Fraunhofer IEE y sus socios prueban el almacenamiento hidroeléctrico de bombeo submarino en aguas de California

El Instituto Fraunhofer de Economía Energética y Tecnología de Sistemas Energéticos (IEE) ha desarrollado un sistema submarino de almacenamiento de energía que traslada al fondo marino el principio de las centrales eléctricas de acumulación por bombeo. Tras una exitosa prueba de campo con un modelo más pequeño en el lago Constanza, los investigadores preparan ahora un ensayo en la costa californiana con otros socios.

En el proyecto StEnSea, que así se llama el sistema de almacenamiento esférico, anclarán una esfera hueca de hormigón de 400 toneladas y nueve metros de diámetro a una profundidad de 500 a 600 metros. Al vaciar la esfera, se carga el acumulador. Cuando entra agua, se genera electricidad y se descarga. La potencia de este prototipo es de 0,5 megavatios, y su capacidad, de 0,4 megavatios-hora.

“Las centrales de acumulación por bombeo son especialmente adecuadas para almacenar electricidad durante varias horas o varios días. Sin embargo, su potencial de expansión es muy limitado en todo el mundo. Por eso trasladamos su principio de funcionamiento a los fondos marinos, donde las restricciones naturales y ecológicas son mucho menores. Además, es probable que la aceptación por parte de los ciudadanos sea significativamente mayor”, explica Bernhard Ernst, director de Proyectos de Fraunhofer IEE.

Fraunhofer IEE colabora en este proyecto con la start-up estadounidense Sperra, especializada en la impresión 3D de hormigón para aplicaciones en el campo de las energías renovables. El segundo socio es Pleuger Industries. Esta empresa de origen alemán, con sede en Miami, es uno de los principales fabricantes mundiales de motobombas subacuáticas, un componente clave del almacenamiento esférico StEnSea. Los socios han elegido como lugar de almacenamiento una zona costera frente a Long Beach, cerca de Los Ángeles y tienen previsto ponerlo en funcionamiento a finales de 2026 a más tardar.

El Ministerio Federal de Economía y Acción por el Clima de Alemania financia el proyecto con casi 3,4 millones de euros, y el Departamento de Energía de Estados Unidos, con unos cuatro millones de dólares.

Prueba exitosa en el lago Constanza

Sperra fabricará la esfera de hormigón en Long Beach mediante un proceso de impresión en 3D, posiblemente en combinación con la construcción tradicional de hormigón. Tendrá una abertura en la parte superior, en la que se integrará una motobomba subacuática, también llamada turbina de bombeo, en una tubería. Cuando se abra una válvula, el agua fluirá por la tubería hasta la esfera. La bomba integrada funciona a la inversa y hace las veces de turbina. El agua acciona el motor, generando electricidad. Así se descarga el acumulador.

La idea se remonta a 2011 y fue desarrollada por Horst Schmidt-Böcking y Gerhard Luther. Un cable submarino conecta con la red eléctrica en tierra o con una estación transformadora flotante de un parque eólico marino. Para almacenar la energía, la motobomba bombea el agua fuera de la esfera contra la presión de la columna de agua circundante. El ciclo puede entonces comenzar de nuevo. En una prueba de campo con una esfera de tres metros en el lago Constanza, los investigadores del Fraunhofer IEE, junto con otros socios, ya han demostrado que este concepto funciona bien.

A una profundidad de 600 a 800 metros

La capacidad y el rendimiento del almacenamiento esférico dependen fundamentalmente de dos factores: el volumen de las esferas y la columna de agua que presiona sobre ellas. Los expertos del Fraunhofer IEE han calculado que las profundidades de agua de 600 a 800 metros son lugares ideales desde el punto de vista económico. Allí, parámetros como la presión, el peso requerido de la esfera y el grosor necesario de las paredes guardan entre sí una proporción óptima. Además, las motobombas subacuáticas convencionales pueden seguir utilizándose a esta profundidad y tampoco se necesita hormigón especial de alta resistencia.

Hay más que suficientes ubicaciones potenciales para el almacenamiento esférico StEnSea a esta profundidad, como muestra un análisis SIG de las zonas marinas costeras. Los expertos del Fraunhofer IEE han tenido en cuenta parámetros como la pendiente del fondo, las corrientes, el desplazamiento de los sedimentos o la distancia a tierra. Por ejemplo, frente a las costas de Noruega, Portugal, las costas este y oeste de Estados Unidos, Brasil o Japón, el almacenamiento esférico podría instalarse en grandes cantidades. La tecnología también es adecuada para lagos profundos naturales o artificiales, como minas a cielo abierto inundadas.

Enorme potencial mundial

Según los investigadores de Fraunhofer, el potencial mundial de almacenamiento de esta tecnología es de 817.000 gigavatios-hora en total. En los diez mejores emplazamientos europeos, sigue siendo de 166.000 gigavatios-hora. En comparación, la capacidad de las centrales terrestres de acumulación por bombeo existentes en Alemania es de algo menos de 40 gigavatios-hora.

Los investigadores del Fraunhofer IEE estiman los costes de almacenamiento en unos 4,6 céntimos por kilovatio-hora, los costes de inversión en 1.354 euros por kilovatio de potencia y 158 euros por kilovatio-hora de capacidad. La vida útil de la esfera de hormigón es de 50 a 60 años. Las turbinas de bombeo y los generadores tendrían que sustituirse cada 20 años.

La eficiencia a lo largo de todo un ciclo de almacenamiento es ligeramente inferior a la de una central de acumulación por bombeo convencional, entre el 75% y el 80%. Este cálculo se basa en un parque de almacenamiento con seis esferas, una potencia total de 30 megavatios y una capacidad de 120 megavatios-hora, con 520 ciclos de almacenamiento al año. El almacenamiento esférico StEnSea es especialmente adecuado para dos modelos de negocio: para el arbitraje, es decir, comprar electricidad a precios de mercado bajos y venderla a precios de mercado altos, y para prestar servicios auxiliares que estabilicen las redes eléctricas.

Tras el éxito de la prueba en el lago Constanza, los expertos quieren ahora probar la aplicación en aguas profundas en condiciones de alta mar con el nuevo proyecto. El objetivo es investigar y evaluar todos los pasos a lo largo de la fabricación, instalación, funcionamiento y mantenimiento en relación con el tamaño previsto de la esfera: un diámetro de 30 metros.

Fraunhofer IEE y sus socios quieren comprobar si las soluciones halladas en este proyecto pueden aplicarse a una esfera de 30 metros y de qué manera. “Con la transición energética mundial, la demanda de almacenamiento aumentará enormemente en los próximos años”, afirma Bernhard Ernst, de Fraunhofer IEE.

“Con el almacenamiento esférico StEnSea, hemos desarrollado una tecnología rentable especialmente adecuada para el almacenamiento a corto y medio plazo. Con la prueba realizada frente a la costa estadounidense, estamos dando un gran paso hacia la ampliación y comercialización de este concepto de almacenamiento”, concluye.