El almacenamiento de energía eléctrica por bombeo

Leonardo de Jesús Ramos Gutiérrez Ingeniero civil y maestro en Administración de la construcción. Jefe de Disciplina de Anteproyectos Hidroeléctricos de la CFE. Profesor de posgrado en la Universidad Panamericana y miembro del Consejo Consultivo del ITESM.

México tiene un sistema eléctrico de los más robustos en escala mundial, es decir, recorre grandes extensiones para la transmisión y distribución de la energía eléctrica. Sin embargo, el sistema interconectado nacional ha tenido una operación disruptiva y costosa debido a la intermitencia, ya que cuando ésta se presenta, los vacíos generan pequeños campos magnéticos, como la reactancia en pequeños circuitos, además de la congestión de la red cuando la generación distribuida (energía solar fotovoltaica menor o igual a 0.5 MW) se presenta.

En México actualmente se está dando un proceso político de cambio en la política de operación del sector eléctrico nacional (SEN). La Comisión Federal de Electricidad (CFE), antes de la reforma energética promulgada en el año 2013, era el órgano rector del manejo total del SEN. Este año, el gobierno federal envió una iniciativa de  contrarreforma para devolver un control del 54% a la CFE y dejar a la iniciativa privada el 46% restante. Esta política es relevante, ya que es necesario incluir en el futuro a mediano plazo el concepto de transición energética hacia fuentes de generación eléctrica limpia, es decir, que no generan dióxido de carbono (CO2).

La energías limpias se clasifican en dos grandes grupos: firmes e intermitentes. Las primeras no experimentan interrupciones, son firmes y constantes para el abasto eléctrico; son las centrales hidroeléctricas y las centrales de generación nuclear. Las segundas aluden a aquellas fuentes limpias que sufren intermitencia durante el abasto eléctrico, como son los casos de la energía solar fotovoltaica y la energía eólica.

La reforma del año 2013, en conjunto con las leyes que la acompañan, desfavorece un tema primordial: el almacenamiento de energía. La tendencia mundial es dirigir la producción de electricidad hacia las energías limpias; sin embargo, con excepción de la energía nuclear, el resto son fuentes renovables naturalmente, pero a un ritmo distinto en comparación con la demanda y el consumo eléctrico per cápita en cada región. En México, de acuerdo con el Observatorio 2021 de la Agencia Internacional de Energía, existe un consumo per cápita de 2.5 MWh, un ritmo que las fuentes de energía limpia intermitentes no podrían cubrir por sí mismas, derivado de lo cual es necesario contar con un respaldo. Este respaldo es el almacenamiento de energía.

Opciones de almacenamiento de energía

Existen diversas formas de almacenar energía eléctrica para respaldar la intermitencia, por ejemplo las baterías de litio, el hidrógeno verde, condensadores síncronos y el almacenamiento de energía por bombeo.

Las baterías de litio son eficientes, pero su vida útil es corta –de 5 a 8 años, aproximadamente–; el hidrógeno verde resulta costoso por el proceso de ósmosis inversa que requiere para separar este elemento del oxígeno; los condensadores síncronos son un herramienta para recuperar voltaje y descongestionar las redes de trasmisión y distribución eléctrica, misma función que pueden realizar las centrales hidroeléctricas en vacío, es decir, arrancando las turbinas sin utilizar agua, proceso operativo que se conoce como arranque en vacío.

Ahora bien, queda la opción de plantas de almacenamiento de energía eléctrica por bombeo (también conocidos como rebombeos). Esta tecnología es una solución ideal para la confiabilidad de la red, ya que proporciona uno de los pocos medios asequibles, y a gran escala, para almacenar y desplegar electricidad. Los proyectos de almacenamiento por bombeo almacenan y generan energía moviendo agua entre dos embalses a diferentes elevaciones, es decir, se trata de un tipo de almacenamiento de energía hidroeléctrica con una configuración de dos embalses de agua a diferentes alturas que pueden generar energía a medida que el agua desciende de uno a otro (descarga), pasando por una turbina.

El problema de la intermitencia

México tiene un sistema eléctrico de los más robustos en escala mundial, es decir, recorre grandes extensiones para la transmisión y distribución de la energía eléctrica. Sin embargo, el sistema interconectado nacional (SIN) ha tenido una operación disruptiva y costosa debido a la intermitencia, ya que cuando ésta se presenta, los vacíos generan pequeños campos magnéticos, como la reactancia en pequeños circuitos, además de la congestión de la red cuando la generación distribuida (energía solar fotovoltaica menor o igual a 0.5 MW) se presenta. Para aliviar este fenómeno en cualquier punto del territorio mexicano, la mejor opción serían los rebombeos, por las características del SIN. Las baterías de litio, por ejemplo, no alcanzarían a resolver los problemas de congestión y reactancias inductivas en ciertas latitudes y en longitudes largas, pues tienen una operación local y regional. Esto ya se ha probado en algunos mercados eléctricos de Asia y Europa, donde los principales problemas que se experimentan están relacionados con el respaldo eléctrico, ya que cuando éste no opera, la energía eléctrica abastecida se vuelve costosa e ineficiente. Ahora bien, en México no existe ningún rebombeo, y ante las políticas ambientales, los compromisos internacionales de descarbonización y la transición hacia un mundo limpio, la atención a estos fenómenos se convierte en un tema obligado de política energética.

Uno de los principales problemas que se enfrentan a este respecto es el que se conoce como “curva de pato”. Ésta representa gráficamente un déficit de potencial eléctrico durante las horas de despacho, derivado de la intermitencia eléctrica proveniente de la energía solar fotovoltaica y la energía eólica, lo cual pone en riesgo la seguridad energética. Este fenómeno en el SEN provoca sobrecostos provenientes de la alteración eléctrica en diversos sectores de consumo en momentos fluctuantes dentro de las líneas de trasmisión y distribución eléctrica para la regulación de éstas y la estabilización de la red. El problema es que se genera la mayor cantidad de electricidad al medio día, cuando la irradiación solar es más intensa, pero las disrupciones y su pronto alivio encarecen la producción eléctrica.

Respaldo del sistema mediante rebombeo

En México, el SIN actualmente se respalda con una central de generación eléctrica de turbogás, combustible que se obtiene a través de la práctica del fracking que daña el subsuelo y deteriora el desarrollo sustentable en todo el mundo; en nuestro país la CFE demanda el reconocimiento de ese costo operativo en la iniciativa privada, el cual no se contempló en la reforma energética de 2013.

En países que son potencias mundiales en la producción eléctrica, el rebombeo ha disminuido los efectos de la curva de pato, además de estabilizar la red de transmisión eléctrica. Se necesita construir infraestructura que respalde el SEN ante una fluctuante demanda de energía eléctrica. Con un rebombeo se regulan los altos disparos de los costos derivados de la necesidad de generación eléctrica adicional en un momento determinado y la carga necesaria para garantizar un despacho eléctrico firme y constante.

El SEN tiene centrales hidroeléctricas que ya han rebasado su vida útil y que podrían reconfigurarse como plantas de rebombeo. Una ventaja considerable es la capacidad híbrida que posee, es decir, los rebombeos cuentan con una dualidad operativa para incluir a la energía solar fotovoltaica y eólica en un mismo sistema. La energía eólica y solar pueden bombear el agua al segundo embalse cuando en las horas base la red no necesite energía eléctrica; asimismo, cuando el viento y el sol no puedan aprovecharse de manera factible, la función hidroeléctrica del rebombeo evitará la intermitencia ante fluctuantes demandas de energía o el despacho eléctrico programado en ese momento.

Esta opción dual es un modelo híbrido que podría ser la solución para la inclusión de las energías limpias intermitentes no sólo como respaldo eléctrico, sino también como una tecnología binaria con las fuentes intermitentes, para convertirlas en perennes de despacho eléctrico, ya que durante el día, cuando los paneles solares y los parques eólicos pueden estar generando su mayor nivel de energía, el abasto estaría seguro; si la red no solicitara energía en las horas base, estas fuentes podrían ayudar en ese instante a los usos propios del almacenamiento de los rebombeos, y en las horas punta o de mayor demanda estar listos para el abasto respectivo de energía eléctrica.

En el mundo aun normativamente no existe un sistema híbrido de estas características, pero es el camino más probable para coadyuvar a las fuentes intermitentes.

Según estadísticas del año 2022 de la Agencia Internacional de Energía, el mundo tiene una capacidad instalada de rebombeos de 4,716 GW. Los tres países líderes son China, con poco más de 1,646 GW; Estados Unidos, con 1,074 GW, y Japón, con 322 MW. Estos tres países en conjunto tienen el 64.50% de la capacidad total de rebombeos en el mundo.

Para enero de 2022, la capacidad instalada de rebombeos en construcción es de 54,820 MW; en China se desarrolla el 97%, es decir, 53,175 MW.

En el año 2021, el mundo produjo energía eléctrica utilizando combustibles fósiles en mayor porcentaje: de 183,201 TWh, 113,584 fueron producidos con este tipo de combustibles; 4,882,593 TWh se generaron con energía limpia firme (equivalentes a 27% de producción eléctrica), sin interrupciones, y finalmente, 2,079,126 TWh se produjeron con energía limpia intermitente, es decir, el 11% de la generación de energía eléctrica mundial requiere respaldo.

Conclusiones

Se vislumbra que los rebombeos cobrarán auge como almacenamiento hidráulico para respaldo eléctrico. Son sustentables por manejar un uso no consuntivo del agua, con el cual brindará equilibro a la seguridad energética (despacho eléctrico sin interrupciones a costos asequibles) en México y el mundo.

De manera conceptual, pero no limitativa, se debe entender que el mundo, en generación de energía eléctrica, se mueve con combustibles fósiles –petróleo, carbón y gas– y la industria no va cambiar en el corto plazo, por lo cual se necesita paulatinamente respaldar a las energías limpias intermitentes. Además, este recurso podría ser la base del almacenamiento de energía eléctrica para estabilizar la red de transmisión, bajar la dependencia del gas y evitar la curva de pato proveniente de la operación de fuentes renovables de energía eléctrica intermitentes, y, por ende, para los sistemas interconectados a una red de gran escala como es el caso del SIN en México, que requiere muchas horas de almacenamiento. La opción más sustentable es el rebombeo, pero no de manera aislada; para eficientar las fuentes de generación de energía eléctrica intermitentes, se proponen los sistemas de rebombeo híbrido.