El futuro del almacenamiento de energía térmica en el subsuelo

Almacenamiento de energía térmica en subsuelo es prometedor (artículo invitado de Teverra)

Oscar Llamosa Ardila 12 Feb 2025

Los estudios sobre el potencial de almacenamiento de energía renovable bajo tierra se llevan realizando desde hace algún tiempo. En los últimos años, este campo de estudio ha cobrado impulso asociado con el continuo despliegue de energía renovable variable (ERV) de bajo costo (Green et al., 2021). Las instituciones de investigación y las empresas de tecnología están examinando formas de aprovechar de forma segura y económica el subsuelo como medio de almacenamiento, lo que tiene el potencial de acelerar significativamente el crecimiento del almacenamiento y la capacidad de energía en los próximos años (Sharan et al., 2020).

Este artículo invitado escrito por Teverra resume los estudios que evalúan el almacenamiento de energía renovable bajo tierra y ofrece sugerencias para mejorar el potencial de almacenamiento de energía térmica subterránea.

Actualmente, la producción de energía térmica (no el almacenamiento) para electricidad aún no es competitiva con el gas natural y otras energías renovables. La energía geotérmica es una fuente de energía baja en carbono que no presenta problemas intermitentes. Sin embargo, los costos asociados con la perforación de pozos en formaciones profundas y de roca dura, donde las temperaturas son lo suficientemente altas para la producción de electricidad, dificultan la competencia con otras tecnologías destinadas a la generación de energía.

No se encuentran en todas partes áreas donde se encuentra un gradiente de temperatura adecuado a una profundidad razonable, lo que limita la tecnología a partes de los EE. UU. y del mundo (NREL, 2023). La figura siguiente muestra la disponibilidad de recursos y la limitación de la coubicación, que no está disponible en todas partes.

¿Qué es el almacenamiento de energía térmica en subsuelo?

El concepto general del almacenamiento de energía térmica en reservorios (RTES, por sus siglas en inglés) es simple. La Tierra actúa como una batería térmica gigante para almacenar el exceso de energía renovable, como la solar y la eólica. Cuando se combina con estas fuentes de energía renovable variable, el RTES produce una solución de energía renovable completa, confiable y resistente.

Por ejemplo, la producción de energía solar normalmente alcanza su pico máximo en el verano, cuando la luz del día es más larga, lo que a menudo conduce a una generación de electricidad excedente. Este excedente, si se combina con un almacenamiento suficiente, podría proporcionar energía más allá de los ciclos eléctricos diurnos, hasta más de 1000 horas de almacenamiento de energía. De manera similar, los patrones de viento pueden variar según la ubicación y la estación, y algunas regiones experimentan patrones de viento estacionales constantes. La generación de energía eólica estacional es valiosa por sí misma, pero se puede aprovechar y monetizar por completo cuando se combina con un almacenamiento de energía estacional equivalente, es decir, el RTES.

Una red eléctrica confiable y resistente las 24 horas del día, los 7 días de la semana, está más cerca de ser comercial gracias a la investigación y el desarrollo en RTES y a los sistemas únicos que se están desarrollando, como ResStor de Teverra. ResStor es un sistema RTES, optimizado para complementar la fuente inicial de energía renovable variable. Este sistema funciona de manera similar a una batería térmica y puede proporcionar almacenamiento estacional (más de 1000 horas).

Los sistemas RTES como ResStor son una posible solución al enigma de la energía renovable variable porque estos sistemas garantizan un suministro constante y confiable de electricidad limpia. Aun así, este sistema no está exento de desafíos. Hasta la fecha, RTES todavía se encuentra en la fase de investigación y desarrollo, y requiere demostraciones clave en el campo y avances tecnológicos para convertirse en una parte integrada del sistema energético actual y futuro.

Para comprender el tamaño del mercado de calor industrial, la siguiente figura muestra los datos de la demanda de calor y refrigeración para los EE. UU. Para el uso de calor en el rango de temperatura moderada (125 – 250 °F / 52 – 121 °C), existe una demanda de mercado de más de 350 billones de BTU por año.

Este artículo destaca el papel importante que pueden desempeñar estos sistemas, brindando una sensación de tranquilidad sobre la confiabilidad de la energía renovable. Al saber cómo diseñar y operar estos sistemas de manera efectiva, podemos allanar el camino para un futuro en el que la energía geotérmica sea fundamental para almacenar y entregar energía limpia a partir de fuentes renovables.

Aquí, explicamos cómo funciona la energía geotérmica y cómo proporciona resiliencia energética para fuentes de energía renovable variable a largo plazo, utilizando el sistema ResStor de Teverra como ejemplo. Analizamos cómo aún se puede mejorar y señalamos los beneficios adicionales de la implementación de sistemas RTES.

Cómo funciona ResStor

El sistema ResStor funciona como una batería de energía térmica. El exceso de energía se utiliza para calentar agua. Esta agua caliente se inyecta bajo tierra a través de pozos ubicados estratégicamente en formaciones rocosas permeables. La Tierra, con baja conductividad térmica y difusividad, actúa como un aislante natural, atrapando el calor dentro de la roca. Cuando se necesita energía, el agua caliente se extrae del depósito y se utiliza. Esto se puede utilizar como calor directo o para generar energía a través de una planta de energía geotérmica convencional. Debido a las propiedades naturales de almacenamiento de energía térmica del subsuelo, este sistema proporciona una solución a largo plazo para el almacenamiento de energía. (Porlles et al., 2023)

Optimización del sistema: el diseño de pozos marca la diferencia

La eficiencia térmica de ida y vuelta de los sistemas RTES es uno de los impulsores clave de valor de estos sistemas. Aun así, existen desafíos asociados con el acceso al importante espacio subterráneo necesario para más de 1000 horas de almacenamiento de energía.

Estudios recientes han brindado información importante para optimizar los diseños de sistemas RTES para lograr la máxima eficiencia. Los estudios han comparado varias configuraciones de pozos, centrándose principalmente en la ubicación y orientación de los pozos dentro del yacimiento.

Estos hallazgos tienen un peso significativo porque pueden afectar significativamente la viabilidad económica de los proyectos RTES a gran escala. Al identificar diseños de pozos que maximicen la captura de calor y minimicen la pérdida de energía, se pueden lograr avances en la perforación y potencialmente menores costos de perforación; esto se traduce en que los RTES se conviertan en una opción más atractiva para la integración de energía renovable a gran escala. Optimizar el diseño de pozos allana el camino para sistemas RTES rentables y eficientes, acelerando su potencial para convertirse en una tecnología fundamental para un futuro de energía limpia.

Más allá de la eficiencia: los beneficios más amplios de RTES

La promesa de RTES se extiende mucho más allá de simplemente abordar el desafío intermitente de las energías renovables. Los beneficios adicionales incluyen flexibilidad de ubicación, estabilidad de la red y beneficios ambientales.

En cuanto a la flexibilidad de ubicación, a diferencia de los recursos geotérmicos convencionales, que se limitan a áreas geológicamente activas, los sistemas como ResStor se pueden crear prácticamente en cualquier lugar con formaciones rocosas subterráneas adecuadas. Esta adaptabilidad abre posibilidades para utilizar fuentes de energía renovable en regiones con recursos geotérmicos limitados pero abundante energía solar o eólica.

En cuanto a la estabilidad de la red, ResStor puede actuar como un amortiguador para la red eléctrica, proporcionando una fuente de energía confiable durante los períodos de demanda pico o cortes inesperados, lo que ayuda a estabilizar la red y reducir la dependencia de generadores de respaldo de combustibles fósiles.

A través de estos beneficios adicionales, ResStor y sistemas similares mitigan el cambio climático y reducen las emisiones de gases de efecto invernadero al almacenar el exceso de energía renovable y desplazar la generación de combustibles fósiles.

El camino por delante: desafíos y oportunidades

Si bien el potencial de los sistemas RTES es indiscutible, se deben superar varios desafíos antes de que se produzca una adopción generalizada. Estos desafíos clave incluyen la reducción de costos y el impacto ambiental.

Los sistemas de perforación y operación como ResStor aún requieren una inversión inicial significativa y su reducción de costos está limitada por el costo de los pozos y el costo de entrada de energía renovable. Los esfuerzos de investigación y desarrollo son cruciales para reducir los costos de perforación y optimizar el diseño del sistema para mejorar la eficiencia y la rentabilidad. Si bien la industria geotérmica no controla el costo de la fuente de energía entrante, las mejoras generales en la eficiencia del sistema hacen que la energía de entrada sea más valiosa en términos de costo por unidad de energía.

Una preocupación que no se ha abordado por completo hasta la fecha es el impacto ambiental de los sistemas RTES. El potencial de contaminación del agua es una preocupación común, así como el aumento de los pozos y la huella asociada del sistema de energía.

Ambas preocupaciones ambientales se pueden mitigar mediante un diseño optimizado del sistema, específicamente el desarrollo del campo de pozos. La contaminación del agua se mitiga mediante varios parámetros de diseño. Primero, el diseño general del pozo está hecho para separar hidrológicamente los acuíferos de agua dulce de los acuíferos más profundos, no potables. A través de este diseño, se mitigan los riesgos de contaminación del agua. Además, ResStor se dirige a acuíferos no potables y se realiza de manera no consuntiva, por lo que el agua dulce no forma parte de ningún modo del sistema ResStor.

De manera similar, los pozos y el campo de pozos pueden diseñarse para optimizar la eficiencia del almacenamiento de energía. Se probaron varios diseños de pozos y diseños de ubicación de pozos como parte del desarrollo del diseño de ResStor, con simulaciones numéricas utilizadas para optimizar la densidad de energía por pozo y la eficiencia térmica de ida y vuelta. Al producir una eficiencia energética optimizada por pozo, también se puede optimizar la huella del sistema energético, es decir, la mayor densidad de energía por unidad de uso de la tierra.

Un futuro más brillante con baterías subterráneas

Los sistemas RTES, incluido ResStor, ofrecen una solución innovadora para almacenar energía renovable y aprovechar todo el potencial de la energía solar y eólica. Al abordar la naturaleza intermitente de estas fuentes de energía y proporcionar una opción de almacenamiento confiable, limpia y con flexibilidad de ubicación, los sistemas RTES pueden ser fundamentales en nuestra transición hacia un futuro de energía limpia. Sin embargo, aún no se ha alcanzado su máximo potencial (Armstrong, 2022).

Se requiere una demostración de campo para demostrar que este sistema de almacenamiento de energía es un sistema de almacenamiento de energía viable técnica y comercialmente. También brindará una oportunidad para identificar desafíos continuos. Una mayor colaboración entre la industria privada, el apoyo público, la educación superior, los laboratorios nacionales y los responsables de las políticas puede mejorar aún más las capacidades de RTES y hacer de esta tecnología de almacenamiento de energía una tecnología fundamental para un futuro energético sostenible.

Referencias

Armstrong, R. (2022). El futuro del almacenamiento de energía: un estudio interdisciplinario del MIT.

Green, S., McLennan, J., Panja, P., Kitz, K., Allis, R. y Moore, J. (2021). Almacenamiento de energía con baterías geotérmicas. Energías renovables, 164, 777–790. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.renene.2020.09.083

NREL. (2023). Evaluación y mapeo de recursos.

Oh, H. y Beckers, K. (2023). Caracterización geoespacial de la demanda de calefacción y refrigeración a baja temperatura en los Estados Unidos. 48.º taller sobre ingeniería de yacimientos geotérmicos.

Porlles, J., Batir, J., Gentry, E., Kitz, K. y Soroush, H. (2023). Yacimientos geotérmicos sintéticos: patrones de perforación optimizados para una energía eficiente y rentable. En GRC Transactions (Vol. 47).

Sharan, P., Kitz, K., Wendt, D., McTigue, J. y Zhu, G. (2020). Uso de energía solar concentrada para crear un depósito de energía térmica geológica para almacenamiento estacional y operación flexible de plantas de energía. Journal of Energy Resources Technology, 143(1). https://doi.org/10.1115/1.4047970

Soroush, H., Batir, J. y Porlles, J. (2022). ResStor. Https://Www.Teverra.Com/Res-Stor.

Fuente de referencia vía nuestra plataforma global ThinkGeoEnergy.