los conceptos agua y energía en el umbral del cambio energético más rápido de la historia. 

Sabemos que el año pasado, las energías solares fotovoltaica y eólica aportaron casi el 80% de la capacidad de generación neta global. Y que en  2023, la capacidad de generación de electricidad solar nueva duplicó a todas las demás. Sí, el doble que lo producido por eólica, gas, carbón, hidroeléctrica, nuclear… Ya tenemos una  capacidad solar global instalada de 1,4 TW, que no solo multiplica por diez la existente en la década pasada sino que se duplica cada tres años.

Así las cosas, las energías solar y eólica parecen la panacea para generar energía en cualquier lugar en el futuro, ya que no tienen rival en otras energías. Porque ninguna crece sin parar como ellas. Por lo tanto, pronto todo estará electrificado. Vehículos, bombas de calor, hogar, hornos y… electrólisis del agua para producir “hidrógeno verde”. 

Casi todos los países tienen un potencial solar y/o eólico mucho mayor que el necesario para la generación de toda la energía que necesitan. Eso supone independencia energética, arma ideal frente a guerras reales, comerciales o pandemias. Además, las materias primas necesarias para los paneles solares de silicio (silicio, vidrio, plástico, cobre y aluminio) son prácticamente inagotables. 

Ambas energías usadas en la electrificación de todo, aseguran una generación mínima de gases de efecto invernadero, smog, sustancias químicas tóxicas y desechos radiactivos. Por ello los defensores de estas energías argumentan que la resiliencia energética vendrá de decenas de miles de millones de paneles solares y millones de turbinas eólicas distribuidas por todo el globo. En lugar de un número relativamente pequeño de grandes centrales eléctricas fósiles y nucleares. 

Pero es necesario el almacenamiento a gran escala para que la electricidad se genere y circule por redes dependientes de las energías solar y eólica variable. Sin un  almacenamiento nocturno a gran escala no se puede luchar contra las limitaciones diurnas de la generación solar. 

Para lograrlo, contamos con el agua, mediante el almacenamiento de energía hidroeléctrica bombeada. Y también con baterías (incluidas las de vehículos eléctricos), almacenamiento térmico y almacenamiento químico. Los requisitos de almacenamiento también se pueden reducir mediante el aumento de las interconexiones de transmisión regional y la gestión de la demanda.

Por eso los PHES, a los que hoy dedicamos el artículo, constituyen la mayor parte del almacenamiento de energía actual para la industria eléctrica mundial. Porque con ellos podremos garantizar altos niveles de generación solar y eólica. 
España es un país de “vasos altos”. Aquí se ubican ya más de 130 centrales hidroeléctricas. Que se decuplican si se añaden las minicentrales de menos de 10 MW. Por eso, la energía hidráulica es la tercera fuente renovable más importante, después de la energía eólica y solar.

La mayoría de los PHES existentes se ubican en embalses hidroeléctricos que ocupan cauces fluviales. Por eso los próximos generan cada vez más problemas derivados de la  resistencia a la construcción de nuevas presas. Sin embargo, la mayoría de los lugares potenciales de PHES del futuro se sitúan lejos de los ríos. Son los llamados “de circuito cerrado”. 

Suelen constar de dos embalses, desconectados de cualquier río, con un área inundada combinada de entre 1 y 10 km², con una diferencia de cota de entre 100 y 1600 m, separados varios kilómetros y conectados por una tubería o túnel que contiene una turbina.

El agua se bombea en días soleados y ventosos (los que necesitan placas solares y generadores eólicos), y al volver se turbina para recuperar la energía almacenada cuando es necesario. El agua puede subir y bajar en un circuito cerrado durante un período de entre 60 y 100 años. La eficiencia de ida y vuelta de los sistemas de bombeo de agua de río es de aproximadamente el 80 %. El almacenamiento de energía disponible E (en julios) será:

E = MgHη

M: masa de agua utilizable almacenada en el embalse superior (kg),

g: aceleración de la gravedad (9,8 m/s²) 

H: altura (m),

η: eficiencia de la turbina (normalmente del 90%).

Si aumentan M o H provoca, también lo hace E. Por lo tanto, un mayor almacenamiento de energía requiere mayores volúmenes de agua y/o una mayor altura. La potencia de almacenamiento P (W) se determina mediante la ecuación

P = QgHη

Esta es la cantidad de electricidad por segundo que puede generar el sistema. El caudal másico,  (kg/s), de almacenamiento es proporcional al caudal volumétrico desde el embalse superior al inferior, la altura y la eficiencia de la turbina. 

Además, en cualquier par de embalses, la potencia se puede seleccionar independientemente de la energía de almacenamiento mediante la construcción de canalizaciones de mayor o menor diámetro, acopladas a turbinas más o menos grandes. 

Como ya hemos indicado, los PHES fuera de cauce  tienen varias ventajas importantes sobre los situados sobre los cauces. Porque hay muchos más sitios disponibles y no es necesario construir nuevas presas. Así se reducen los costes ambientales y la oposición social. Los requerimientos de tierra y agua para los PHES fuera de los ríos son generalmente mucho menores que los de los sistemas hidroeléctricos “de cauce” debido a las mayores alturas y las formas favorables del terreno que no están restringidas por la morfología de un cauce  y de una cerrada. Por ejemplo, los embalses superior e inferior pueden ubicarse en la cima y la base de una gran colina, respectivamente, en lugar de dentro del mismo valle fluvial (de suave pendiente). 

Una ventaja significativa de los PHES fuera de los ríos es que hay agua limpia y libre de sedimentos disponible para las turbinas de bombeo. Debido a que los embalses son pequeños y se pueden revestir, generalmente tienen baja escorrentía cargada de sedimentos que además se pueden filtrar. Esto reduce los costes de mantenimiento y renovación.

Los Atlas Globales de PHES (disponibles gratis en la red), proporcionan información sobre casi un millón de ubicaciones en todo el planeta, con un volumen de almacenamiento de energía de entre 2 y 5000 GWh, potencialmente adecuados para estos sistemas. Su almacenamiento combinado es de unos 86 millones de GWh. 

Además, los sistemas PHES, al igual que los sistemas hidroeléctricos convencionales, tienen una vida útil potencial de muchas décadas. Los usuarios de los Atlas pueden en un mapa global, hacer zoom con una resolución de aproximadamente 30 m y descargar 26 elementos de información técnica para cada sitio. 

Destacamos los más importantes:

• Océano como embalse inferior. La central eléctrica de almacenamiento por bombeo de agua de mar de Okinawa Yanbaru,  de 30 MW en Japón, se desmanteló debido al bajo crecimiento de la demanda de electricidad en el área local. Actualmente, no hay sistemas PHES oceánicos en funcionamiento en ninguna parte del mundo. Es poco probable que un sitio oceánico de agua salada sea atractivo si hay un buen sitio de agua dulce disponible. El agua salada puede corroer los componentes y afectar el medio ambiente local si se filtra en el suelo.

• Turkey nest : En Australia, se llama así a una pequeña balsa circular excavada en la tierra  situada sobre otra mayor, para enviar agua por gravedad a un abrevadero para ganado. En nuestro caso, los sistemas similares toman de este su denominación. Aunque puede ser más costoso que otros tipos de PHES, se pueden construir en regiones relativamente llanas. Allá donde no existe la opción de construir otros tipos de embalses de almacenamiento 

• Estacional: grandes embalses de 5000 GWh ubicados cerca de un cauce  importante. No están emparejados con un segundo embalse . En cambio, el agua se puede extraer lentamente del río durante muchos meses de disponibilidad solar y eólica superior a la media y devolverla lentamente al río en meses de disponibilidad solar y eólica inferior a la media. 

Suponiendo que la población mundial alcance los 10.000 millones a mediados de siglo, el almacenamiento de energía disponible asciende a 8.600kWh por persona. Ello equivale a unas 170 baterías de vehículos eléctricos por persona, suponiendo 50 kWh de almacenamiento efectivo por vehículo en el rango de carga del 20% al 90%. 

Anímense a explorar los Atlas directamente y buscar ubicaciones con el coste y el tamaño de almacenamiento de energía deseados en su región de interés. La configuración del mapa permite la visualización del terreno en 3D de alta resolución de cada embalse y conducción. Todas las ubicaciones en los Atlas están ubicadas fuera de las áreas protegidas y los grandes centros urbanos. 

También puede haber sistemas de almacenamiento híbridos de baterías e hidroeléctricas de bombeo. Un sistema de energía híbrido que comprende PHES con baja potencia y grandes embalses (es decir, gran volumen de energía almacenada) junto con baterías proporciona energía de bajo costo y electricidad de bajo costo. 

Los sistemas PHES generalmente bombean agua cuando la energía solar y eólica son abundantes y descargan cuando los precios de la electricidad son altos. En un sistema híbrido, los PHES pueden cargar baterías durante períodos de baja demanda. Entonces las baterías pueden almacenar en períodos de alto precio y alta demanda de energía, como los picos nocturnos. Es importante destacar que las baterías también pueden almacenar en períodos de bajo precio. Por ejemplo, al mediodía, cuando la electricidad solar es abundante. Y “cargar lentamente” los sistemas PHES durante las siguientes 20 h.

La ventaja híbrida es que las baterías son excelentes para proporcionar energía máxima durante unas pocas horas, mientras que los PHES proporcionan almacenamiento de energía a largo plazo y de bajo costo para complementar las baterías. 

La superficie necesaria para los PHES es de entre 30 y 100 km² por TWh. Con una expectativa de almacenamiento PHES de 50 kWh por persona, se necesita un área inundada de 1,5 a 5 m² por persona. Los sistemas PHES fuera de cauce  generalmente requieren mucho menos terreno por unidad de almacenamiento que los sistemas de cauce porque las necesidades de caudal y de altura son generalmente mucho mayores.

La potencia nominal y el área del panel solar necesarios para generar 20 MWh por año (el consumo de energía per cápita asumido a mediados de siglo) son 15 kW y 60 m² respectivamente. Esto supone un factor de capacidad del 15% y un panel solar que genere 250 W/m² (eficiencia del 25 %) en 2030. La superficie real de terreno exigido por los paneles solares es cero en los tejados y flotando en embalses interiores o mares ecuatoriales tranquilos. Y aproximadamente el área del panel cuando están montados en el suelo. 

Los paneles solares pueden flotar en los embalses PHES. Sin embargo, el área de un embalse PHES es mucho menor que el área requerida de paneles solares. Por eso solo caben una pequeña parte de los paneles. Además, la rápida fluctuación en la profundidad del embalse en un sistema PHES podría causar problemas técnicos con los flotadores de los paneles.

Por su parte, el volumen de agua necesario para el llenado inicial de un sistema PHES es de unos 700 hm³ por TWh. Para un almacenamiento PHES de 50 kWh por persona, es decir,35 m³ persona. Este volumen es necesario para la construcción secuencial de sistemas PHES durante un período de 20 años, lo que equivale a unos 5 l por persona y día. O sea, a 30 s de una ducha. Es importante señalar que el agua no se ha consumido, sino que se ha reutilizado entre embalses. En muchos lugares, la precipitación anual supera la evaporación anual y no se requiere agua de recarga. 

Incluso en regiones cálidas y secas, las pérdidas por evaporación (después de tener en cuenta la lluvia) ascienden a solo unos pocos litros por persona por día. Los supresores de evaporación y la impermeabilización de los vasos, pueden reducir sustancialmente la evaporación .

El crecimiento rápido y sostenido de la demanda de electricidad causado por el aumento de la afluencia y la electrificación de la mayoría de las funciones energéticas significa que el costo y el riesgo de un activo de PHES de gran tamaño con una baja utilización inicial pueden ser relativamente bajos, ya que el crecimiento eliminará rápidamente el exceso de capacidad temporal. De hecho, el riesgo es a menudo asimétrico, en el sentido de que el costo de un almacenamiento insuficiente (posibles apagones) podría ser mucho mayor que el costo de un excedente temporal de energía o potencia de almacenamiento. Y el agua no hay que importarla

Sin embargo, en el caso del almacenamiento de baterías en la mayoría de los países, éstas se importan. La mayor parte del valor de la industria solar también está en el país anfitrión porque el costo de los paneles solares importados es una pequeña fracción del costo total del sistema solar. De esta manera, los países que actualmente importan gran parte de su energía en forma de combustibles fósiles podrán realizar la transición a un sistema energético con un alto contenido local.

Conclusión

Los PHES fuera de los ríos ofrecen un almacenamiento prácticamente ilimitado, de bajo costo, bajo impacto y de larga duración. En general, el recurso de PHES es dos órdenes de magnitud mayor que el probable requerimiento futuro de almacenamiento de poblaciones de países desarrollados, «electrificadas» y descarbonizadas. Esto significa que los planificadores energéticos pueden implementar proyectos solares y eólicos a gran escala con la confianza de saber que existe al menos una solución de almacenamiento altamente creíble.

Si se encuentran disponibles otras tecnologías de almacenamiento competitivas, los costos de almacenamiento serán incluso más bajos. A diferencia de los sistemas basados ​​en ríos, los sistemas de PHES fuera de ríos no requieren medidas costosas para hacer frente a grandes avenidas. También están exentos del rechazo social a la construcción de presas. Debido a que solo es necesario desarrollar una pequeña parte de las ubicaciones  disponibles en la mayoría de las regiones, los costos de almacenamiento de PHES de larga duración podrían ser muy bajos.

Lorenzo Correa

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