Descarbonizar la red significa almacenar energía de fuentes renovables. El agua subterránea puede hacer eso.

Aproximadamente el 12 % de la demanda energética mundial total proviene de la calefacción y refrigeración de hogares y empresas. Un nuevo estudio sugiere que el uso de agua subterránea para mantener temperaturas agradables podría reducir el uso de gas natural y electricidad en un 40 por ciento en este sector en los Estados Unidos. El enfoque, llamado almacenamiento de energía térmica en acuíferos (ATES), también podría ayudar a prevenir apagones causados ​​por la alta demanda de energía durante eventos climáticos extremos.

“Necesitamos almacenamiento para absorber la energía fluctuante del sol y el viento, y la mayoría de la gente está interesada en baterías y otros tipos de almacenamiento eléctrico. Pero nos preguntábamos si había algún potencial para usar el almacenamiento de energía geotérmica, porque la calefacción y la refrigeración son una parte tan predominante de la demanda de energía de los edificios”, dijo el primer autor ATD Perera, ex investigador postdoctoral en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) ahora en el Centro Andlinger de Energía y Medio Ambiente de la Universidad de Princeton.

«Descubrimos que, con ATES, se puede almacenar una gran cantidad de energía y se puede almacenar durante un largo período de tiempo», dijo Perera. «Como resultado, la demanda de energía para calefacción y refrigeración durante períodos extremadamente cálidos o fríos se puede satisfacer sin agregar una carga adicional a la red, lo que hace que las infraestructuras energéticas urbanas sean más resistentes».

El estudio, publicado esta semana en Energía aplicada, es el primer examen de cómo ATES podría encajar en el objetivo más amplio de descarbonizar los sistemas energéticos de EE. UU. almacenando energía renovable intermitente para usar cuando el sol no brilla y las turbinas no están girando. Después de construir una simulación tecnológica y económica integral de un sistema de energía, los autores encontraron que ATES es una opción convincente para el almacenamiento de energía para calefacción y refrigeración que, junto con otras tecnologías como las baterías, podría contribuir a terminar con nuestra dependencia de los combustibles fósiles. energía de respaldo y habilitar una red totalmente renovable.

Poniendo la termodinámica a trabajar

ATES es un concepto deliciosamente simple que aprovecha la propiedad de absorción de calor del agua y las características geológicas naturales del planeta. Simplemente bombee agua de los tanques subterráneos existentes y caliéntela sobre el suelo en el verano con el calor ambiental o el exceso de energía de la energía solar o en cualquier época del año con el viento. Luego lo bombeas hacia abajo.

«En realidad, se mantiene lo suficientemente caliente porque la Tierra es un buen aislante», explicó el coautor Peter Nico, subdirector de la división de Geociencias Energéticas en Berkeley Lab y jefe del Dominio de Infraestructura, Agua y Energía Resiliente. “Entonces, cuando lo levanta en los meses de invierno más tarde, esa agua está mucho más caliente que el aire ambiente y puede usarla para calentar sus edificios. O viceversa, puede sacar el agua y dejar que se enfríe y luego puede volver a colocarla y almacenarla hasta que necesite refrescarse durante los calurosos meses de verano. Es una forma de almacenar energía en forma de temperatura bajo tierra».

ATES aún no se usa ampliamente en los EE. UU., aunque está ganando reconocimiento a nivel internacional, particularmente en los Países Bajos. Un beneficio importante es que estos sistemas obtienen energía térmica «gratuita» de los cambios de temperatura estacionales, que pueden potenciarse mediante la adición de calefacción y refrigeración artificiales generadas por electricidad. Como tales, funcionan muy bien en áreas con grandes fluctuaciones estacionales, pero tienen el potencial de funcionar en cualquier lugar siempre que haya viento o sol para conectarse. Con respecto a otros impactos, los sistemas ATES están diseñados para evitar interferir con los suministros críticos de agua potable (a menudo, el agua utilizada proviene de acuíferos más profundos que el suministro de agua potable) y no introducen productos químicos en el agua.

¿Como funciona?

Para obtener algunos números concretos que calculen cuánta energía podría ahorrar ATES en la red de EE. UU. y cuánto costaría implementarlo, el equipo diseñó un estudio de caso utilizando un modelo computacional de un vecindario de Chicago. Este vecindario virtual estaba compuesto por 58 edificios residenciales unifamiliares de dos pisos con calefacción y aire acondicionado residenciales típicos conectados a una red de energía simulada con múltiples fuentes de energía posibles y opciones de almacenamiento, incluido ATES. Se usaron proyecciones climáticas futuras para comprender cuánto del balance total de energía del vecindario se consume actualmente por las demandas de calefacción y refrigeración y cómo esto podría cambiar en el futuro. Finalmente, se diseñó una simulación de microrred para el vecindario que incluye energías renovables y tecnologías ATES para evaluar la viabilidad tecnoeconómica y la resiliencia climática. Reunir todos estos factores en un solo modelo no hubiera sido posible sin la diversa experiencia del equipo en los campos de las geociencias de la energía, la ciencia del clima y las ciencias de la construcción.

Los resultados mostraron que agregar ATES a la red podría reducir el consumo de productos derivados del petróleo hasta en un 40 %, aunque costaría entre un 15 y un 20 % más que las tecnologías de almacenamiento de energía existentes.

“Pero, por otro lado, las tecnologías de almacenamiento de energía están experimentando fuertes reducciones de costos, y después de solo unos años de desarrollar ATES, podríamos fácilmente alcanzar el punto de equilibrio. Por eso es muy importante que comencemos a invertir en esta investigación y comencemos a construir sistemas prototipo del mundo real”, dijo Perera.

“ATES no necesita espacio en comparación con los sistemas de almacenamiento de agua o hielo basados ​​en tanques sobre el suelo. ATES también es más eficiente y se puede ampliar para enfriar o calentar grandes comunidades que los sistemas tradicionales de bomba de calor de fuente terrestre que dependen de la transferencia de calor con el suelo subterráneo”, agregó Tianzhen Hong, coautor y científico principal de Building Technology and Urban Systems. División.

Otro gran beneficio de ATES es que será más eficiente a medida que el clima se vuelva más extremo en los próximos años debido al cambio climático. Los veranos más cálidos y los inviernos más fríos previstos por los principales modelos climáticos del mundo tendrán muchos inconvenientes, pero una ventaja es que podrían aumentar la cantidad de energía térmica gratuita que se puede almacenar con ATES. Está haciendo limonada, ¿verdad? Si tiene estos eventos de calor extremo, también podría almacenar parte de ese calor para cuando tenga el evento de frío extremo”, dijo Nico.

ATES también hará que la futura red sea más resistente a las interrupciones causadas por las altas demandas de energía durante las olas de calor, que ocurren con bastante frecuencia en estos días en muchas áreas densamente pobladas de los Estados Unidos, incluida Chicago. Debido a que el enfriamiento impulsado por ATES usa mucha menos electricidad que los acondicionadores de aire, solo necesita energía suficiente para bombear agua.

«Es algo muy realista de hacer, y este trabajo se trataba realmente de mostrar su valor y cómo se pueden compensar los costos», dijo Nico. “Esta tecnología está lista para usar, por así decirlo. Solo tenemos que hacerlo.

Esta investigación fue financiada por la Oficina de Tecnologías Geotérmicas del Departamento de Energía.

La Oficina de Ciencias del DOE es el mayor patrocinador individual de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos y está trabajando para abordar algunos de los desafíos más apremiantes de nuestro tiempo. Para obtener más información, visite energy.gov/science.

Por Aliya Kovner. Cortesía de Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley.