Beneficis de les centrals hidroelèctriques per bombeig reversible.

Els sistemes reversibles de circuit tancat amb bombeig hidroelèctric són els més adequats per a l'emmagatzematge d'energia, considerant els impactes totals dels materials i la construcció.

Segons en va publicar a la revista Environmental Science and Technology, es presenta una nova perspectiva sobre l'energia hidroelèctrica d'emmagatzematge amb bombeig, especialment en aquells sistemes que no estan connectats a fonts d'aigua externes.

L'informe destaca que augmentar la capacitat d'emmagatzematge d'energia pot facilitar una major integració de les fonts d'energia renovable a les xarxes elèctriques. Com que fonts com l'eòlica i la solar no generen electricitat de manera contínua, existeix el risc de restriccions quan es produeix un excedent d'electricitat que no es pot consumir al moment. 

Aquest tipus d'emmagatzematge contribuirà a gestionar els excedents de generació elèctrica i a equilibrar l'oferta i la demanda, garantint així que més electricitat renovable arribi als consumidors. Això es destaca en el document, "Life Cycle Assessment of Closed-Loop Pumped Storage Hydropower in the United States que demostra que l'energia hidroelèctrica d'emmagatzematge per bombeig en circuit tancat és una de les tecnologies amb menys emissions de gasos d'efecte hivernacle.

El potencial d'escalfament global (GWP) de les tecnologies d'emmagatzematge d'energia és actualment un obstacle que limita l'aprofitament ple de la generació elèctrica a partir de fonts renovables. L'emmagatzematge d'energia pot ajudar a incrementar la capacitat de la xarxa per acollir fonts com l'eòlica i la solar. L'energia hidroelèctrica reversible, tot i ser una tecnologia consolidada, compta amb poca informació sobre les seves emissions de gasos d'efecte hivernacle. No obstant això, aquest estudi ofereix una avaluació del cicle de vida d'aquesta tecnologia, demostrant el seu impacte reduït en termes de GWP.

L'energia hidroelèctrica reversible es compara amb altres quatre tecnologies d'emmagatzematge:

Emmagatzematge d'energia amb aire comprimit (CAES)

Bateries d'ions de liti (LIB)

Bateries de plom-àcid (PbAc)

Bateries de flux redox de vanadi (VRFB)

Mentre que l'energia hidroelèctrica de bombeig reversible està dissenyada per a un emmagatzematge de llarga durada i ofereix corrent de curt-circuit, les bateries són més adequades per a períodes d'ús més curts i tenen més limitacions per proporcionar corrent de curt-circuit.

No totes les tecnologies d'emmagatzematge d'energia ofereixen els mateixos serveis. Per exemple, tant l'emmagatzematge d'energia amb aire comprimit com la hidroelèctrica de bombeig poden proporcionar inèrcia i resiliència a la xarxa. Tanmateix, l'energia hidroelèctrica de bombeig produeix aproximadament una quarta part de les emissions de gasos d'efecte hivernacle en comparació amb el sistema d'aire comprimit.

L'informe presenta els càlculs del GWP atribuïts a 1 kWh d'electricitat emmagatzemada i lliurada a la subestació de la xarxa més propera, amb un rang estimat de 58 a 502 grams de diòxid de carboni per kWh.

Per tant, l'energia hidroelèctrica té el GWP més baix per unitat funcional, seguida de les bateries d'ions de liti (LIB), les bateries de flux redox de vanadi (VRFB), l'aire comprimit (CAES) i les bateries de plom-àcid (PbAc). També es conclou que certes decisions, com la construcció en terrenys abandonats en lloc de zones verdes, podrien reduir el GWP en un 20%..

Ramon Gallart.

Nova Bateria De Metall Líquid.

Per a qualsevol bateria, el cost és una variable per que esdevingui com a opció viable per a l'emmagatzematge d'energia a la xarxa elèctrica. 

Un anàlisi del MIT explica i  demostra que l'emmagatzematge d'energia hauria de costar al voltat del 20 US$ per quilowatt-hora perquè la xarxa elèctrica pugi esser completament alimentada per energai eòlica i solar. 

Segons un informe del Pacific Northwest National Laboratory, un sistema de bateries d'ions de liti connectats a la xarxa de 100 MWh, avui costa uns 405 US$/kWh. 

Però una nova bateria de metall líquid que està en desenvolupament, podria reduir considerablement els costos d'emmagatzematge d'energia.

Per fer aquests estudis cal tenir en compte l'assequibilitat  de les diferents bateries que s'han dessenvolupant al llarg dels anys, inclosa una nova i recent bateria d'alumini i sofre.

L'start-up Ambri, va inventar una bateria de metall líquid, que contenia elèctrodes de metall fos i un electròlit de sal fosa. Aquesta bateria, costa entre 180 US$/ kWh i 250 US$/kWh depenent de la seva capacitat. No obstant, es preveu que el seu cost acabi essent d'uns 21 US$/kWh el 2030, segons un article de Sadoway que es va publicat l'octubre de 2021 a la revista Renewable and Sustainable Energy Reviews. 

El menor cost de la bateria de metall líquid sorgeix dels materials que són més simples, de la química i del disseny del sistema en comparació amb l'ió de liti, conjuntament amb la seva vida útil, que és més llarga. El concepte d'una bateria de metall líquid la fa única per a l'emmagatzematge estacionari. No és inflamable, a diferència del lit i és resistent a la capacitat d'esvaïment. Es tenen dades sobre milers de cicles de càrrega, que són anys de funcionament de fetm es preveu una vida útil de 20 anys al 95% de la seva capacitat. 

Les bateries convencionals es fabriquen normalment amb dos elèctrodes sòlids —grafit i un òxid de metall de liti en el cas de bateries d'ions de liti— i un electròlit líquid, juntament amb separadors, membranes i altres elements que sumen costos. Durant els cicles de càrrega i descàrrega, a mesura que els ions de l'electròlit entren i surten dels elèctrodes, els materials sòlids s'expandeixen i es contrauen. Els canvis de volum repetits trenquen les partícules amb el pas del temps, fent que la capacitat de la bateria s'esvaeixi.

La bateria de metall líquid d'Ambri consta de tres capes líquides apilades en funció de la densitat. El més dens, un càtode d'antimoni fos, es troba a la part inferior, l'ànode d'aliatge de calci que és lleuger, es troba a la part superior i l'electròlit de sal de clorur de calci de densitat intermèdia es troba al mig.

El disseny de metall líquid requereix menys components i la química es basa en l'aliatge, de manera que no hi ha cap ruptura del material sòlid. Durant la descàrrega, l'ànode de calci allibera ions de calci que es mouen a través de l'electròlit fins al càtode, on formen un aliatge de calci-antimoni. El procés s'inverteix durant la càrrega. 

La companyia ha aconeguit una gran comanda de bateries des de Microsoft, que vol desfer-se dels generadors dièsel com a fonts d'energia de reserva als seus centres de dades. 

A mesura que la prodcucció d'aqeustes batgeries creixi, caldrà assegurar subministrament constant d'antimoni. Gairebé el 90 % de l'antimoni del món, prové de la Xina, Rússia i Tadjikistan, segons Investor Intel. 

Ramon Gallart

Base de Dades de materials rars per generació renovable.

El vent i el sol són fonts d'energia inesgotables, però els materials necessaris per construir turbines eòliques i panells solars no són tan abundants. Metalls com el neodimi, el disprosi i el praseodimi, coneguts com a terres rares, són essencials per al funcionament d'alguns aerogenerador. 

Tot i que aquests noms poden sonar desconeguts, el seu paper és fonamental en la tecnologia de l'energia renovable. De manera similar, l'energia solar també depèn de materials com l'alumini i el zinc, indispensables per convertir la llum solar en electricitat.

Per això és important disposar d'una base de dades com la Renewable Energy Materials Properties Database (REMPD), que ofereix informació sobre les necessitats de materials per a les centrals d'energia eòlica i solar. Aquesta base de dades quantifica la demanda de materials per megawatt (MW) de capacitat de generació i compara aquesta demanda amb els subministraments actuals.

El REMPD és el primer recurs d'aquest tipus, dissenyat per comprendre la quantitat i el tipus de materials que s'utilitzen en les plantes d'energia renovable. A més, permet explorar la disponibilitat de materials tant a nivell nacional com global, i avaluar els possibles riscos de subministrament.

Tot i que és difícil predir com evolucionaran les cadenes de subministrament per satisfer l'augment de la demanda de materials, el REMPD proporciona dades essencials per entendre les possibles tensions que podrien afectar aquestes cadenes. Aquesta informació inclou una àmplia gamma de materials utilitzats en noves tecnologies d'energia renovable, detallant-ne el tipus, la quantitat, el país d'origen, els usos, la disponibilitat prevista i les propietats físiques.

A més, s'ha realitzat una nova anàlisi de les necessitats futures de materials per al desplegament de l'energia eòlica, tenint en compte l'augment de la mida de la tecnologia, recollit a l'informe  Materials Used in US Wind Energy Technologies: Quantities and Availability for Two Future Scenarios .

Per assolir els objectius d'una xarxa elèctrica lliure de carboni l'any 2035 i una economia de zero emissions netes el 2050, la indústria eòlica hauria d'incrementar la construcció de noves plantes en un factor de cinc o deu. Segons l'informe, aquesta expansió podria incrementar la demanda de materials específics, com la fibra de carboni, més enllà dels subministraments mundials actuals.

Estudis anteriors ja havien analitzat les necessitats de materials per a tecnologies renovables específiques i en escenaris futurs de baixes emissions de carboni. No obstant això, aquest estudi és el primer que proporciona una estimació detallada dels materials necessaris per aconseguir un sector elèctric lliure de carboni als EUA l'any 2035.

El REMPD també s'ha utilitzat per calcular la quantitat de materials necessària per assolir els escenaris futurs de desplegament de l'energia eòlica, tenint en compte tant els objectius de descarbonització com les polítiques actuals que influeixen en el sector.

Cal destacar que els aerogeneradors no són l'única tecnologia que necessita fibra de carboni. Altres indústries competeixen pels mateixos materials limitats, com ara l'automobilística, l'aeronàutica i fins i tot la fabricació d'articles per a la llar, com bicicletes, pals d'hoquei o de golf. A més, els elements de terres rares, com el neodimi, el disprosi i el praseodimi, essencials per als generadors de turbines eòliques, tot i no ser escassos com el seu nom indica, estan sotmesos a una gran demanda i són vulnerables a interrupcions en la cadena de subministrament.

Aquests metalls també es fan servir en dispositius com telèfons mòbils, discs durs d'ordinadors i sistemes de guia, i la major part dels elements de terres rares necessaris per a les turbines eòliques s'importen actualment de la Xina.

Es preveu que la demanda de fibra de carboni augmenti considerablement a mesura que l'energia eòlica es desplega més, especialment amb el creixement de la mida de les pales, que utilitzen cada cop més fibra de carboni.

Per evitar que la demanda superi l'oferta, s'han identificat diverses estratègies clau:

1. Augmentar la producció nacional d'aquests materials d'alta demanda.
2. Diversificar i ampliar les fonts d'importació.
3. Reduir les necessitats materials substituint-los per alternatives o dissenyant components més lleugers.
4. Promoure l'ús de materials reciclats o components reutilitzats en lloc de materials verges.

Algunes tecnologies eòliques també podrien alleugerir la pressió sobre els subministraments globals de materials. Per exemple, els sistemes de torres híbrides utilitzen més formigó i menys acer, i els dissenys alternatius de generadors podrien integrar materials diferents dels metalls de terres rares.

En el futur, el REMPD també podria utilitzar-se per realitzar anàlisis de cicle de vida tant per a la indústria eòlica com solar, ajudant així a comprendre millor quins materials, mètodes de fabricació i processos de reciclatge podrien contribuir a reduir la petjada de carboni i la dependència de nous materials.

Tot i que l'informe se centra en l'energia eòlica als EUA, el REMPD també inclou els materials necessaris per a centrals solars futures. A més, la base de dades està dissenyada per a una expansió futura que podria incloure altres tecnologies d'energia renovable, com plantes geotèrmiques o sistemes d'emmagatzematge amb bateries, així com informació sobre emissions i impactes ambientals derivats de l'ús de materials.

Ramon Gallart