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Aug 11, 2023

Las 'baterías' de gravedad podrían ayudar a una energía renovable de gran peso

En julio de 2020, la empresa Energy Vault construyó esta enorme “batería” en los Alpes suizos. Libera energía (electricidad) o la almacena bajando o levantando lentamente bloques pesados. Bóveda de energía por Stephen

En julio de 2020, la empresa Energy Vault construyó esta enorme “batería” en los Alpes suizos. Libera energía (electricidad) o la almacena bajando o levantando lentamente bloques pesados.

Bóveda de energía

Por Stephen Ornes

24 de agosto de 2023 a las 6:30 am

Este es otroen nuestra seriede historias que identifican nuevas tecnologías y acciones que pueden frenar el cambio climático, reducir sus impactos o ayudar a las comunidades a hacer frente a un mundo que cambia rápidamente.

En un lugar del este de la República Checa hay un gran agujero en el suelo. Está cerca de la frontera con Polonia, al norte, y Eslovaquia, al oeste. En este momento, ese agujero parece un oscuro pozo de nada. Pero en él, varios investigadores ven una posible solución a un problema energético que se avecina.

El pozo mide unos 7 metros (23 pies) de ancho y 274 metros (899 pies) de profundidad. Eso la hace casi tan profunda como alta la Torre Eiffel. El pozo desemboca en una amplia yacimiento de carbón subterráneo que se extiende hasta Polonia. Hasta 2021, el hoyo se utilizó como mina. El carbón que salía de allí se quemaba para generar electricidad.

Pero si todo va según lo previsto, ese agujero pronto desempeñará un papel muy diferente en la generación de electricidad.

Los ingenieros creen que la mina podría remodelarse para almacenar energía. Funcionaría como una especie de batería recargable subterránea. Pero no se parece en nada a una AAA o AA, ni a las baterías que alimentan los coches eléctricos. No sería pequeño y permanecería en pie durante años, si no décadas. Y no utilizaría metales raros ni tendría terminales positivos y negativos.

En cambio, esta batería sería enorme y funcionaría por gravedad.

"Es un sistema de almacenamiento de energía por gravedad", explica Gavin Edwards. Trabaja para Gravitricity, una empresa con sede en Glasgow, Escocia. Edwards también es ingeniero mecánico en el proyecto, que comenzará a finales de este año.

La idea es sencilla. Suspenda una columna alta de bloques de metal de cables gruesos dentro de un pozo. Los bloques estarán hechos de acero y rellenos de hierro, por lo que son bastante pesados. "Básicamente intentaremos sostener una Estatua de la Libertad desde su cabeza", explica Edwards. Los cables se enrollarán alrededor de poleas resistentes y se sujetarán a cabrestantes en la parte superior.

Los sistemas basados ​​en la gravedad ejemplifican la idea de energía potencial y cinética. La energía potencial se define por la posición de algo, como su altura sobre el suelo. La energía cinética se define como la energía contenida en algo en movimiento. Los sistemas de gravedad ganan más energía potencial a medida que se levanta algo pesado (agua, piedra o grava). La energía potencial se convierte en energía cinética que puede hacer girar una turbina a medida que el material pesado desciende de alguna manera controlada.

Para generar electricidad, los cabrestantes dejarán que los bloques se hunda lentamente por el eje. A medida que los bloques caen, los cables conectados harán girar las turbinas que hacen funcionar los generadores. La máquina funciona en reversa para almacenar energía. Cuando las turbinas eólicas aéreas (o paneles solares) generan más energía de la necesaria, la energía extra se utilizará para hacer girar los cabrestantes, levantando los bloques nuevamente por el eje. Eso recarga esta “batería” para que esté lista para la próxima vez que se necesite electricidad.

Estas baterías cargadas por gravedad podrían ayudar a abordar un problema inminente a medida que el mundo hace la transición hacia un mayor uso de fuentes de energía renovables. Las energías renovables como la eólica y la solar pueden generar electricidad sin producir gases de efecto invernadero. Eso es mejor para el medio ambiente.

Pero los paneles solares producen electricidad sólo cuando brilla el sol. Una turbina, la parte giratoria del sistema de energía eólica, sólo puede producir electricidad cuando la brisa mueve sus aspas. A veces, estos sistemas no producen energía. Otras veces, pueden producir más energía de la que pueden utilizar de inmediato. Para ampliar el uso de estos sistemas, la sociedad necesita formas mejores y más grandes de almacenar cualquier excedente de energía y retenerlo hasta que sea necesario.

Las baterías convencionales ofrecen una solución. "Son bastante buenos para teléfonos y automóviles", dice Joe Zhou. "Pero", añade, "son demasiado caros para la red eléctrica". Cerca de San Francisco, California, Zhou dirige Quidnet, una empresa de almacenamiento de energía. "Tiene que haber algo más que sea más barato", dice.

Robert Piconi dirige una empresa que trabaja en un sistema relacionado. “Necesitamos almacenamiento de energía para la red”, coincide Piconi. Su empresa, Energy Vault, está ubicada en Westlake Village, California. Predice que un mayor uso de fuentes de energía renovables respetuosas con el clima cambiará la forma en que la gente piensa sobre las baterías. "Pronto veremos muchas nuevas tecnologías de almacenamiento de energía".

Proyectos en todo el mundo destacan una variedad de formas en que los investigadores han recurrido a la gravedad para almacenar energía. En 2021, Gravitricity construyó una torre en el puerto de Leith, en Edimburgo. Podría levantar y bajar bloques para almacenar y producir electricidad. Este sitio probó la tecnología que se utilizará en la mina checa. La demostración no produjo mucho poder, pero demostró que la idea funcionaba.

Energy Vault está construyendo una instalación aérea basada en la gravedad para almacenar energía. Está en China, cerca de Shanghai. La empresa también construyó un sitio de pruebas en Suiza. Una empresa llamada Gravity Power, con sede en Goleta, California, también levantaba y bajaba pesos pesados ​​en pozos profundos. Sin embargo, en lugar de cables y cabrestantes, su sistema mueve esos pesos con agua. Y en Texas, Quidnet está construyendo un sistema subterráneo. Primero, bombea agua bajo tierra. Luego genera energía a partir de la presión de 300 metros (1000 pies) de roca para empujar el agua hacia arriba.

Todos estos proyectos funcionan por gravedad. Y todo se remonta a una especie de sistema de almacenamiento de energía que se construyó por primera vez hace más de un siglo. Se llama energía hidroeléctrica por bombeo. Genera electricidad a partir del agua que fluye cuesta abajo.

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Este tipo de sistema hidroeléctrico requiere una gran masa de agua, como un lago, a gran altura. También necesita una segunda masa de agua en algún sitio más bajo. Una turbina ubicada entre ellos gira cuando el agua fluye hacia abajo desde el sitio más alto. Dentro de una central eléctrica, una bomba puede enviar agua desde el lago inferior al superior. Este tipo de batería queda completamente “cargada” cuando el lago superior está lleno. Y se “descargará” por completo si alguna vez se seca el lago superior.

Cuando se necesita energía, el agua fluye desde el lago superior al inferior. A medida que esa agua pasa por la turbina, genera electricidad. Cada vez que el nivel del agua en el lago superior baja, la bomba puede rellenarlo. La bomba utiliza electricidad que puede provenir de otras plantas de energía cercanas, o de baterías que han almacenado el exceso de energía generada por la turbina.

Si se cuenta toda la energía almacenada en todo el mundo, en todos los tipos de baterías, los sistemas hidroeléctricos de bombeo representan el 99 por ciento. (El resto incluye baterías que se encuentran en automóviles y hogares).

China, que está construyendo docenas de nuevas instalaciones, es el líder mundial en energía hidroeléctrica de bombeo. Puede producir 50 gigavatios de potencia. Gigavatio es una medida de la velocidad a la que la energía se mueve de un lugar a otro, como de un generador a una casa. Un gigavatio puede alimentar a unos 750.000 hogares. Así, en total, las plantas hidroeléctricas de bombeo de China pueden electrificar a más de 37 millones de hogares. Sistemas similares en Estados Unidos pueden producir alrededor de 22 gigavatios, suficiente para más de 16 millones de hogares.

Pero cuando se trata de energía hidráulica de bombeo, “existen algunas limitaciones importantes”, señala Edwards de Gravitricity. Uno de los más importantes es la geografía. La hidráulica bombeada funciona bien en terrenos empinados. "En Noruega, donde hay regiones montañosas densas", explica Edwards, "la energía hidroeléctrica es el camino a seguir". Pero incluso allí el agua no puede fluir si está congelada. “Y en los países llanos, en absoluto”, esto no funcionará.

Joe Zhou, de Quidnet, señala otros desafíos. “Hay que hacer un túnel a través de una montaña. Hay que excavar un espacio del tamaño de un hangar de avión”, afirma. "Estos son grandes proyectos multimillonarios". Se necesitan años para planificar y construir. Por último, señala, la demanda mundial de almacenamiento de energía es de más de 1 teravatio de almacenamiento: 1.000 gigavatios.

Zhou argumenta: “Simplemente no hay suficientes montañas en el mundo para eso. No se puede hacer mucho con el sistema hidráulico de bombeo”.

Otra cosa acerca de la energía hidráulica de bombeo: "Simplemente no podemos construirla lo suficientemente rápido", dice Jim Fiske. Es un ingeniero que ayudó a iniciar Gravity Power. Fiske lleva más de 15 años pensando en nuevas formas de diseñar baterías alimentadas por gravedad.

Inspirándose en la energía hidroeléctrica de bombeo, comenzó a pensar en formas de obtener gran potencia sin una inversión tan grande. "Pensé: 'Tiene que haber una manera mejor de levantar objetos masivos que no sea levantar agua colina arriba'".

El sistema de Gravity Power utiliza un pozo profundo lleno de agua. (El pozo podría incluso ser la entrada a alguna mina antigua). En el interior se encuentra un pistón grande y pesado. Cuando el pistón se desliza hacia abajo, empuja el agua fuera del fondo del eje. Esa agua sube por otro túnel más pequeño hasta una casa de bombas en la parte superior. En su interior hay una turbina. El agua hace girar las aspas de esa turbina para generar electricidad. Luego, un cable transporta esa energía eléctrica a donde se necesita.

El agua usada fluye desde la turbina hacia la parte superior del eje, llenando el espacio sobre el pistón. Cuando los paneles solares o las turbinas eólicas producen más energía de la necesaria, el exceso se destina a bombear agua desde la parte superior del eje hasta el fondo. Para recargar el sistema, el agua entrante empuja el pistón hacia arriba nuevamente.

Este sistema no requeriría ninguna tecnología nueva, afirma Fiske. Su bomba es idéntica a la que se encuentra en una central hidroeléctrica de bombeo.

"La física de una planta de energía gravitacional es muy simple", dice Fiske. Es la misma idea básica aquí que en los sistemas Gravitricity y Energy Vault.

En física, los científicos estudian las formas en que interactúan la materia y la energía. Y para ellos, la gravedad es una figura principal. Es la fuerza que atrae dos cosas entre sí. La gravedad permite que la Luna orbite la Tierra y la Tierra orbite el Sol. (También es debido a la gravedad que la gente no sale volando del planeta).

Si levantas una manzana, esa fruta adquiere energía potencial. Eso significa que tiene energía debido a su posición sobre el suelo. Suelta esa manzana y su energía potencial se convertirá en energía cinética. Cada uno es un ejemplo de energía gravitacional.

Todas las plantas de energía por gravedad se basan en la misma idea: levantar algo pesado para aumentar la energía potencial gravitacional. Cuando los pesos bajan, su energía potencial disminuye, la energía cinética aumenta y las turbinas giran para generar electricidad.

En un valle alpino rodeado de montañas nevadas, Energy Vault instaló una grúa gigante de seis brazos en julio de 2020. “Parece un transformador”, dice Piconi.

Los brazos de la grúa pueden levantar y bajar bloques que pesan 25 toneladas métricas (alrededor de 55.000 libras) cada uno. Cuando se apilan, los bloques contienen energía potencial. Al bajar los bloques, la grúa genera electricidad que puede circular a través de la red eléctrica hasta hogares y empresas.

Más recientemente, Energy Vault ha estado construyendo sistemas de energía por gravedad que almacenan bloques grandes y pesados ​​dentro de lo que parece una caja de metal gigante. Las poleas y los motores mueven los bloques, horizontal y verticalmente. Aún así, la idea sigue siendo la misma. Los bloques más altos almacenan más energía, que puede generar electricidad cuando luego se bajan. Este sistema es modular, lo que significa que está construido a partir de piezas idénticas y más pequeñas. Cuantos más módulos se utilicen, más energía podrá almacenar.

Piconi dice: "Defina la energía y la potencia que desea y podremos construir el edificio para satisfacerlas".

Las primeras pruebas de sistemas de almacenamiento basados ​​en la gravedad muestran que pueden generar electricidad. Y sistemas como el de Gravitricity se pueden construir cerca de donde más se necesitan. Si se colocan donde puedan reutilizar minas abandonadas, estos nuevos sistemas ni siquiera necesitarán perforar costosos y gigantescos agujeros.

Pero estos proyectos recientes también han revelado desafíos. Una cosa ha quedado muy clara, afirma Piconi. "No hay bala de plata." Con esto quiere decir que ninguna solución funcionará en todas partes ni igual de bien.

Estos sistemas de gravedad están limitados en la cantidad de energía que pueden almacenar. Si el proyecto de prueba de Gravitricity en la República Checa funciona perfectamente, podrá suministrar energía a unos 750 hogares, pero sólo durante 30 minutos. "Es mucho poder, pero sólo puedes hacerlo por un corto período de tiempo", explica Edwards.

Sin embargo, se puede ampliar. Con la construcción de muchos de estos sistemas, la empresa espera alcanzar los 20 megavatios. Esto debería ser suficiente para alimentar 3.000 hogares durante unos 30 minutos. Edwards dice que una red como esa sería útil cuando otras fuentes de energía tengan fallas a corto plazo.

El proyecto de Energy Vault en China proporcionará aproximadamente 25 megavatios (para alimentar a más de 3.500 hogares) durante cuatro horas.

Julian Hunt trabaja en el Instituto Internacional de Análisis de Sistemas Aplicados en Laxenburg, Austria. Ingeniero, estudia sistemas de almacenamiento de energía. Incluso las baterías como las impulsadas por la gravedad, afirma, sólo ofrecen soluciones para interrupciones a corto plazo. La energía hidráulica bombeada es la que puede almacenar la mayor cantidad de energía, afirma. También puede liberarlo durante el período de tiempo más largo.

Se necesitarán nuevas soluciones para áreas que podrían necesitar complementar su energía durante períodos más largos, especialmente si solo necesitan pequeñas cantidades a la vez. Una comunidad insular podría ser un ejemplo.

Levantar bloques pesados, dice Hunt, probablemente no satisfaga esa necesidad. Sugiere una alternativa: arena. En esa situación, es "el camino a seguir".

Actualmente no existe ningún sistema basado en arena o grava.

Pero en un artículo reciente, Hunt describió un sistema que podría construirse en la ladera de una montaña. Generaría electricidad dejando que la arena o la grava fluyan cuesta abajo. Para almacenar electricidad, cables y cubos volverían a levantar el material cuesta arriba. Este sistema podría funcionar en zonas con acceso limitado al agua.

Ahora que la sociedad puede generar energía a partir de fuentes renovables, dice Hunt, necesitamos almacenar esa energía de manera renovable. Piconi, de Energy Vault, predice que las futuras soluciones de almacenamiento de energía incluirán tanto baterías convencionales como baterías basadas en la gravedad.

Edwards dice que estos esfuerzos son parte de la transición hacia una dependencia de la energía limpia.

Pone como ejemplo su país de origen, Escocia. "Estamos haciendo la transición para alejarnos del petróleo y el gas", dice, "como lo está haciendo todo el mundo". Hay un gran cambio hacia las fuentes renovables. "Tenemos mucha energía eólica y mucha energía de las olas", señala. En un momento dado, durante una fuerte tormenta, el año pasado, los vientos rápidos hicieron girar violentamente las turbinas. Generaron más del doble de la energía que necesitaba todo el país, dice Edwards.

El desafío es cómo retener ese extra. "Nadie ha roto este huevo todavía", afirma. "Pero somos parte de una red de ingenieros y empresas que intentan ayudar a resolver estos problemas de almacenamiento de energía".

batería: Dispositivo que puede convertir energía química en energía eléctrica.

electricidad: Un flujo de carga, generalmente proveniente del movimiento de partículas cargadas negativamente, llamadas electrones.

elevación: La altura o altitud a la que algo existe.

ingeniero : Persona que utiliza las ciencias y las matemáticas para resolver problemas. Como verbo, diseñar significa diseñar un dispositivo, material o proceso que resolverá algún problema o necesidad insatisfecha.

excavar : (n. excavación) Excavar algo del suelo o de la roca (como huesos de dinosaurio); Quitar la parte interior de algo para hacer un agujero (cavidad) en su interior.

fuerza: Alguna influencia externa que puede cambiar el movimiento de un objeto, mantener objetos cerca unos de otros o producir movimiento o tensión en un objeto estacionario.

generador: Dispositivo utilizado para convertir energía mecánica en energía eléctrica.

gravedad : La fuerza que atrae cualquier cosa con masa o volumen hacia cualquier otra cosa con masa. Cuanta más masa tiene algo, mayor es su gravedad.

red : (en electricidad) El sistema interconectado de líneas eléctricas que transportan energía eléctrica a largas distancias. En América del Norte, esta red conecta estaciones generadoras de electricidad y comunidades locales en la mayor parte del continente.

hidrógeno : El elemento más ligero del universo. Como gas, es incoloro, inodoro y muy inflamable. Es una parte integral de muchos combustibles, grasas y sustancias químicas que forman los tejidos vivos. Está formado por un solo protón (que le sirve de núcleo) orbitado por un solo electrón.

energía cinética : La energía retenida por un objeto debido a que está en movimiento. La cantidad de esta energía contenida dependerá tanto de la masa (normalmente peso) del objeto como de su velocidad.

ingeniero mecánico: Alguien capacitado en un campo de investigación que utiliza la física para estudiar el movimiento y las propiedades de los materiales para diseñar, construir y/o probar dispositivos.

módulo : Conjunto de piezas estandarizadas o unidades independientes utilizadas para ensamblar una estructura más compleja. El módulo podría usarse para crear una casa o muebles “prefabricados”, o incluso una nave espacial.

luna: El satélite natural de cualquier planeta.

motor : Dispositivo que convierte la electricidad en movimiento mecánico. (en biología) Término que se refiere al movimiento.

red : Un grupo de personas o cosas interconectadas. (v.) El acto de conectarse con otras personas que trabajan en un área determinada o hacen algo similar (como artistas, líderes empresariales o grupos de apoyo médico), a menudo asistiendo a reuniones donde se esperaría que se esperara a esas personas y luego charlando. hacia arriba. (n. establecimiento de redes)

orbita : La trayectoria curva de un objeto celeste o una nave espacial alrededor de una galaxia, estrella, planeta o luna. Un circuito completo alrededor de un cuerpo celeste.

física : El estudio científico de la naturaleza y propiedades de la materia y la energía. La física clásica es una explicación de la naturaleza y las propiedades de la materia y la energía que se basa en descripciones como las leyes del movimiento de Newton. La física cuántica, un campo de estudio que surgió más tarde, es una forma más precisa de explicar los movimientos y el comportamiento de la materia. Un científico que trabaja en estas áreas se conoce como físico.

pistón : Cilindro dentro de un tubo que ha sido diseñado para moverse hacia arriba y hacia abajo, comprimiendo o expandiendo un líquido o gas (como el aire). Los motores de combustión interna, como los de la mayoría de los automóviles y camiones de combustible líquido, los utilizan para impulsar el movimiento. Los pistones también pueden servir como bomba.

planeta: Un gran objeto celeste que orbita una estrella pero, a diferencia de una estrella, no genera luz visible.

energía potencial : La energía retenida por un objeto debido no a su movimiento sino a su posición o condición (como estar inmóvil por un freno o suspendido de un cable). Ejemplos de objetos que poseen este tipo de energía incluyen un resorte comprimido o una masa de nieve en la ladera de una colina (pensemos en su capacidad de crear una avalancha).

planta de energía: Una instalación industrial para generar electricidad.

presión: Fuerza aplicada uniformemente sobre una superficie, medida como fuerza por unidad de área.

renovable : Adjetivo para recursos que pueden ser reemplazados infinitamente (como agua, plantas verdes, luz solar y viento). Esto contrasta con los recursos no renovables, para los cuales existe una oferta finita, una que esencialmente puede agotarse. Estos incluyen petróleo (y otros combustibles fósiles) o elementos y minerales relativamente raros.

reservorio : Una gran reserva de algo, a menudo una reserva natural de agua, como lagos o estanques. (en biología y medicina) Las personas que estudian las infecciones se refieren al entorno en el que los gérmenes pueden sobrevivir de forma segura (como los cuerpos de las aves o los cerdos) como reservorios vivos.

solar : Tiene que ver con el sol o la radiación que emite. Proviene de sol, del latín sol.

suplemento: (verbo) Agregar a algo.

sistema : Una red de partes que juntas trabajan para lograr alguna función. Por ejemplo, la sangre, los vasos y el corazón son componentes primarios del sistema circulatorio del cuerpo humano. De manera similar, los trenes, andenes, vías, señales viales y pasos elevados se encuentran entre los componentes potenciales del sistema ferroviario de una nación. El sistema puede incluso aplicarse a los procesos o ideas que forman parte de algún método o conjunto ordenado de procedimientos para realizar una tarea.

tecnología: La aplicación del conocimiento científico con fines prácticos, especialmente en la industria, o los dispositivos, procesos y sistemas que resultan de esos esfuerzos.

terreno : El terreno en un área particular y todo lo que lo cubre. El término podría referirse a cualquier cosa, desde un paisaje liso, llano y seco hasta una región montañosa cubierta de rocas, pantanos y bosques.

transición: El límite donde una cosa (párrafos, ecosistemas, etapa de vida, estado de la materia) cambia o se convierte en otra.

turbina : Dispositivo con cuchillas extendidas en forma de brazos (a menudo curvas) para atrapar un fluido en movimiento (cualquier cosa, desde gas o vapor hasta agua) y luego convertir la energía de ese movimiento en movimiento giratorio. A menudo, ese movimiento giratorio impulsará un sistema para generar electricidad.

ola: Perturbación o variación que viaja a través del espacio y la materia de forma regular y oscilante.

cabrestante : Dispositivo mecánico utilizado para enrollar o soltar cuerdas o alambres. Aumentar la tensión con un cabrestante aumenta la fuerza aplicada a la cuerda o alambre. Entre sus posibles usos: un cabrestante puede subir una vela por el costado del mástil de un barco o aumentar la fuerza aplicada a un material para probar su resistencia.

Diario:​ JD Hunt y cols. Almacenamiento de energía Mountain Gravity: una nueva solución para cerrar la brecha entre las tecnologías de almacenamiento existentes a corto y largo plazo. Energía. vol. 190, enero de 2020, pág. 116419. doi: 10.1016/j.energy.2019.116419.

Stephen Ornes vive en Nashville, Tennessee, y su familia tiene dos conejos, seis gallinas y un gato. Ha escrito para Science News Explores desde 2008 sobre temas que incluyen rayos, jabalíes, grandes burbujas y basura espacial.

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