Calor cero neto, el papel del almacenamiento energético de larga duración para acelerar la descarbonización del sistema energético

El almacenamiento de energía térmica tiene el potencial de contribuir en gran medida a la descarbonización del calor y la electricidad a nivel global, al tiempo que ayuda a garantizar que el sistema energético funcione de manera asequible, fiable y eficiente. Un nuevo informe de McKinsey muestra cómo el almacenamiento térmico, junto con otras formas de almacenamiento de energía de larga duración, puede brindar flexibilidad "limpia" al almacenar el exceso de energía (eléctrica o térmica) en momentos de suministro pico y liberarla en forma de calor cuando la demanda lo requiere.

A medida que los esfuerzos para descarbonizar el sistema energético mundial cobran impulso, la atención se dirige cada vez más al papel que desempeña el calor. La calefacción y la refrigeración, principalmente para la industria y los edificios, representan no menos del 50% del consumo de energía final mundial y alrededor del 45% de todas las emisiones relacionadas con la energía en la actualidad (excluyendo la electricidad), por lo que la descarbonización del calor es fundamental para lograr un consumo cero emisiones netas.

Normalmente, se comprende peor el papel que pueden desempeñar la gestión y el almacenamiento térmicos para abordar el crucial desafío al que se enfrenta el sector eléctrico: aumentar la proporción de fuentes renovables intrínsecamente variables, como la eólica y la solar, en el mix energético y al mismo tiempo garantizar que la oferta coincida con la demanda.

El almacenamiento de energía térmica (TES) comprende un conjunto de tecnologías que podrían acelerar la descarbonización del calor y ayudar a establecer un sistema eléctrico estable y fiable alimentado principalmente por energías renovables. Los sistemas de almacenamiento térmico se pueden cargar con electricidad renovable o calor residual para descargar calor firme y limpio a usuarios como plantas industriales o edificios.

Un nuevo informe de la industria con información y análisis de McKinsey muestra cómo el almacenamiento térmico, junto con otras formas de almacenamiento de energía de larga duración (LDES), puede brindar flexibilidad "limpia" al almacenar el exceso de energía (eléctrica o térmica) en momentos de suministro pico y liberarla en forme de calor cuando la demanda lo requiere. Muestra que cuando no se puede generar directamente calor con electricidad renovable, el almacenamiento térmico puede ser una forma más rentable y baja en carbono de satisfacer la demanda de calor que proporcionar un suministro de electricidad constante con energía renovable almacenada. El almacenamiento térmico puede cubrir una amplia gama de aplicaciones de calor, incluso alcanzar las temperaturas muy altas requeridas en algunos procesos industriales.

El LDES puede ofrecer una solución de flexibilidad limpia para asegurar un suministro de electricidad y calor fiables

El sistema energético necesita operar de manera más flexible a medida que crece la participación de las energías renovables en el mix energético. Ahora mismo, esta flexibilidad la proporciona principalmente la generación gestionable con combustibles fósiles, pero esa no es una solución a largo plazo que permita alcanzar los objetivos climáticos. La alternativa más sostenible probablemente será una combinación de soluciones de flexibilidad, incluidos el LDES y el TES.

Si bien la electrificación directa a través de renovables respalda el calor cero neto cuando brilla el sol y sopla el viento, la combinación de energías renovables con almacenamiento puede ayudar a completar la descarbonización de la calefacción. La implementación de TES puede permitir el suministro de calor limpio a partir de energías renovables para procesos industriales como la producción de productos químicos o alimentos y bebidas.

Todas estas actividades pueden ayudar a hacer coincidir la generación de electricidad renovable variable con la demanda y permitir que el sistema funcione con la máxima eficiencia, reduciendo así la necesidad de invertir en infraestructura para hacer frente a los picos y valles. El TES proporciona almacenamiento del lado de la oferta y del lado de la demanda y ayuda a reducir el desperdicio por la reducción de la producción renovable en momentos de máxima oferta. Esto puede mejorar la utilización general de la red y reducir el estrés del sistema, mientras que en el proceso facilita un despliegue renovable más rápido.

Algunas tecnologías TES ya están disponibles comercialmente y son competitivas en costes

El TES puede permitir la electrificación rentable de la mayoría de las aplicaciones de calor, incluidos el vapor y el aire caliente, dos de las formas más comunes de calor utilizadas en los procesos industriales. Cubre un espectro de tecnologías que pueden abordar una amplia gama de duraciones de almacenamiento (desde intradiario hasta estacional) y temperaturas (desde bajo cero hasta 2.400 °C).

Algunas tecnologías TES ya están disponibles comercialmente y pueden ser fáciles de implementar e integrar con los sistemas existentes, por ejemplo, el vapor de media presión que se aplica en las industrias química y de alimentos y bebidas. También están en camino tecnologías innovadoras que pueden ayudar a abordar las necesidades de temperaturas más altas muy por encima de los 1.000 °C.

El nuevo informe examina una serie de casos de uso del TES y muestra que potencialmente ya pueden ser rentables, según las condiciones locales y el diseño del mercado, con tasas internas de retorno de hasta el 28%. Los casos de uso evaluados en el informe incluyen vapor de media presión en una planta química, calefacción urbana, vapor de alta presión en una refinería de alúmina y cogeneración para un invernadero aislado de la red.

Los hallazgos también demuestran la importancia de un diseño de mercado de apoyo que proporcione algún tipo de recompensa por la flexibilidad del sistema que crea el TES, como tarifas de red más bajas. El informe afirma que es más probable que esta tecnología prospere donde hay un acceso a abundante energía solar o eólica o a suministros de calor cautivo existentes.

En cualquier caso, la evidencia sugiere que los sistemas de almacenamiento térmico, al igual que otras formas de LDES, se volverán más competitivos en costes a medida que el mercado madure y se amplíe. Las cifras del LDES Council sugieren que se espera que el coste de capital unitario de los TES disminuya entre ahora y 2040, entre un 5 y un 30% para los equipos de descarga y entre un 15 y un 70% en el medio de almacenamiento de energía.

Un enfoque integrado para descarbonizar el sistema energético

Para darse cuenta de los beneficios potenciales del TES, puede ser útil tener una visión integrada de un sistema energético que se está volviendo rápidamente más complejo e interconectado. Por ejemplo, hay señales tempranas de que los sectores de la electricidad y el calor, así como la industria emergente del hidrógeno, se están interconectando cada vez más a través de tecnologías como las bombas de calor, los electrolizadores o las calderas de hidrógeno.

Un caso de estudio sobre el puerto de Rotterdam, uno de los puertos y clústeres industriales más grandes del mundo y una gran concentración de demanda de electricidad y calor, ilustra la importancia potencial de las tecnologías de almacenamiento térmico en la integración y descarbonización de sistemas energéticos complejos. Muestra cómo el TES combinado con el LDES podría ayudar a transformar la producción variable de los parques eólicos marinos cercanos en un suministro más estable de calor limpio para la industria. Esto crea otra fuente de demanda para los desarrolladores de eólica marina y de energía un camino rentable hacia la descarbonización para los consumidores industriales.

Es a través de tales iniciativas que el TES podría acelerar el ritmo global de reducción de emisiones y acercar el cero neto. El informe muestra que esta tecnología podría duplicar la capacidad global del LDES al proporcionar una alternativa rentable para descarbonizar el calor, incluidas las aplicaciones de calefacción de alta temperatura. Esto podría reducir potencialmente los costes del sistema global hasta en 540.000 M$ anuales, permitiría una construcción más rápida de energías renovables y optimizaría la utilización de la red.

Superando desafíos potenciales para impulsar la adopción del TES

Hay una serie de desafíos potenciales que superar antes de que el TES pueda adoptarse ampliamente. Puede ser útil mejorar el nivel de conciencia sobre el potencial del TES entre los líderes empresariales, los formuladores de políticas y los inversores, y sobre el papel que podría desempeñar para habilitar un camino económico hacia el cero neto para el sistema energético. Más allá de eso, quedan riesgos comerciales potenciales derivados de la relativa incipiente industria y la madurez variable de las tecnologías TES en un negocio con ciclos de inversión largos y caros.

El informe sugiere varias formas de cambiar esta imagen. Los líderes empresariales podrían desempeñar su papel invirtiendo en plantas piloto y de demostración para crear conciencia y mostrar casos comerciales de TES, y crear esfuerzos conjuntos con partes clave en toda la cadena de suministro. Los formuladores de políticas podrían comenzar a diseñar marcos a largo plazo para reducir la incertidumbre, incluidos mecanismos de mercado que recompensen la flexibilidad del sistema y creen condiciones equitativas, además de brindar apoyo directo para las inversiones en TES. Los inversores también podrían hacer una contribución poniendo al TES en su radar y profundizando su comprensión de las aplicaciones y oportunidades del TES.

El estudio muestra que el TES podría estar entre las rutas más rentables para la descarbonización de la calefacción si se aplica a escala, al tiempo que proporciona estabilidad y resiliencia para los sectores del calor y la electricidad, a medida se transita hacia el cero neto.