Bloques de hormigón como sistema de almacenamiento de electricidad

[JotaEle]

Dario Ruarte escribió

PD = No tengo en claro cómo genera energía la piedra bajando... es decir, no tengo idea si hay generadores disponibles para este tipo de "combustible" (energía cinética) pero, supongo que es un generador normal con algunos engranajes o reductores que gira a partir de que la piedra baja en vez de tener el motor de combustión que usan los generadores normales.

Un motor sincrono de iman permanente lo hace. Si le aplicas corriente gira y subiría el peso. Si se le gira con una fuerza exterior genera y produce resistencia.
¿Donde están estos motores?. En los coches híbridos y eléctricos, así producen su aceleración y su frenada regenerativa.

Saludos

[David_gs]

Darío,

Ya hace años que se difundió por ahí un sistema para almacenamiento mediante energía potencial subterráneo, de hecho creo que incluso en este foro lo comentamos (tal vez no fuera en este, por entonces andaba metido en más de uno). No encuentro ahora el diagramita, pero básicamente era un sistema de poleas y pesos excavado debajo de la casa que hacía el mismo trabajo que la grúa y sus bloques de cemento.

Pero sinceramente, me pregunto si una instalación rural no saldría ganando instalando unas buenas baterías y sistemas de generación redundantes (a la fotovoltaica añadir picoeólica, o picohidroeléctrica si tiene la posibilidad). No sé por qué, pero me parece a mí que seguramente le saldría más barato. Incluso un generador auxiliar diésel o metano, añadido a todo lo demás, le saldría más barato.

En cuanto al almacenamiento, estamos hablando del almacenamiento de energía eléctrica. En el caso concreto de una casa aislada se podrían estudiar sus necesidades y ver si se pudiera almacenar energía para otros usos mediante otros métodos (por ejemplo, almacenar energía térmica en ladrillo refractario o muro de mampostería para calefacción).

Por último, sólo me gustaría recordar que ya existen otros métodos de almacenamiento que están en pruebas desde hace años, con diverso grado de éxito, como el almacenamiento mediante gas comprimido, bloques de sales fundidas (producción solar termoeléctrica, fundamentalmente) o los volantes de inercia, y todos ellos me parecen a priori candidatos mejores que una grúa con bloques de hormigón...

Saludos,
D.

[Dario Ruarte]

A ver...

1) Cavar un pozo es mucho más complicado que armar una torre (se hace en horas). Lo del pozo sólo sería razonable en una vivienda urbana que, por razones de código de construcción no pudiera hacerlo.

2) Sales fundidas para una instalación domiciliaria no creo que funcione. No da la escala. Ignoro incluso el costo de las sales y el proceso para convertir el calor en electricidad (complejidad, escala y costo).

3) Los volantes de inercia hasta la fecha no han dado gran resultado. Los que rotan una masa metálica tienen un costo en metal BRUTAL y, los que usan muelle y lo comprimen son bastante delicados.

4) Ladrillos refractarios para conservar calor lo resuelves con una estufa rusa y leña. No hace falta electricidad para eso (Nota: Las estufas rusas tienen una gran masa de ladrillos que se calienta y conserva el calor largo tiempo)

5) Comprimir aire podría tener algunas ventajas pero, se me ocurre que la infraestructura es menos resistente y duradera que el bloque de hormigón en una torre (el depósito de aire a presión tiene mantenimiento, las cañerías y conductos deben soportar la presión, el compresor de aire es más complejo que el motor eléctrico, etc.)

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Desde ya que ignoro los resultados de cada una de estas alternativas pero, insisto, mi "olfato" me dice que es la más barata, duradera y hasta factible de todas ellas (incluyendo las baterías tradicionales).

[David_gs]

A ver, vale que mi post era un poco mezcladillo. Para la solución de una casa aislada iba lo de ladrillo refractario y otros métodos de generación asociados.

Los ladrillos refractarios ya he explicado que, si se distinguen los usos diferentes que una casa necesita, se puede "almacenar" la energía en distintos formatos según las necesidades (calefacción en forma de calor, electricidad en baterías para algunos usos concretos, agua caliente sanitaria etc.). En mi opinión usar electricidad para acumular calor en ladrillo refractario (lo que hacen los acumuladores térmicos que hay en muchas casas) es un desperdicio, y coincido en que la estufa rusa y similares son métodos mucho mejores.

Lo de sales fundidas, aire comprimido y volantes de inercia era como método de almacenamiento en centrales generadoras, por para el caso de la casa aislada, y lo comentaba por comparación a lo de la grúa y los bloques de hormigón, que realmente se supone que es una "central de almacenamiento".

Bueno, en realidad lo del volante de inercia se ha propuesto a escalas mucho menores, incluso se ha propuesto reducirlo lo suficiente para poder almacenar la energía de frenado de los automóviles (aunque tiene sus problemillas).

Dario Ruarte escribió

Desde ya que ignoro los resultados de cada una de estas alternativas pero, insisto, mi "olfato" me dice que es la más barata, duradera y hasta factible de todas ellas (incluyendo las baterías tradicionales).

Mi olfato me dice que, para una solución puntual de una casa aislada, un buen paquete de baterías y un generador auxiliar son un resultado mucho más barato y con un mantenimiento mucho más sencillo (pero de largo).

Saludos,
D.

[Fleischman]

OK, pero fíjate que la “opción agua” es escalable, pudiendo ser el tamaño también de casa rural. Es decir, en vez de subir bloques de hormigón rellenos de cemento, pues subo bloques de hormigón rellenos de agua (y me ahorro el cemento). (Pierdo densidad, eso sí.)

Y ya puestos, en lugar de subir “bloques de agua”, pues es más fácil subir agua a una cisterna, simplemente. Me ahorro la grúa (me basta con una bomba y una manguera), se simplifica el control (no tengo que mover bloques sino que basta con abrir el grifo) y puedo tener “bloques de agua” del tamaño que quiera (abro el grifo más o menos).

Y de paso tengo agua almacenada para otros usos (de hecho, mi suegro tiene un depósito elevado de agua en la casa del campo –a menor altura, lógicamente, pues no hace falta tanta presión-).

La intuición me dice que una cisterna (o cisternas) con agua es una opción mucho más barata que bloques de cemento o piedras. De hecho, en muchos casos las cisternas ya existen, solo faltaría añadir el mecanismo para aprovechar la energía al bajar el agua (y adecuar la altura para este uso, si es necesario).

[Fleischman]

El párrafo que puse antes de Tom Murphy te da la respuesta, teniendo en cuenta justamente 10 metros:


Let’s start small by considering the 3 W-h of energy stored in a AA battery, as computed above. One kWh of energy is 3.6×106 J of energy, so our AA battery stores 10,800 J of energy. A mass of m kilograms, hoisted h meters high against gravity at g≈10 m/s² corresponds to E = mgh Joules of energy. If we were willing to hoist a mass 3 m high, how much mass would we need to replace the AA battery? Have a guess? The answer is 360 kg, or about 800 lb. A battery the size of your pinky finger beats the proverbial 800 lb gorilla lifted onto your roof!

The lesson is that gravitational storage is incredibly weak. A volume of water the size of our bedroom raised even 10 m above our home in a precarious threat to the neighbors would store 0.625 kWh. That’s enough for 30 minutes of typical household electricity consumption. You’ll forgive me if I ignore efficiency losses. It’s not even worth the effort. It’s over.

Si quieres 3 kWh en lugar de 0.625 kWh, necesitas 4.8 “habitaciones de agua”. Si fueran de cemento, aprox. la mitad (supongamos una densidad más o menos el doble que la del agua).

O, siguiendo el primero de los ejemplos, si para una pila pequeña (3 Wh) necesitas un gorila a 3 metros, para 3 kWh necesitas mil gorilas. 300 gorilas (108 toneladas) si los pones a 10 m en lugar de a 3 m.

[Fleischman]

Cualquier cosa que se nos ocurra ya se le ha ocurrido antes a alguien...

En el mismo post de Tom Murphy (http://physics.ucsd.edu/do-the-math/2011/09/got-storage-how-hard-can-it-be/) habla de los volantes de inercia y el aire comprimido, entre otros.

A recent $53 million flywheel storage facility in Pennsylvania uses 200 large units storing 25 kWh each, working out to $10,000 per kWh of storage capacity. Each unit’s vacuum chamber looks to be about 1.5 m in diameter and 3–4 m tall. If we raise the ceiling and squeeze four into our bedroom, we could get 3 days of electricity storage for the typical American house for a cool million bucks. But the frictional losses—while painstakingly minimized—likely preclude these units from being useful over periods of days.

(...)

A high-quality tank can store air at 200 atmospheres of pressure. If we make a big bedroom-sized tank in cylindrical form similar to the flywheel dimensions, it has a volume of 10 m³. The steel walls would have to be about 6 cm thick to withstand the stress, so that the tank would have a mass of approximately 12 tons.  You did reinforce the floor, right?

We want to take a volume of air, V0, 200 times larger than our tank volume at atmospheric pressure (P0 = 105 Pa) and compress it to fit in the tank (adding two tons of mass!). If done slowly enough to maintain approximately constant temperature (several hours), the energy required is P0V0ln(P/P0), where ln() is the natural logarithm function. For our volume, this turns into 1 GJ, or almost 300 kWh—enough for 10 days of typical American electricity use.

[Dario Ruarte]

Gracias Fleischman.

Había leído el párrafo quoteado pero no la nota y allí juega con muchas variables. De puro cómodo no me puse a hacer los números en persona -esperaba la colaboración de algún ingeniero que le salen más fácil-.

La densidad del agua es la mitad que la del cemento (doble de volumen para el mismo peso) pero, la duda que me queda es: genero electricidad de un modo igual de sencillo usando agua que usando peso ?

Para aprovechar el agua tengo dos modos:

a) Por presión generando con una turbina (las hay pequeñas)

b) Por "peso" -como si fuera una piedra- bajando el tanque (del doble de volumen que si tuviera cemento) pero, usando los reductores para mover un generador de fricción.

Ignoro si alguno de los dos métodos es más eficiente que el otro (menos pérdidas).

Volviendo a la "piedra" de cemento, queda claro que puede ser una caja que se llena de arena o piedras del lugar (densidad 1.5; a mitad de camino entre el agua -1- y el cemento compactado -2-). Esto hace la instalación más sencilla aún.

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Quiero aclarar que el cálculo de la energía "potencial" es útil como LIMITE (jamás sacaré más de eso) pero, no alcanza para el análisis porque, tengo que considerar las PERDIDAS DE GENERACION para determinar el peso total a elevar (y la energía necesaria para ello) y, el dato que tengo que buscar es:

- Cuánto genera una micro-turbina hidráulica y qué caudal mínimo le permite funcionar ?, cuál es la pérdida ? (o eficiencia de generación visto al revés).

- Misma pregunta para un generador activado por engranajes reductores.

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En el caso de las baterías (que para el "olfato" de David es la mejor solución) creo que el costo para 3 Kwh almacenados debe rondar los $ 1500 pero, hay que reponerlo cada 3-5 años (las baterías Edison duran 100 años pero cuestan tres veces más). Esto nos ayuda a saber los costos para comparar.

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Otra cosa -ya que estoy divagando, aprovecho y divago más -

Una de las ventajas usando AGUA es que puedo aprovechar la vieja, conocida y más que usada energía eólica. Un molino para bombear agua ronda los $ 5000 (y acá no se necesita uno muy grande, hasta puede que se pueda conseguir por menos dinero). No tiene grandes costos asociados de mantenimiento.

Un circuito "pileta-molino-depósito elevado" (para usar siempre el mismo agua y no tener que bombearla de gran profundidad) tomaría agua del nivel del suelo (pileta), la subiría 10-15 o 20 mts (a determinar) y la soltaría para turbinar. Esto si las turbinas o hidrogeneradores son más o menos eficientes que los convencionales.

Al menos como ejercicio me voy a tomar el trabajo de calcular ésto. Me ha gustado como idea.

Mientras que a nivel urbano "baterías rules", en caso de las viviendas rurales quizás sea una tecnología más sencilla, económica y práctica la "auto-generación nocturna" por alguno de estos métodos.

[Dario Ruarte]

Mientras que puedo imaginar una estructura societaria compleja o el costo de montar un proyecto en segundos y "a ojo", en temas de física-energía voy más lento.

No se puede todo en la vida ! (pero al menos me aplico y lo saco)

Ya estuve jugando un poco con los números "en borrador" y sin duda estamos hablando de pesos y/o alturas que exceden lo manejable de modo sencillo.

Va ser que no. Lástima.

[Rafael Romero]

El problema con los sistemas de almacenaje con agua, es que necesitas agua excedentaria y habitualmente estos sistemas utilizan aguas útiles, para la agricultura o incluso el consumo humano.

Y el del agua puede ser un problema peor que el de los combustibles fósiles, porque ya no es cuestión de energía necesaria para mantener en funcionamiento una granja, un pueblo o una ciudad, es cuestión de supervivencia.

Claro que la solución es utilizar aguas residuales, ¿no?

[JotaEle]

En la primavera de 2013 se dieron unas condiciones no muy corrientes que provocaron la pérdida de un 8% de la producción eólica. Los pantanos estaban muy llenos, hubo mucho viento y la demanda estaba bajando. Así que hubo que parar parte de la producción eólica.

Si vemos el anuario estadístico de REE podemos ver cómo enero tuvo mucha más producción eólica que marzo, abril, mayo  y junio y sin embargo se dio una primavera de mucho viento.
La nuclear permaneció como siempre en sus niveles. Tanto el carbón como los ciclos combinados bajaron también a niveles más bajos de producción, pero ni mucho menos llegaron a parar.

Si vemos el mapa de líneas también facilitado por REE, la mayoría de centrales térmicas, grades hidráulicas  y de bombeo, están en la red de 400 kv y 220 kv, siendo mucho más grande la de 400 kv y por tanto dominando la mayor parte de las centrales.
Lo sorprendente para mí ha sido ver como la mayor parte de los parque eólicos están también en estas redes, no están tan dispersados como creía en un principio. ¿Entonces cómo es posible que cuando hay sobreproducción eólica no lleguen a apagar el carbón y los ciclos combinados?. Parece que la irregular producción eólica hace que se tenga siempre funcionando una gran cantidad de energía térmica además de la nuclear.
El caso es que toda la capacidad de bombeo, que no es poca, sirvió para poco ese año.

Sacado del anuario de REE he hecho una estimación de ese 8%, unos 1.126 Gwh.
Si quisiéramos acumular toda esa energía en las baterías de Tesla Powerwall 2 harían falta unas 5.363.047 baterías y si quisiéramos acumularla en gruas de 20 MWh harían falta unas 56.312 gruas. El coste de las baterías sería brutal, 15.155 millones €, pero las gruas a 5 millones cada una saldría 18 veces más caro. Claramente el futuro de la acumulación eléctrica (si es que puede haber) tiene que pasar por las baterías. La acumulación por bombeo con centrales pequeñas mejor lo dejamos, ya que saldría todavía mucho más caro que las gruas y ya hemos visto que si se junta el viento con la lluvia tampoco son efectivos los grandes complejos de acumulación hidroeléctrica.

Viendo el mapa de redes de 400 kv de REE se puede ver que hay una extensa malla de 400 kv por toda la península con dos pasos solo para Francia. Hay que pensar que Francia debe de tener una red semejante de 400 kv a la nuestra, quizás la solución estaría en crear cinco o seis pasos más y juntar totalmente las mallas de distribución. Así un excedente eólico en España se gastaría en el sur de Francia, y el excedente nuclear Francés que quedaría se desplazaría  también a países limítrofes con Francia como Alemania, Italia, Suiza y Belgica. Y así sucesivamente.
Una red así ayudaría a apagar muchas térmicas por toda Europa.

Saludos

[Dario Ruarte]

El problema de España JotaEle es justamente ese, en términos de energía es una "isla" que no puede aprovechar sobrantes o reponer déficits con mucha facilidad porque sólo están conectada a Francia -y esto desde hace no tanto-

Mientras que Dinamarca aprovecha el 100% de la eólica, sea para uso propio o derivando a la red alemana, belga, holandesa (sin desperdiciar ni un Watt) y, a su vez, tiene muchos puntos de donde "tomar" cuando tiene bajas, en el caso de España toda la red fue planificada como una 'isla'.

Esto se ha comentado muchas veces.

Para Dinamarca es "sencillo" administrar la intermitencia mientras que para España es complicado hacerlo.

[JotaEle]

Darío, Dinamarca no es una buena referencia, su producción es minúscula comparada con países más grandes. Muchos países están teniendo parecidos problemas como España. Entre ellos Alemania, China, EEUU, etc. Todos son islas.
Si de verdad quieres energías renovables, deja de construir molinos y huertos solares

Saludos

[Dario Ruarte]

Te equivocas... es EL MEJOR EJEMPLO MUNDIAL en la materia. Están llegando al 50% de energía eléctrica "renovable" y eso sólo pueden hacerlo por sus interconexiones.

El año pasado, 2015, Dinamarca se ha puesto a la cabeza en la producción de energía eólica en el mundo. Ya en 2014 habían producido el 39 % de su energía eléctrica mediante el uso de aerogeneradores, pero en 2015 lo superaron y han generado el 42 % de su energía eléctrica con turbinas eólicas, demostrando así, que incluso teniendo poco espacio se puede lograr. Con su pequeño territorio que es apenas una península en el norte Europeo, y con muchos generadores montados en el mar, han podido superarse a sí mismos dos años ya generando energía limpia para abastecer sus propias necesidades.

Y para el 2017:

Un informe de la organización danesa Dansk Energi, nos certifica que en 2017 Dinamarca ha marcado nuevo récord de generación eólica. Y es que, según el informe, en 2017 el 43.6% del consumo eléctrico del país fue generado mediante energía eólica. Se trata de un nuevo hito en el esfuerzo de Dinamarca para conseguir una transición hacia un sistema eléctrico 100% libre de emisiones.

Los datos proporcionados por Dansk Energy muestra que 2017 ha finalizado con 14.700 GWh producidos por la energía eólica, convirtiendo así el 2017 como otro año récord en esta producción.

Que tenga menos habitantes o que produzca menos energía eléctrica total que España no altera el hecho de que puede darse ese lujo porque su sistema eléctrico está altamente conectado a GRANDES CONSUMIDORES/PRODUCTORES y eso le permite balancear las cargas sin mayores problemas cosa que España, que es una "isla energética" no puede darse el lujo de hacer en igual medida.

Ellos no tienen problemas para "acumular" energía sencillamente porque TODA LA QUE PRODUCEN se usa, aún cuando supera las necesidades internas ya que la derivan a Alemania y Holanda. A su vez, cuando tienen faltantes pueden recurrir a los alemanes (es mínima la sobrecarga de abastecer a los dinamarqueses en sus picos bajos) y, si no me equivoco incluso a los franceses.

De eso va el tema (acumulación)

[Dario Ruarte]

Y agrego.

Pensé que las inteconexiones más importantes eran con Alemania pero, viendo el mapa advierto que en realidad lo hacen con Noruega y Suecia también.

https://www.entsoe.eu/data/map/#5.73/41.88/2.457