La enorme batería que reemplazó la última planta de carbón de Hawái
(canarymedia.com)- La red eléctrica de Oahu perdió 180 MW de generación base con combustibles fósiles cuando cerró su última planta de carbón el 1 de septiembre de 2022, y Kapolei Energy Storage de Plus Power empezó a asumir funciones clave de la red para cubrir ese vacío
- Kapolei es una instalación de baterías de 185 MW compuesta por 158 Tesla Megapack, capaz de entregar una potencia instantánea de escala similar a la de la planta de carbón, con un tiempo de respuesta de 250 milisegundos
- Su capacidad de almacenamiento de 565 MWh no basta para reemplazar directamente toda la generación de la planta de carbón, pero permite almacenar el excedente de energía renovable para suministrarlo durante la demanda vespertina y reducir la limitación de generación
- Hawaiian Electric y Plus Power la diseñaron para incluir inercia sintética, respuesta rápida de frecuencia y capacidad de arranque en negro, de modo que también pueda apoyar la reactivación tras un apagón
- Kapolei representa alrededor del 17% de la capacidad pico de Oahu, convirtiéndose en un caso real de traslado de servicios esenciales de red que antes prestaban plantas fósiles hacia una fuente limpia
El vacío en la red tras el cierre de la planta de carbón
- Hawái cerró su última planta de carbón el 1 de septiembre de 2022, eliminando de la red de Oahu 180 MW de generación base con combustibles fósiles
- Fue un paso hacia la meta de Hawái de dejar de quemar combustibles fósiles para generar electricidad antes de 2045
- El reto restante era mantener la confiabilidad de la red al mismo tiempo que se transitaba hacia un gran portafolio de energías renovables de distintas escalas, cuya generación varía según el clima
Configuración y operación de Kapolei Energy Storage
- Kapolei Energy Storage, desarrollada y propiedad de Plus Power, inició operaciones comerciales antes de Navidad en una zona industrial del oeste de Oahu
- La instalación carga y descarga siguiendo las señales de Hawaiian Electric
- Está compuesta por 158 Tesla Megapack
- Su capacidad de descarga instantánea es de 185 MW, comparable a la potencia que la antigua planta de carbón podía inyectar a la red
- Su tiempo de respuesta es de 250 milisegundos, mucho más rápido que el de las plantas fósiles convencionales
- La batería no produce electricidad nueva; vuelve a suministrar cuando hace falta la electricidad que absorbe de la red
- Lo ideal es cargarla en los periodos en que la generación renovable es abundante
- En momentos de alta necesidad eléctrica, como por la tarde-noche, puede devolver energía barata y limpia
Construcción retrasada y proyecto de reemplazo del carbón
- Originalmente, la batería de Kapolei debía entrar en operación antes del retiro de la planta de carbón
- La COVID-19 afectó los envíos en toda la industria de baterías para la red, y la ubicación remota de Kapolei en medio del Pacífico agravó las dificultades
- En el verano de 2021, Plus Power esperaba terminarla a fines de 2022, pero la obra real tardó un año más
- Aun así, Kapolei se conectó a la red antes que otros grandes proyectos previstos de solar y baterías destinados a sustituir con energía limpia la generación de la planta de carbón
Funciones de red que la batería asumió directamente
- El valor principal que la antigua planta de carbón aportaba a Oahu era de tres tipos
- Energía: la cantidad total de electricidad
- Capacidad: potencia disponible de inmediato cuando se necesita
- Servicios de red: funciones para mantener la red estable
- Kapolei reemplaza directamente la capacidad y los servicios de red
- Ofrece una capacidad nominal al nivel de la potencia máxima de la planta de carbón
- Está programada para prestar los servicios necesarios para que la red opere dentro del rango de frecuencia establecido
- Si otra planta se detiene de golpe o la generación solar supera el consumo, la frecuencia de la red puede salirse de rango
- Kapolei responde a las desviaciones en tiempo real con inercia sintética como primera línea de defensa
- Si la situación empeora más allá de un umbral definido, la respuesta rápida de frecuencia actúa como segunda línea de defensa
La producción de energía se complementa con la solar
- La capacidad de almacenamiento de Kapolei es de 565 MWh, insuficiente para reemplazar directamente la producción energética de la planta de carbón
- En cambio, funciona junto con el dinámico sector solar de Oahu para complementar el papel energético que cumplía la planta de carbón
- Según los modelos de Hawaiian Electric, Kapolei Energy Storage puede reducir la limitación de generación renovable en aproximadamente un 69% durante sus primeros cinco años
- Reducción de la limitación de generación: {p:69}
- Esto permite que entre a la red un excedente de electricidad limpia que de otro modo podría desperdiciarse
Función de arranque en negro y reactivación
- Hawaiian Electric también solicitó capacidad de arranque en negro para Kapolei
- Si un desastre como un ciclón o un terremoto apaga por completo la red, hace falta una fuente de energía para volver a iniciarla
- La batería de Kapolei está programada para reservar parte de su energía con ese propósito
- Plus Power ubicó la instalación cerca de una subestación conectada a otras tres plantas
- La disposición permite que la batería actúe como un “arranque auxiliar” para otras plantas
La mayor responsabilidad que Hawái asignó a las baterías
- Hawái ha sido un caso líder en la transición energética, con una gran adopción de solar residencial y la primera planta solar con baterías a escala utility de Kauai
- Cuando el crecimiento de las renovables y el retiro de plantas fósiles superan cierto nivel, ya no basta con sumar más eólica, solar y baterías
- Las tecnologías limpias operadas con inversores de control digital deben encargarse no solo del suministro eléctrico, sino también del mantenimiento de la red
- En otras regiones también hay baterías que prestan servicios de frecuencia, e incluso algunas más grandes que Kapolei
- Sin embargo, son raros los casos que, como Kapolei, combinan en una sola gran instalación de baterías capacidad pico, respuesta de frecuencia, inercia sintética y capacidad de reinicio de la red
- Kapolei por sí sola representa aproximadamente el 17% de la capacidad pico de Oahu
- Las instalaciones de baterías para la red en California superaron los 5,000 MW, pero equivalen a cerca del 7.6% de la capacidad nominal de toda la red estatal
Por qué es importante la inercia sintética
- Las plantas convencionales aportan de forma pasiva inercia para estabilizar la frecuencia de la red mediante la masa giratoria de sus turbinas
- En el pasado, operar una planta ya implicaba aportar inercia, por lo que había menos necesidad de definirla y remunerarla como un servicio separado
- Hoy la red se está moviendo hacia un modelo que maximiza la energía renovable barata cuando está disponible y quema combustible cuando hace falta
- Para aportar inercia, las plantas térmicas deben mantenerse girando
- En el territorio continental, a veces se limita la generación renovable para mantener operando viejas plantas de carbón solo por estos servicios de red
- Las baterías avanzadas pueden ofrecer una versión sintética de la inercia mediante la programación de sus inversores
- Eso puede ser una alternativa más económica y evitar emisiones de carbono innecesarias
- Además responde con más rapidez y precisión, por lo que encaja bien en redes con mayor variabilidad de generación renovable
Su lugar en la transición hacia una red limpia
- Los objetivos climáticos de largo plazo de Estados Unidos exigen eliminar gradualmente los combustibles fósiles de la red eléctrica
- La hidroeléctrica y la nuclear ofrecen una inercia útil para la red sin emisiones de carbono, pero no están en una trayectoria de crecimiento
- Kapolei es uno de los primeros casos reales de trasladar funciones críticas de la red que antes desempeñaban plantas fósiles hacia instalaciones de energía limpia
- El tipo de servicios de red que presta Kapolei tendrá que escalarse en todo Estados Unidos a largo plazo
1 comentarios
Opiniones de Hacker News
Como dato curioso, los tubos de enfriamiento de escape de esa antigua planta eléctrica desembocan en el mar, creando un entorno con agua más cálida y abundante vida marina; también es famoso como sitio para buceo y snorkel. Incluso lo llaman Electric Beach: https://www.snorkeling-report.com/spot/snorkeling-electric-b...
Viví ahí durante varios años e intenté hacer snorkel, pero por mi fobia a las estructuras artificiales sumergidas no pude meterme más que unos pocos pies en el agua. Ver esos tubos enormes y siniestros me asustó muchísimo.
https://www.reddit.com/media?url=https%3A%2F%2Fi.redd.it%2Fe...
Algunos números interesantes quedan algo enterrados en el artículo, así que, para dar contexto: la capacidad de almacenamiento es de 565 MWh, la potencia instantánea es de 185 MW y el financiamiento del proyecto fue de 219 millones de dólares.
La tarifa eléctrica residencial en Hawaii es de unos 0.415 dólares por kWh, mientras que el promedio de EE. UU. ronda los 0.162 dólares.
https://www.energy-storage.news/global-bess-deployments-to-e...
La economía empieza a cuadrar en lugares donde la electricidad es cara, o donde las baterías pueden capturar ingresos que antes obtenían los generadores térmicos. Eso incluye servicios auxiliares para la red, inercia sintética y arranque en negro; y, a medida que bajan los costos de las baterías, se puede expandir hacia segmentos de menor costo. Hay que pensarlo a nivel de sistema, reduciendo las horas de operación de los generadores térmicos y empeorando así su economía.
Con baterías, se puede usar más tarde, por ejemplo en la noche, lo que aumenta el factor de utilización de la infraestructura renovable existente. Si se combinan baterías domésticas y baterías de vehículos eléctricos, también se puede ajustar la demanda cargándolas cuando la producción renovable se dispara y los precios bajan. Todavía no se usa a gran escala, pero técnicamente los vehículos eléctricos también pueden devolver electricidad a la red.
Estas baterías no están pensadas para almacenamiento de largo plazo, sino para estabilizar la red y responder a picos y caídas breves de oferta y demanda. A diferencia de las centrales de carbón y gas, pueden reaccionar en milisegundos, y para ese uso también son rentables. Encender una central de carbón o gas es caro y lento, y aunque esté parada sigue generando costos.
Aunque una central de carbón pudiera aportar la llamada carga base, eso solo es cierto si funciona 24 horas al día, 365 días al año. En la práctica puede detenerse durante semanas o meses por mantenimiento y reparaciones, y lo mismo pasa con las nucleares; esperar que eso no ocurra nunca no era un buen plan.
Se suele asumir que el almacenamiento de largo plazo es necesario para compensar la falta de carga base, pero la carga base también es un concepto bastante difuso hasta que se expresa en GWh y GW. Hawaii parece estar mostrando que la cantidad de almacenamiento de largo plazo necesaria podría ser mucho menor de lo que algunos piensan. Con el tiempo seguramente añadirán más energía eólica, solar y baterías, pero si el modelado y la revisión se hicieron bien, la configuración actual podría bastar.
A largo plazo, creo que reducirá bastante las tarifas eléctricas de la isla. Aumentar la capacidad solar es mucho más barato que seguir operando una central de carbón, y con esta batería se puede instalar más solar para usarla de noche. No sé cuánta energía eólica hay en Hawaii, pero parece un lugar con bastante viento.
Por curiosidad, busqué el plan de Netherlands, donde vivo. Los gobiernos de todo el mundo, incluido Netherlands, con 17 millones de habitantes, empezarán a instalar baterías a escala de red eléctrica en los próximos años, porque sin ellas la transición a energías renovables es prácticamente difícil.
El gobierno neerlandés asignó 400 millones de euros, y se espera que con ese monto se instalen entre 160 MW y 380 MW. Es una escala de 1 a 2 veces la planta de baterías de Hawaii. Pero el operador de la red nacional de transmisión busca reducir las tarifas de conexión para incentivar entre 2 y 5 GW de nueva capacidad de baterías para 2030, lo cual es una escala bastante grande.
Creo que veremos instalaciones nuevas similares en casi todas partes.
https://www.pv-magazine.com/2023/10/09/netherlands-allocates...
En Netherlands, probablemente el suministro eólico sea la variable clave, y en estos casos normalmente se necesita almacenamiento a escala de semanas. No sé bien qué tecnología es la mejor hoy en ese rango de tiempo.
Me parece más probable que sea lo primero.
Hace dos días, una tormenta dañó algunos generadores, y la carga restante de las baterías también cayó a niveles muy bajos, así que faltó electricidad en toda la isla y hubo apagones rotativos.
https://www.hawaiianelectric.com/update-rolling-oahu-outages...
El problema clave al reemplazar una planta de generación con combustibles fósiles por energías renovables y baterías es encontrar un sistema de baterías con capacidad suficiente para almacenar energía durante un período lo bastante largo y para sustituir a la solar y la eólica cuando está oscuro y no hay viento.
En los estudios que he visto, el desplazamiento temporal necesario era a escala estacional, y la capacidad requerida resultaba difícil de costear.
Puede que los patrones climáticos de Hawaii sean lo bastante estables como para eliminar la necesidad de capacidad de generación base de respaldo. El artículo también insinúa que la capacidad total de la planta de carbón era mucho mayor que la capacidad de almacenamiento de la batería.
Dice que “con 565 MWh de capacidad de almacenamiento, la batería no puede reemplazar directamente la producción de energía de la planta de carbón…”, así que no queda claro cuánta capacidad se redujo realmente con esta transición. También podría haber otros cambios en el portafolio de generación que el artículo no trata.
Si se desactiva el hidrógeno, también se puede ver cuánto suben los costos cuando el almacenamiento se maneja solo con baterías. Hay lugares como Alemania donde el aumento de costos es grande, y otros como India donde es casi insignificante.
Si no te gustan los supuestos de costos, se muestran las fuentes, así que puedes ajustarlos y ver cómo cambia la solución óptima.
Lo que cuesta entender es la actitud de aferrarse a posibilidades forzadas y lanzar “qué pasaría si” cuando el proyecto ya está operando con éxito. Me pregunto qué más tendrían que ver. ¿Tendrá que funcionar 50 años para que se convenzan?
Tony Seba ha dado varias presentaciones sobre este tema y sostiene que las renovables se están volviendo tan baratas que se puede construir tanta capacidad como para que la producción mínima cubra la demanda de casi todos los días. Parece asumir también mejoras razonables en la red eléctrica.
Marc Z Jacobsen hizo estudios bastante detallados sobre la transición a 100% renovables, y normalmente no asume mejoras tecnológicas, así que sus estimaciones tienden a ser conservadoras. No recuerdo que dijera que se necesitara almacenamiento estacional.
En regiones frías, la incineración de residuos con calefacción distrital, la calefacción distrital geotérmica y algunas plantas nucleares adicionales para carga base podrían ser parte de la solución. En Scandinavia la incineración de residuos se está volviendo común, e incluso puede añadirse captura de carbono, como en la planta de Oslo. UK, Sweden y Finland también están construyendo centrales nucleares.
También hay que considerar que, para llegar a cero carbono, habrá que producir cantidades enormes de hidrógeno, amoníaco, electrocombustibles, biocombustibles, bioaceites y biocarbón. También vi una noticia de que una empresa danesa inició la operación comercial de un gran reactor de microondas que produce eficientemente bioaceite y carbón a partir de lodos de aguas residuales.
Todas estas soluciones implican una capacidad de almacenamiento considerable. Si se produce muchísimo hidrógeno, aparece almacenamiento de amortiguación tanto del lado de producción como del de consumo, y si hace falta también se puede modular la producción.
Creo que las plantas de hidrógeno existentes también quedarán como respaldo. En Norway hay conversaciones serias sobre convertir de gas a hidrógeno los gasoductos de gas natural que van hacia Europe. La idea sería usar al principio hidrógeno producido con captura y almacenamiento de carbono, y luego pasar a hidrógeno verde basado en eólica marina.
La eólica marina también se está volviendo cada vez más común. Si se construyen turbinas eólicas marinas muy grandes, la producción es bastante estable.
Por eso creo que la solar+eólica en el norte de Europa, como se ve en Germany, se acerca a un callejón sin salida. En invierno hay muy poca luz solar, y puede haber períodos de varias semanas con casi nada de viento; para usar una estrategia de sobrecapacidad quizá habría que instalar unas 10 veces más solar, y entonces el costo se vuelve imposible de asumir.
Me dio curiosidad y busqué: actualmente la energía geotérmica suministra entre el 10% y el 15% de la demanda energética de Hawaii. Al ser un lugar con mucha actividad volcánica, parecería que podría crecer más.
En comparación, en Iceland la geotermia representa más del 50% de la generación eléctrica.
Me pregunto si la diferencia se debe a razones físicas y geológicas, o a otros motivos.
Dicen que una de las ventajas y funciones de este sistema de baterías es estabilizar la red eléctrica, es decir, sustituir la inercia de los generadores rotativos para mantener unos 60 Hz estables. Me pregunto si con esto la frecuencia de las líneas eléctricas se volverá más estable [1].
Y si eso sucede, también me pregunto si podría volverse difícil o imposible estimar el momento de una grabación a partir del zumbido de la red eléctrica [2].
[1]: http://leapsecond.com/pages/mains/
[2]: http://hummingbirdclock.info/about
No queda claro de inmediato si las baterías ofrecen o no esa función. Sé que hay proyectos que introducen enormes volantes de inercia y motores-generadores, y también casos en los que se mantienen plantas retiradas girando en vacío. Esto último quizá sea por control de potencia activa y reactiva.
Me pregunto si esas cosas son simplemente alternativas de menor tecnología frente a las baterías, o si los generadores rotativos tienen alguna característica difícil de replicar.
Pensé que Hawái funcionaba mayormente con diésel
https://www.eia.gov/state/?sid=HI#tabs-4
Parece que el carbón representaba alrededor del 12% del consumo de energía en 2021. Es un buen cambio, pero todavía falta mucho para eliminar todas las fuentes de electricidad muy sucias y caras en Hawái.
Las baterías de almacenamiento para la red eléctrica no solo ya son viables hoy, sino que también son muy atractivas en términos de costo. Pero no por la razón que suele pensarse. No son para usarlas como lugar donde tirar el excedente de energía verde, sino para reducir la necesidad de plantas de generación de pico.
En la generación eléctrica normalmente hay plantas de carga base, que están siempre encendidas, y plantas de pico, que pueden activarse cuando la demanda es alta. Las plantas de pico tienen un costo por unidad de electricidad producida mucho más alto y también queman mucho más combustible. Por eso, los sistemas de almacenamiento de red pueden tener sentido incluso en una red eléctrica 100% basada en combustibles fósiles.
La gran excepción es cuando hay mucha generación hidroeléctrica. La hidroeléctrica puede actuar como una planta de pico dejando pasar más agua por las turbinas, lo que reduce el efecto del almacenamiento en la red. Sin embargo, depende de las características de la central hidroeléctrica y de la red, y aun con mucha hidroeléctrica puede seguir teniendo sentido.
https://en.wikipedia.org/wiki/Peaking_power_plant
La regulación de frecuencia es un área en la que las baterías de almacenamiento de red son especialmente buenas, y lograrla con plantas existentes puede ser muy caro.
https://en.wikipedia.org/wiki/Ancillary_services_(electric_p...
Por supuesto, el punto de equilibrio es la alta inversión de capital inicial necesaria para construir almacenamiento de red.
Puede sonar cínico, pero creo que todos los estados deberían operar de forma permanente al menos 1 central eléctrica de carbón para mantener la tecnología y la cadena de suministro. El carbón es uno de los recursos naturales más abundantes en Estados Unidos. Deberíamos poder depender de él en una emergencia nacional, pero no podremos si nos arrinconamos nosotros mismos.
La generación solar suele estar mucho más distribuida que unas pocas centrales de carbón gigantes.
Incluso mirando solo la solar, y además la eólica, undimotriz, geotérmica, etc., hay muchas más formas de producir electricidad. Eso es diversificación, y también sería más fácil de defender.
Creo que depender de una sola fuente de energía es lo que realmente significa arrinconarse y beberse la pintura.
Puede que no sea la primera vez que el territorio continental impone exigencias gravosas a sus territorios. Me viene a la mente la Jones Act.
https://www.hawaiianelectric.com/clean-energy-hawaii/our-cle...