When the Grid Overflows: A Novel Probabilistic Framework to Assess the Success of Storing Excess Electricity as Heat under Historical Surplus Regimes in High-Temperature ATES (HT-ATES) Systems

Resumen Técnico: Cuando la red se desborda: Un nuevo marco probabilístico para evaluar el éxito del almacenamiento de excedentes eléctricos en forma de calor en sistemas HT-ATES (Almacenamiento de Energía Térmica en Acuíferos de Alta Temperatura)

Planteamiento del problema
La rápida expansión de la electricidad renovable variable (VRE) en los sistemas eléctricos europeos, particularmente en Alemania y Francia, ha dado lugar a periodos recurrentes de excedente eléctrico donde la generación supera la demanda instantánea y la flexibilidad del sistema. Si bien la conversión de este excedente en calor mediante tecnologías de Potencia-a-Calor (PtH) ofrece una vía para utilizar energía que de otro modo sería vertida, existe un desajuste temporal fundamental: los picos de generación renovable (por ejemplo, viento en invierno, solar en verano) a menudo no coinciden con la demanda de calefacción estacional. Se requiere Almacenamiento de Energía Térmica Estacional (STES) para cerrar esta brecha. Sin embargo, las evaluaciones de viabilidad tradicionales para el Almacenamiento de Energía Térmica en Acuíferos (ATES) dependen de métricas estáticas de Probabilidad de Éxito (PoS) geológicas (por ejemplo, temperatura del reservorio, transmisividad). Estos modelos estáticos no logran capturar la dinámica operativa de la conversión de electricidad renovable fluctuante en calor utilizable a lo largo del tiempo, dejando un vacío en la comprensión de si un acuífero geológicamente adecuado puede satisfacer de manera fiable objetivos de calor estacionales específicos bajo regímenes de excedentes realistas.

Metodología
El estudio propone una definición operativa de la PoS: la probabilidad de que un sistema ATES entregue un objetivo de calor estacional predefinido bajo condiciones operativas realistas, en lugar de simplemente poseer la capacidad geológica para almacenar calor. La metodología emplea un modelo de inventario basado en Monte Carlo aplicado al sistema HT-ATES de Neubrandenburg en Alemania como caso de estudio.

1. Base de datos: El modelo utiliza datos empíricos de excedente eléctrico semanal de Alemania (2015–2022), un periodo caracterizado por la coexistencia de la carga base nuclear y la expansión de las renovables. Estos datos se discretizan en trece contenedores de 4 semanas para preservar la variabilidad estacional.
2. Lógica de inventario: El modelo simula ciclos anuales de almacenamiento utilizando un enfoque de "inventario de negocio". Rastrea el inventario térmico del acuífero ($S_b$) a través de contenedores temporales secuenciales, restringido por:
   • Límites de inyección: El mínimo entre la electricidad excedente disponible (convertida en calor), los límites de rendimiento hidráulico (caudal $\times$ diferencia de temperatura) y la capacidad restante del acuífero.
   • Límites de producción: El mínimo entre la demanda de calor estacional, las tasas de producción máxima sostenible y la energía almacenada disponible.
   • Factor de recuperación: Se aplica una eficiencia de recuperación del 70% a la energía extraída.
3. Simulación: El modelo ejecuta 20,000 realizaciones de Monte Carlo. En cada iteración, los valores de electricidad excedente se remuestrean aleatoriamente de los datos históricos para ventanas de carga específicas (primavera y finales de verano), mientras que la producción se restringe a las estaciones de calefacción.
4. Criterios de éxito: Una simulación se considera "exitosa" si el calor acumulado entregado durante el ciclo de producción invernal alcanza o supera un objetivo específico (que varía desde 1 GWh hasta escalas de toda una ciudad).

Contribuciones clave

• Marco de PoS Operativa: El artículo desplaza la definición de éxito del proyecto de proxies geológicos estáticos hacia una métrica dinámica orientada a la demanda que integra las restricciones del subsuelo con las condiciones estocásticas del sistema eléctrico.
• Remuestreo Empírico: A diferencia de los enfoques que dependen de distribuciones de probabilidad ajustadas, el estudio utiliza un remuestreo bootstrap no paramétrico de los datos históricos de excedentes, preservando la asimetría observada, la variabilidad y los patrones estacionales del sistema eléctrico alemán.
• Análisis de Rendimiento vs. Capacidad: El marco distingue explícitamente entre el volumen total de almacenamiento de un acuífero y el rendimiento térmico efectivo (capacidad de potencia) determinado por los caudales y las diferencias de temperatura, identificando a este último como el principal cuello de botella para el almacenamiento estacional.

Resultados
Aplicado a un sistema representativo de acuífero de arenisca profunda en Neubrandenburg (capacidad de 12 GWh, caudal de 80 m³/h, diferencia de temperatura de 20 K, factor de recuperación de 0.7), el estudio arroja los siguientes hallazgos:

• Curva de Probabilidad de Éxito (PoS): Para objetivos bajos (hasta ~2.5 GWh), la PoS permanece cerca del 100%. La PoS disminuye a aproximadamente el 50% para un objetivo de 3.5 GWh y se aproxima a cero para objetivos que superan los 4–5 GWh.
• Limitaciones del sistema: El descenso brusco de la PoS no se debe a la falta de volumen total de almacenamiento (el acuífero contiene 12 GWh), sino que está gobernado por las limitaciones de rendimiento térmico. El sistema está "limitado por potencia" en lugar de "limitado por almacenamiento"; la tasa a la que se puede inyectar y recuperar el calor restringe la energía térmica total que puede ser efectivamente utilizada.
• Limitaciones de escala: Una configuración de doblete única no puede satisfacer los objetivos de demanda a escala de distrito (50 GWh) o de ciudad (128 GWh), resultando en una PoS de cero para estas escalas.
• Análisis de sensibilidad: El aumento de los caudales o de las diferencias de temperatura desplaza la curva de PoS hacia la derecha, permitiendo objetivos más altos antes del fallo. Sin embargo, la forma fundamental de la curva permanece inalterada, confirmando que el cuello de botella del rendimiento es una restricción inherente al sistema que no puede eliminarse únicamente mediante el ajuste de parámetros.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma que su marco propuesto proporciona una metodología transferible y basada en escenarios para evaluar la viabilidad de los ATES, que va más allá de las evaluaciones de riesgo estáticas tradicionales. Al redefinir el éxito como la probabilidad de alcanzar un referente de entrega de calor, el estudio ofrece una evaluación más realista de cómo los sistemas ATES pueden funcionar dentro de los sistemas energéticos acoplados de sectores.

Los autores sostienen que la idoneidad geológica por sí sola no garantiza el éxito operativo; en cambio, el éxito está limitado conjuntamente por la capacidad de almacenamiento y la capacidad de transferencia. El estudio destaca que, para que los sistemas ATES sirvan como una solución viable de almacenamiento de larga duración para el excedente de electricidad, los diseños del sistema deben priorizar la escalabilidad hidráulica (por ejemplo, configuraciones de múltiples dobletes) para superar las limitaciones de rendimiento. Además, el marco sugiere que, en un contexto europeo más amplio, los sistemas ATES en regiones geológicamente adecuadas (como la Cuenca del Norte de Alemania) podrían funcionar como amortiguadores estacionales para los intercambios eléctricos transfronterizos, convirtiendo el excedente exportado en calor invernal programable, siempre que el rendimiento operativo sea suficientemente escalado. La metodología se presenta como una herramienta de apoyo a la decisión para que los planificadores evalúen el rendimiento del almacenamiento bajo condiciones límite realistas y estocásticas.