Las baterías térmicas podrían reducir a la mitad los costos de energía de calefacción industrial en EE. UU.

Los sectores de la energía y el transporte tienden a dominar los titulares cuando se trata de reducir la contaminación por gases de efecto invernadero (GEI), pero debemos abordar una fuente de emisiones grande y creciente para alcanzar nuestros objetivos climáticos: la industria.

Las instalaciones industriales estadounidenses son directamente responsables de aproximadamente una cuarta parte de las emisiones de gases de efecto invernadero del país. Alrededor del 84% de las emisiones industriales relacionadas con la energía provienen de la quema de combustibles fósiles para proporcionar calor para procesos de fabricación como fundir metales, formar plásticos e impulsar reacciones químicas. Descarbonizar el calor industrial es crucial para cumplir con los compromisos de reducción de emisiones de Estados Unidos.

Afortunadamente, una nueva tecnología limpia –las baterías térmicas industriales– puede ser la solución para reducir las emisiones industriales de gases de efecto invernadero y los costos de energía industrial. Estas baterías podrían reducir el costo de la electricidad para calefacción industrial entre un 50% y un 63%, cambiando fundamentalmente la toma de decisiones de las empresas en torno a la electrificación de equipos de calor de procesos y al mismo tiempo satisfaciendo hasta el 90% de las demandas de calor de procesos industriales.

Una batería térmica convierte la electricidad en calor, almacena el calor durante horas o días y puede entregar calor de salida a temperaturas de hasta 1.500-1.700 °C cuando el usuario industrial necesita el calor con una eficiencia de ida y vuelta del 95%. La siguiente ilustración muestra cómo una batería térmica se carga con un calentador de resistencia eléctrica y luego libera calor mediante gas caliente o luz visible e infrarroja.

Diagrama de batería térmica.

Una nueva investigación de Energy Innovation modela los costos, ahorros y rendimiento de las baterías térmicas. La investigación ilustra que estas baterías pueden proporcionar calor confiable a entre $35 y $62 por megavatio-hora (MWh) de producción térmica, lo que reduce los costos de producir calor a partir de electricidad a un nivel que sea competitivo con el de continuar operando los equipos de gas natural existentes.

Las bombas de calor industriales tienen un impacto similar en la rentabilidad, pero las baterías térmicas funcionan en un rango de temperatura mucho más amplio que las bombas de calor, lo que amplía drásticamente los tipos de procesos de calefacción que pueden electrificarse de forma rentable.

Para ayudar a acelerar el despliegue de baterías térmicas, el gobierno debería utilizar programas de financiación (como el Crédito para Proyectos de Energía Avanzada y el Programa de Implementación de Instalaciones Industriales Avanzadas), y el IRS debería emitir directrices que confirmen que las baterías térmicas son elegibles para el Programa de Producción de Fabricación Avanzada 45X. Crédito.

En 2022, las industrias estadounidenses utilizaron alrededor de 12.600 petajulios de combustibles (excluidas las materias primas), casi todos para generar calor a temperaturas inferiores a 1.000 °C para aplicaciones como la producción de vapor o equipos de calefacción como hornos u hornos. Las baterías térmicas son muy adecuadas para proporcionar este calor. Aunque algunos procesos plantean desafíos para las baterías térmicas (como la fabricación primaria de acero) o requieren una precisión extrema (como la soldadura de oxiacetileno), estos representan menos del 5% del uso de energía industrial en Estados Unidos. Por lo tanto, las baterías térmicas industriales tienen un amplio mercado al que dirigirse y un potencial de reducción de gases de efecto invernadero.

Consumo de energía manufacturera en EE. UU. por rango de temperatura 2022

Hay dos enfoques para operar baterías térmicas. Las baterías de seguimiento de generación permiten a las instalaciones industriales hacer un mejor uso de la generación solar y eólica fuera de la red. Las baterías térmicas que buscan precios permiten a las instalaciones conectadas a la red comprar electricidad en las horas en que es más barata. También son posibles híbridos de estos enfoques.

Las industrias que compran electricidad de la red deben pagar la tarifa minorista, que cubre no sólo el costo de generar electricidad, sino también los costos asociados de transmisión, distribución y gastos generales de electricidad. Una instalación puede comprar electricidad a un precio más bajo trabajando directamente con un proyecto solar o eólico, utilizando baterías térmicas para compensar la variabilidad solar y eólica, haciendo que el calor de bajo costo esté disponible de manera confiable para uso industrial.

Esta confiabilidad es una función de las horas de almacenamiento de calor de la batería y la tasa de reducción de electricidad, o la voluntad de tener un exceso de generación de electricidad en las horas más soleadas y ventosas para que haya suficiente durante períodos prolongados de menor generación. Los componentes del costo del calor entregado por una batería térmica se muestran a continuación para una ubicación en California que depende únicamente de la energía solar y una ubicación en Texas que depende de una combinación de energía eólica y solar. Los costos son más altos en una ubicación que depende exclusivamente de la energía solar porque se necesita una batería térmica más grande (y más reducción) para suministrar calor de manera confiable en comparación con una ubicación atendida por una combinación de energía eólica y solar.

Componentes LCOE para cada batería térmica modelada

Teniendo en cuenta los costos operativos y de capital de las baterías térmicas, entregan calor entre la mitad y un tercio del costo de usar electricidad de la red directamente, lo que las hace competitivas en términos de costos con respecto al precio del gas natural.

Comparación de precios de los costos de calor de proceso ajustados por eficiencia

Los precios de la electricidad de la red pueden variar por hora según la generación a partir de energías renovables, las limitaciones de transmisión y la demanda. Una instalación que utilice una batería térmica de búsqueda de precios podría aprovechar estas fluctuaciones de precios. La batería permite a la fábrica comprar electricidad cuando el costo es bajo y evitar comprar energía en horas de alto costo. El siguiente gráfico muestra el estado de carga de una batería térmica que busca precios (línea amarilla) a medida que se carga y descarga en respuesta a los cambios en el precio de la electricidad de la red (línea azul).

Precio de la electricidad y estado de carga de la batería térmica

La configuración ideal de la batería logra el menor costo posible por unidad al equilibrar el ahorro de electricidad con los mayores costos de capital asociados con una tasa de carga más rápida y más capacidad. En 2020, una batería térmica optimizada podría suministrar calor de forma fiable y al mismo tiempo comprar electricidad a un precio medio de 10,50 dólares por megavatio-hora (MWh), frente a un precio medio de 30,80 dólares/MWh sin una batería térmica. En 2022, un año de precios de la electricidad más altos, los valores fueron de 27,18 $/MWh con la batería frente a 62,35 $ sin ella.

Las baterías térmicas crean energía libre de emisiones que puede utilizarse con fines productivos sin crear una mayor tensión en la red existente. Las baterías que buscan precios consumen energía durante horas en las que es menos atractiva para otros usos. También brindan servicios de flexibilidad a la red al reducir su consumo de electricidad en momentos de estrés donde podrían ocurrir cortes. Facilitar a las empresas de servicios públicos el funcionamiento de una red con alto contenido de energías renovables y evitar apagones beneficia a todos, especialmente a las zonas de bajos ingresos que se ven desproporcionadamente afectadas por los cortes de energía.

Promulgar una nueva política es vital para reducir los costos de las baterías térmicas y acelerar su implementación. El gobierno federal podría ofrecer incentivos financieros para baterías térmicas a través de programas a través de la Oficina de Eficiencia Industrial y Descarbonización, la Oficina de Demostraciones de Energía Limpia, el Crédito para Proyectos de Energía Avanzada y el Programa de Despliegue de Instalaciones Industriales Avanzadas.

La Ley de Reducción de la Inflación también autorizó el Crédito de Producción de Fabricación Avanzada 45X para los fabricantes de tecnologías relacionadas con la energía limpia, incluidos los "módulos de batería" que no dependen de "celdas de batería" electroquímicas. En su próxima guía sobre el crédito, el IRS debería confirmar que las baterías térmicas industriales son una tecnología de almacenamiento de energía cubierta.

La Comisión Federal Reguladora de Energía deberá determinar que los clientes industriales con baterías térmicas paguen cargos reducidos para acceder a la red eléctrica ya que ofrecen beneficios al sistema eléctrico. Se puede alentar a los operadores de redes a reconocer los beneficios de los recursos flexibles como las baterías térmicas y, en el caso de las baterías equipadas con generación renovable, a acelerar su conexión a la red.

Finalmente, las comisiones estatales de servicios públicos podrían crear una nueva clase de tarifas para cargas flexibles como las baterías térmicas y garantizar que las empresas de servicios públicos existentes faciliten y potencialmente obtengan ganancias con el despliegue de baterías térmicas.

Las baterías térmicas pueden facilitar la electrificación industrial y una transición más rápida a una industria limpia. Suministran calor a una temperatura de hasta 1.500-1.700 °C, suficiente para satisfacer más del 90% de la demanda de calor de los procesos industriales cubierta con combustibles.

Con el entorno político adecuado, las baterías térmicas promueven una industria estadounidense limpia y competitiva, mejoran el liderazgo tecnológico estadounidense y reducen la contaminación convencional y de gases de efecto invernadero. Los formuladores de políticas deberían aprovechar esta oportunidad beneficiosa para todos para invertir en la manufactura estadounidense, proteger la salud pública y contribuir a los objetivos climáticos de Estados Unidos.

Para obtener más información, regístrese en la lista de correo del programa Industry de Energy Innovation para recibir notificaciones sobre futuras investigaciones, incluida Zero-Carbon Industry, nuestro próximo libro de Columbia University Press.