Ves una refinería de alúmina, yo veo una batería muy, muy grande.

La mayor parte de las excelentes investigaciones que se han centrado en el sector de la alúmina de Australia se han centrado en la posible reducción de las emisiones de carbono. Sin embargo, como analista de electricidad, lo que veo es una respuesta de demanda/batería absolutamente masiva.

Las refinerías de alúmina en Queensland pueden proporcionar potencialmente la misma cantidad de almacenamiento/respuesta a la demanda que una batería de 2 GW/8 horas. Para ver cómo puede ser esto, al menos desde dentro de la burbuja de distorsión de la realidad de esta nota, siga leyendo.

El objetivo de esta nota es mostrar el potencial económico de la refinería de alúmina para consolidar la energía renovable suministrada a una fundición de aluminio a un precio prácticamente de equilibrio. O al menos es un punto de equilibrio en mi burbuja de distorsión de la realidad.

La descarbonización es un beneficio secundario. También lo es liberar 46 PJ de consumo anual de gas para que permanezcan bajo tierra.

El aluminio sigue siendo el mayor consumidor de electricidad en Australia. Es responsable de aproximadamente el 10% del consumo en Nueva Gales del Sur, Queensland y Victoria y probablemente más en Tasmania.

Durante algunos años, muchos de nosotros hemos estado pensando en cómo sustituir la electricidad alimentada con carbón por electricidad renovable para la fundición de aluminio.

Sin embargo, la dificultad (gracias Matt Howell) es que la fundición de aluminio es básicamente un proceso no interrumpible. Aunque se puede cortar la energía a una fundición durante un par de horas de vez en cuando, hacerlo afecta la vida útil de la fundición y en realidad no es lo que el proceso quiere lograr.

La producción de aluminio se adapta mucho mejor a algo como la energía hidráulica que a la energía eólica y solar. Entonces, en ausencia de cualquier intervención, básicamente se esperaría que la producción global de aluminio se desplazara de áreas con uso intensivo de carbón, como China, a áreas con uso intensivo de energía hidroeléctrica, como Rusia y Canadá, a medida que la descarbonización se convierta en un asunto cada vez más importante.

Esto significa que las fundiciones australianas corren el riesgo de cerrar. Se enfrentan a costes medioambientales que sus competidores chinos no enfrentan y no es tan fácil repotenciarlos como podría parecer.

Aunque los propietarios de las fundiciones son conocidos por querer ayudas gubernamentales, la realidad básica es que venden el producto en un mercado global y tiene que ser de una forma u otra globalmente competitivo.

Esto puede ser en el costo, donde la electricidad normalmente es el único diferenciador de costos, o podría ser en el valor si existiera, digamos, una prima “verde”. Pero básicamente es un costo.

Aunque los costos de la energía eólica y solar australiana probablemente sean muy competitivos con los de la energía hidroeléctrica, lo difícil es el componente reafirmante. Entonces, lo que parecía la forma obvia de hacer las cosas tal vez no lo era tanto. Sin embargo, últimamente he estado pensando mucho en el paso intermedio en el proceso del aluminio: la alúmina.

Australia tiene las mayores reservas de bauxita, aunque no necesariamente las más económicas, y es un importante productor mundial de alúmina. Sin embargo, al menos en Queensland, las refinerías de alúmina son antiguas.

Lo siguiente que hay que apreciar es que la alúmina es el mayor consumidor de gas en Australia fuera de la generación de electricidad y la producción de GNL, con un consumo total superior a 220 PJ. El flujo general de gas en Australia se muestra a continuación, y me quito el sombrero ante un excelente diagrama de Sankey:

Eliminar el gas en alúmina tendría un impacto mayor que eliminar el gas de todo el consumo residencial y mucho menos del nuevo consumo.

El punto más importante a entender en esta nota es que las refinerías de alúmina, y particularmente los digestores, son flexibles. Como una olla en la estufa, se pueden girar hacia arriba y hacia abajo sin sufrir más daños que la pérdida de producción.

Esto potencialmente los hace increíblemente útiles cuando se combinan con energía solar. También es posible, digo PUEDE ser posible, almacenar el exceso de calor del proceso del digestor y liberarlo durante la noche.

Así que la idea final es hacer funcionar la refinería de alúmina flexible y la fundición de aluminio de al lado con energía solar y eólica. La refinería funciona principalmente con energía solar durante el día y el exceso de calor se almacena.

De la noche a la mañana, la refinería reduce al mínimo su aporte eólico solar y lo complementa con calor almacenado. El viento que la refinería consume durante el día queda disponible para la inflexible fundición de aluminio de al lado para reemplazar la producción solar esencialmente perdida.

Además, cada vez que la energía eólica y solar sufre una sequía, es la refinería flexible la que se ve afectada y la fundición sigue funcionando en gran medida.

Es posible que aún sea necesario un endurecimiento externo, pero con mucha menos frecuencia, lo que libera la capacidad reafirmante, por ejemplo, Borumba, para otros usos. De hecho, en esas raras ocasiones en las que en todo el estado hay una sequía tal que la refinería y Borumba no pueden soportarla, entonces se recurre a la generación de respaldo (por ejemplo, gas).

El digestor consume aproximadamente dos tercios de la energía utilizada en una refinería de alúmina y aproximadamente un tercio se utiliza en el calcinador. Para resumir, para descarbonizar el calcinador lo más probable es que se requiera hidrógeno. Ignoro el problema más costoso de descarbonizar la parte calcinadora de la fabricación de alúmina.

El digestor, que es básicamente una caldera de vapor, podría funcionar “fácilmente” con electricidad y con una eficiencia relativamente alta si se construyera una nueva refinería. En la vista más básica, simplemente reemplaza la calefacción de gas con calefacción resistiva.

El uso de refinerías de alúmina como respuesta a la demanda/baterías no requiere una fundición de aluminio acoplada, pero si están acopladas, como en Gladstone, encaja muy bien con el enfoque de región industrial coordinada que se considera cada vez más como la forma más eficiente y de menor costo. para abordar la descarbonización industrial – ver informe de Climateworks.

De hecho, el uso de refinerías de alúmina como almacenamiento/respuesta a la demanda es exactamente el tipo de cosas que emergen de una mirada más amplia.

Una estimación rápida es que los digestores utilizan entre 12 y 13 TWh de energía en Queensland.

Así, las refinerías de alúmina de Queensland utilizan más energía, incluso en las calderas, y antes de considerar “dobles digestores”, que la fundición de aluminio.

Por lo tanto, la posición combinada de Queensland requiere aproximadamente 22 TWh de energía renovable, de los cuales el 60 % es demanda flexible:

Sin embargo, dado que la idea en esta nota es almacenar el calor del digestor a partir de energía solar, necesitamos más energía solar y más GW.

Lo primero que hay que tener en cuenta es que el consumo operativo total de Queensland fue de unos 54 TWh el año pasado, por lo que añadir la refinería de alúmina añade aproximadamente un 25 % al consumo.

Asimismo, libera gas para otros usos, pero eso no es motivo de preocupación en esta nota. 13TWh equivalen en términos generales a 1,4GW de carga plana y, si lo consideramos una batería, es aproximadamente el 70% del tamaño propuesto de la energía que Borumba puede proporcionar.

No aburriré a nadie con cuestiones de licencia social, pero a menos que sea aún más despistado de lo que creo, es probable que proporcionar un futuro claro para las refinerías sea un ganador de la licencia social.

Lo que necesitaría son 12 GW en lugar de 8 GW de energía eólica y solar; cuanto más solar, más GW. Pero, de hecho, es más que eso, porque se debe producir suficiente energía a mitad del día para llenar el almacenamiento de la refinería para su funcionamiento nocturno.

Compilé la cartera para asegurarme de que, en promedio, hubiera suficiente energía renovable para cubrir la demanda cada media hora de un día promedio.

La carga de la fundición es de 960 MW y la carga del digestor de alúmina subyacente es de 1800 MW. El digestor funciona en dos modos, pico y no pico.

El pico es cuando hace sol. Durante este modo, el digestor utiliza el exceso de energía solar diurna para cargar su almacenamiento. Se supone que este almacenamiento es un almacenamiento “barato” de calor de proceso.

En este caso, el calor almacenado sólo se utiliza para hacer funcionar parcialmente el digestor durante la noche. Esto es más del doble de eficiente que utilizar el calor almacenado para hacer funcionar una turbina que genera electricidad. En este sistema las pérdidas de energía son muy bajas. En el caso de la turbina se desperdicia más de la mitad del calor.

El digestor fue modelado para funcionar con una potencia de entrada de 900 MW en horas no solares, complementada con almacenamiento. Nuevamente, esto es una suposición. El almacenamiento de calor del proceso fue suficiente para proporcionar los 900 MW faltantes durante las horas no solares.

En este modelo, se requieren alrededor de 15 GWh de almacenamiento de calor de proceso (lo que proporciona alrededor de 900 MW durante aproximadamente 16 horas al día). Para cargar el almacenamiento y también hacer funcionar la refinería y la fundición durante el día se necesitaban 4,5 GW de potencia de entrada. Sin embargo, sólo se requieren 1.800 MW de potencia de entrada durante la noche.

El punto más importante es que la propia fundición sólo necesita 960 MW. Dado que el sistema ha sido dimensionado para proporcionar al menos 1.800 MW en promedio durante la noche, se necesita una severa sequía de viento para que la fundición necesite energía externa.

El siguiente gráfico muestra cómo funciona en un día promedio durante 508.000 medias horas modeladas utilizando trazas REZ eólicas y solares ajustadas proporcionadas por AEMO para el período 2024-2050.

Este gráfico es, por supuesto, sólo un promedio. Si la producción eólica y solar disminuye, inicialmente la carga recae sobre la refinería y parte de la producción de la refinería se pierde. Pero la refinería puede hacer frente fácilmente. Nuestra principal preocupación es mantener el suministro eléctrico a la fundición.

Resulta que para este modelo hay unas 4.200 medias horas de las 508.000 modeladas; es decir, menos del 1% del tiempo en el que no hay suficiente energía eólica y solar para hacer funcionar la fundición. La siguiente figura muestra la distribución de esas medias horas por déficit.

Puede ver que durante 500 horas (0,1%) del tiempo se requieren entre 300 y 500 MW de reafirmación externa. Un generador de gas o una batería podrían hacerlo fácilmente. Es un problema trivial.

Si fuera así de fácil ya lo habrían hecho.

Si analizamos los problemas físicos, la primera pregunta es: ¿qué tan fácil es en realidad conseguir 12 GW de energía eólica y solar destinadas a Gladstone? En este momento no podemos tener nuevos vientos en Nueva Gales del Sur e incluso en Queensland "se puede hacer", las cosas no están realmente tan calientes todavía.

La electricidad termosolar ha tenido un mal momento últimamente. Es caro y algunas plantas han tenido problemas operativos. El mayor inconveniente de estos sistemas es la ineficiencia energética. Esto se debe a que el calor almacenado debe convertirse en electricidad haciéndolo pasar por una turbina convencional, a menudo a una temperatura bastante baja. Sin embargo, en este caso el calor se reutiliza como calor.

En Europa, a bajas temperaturas, el agua puede almacenar mucho calor y puede utilizarse en calefacción “urbana”. A temperaturas más altas, normalmente se utiliza sal fundida, pero existen algunos problemas de corrosión.

Todo se reduce a los costos de material, la vida útil del material, el volumen de material necesario para almacenar el calor y durante cuánto tiempo se puede almacenar el calor. Para los digestores de alúmina es un problema relativamente simple. El calor no es necesario almacenarlo durante mucho tiempo porque es un ciclo diario y tampoco es necesario transportarlo.

Para la mayoría de las tecnologías de almacenamiento térmico, el coste del medio de almacenamiento es extremadamente barato, pero es necesario gestionar el equilibrio de costes.

Por ejemplo, almacenar calor en agua a muy alta temperatura puede almacenar mucha energía en un medio muy barato, pero el tanque de presión necesario sería enormemente caro. La opinión es que para algo como las refinerías de alúmina, los ladrillos refractarios y las sales fundidas son las tecnologías líderes. Algunos comentarios generales son:

Sal fundida – Probado. Problemas de presión si lo dejas congelar (no hagas eso). Problemas de corrosión y dificultad para bombear. Las sales de nitrato sólo se encuentran en Chile y, junto con los fertilizantes, se producen subidas de precios.

Ladrillo refractario – Probado. Sigue siendo muy barato, pero no tanto como las piedras o el agua. El "tanque" es muy barato, sólo una caja aislada. Escala muy bien: utiliza los tres elementos más abundantes de la Tierra. Sin presión/fluencia/degradación. Sin oxidación.

Sin fluidos ni equipos especiales. Se carga rápidamente durante las horas de menor actividad, pero no tan bien cuando se descarga; Lo suficientemente bueno como para entregar calor de carga base más un poco de flexión.

Arena/rocas – Medio muy barato/abundante. La expansión térmica crea presión en el tanque y eventualmente el medio se convierte en polvo. Necesita un ventilador más fuerte para que entre y salga calor, lo que aumenta las pérdidas auxiliares.

Metal fundido: buena capacidad calorífica [en realidad no es valioso en aplicaciones estacionarias]. Se oxida con aire caliente; necesita una barrera o fluido especial. Ciencia de materiales no probada para un activo de larga duración.

Grafito: muy conductor, por lo que es fácil que entre y salga calor. No es barato, pero tampoco prohibitivo. Competencia en el suministro de baterías de litio. Se incendia con el aire caliente; necesita una manta fluida especial.

Hormigón: normalmente es malo con el calor, sin ventajas particulares.

Si extraigo de la nada una cifra de 100 dólares australianos/kWh de coste de capital, entonces 1 GWh cuesta 1.500 millones de dólares, sólo como ejemplo.

El verdadero punto es que si desea hacer funcionar la fundición con energía renovable, necesita energía firme las 24 horas del día, los 7 días de la semana. Considerando solo la fundición y el MW involucrado, es probable que resulte costoso. El uso de refinerías flexibles produce mucho valor.

A pesar de la flexibilidad del sistema, habrá muchas ocasiones en las que la generación será demasiado alta para que la pueda manejar el sistema de alúmina/aluminio. Esto se debe a que he dimensionado el sistema para garantizar que, en promedio, haya suficiente energía disponible.

Los productos generales de la cartera se resumen a continuación. En promedio, hay 0,8 GW de energía puntual disponible con un máximo de 6,3 GW. Eso no es algo malo . Se puede utilizar para muchos otros fines, incluido contribuir significativamente al suministro de electricidad de Queensland o ejecutar, por ejemplo, la calcinación alimentada por hidrógeno.

El déficit en la figura anterior se produce cuando la producción variable de energía renovable (ERV) no es suficiente para hacer funcionar la fundición y la refinería a plena capacidad. Se supone que dará lugar a una pérdida de producción de alúmina a razón de 1 tonelada por 2 MWh.

Si observamos la distribución diaria del exceso puntual utilizando la mediana en lugar del promedio, evitando así los extremos, todavía suele haber un excedente de hasta 2,5 GW cuando sale y se pone el sol, porque es cuando la producción solar es mayor. volátil.

En otras ocasiones, hay un excedente de entre 500 y 600 MW para satisfacer la demanda nocturna en otros lugares. En teoría, ese excedente tiene un valor relativamente alto.

La aportación eólica y solar rara vez igualará exactamente la demanda. En la mayoría de las medias horas habrá exceso o déficit. Como se ha comentado, el exceso se puede vender en el mercado y en este modelo el déficit se valora como pérdida de producción, aproximadamente 700 kt o el 10 % de la producción anual.

No tengo idea real de cuán práctico es este sistema. No tengo idea de cuál es el costo de una refinería de alúmina competitiva. Realmente no sé si hay suficiente espacio para el almacenamiento térmico imaginado en este modelo. No tengo idea de problemas de transmisión.

La mayor incógnita para mí en términos económicos es el coste y el rendimiento del almacenamiento térmico.

En esta sección hago algunas suposiciones sobre precios y jugueteo con los números hasta obtener el resultado que quiero. ¡Espera, eso es lo que solía hacer en el departamento de investigación! Este es el verdadero negocio… Es broma. De hecho, puedes inventar los números que quieras para los precios de los insumos. Estas cifras son costos nocturnos que ignoran la transmisión.

Se supone que el precio “verde” es constante. De alguna manera, puedes comprar energía eólica y solar por $60/MWh y obtener un REC con un valor de $30. Luego puedes dar la vuelta y vender el excedente de producción por $50/MWh pero sin el certificado.

Por otro lado, quién sabe cuánto costará la generación de carbón en Queensland en el futuro. Es un punto discutible porque se supone que todo debe desaparecer.

Sin embargo, el punto más importante puede ser que sólo se necesita un nivel de optimismo normal, a diferencia del de un bienhechor y de un superverde, para que las cifras parezcan posibles.

Sospecho que faltan algunas líneas en estas sumas, pero sin duda los lectores con ojos de águila me alertarán rápidamente sobre los numerosos errores.

En opinión de ITK, cualquier gran proyecto renovable de Queensland que no aproveche los beneficios de la cartera, incluida cierta energía eólica de Nueva Gales del Sur, es una locura.

La siguiente figura muestra la correlación de la producción eólica entre las distintas REZ de Queensland y Nueva Gales del Sur. Básicamente, cuanto más intenso es el color marrón, menos correlacionadas están las dos zonas y, por tanto, menor la variabilidad de una cartera eólica que las combine.

En realidad, algunas zonas están correlacionadas negativamente. La correlación negativa es maravillosa si se puede conseguir. Esto significa que cuando una zona no sopla, es probable que sí lo esté la otra.

Una lectura cuidadosa del “mapa” mostrará que combinar el viento Q3 y Q4 con el viento N7 y N8 sería una buena idea. Puede ser que, en realidad, eso sólo pueda hacerse financieramente.

El siguiente mapa muestra las ubicaciones de las zonas. Las carteras plausibles que no requieren demasiada imaginación de transmisión podrían ser N1 a N3 con, digamos, Q3 a Q7. Q8 y Q9 están demasiado cerca de las zonas del norte de Nueva Gales del Sur, incluida Orana, y no ofrecen el mismo beneficio de cartera.

Del mismo modo, la energía solar a gran escala se puede construir más rápido y posiblemente tenga un costo de energía menor que la eólica. Teóricamente, un proyecto tan grande también podría gestionar el riesgo con acceso al mercado spot, dado el predecible excedente de energía del mediodía proveniente de detrás del medidor. Es decir, podría subestimar su cartera contratada. Esto también se ignora aquí.

Para la mayoría de los sistemas renovables en Australia, la conclusión general es que la combinación ideal es aproximadamente un 70% eólica y un 30% solar.

Debido al gran recurso solar en Queensland y porque vemos las refinerías como una pseudo batería; aumentemos la proporción solar al 50% con, digamos, un 35% de la energía proveniente de la energía eólica de Queensland y un 15% de la eólica de Nueva Gales del Sur.

No me preocupo por el lado solar, excepto señalar que la distribución de la energía solar dentro de Queensland probablemente mejorará los resultados.

Estos números son sólo conjeturas.

Todos los problemas del mundo real, como la transmisión, se ignoran por completo.

David Leitch es colaborador habitual de Renew Economy y copresentador del podcast semanal Energy Insiders. Es director de ITK y se especializa en análisis de electricidad, gas y descarbonización gracias a sus 33 años de experiencia en investigación y análisis de corretaje de bolsa para UBS, JPMorgan y empresas predecesoras.