• Energy Research

This paper presents the preliminary results of studies aiming to use a battery energy storage system (BESS) in the Brazilian transmission system. The main objective of the BESS is to solve congestion problems caused mainly by the large increase in variable renewable generation in certain system areas. The studies were conducted based on actual forecasted system scenarios using a full representation of the electric grid available from the Brazilian system operator data base. In this work, only the steady-state modeling was considered as this may be the first stage in the assessment of a new technology. A qualitative economic comparison of the BESS application with other possible solutions to the congestion problems is also included.

El mundo está experimentando una rápida transformación energética dominada por las crecientes capacidades de las fuentes de energía renovables, como la energía eólica y solar. La naturaleza variable intrínseca de tales fuentes de energía renovables requiere soluciones de almacenamiento de energía asequibles. Este documento propone el uso de ascensores y apartamentos vacíos en edificios altos para almacenar energía. Lift Energy Storage Technology (LEST) es una solución de almacenamiento basada en la gravedad. La energía se almacena levantando contenedores de arena húmeda u otros materiales de alta densidad, transportados de forma remota dentro y fuera del elevador con dispositivos de remolque autónomos. El sistema requiere espacios vacíos en la parte superior e inferior del edificio. Se puede utilizar un ascensor existente para transportar los contenedores desde los apartamentos inferiores a los apartamentos superiores para almacenar energía y desde los apartamentos superiores a los apartamentos inferiores para generar electricidad. El coste de la capacidad de almacenamiento instalada se estima entre 21 y 128 USD/kWh, dependiendo de la altura del edificio. LEST es particularmente interesante para proporcionar servicios auxiliares descentralizados y de almacenamiento de energía con ciclos de almacenamiento de energía diarios a semanales. El potencial global de la tecnología se centra en las grandes ciudades con edificios de gran altura y se estima en alrededor de 30 a 300 GWh. Le monde subit une transformation énergétique rapide dominée par des capacités croissantes de sources d'énergie renouvelables, telles que l'énergie éolienne et solaire. La nature variable intrinsèque de ces sources d'énergie renouvelables nécessite des solutions de stockage d'énergie abordables. Ce document propose d'utiliser des ascenseurs et des appartements vides dans les grands bâtiments pour stocker l'énergie. Lift Energy Storage Technology (LEST) est une solution de stockage gravitationnelle. L'énergie est stockée en soulevant des conteneurs de sable mouillé ou d'autres matériaux à haute densité, transportés à distance dans et hors de l'ascenseur avec des dispositifs de remorque autonomes. Le système nécessite des espaces vides en haut et en bas du bâtiment. Un ascenseur existant peut être utilisé pour transporter les conteneurs des appartements inférieurs aux appartements supérieurs pour stocker l'énergie et des appartements supérieurs aux appartements inférieurs pour générer de l'électricité. Le coût de la capacité de stockage installée est estimé à 21 à 128 USD/kWh, en fonction de la hauteur du bâtiment. LEST est particulièrement intéressant pour fournir des services auxiliaires et de stockage d'énergie décentralisés avec des cycles de stockage d'énergie quotidiens à hebdomadaires. Le potentiel mondial de la technologie est axé sur les grandes villes avec des immeubles de grande hauteur et est estimé à environ 30 à 300 GWh. The world is undergoing a rapid energy transformation dominated by growing capacities of renewable energy sources, such as wind and solar power. The intrinsic variable nature of such renewable energy sources calls for affordable energy storage solutions. This paper proposes using lifts and empty apartments in tall buildings to store energy. Lift Energy Storage Technology (LEST) is a gravitational-based storage solution. Energy is stored by lifting wet sand containers or other high-density materials, transported remotely in and out of the lift with autonomous trailer devices. The system requires empty spaces on the top and bottom of the building. An existing lift can be used to transport the containers from the lower apartments to the upper apartments to store energy and from the upper apartments to the lower apartments to generate electricity. The installed storage capacity cost is estimated at 21 to 128 USD/kWh, depending on the height of the building. LEST is particularly interesting for providing decentralized ancillary and energy storage services with daily to weekly energy storage cycles. The global potential for the technology is focused on large cities with high-rise buildings and is estimated to be around 30 to 300 GWh. يشهد العالم تحولًا سريعًا في مجال الطاقة تهيمن عليه القدرات المتزايدة لمصادر الطاقة المتجددة، مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية. وتدعو الطبيعة المتغيرة الجوهرية لمصادر الطاقة المتجددة هذه إلى إيجاد حلول لتخزين الطاقة بأسعار معقولة. تقترح هذه الورقة استخدام المصاعد والشقق الفارغة في المباني الشاهقة لتخزين الطاقة. تقنية تخزين طاقة الرفع (LEST) هي حل تخزين قائم على الجاذبية. يتم تخزين الطاقة عن طريق رفع حاويات الرمال الرطبة أو غيرها من المواد عالية الكثافة، ويتم نقلها عن بعد داخل وخارج المصعد باستخدام أجهزة مقطورة مستقلة. يتطلب النظام مساحات فارغة في الجزء العلوي والسفلي من المبنى. يمكن استخدام مصعد موجود لنقل الحاويات من الشقق السفلية إلى الشقق العلوية لتخزين الطاقة ومن الشقق العلوية إلى الشقق السفلية لتوليد الكهرباء. تقدر تكلفة السعة التخزينية المركبة من 21 إلى 128 دولارًا أمريكيًا/كيلو واط في الساعة، اعتمادًا على ارتفاع المبنى. لئلا تكون مثيرة للاهتمام بشكل خاص لتوفير خدمات تخزين الطاقة اللامركزية مع دورات تخزين الطاقة اليومية إلى الأسبوعية. تركز الإمكانات العالمية للتكنولوجيا على المدن الكبيرة ذات المباني الشاهقة وتقدر بحوالي 30 إلى 300 جيجاوات في الساعة.

Water management strategies can have considerable impacts on the regional climate and hydrology. It is usually the case that the construction and operation of hydropower reduce the river flow downstream due to the increase in evaporation. However, this paper shows that in humid regions, such as in Brazil, the hydropower storage reservoirs contribute to increase the flow of the river. This observation has been tested with historical reservoir levels and river flow data from several dams in Brazil. It was found that the operation of reservoirs in Brazil has a considerable impact on its river flows. The higher the storage level at the beginning of the humid period, the higher the river flow during the wet period. The paper proposes strategies to allow the reservoirs to fill up and to maintain the reservoirs filled in the future, with the intention of increasing hydropower generation and reducing the intermittency of other renewable energy sources.

Low-carbon energy transitions taking place worldwide are primarily driven by the integration of renewable energy sources such as wind and solar power. These variable renewable energy (VRE) sources require energy storage options to match energy demand reliably at different time scales. This article suggests using a gravitational-based energy storage method by making use of decommissioned underground mines as storage reservoirs, using a vertical shaft and electric motor/generators for lifting and dumping large volumes of sand. The proposed technology, called Underground Gravity Energy Storage (UGES), can discharge electricity by lowering large volumes of sand into an underground mine through the mine shaft. When there is excess electrical energy in the grid, UGES can store electricity by elevating sand from the mine and depositing it in upper storage sites on top of the mine. Unlike battery energy storage, the energy storage medium of UGES is sand, which means the self-discharge rate of the system is zero, enabling ultra-long energy storage times. Furthermore, the use of sand as storage media alleviates any risk for contaminating underground water resources as opposed to an underground pumped hydro storage alternative. UGES offers weekly to pluriannual energy storage cycles with energy storage investment costs of about 1 to 10 USD/kWh. The technology is estimated to have a global energy storage potential of 7 to 70 TWh and can support sustainable development, mainly by providing seasonal energy storage services.

L'utilisation croissante des sources d'énergie éolienne et solaire pour réduire les émissions de CO2 dans le secteur électrique entraîne une disparité croissante entre l'offre et la demande d'électricité. Par conséquent, il y a un intérêt accru pour des solutions de stockage d'énergie abordables pour résoudre ce problème. Le stockage hydroélectrique par pompage (PHS) apparaît comme une option prometteuse, capable de fournir un stockage d'énergie à court et à long terme à un coût raisonnable, tout en offrant l'avantage du stockage d'eau douce. Pour identifier les emplacements potentiels des PHS au Brésil, les réservoirs hydroélectriques existants étant les réservoirs inférieurs, nous avons utilisé une méthodologie innovante qui combine (i) un modèle d'implantation d'usine qui exploite des données topographiques et hydrologiques à haute résolution pour identifier les sites les plus prometteurs pour des études ultérieures. (ii) Une méthodologie économique a été appliquée pour configurer les projets PSH identifiés par le modèle d'implantation d'usine en termes de capacité installée et de temps de décharge, et pour sélectionner les projets les plus attrayants. (iii) Une analyse complète des impacts socio-environnementaux des projets a été réalisée, ce qui permet d'éliminer les projets ayant des impacts graves. Les résultats ont créé un classement de 5600 projets mutuellement exclusifs par valeur actuelle nette (VAN). La VAN la plus élevée est de 2 145 USD, ce qui fait référence à une usine PHS dans le bassin de Doce et le barrage de Salto Grande en tant que réservoir inférieur. Le réservoir supérieur stocke 0,36 km3 d'eau et un barrage de 75 m de haut, le PHS dispose d'un tunnel de 2 km, d'une capacité de puissance de 1 GW et d'un débit de décharge de 220 h. L'article montre un vaste potentiel pour les PHS hebdomadaires, mensuels et saisonniers avec des réservoirs inférieurs existants au Brésil. La creciente utilización de fuentes de energía eólica y solar para reducir las emisiones de CO2 en el sector eléctrico está causando una creciente disparidad entre la oferta y la demanda de electricidad. En consecuencia, existe un mayor interés en soluciones asequibles de almacenamiento de energía para abordar este problema. El almacenamiento hidroeléctrico por bombeo (PHS) surge como una opción prometedora, capaz de proporcionar almacenamiento de energía tanto a corto como a largo plazo a un costo razonable, al tiempo que ofrece la ventaja del almacenamiento de agua dulce. Para identificar las posibles ubicaciones de PHS en los embalses hidroeléctricos existentes en Brasil como los embalses inferiores, empleamos una metodología innovadora que combina (i) un modelo de ubicación de plantas que aprovecha los datos topográficos e hidrológicos de alta resolución para identificar los sitios más prometedores para estudios adicionales. (ii) Se aplicó una metodología económica para configurar los proyectos de PSH identificados por el modelo de ubicación de plantas en términos de su capacidad instalada y tiempo de descarga, y para seleccionar los proyectos más atractivos. (iii) Se realizó un análisis exhaustivo de los impactos socioambientales de los proyectos, lo que permite la eliminación de proyectos con impactos severos. Los resultados crearon una clasificación de 5600 proyectos mutuamente excluyentes por valor actual neto (van). El VPN más alto es de 2145 USD, que se refiere a una planta de PHS en la cuenca del Doce y la presa de Salto Grande como el embalse inferior. El embalse superior almacena 0,36 km3 de agua y una presa de 75 m de altura, el PHS tiene un túnel de 2 km, una capacidad de potencia de 1 GW y una tasa de descarga de 220 h. El documento muestra un gran potencial para el PHS semanal, mensual y estacional con los embalses más bajos existentes en Brasil. The increasing utilization of wind and solar power sources to lower CO2 emissions in the electric sector is causing a growing disparity between electricity supply and demand. Consequently, there is a heightened interest in affordable energy storage solutions to address this issue. Pumped Hydropower Storage (PHS) emerges as a promising option, capable of providing both short and long-term energy storage at a reasonable cost, while also offering the advantage of freshwater storage. To identify potential PHS locations in Brazil existing hydroelectric reservoirs as the lower reservoirs, we employed an innovative methodology that combines (i) plant-siting model that leverages high-resolution topographical and hydrological data to identify the most promising sites for further studies. (ii) An economic methodology was applied to configure PSH projects identified by the plant-siting model in terms of their installed capacity and discharge time, and to select the most attractive projects. (iii) A comprehensive analysis of the socio-environmental impacts of the projects was carried out, which enables the elimination of projects with severe impacts. Results created a ranking of 5600 mutually exclusive projects by net present value (NPV). The highest NPV is 2145 USD which refers to a PHS plant in the Doce Basin and Salto Grande dam as the lower reservoir. The upper reservoir stores 0.36 km3 of water and a 75 m high dam, the PHS has a 2 km tunnel, a 1 GW power capacity and discharge rate of 220 h. The paper shows a vast potential for weekly, monthly, and seasonal PHS with existing lower reservoirs in Brazil. يتسبب الاستخدام المتزايد لمصادر طاقة الرياح والطاقة الشمسية لخفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في قطاع الكهرباء في تفاوت متزايد بين العرض والطلب على الكهرباء. وبالتالي، هناك اهتمام متزايد بحلول تخزين الطاقة بأسعار معقولة لمعالجة هذه المشكلة. يبرز تخزين الطاقة الكهرومائية التي يتم ضخها كخيار واعد، وقادر على توفير تخزين الطاقة على المدى القصير والطويل بتكلفة معقولة، مع توفير ميزة تخزين المياه العذبة. لتحديد مواقع الصحة والسلامة المهنية المحتملة في البرازيل، الخزانات الكهرومائية الموجودة هي الخزانات المنخفضة، استخدمنا منهجية مبتكرة تجمع بين (1) نموذج تحديد موقع المصنع الذي يستفيد من البيانات الطبوغرافية والهيدرولوجية عالية الدقة لتحديد أكثر المواقع الواعدة لمزيد من الدراسات. (2) تم تطبيق منهجية اقتصادية لتكوين مشاريع الصحة والسلامة المهنية التي حددها نموذج تحديد موقع المصنع من حيث السعة المثبتة ووقت التفريغ، واختيار المشاريع الأكثر جاذبية. (3) تم إجراء تحليل شامل للآثار الاجتماعية والبيئية للمشاريع، مما يتيح القضاء على المشاريع ذات الآثار الشديدة. خلقت النتائج تصنيفًا لـ 5600 مشروع يستبعد بعضها بعضًا حسب صافي القيمة الحالية (NPV). أعلى صافي قيمة صافية هو 2145 دولارًا أمريكيًا والذي يشير إلى مصنع خدمات الصحة العامة في حوض دوس وسد سالتو غراندي باعتباره الخزان السفلي. يخزن الخزان العلوي 0.36 كم3 من المياه وسدًا يبلغ ارتفاعه 75 مترًا، ويحتوي قسم الصحة العامة على نفق بطول 2 كم وسعة طاقة 1 جيجاوات ومعدل تفريغ يبلغ 220 ساعة. تُظهر الورقة إمكانات هائلة لخدمات الصحة العامة الأسبوعية والشهرية والموسمية مع الخزانات المنخفضة الحالية في البرازيل.

Se está produciendo una transición energética significativa en todo el mundo, impulsada por la capacidad en expansión de fuentes de energía renovables como la energía eólica y solar. Debido a su variabilidad inherente, estas fuentes de energía renovables deben tener opciones de almacenamiento de energía accesibles. Este artículo sugiere el uso de un método de almacenamiento de energía basado en la gravedad que consiste en arena, minas subterráneas agotadas y pozos de minas. La tecnología propuesta se denominó Almacenamiento de Energía por Gravedad Subterránea (UGES). La electricidad se genera bajando arena a una mina subterránea a través del pozo de la mina y utilizando camiones volquete para llenar la mina subterránea con arena. Cuando hay exceso de energía en la red, la arena se extrae de la mina y se deposita en los sitios de almacenamiento superiores en la parte superior de la mina. UGES ofrece ciclos de almacenamiento de energía semanales a estacionales con costos de inversión de almacenamiento de energía de 2.0 a 15.0 USD/kWh. Se estima que la tecnología tiene un potencial global de 7 a 70 TWh y puede apoyar el desarrollo sostenible, particularmente al proporcionar servicios de almacenamiento de energía a largo plazo. Une transition énergétique importante a lieu dans le monde entier, entraînée par l'expansion de la capacité des sources d'énergie renouvelables comme l'énergie éolienne et solaire. En raison de leur variabilité inhérente, ces sources d'énergie renouvelables doivent avoir des options de stockage d'énergie accessibles. Cet article suggère d'utiliser une méthode de stockage d'énergie gravitationnelle composée de sable, de mines souterraines épuisées et de puits de mine. La technologie proposée a été nommée UGES (Underground Gravity Energy Storage). L'électricité est produite en abaissant le sable dans une mine souterraine à travers le puits de la mine et en utilisant des camions à benne basculante pour remplir la mine souterraine de sable. Lorsqu'il y a un excès d'énergie dans le réseau, le sable est extrait de la mine et déposé dans les sites de stockage supérieurs au-dessus de la mine. UGES propose des cycles de stockage d'énergie hebdomadaires à saisonniers avec des coûts d'investissement de stockage d'énergie de 2,0 à 15,0 USD/kWh. On estime que la technologie a un potentiel mondial de 7 à 70 TWh et peut soutenir le développement durable, notamment en fournissant des services de stockage d'énergie à long terme. A significant energy transition is taking place worldwide, driven by the expanding capacity of renewable energy sources like wind and solar energy. Due to their inherent variability, these renewable energy sources must have accessible energy storage options. This article suggests using a gravitational-based energy storage method consisting of sand, underground depleted mines, and mine shafts. The proposed technology was named Underground Gravity Energy Storage (UGES). Electricity is generated by lowering sand into an underground mine through the mine shaft and using dump trucks to fill the underground mine with sand. When there is excess energy in the grid, sand is extracted from the mine and deposited in upper storage sites on top of the mine. UGES offers weekly to seasonal energy storage cycles with energy storage investment costs of 2.0 to 15.0 USD/kWh. The technology is estimated to have a global potential of 7 to 70 TWh and can support sustainable development, particularly by providing long-term energy storage services. يحدث تحول كبير في مجال الطاقة في جميع أنحاء العالم، مدفوعًا بالقدرة المتزايدة لمصادر الطاقة المتجددة مثل الرياح والطاقة الشمسية. نظرًا لتغيرها المتأصل، يجب أن يكون لمصادر الطاقة المتجددة هذه خيارات تخزين طاقة يمكن الوصول إليها. تقترح هذه المقالة استخدام طريقة تخزين الطاقة القائمة على الجاذبية والتي تتكون من الرمال والمناجم المستنفدة تحت الأرض ومهاوي المناجم. سميت التكنولوجيا المقترحة تخزين طاقة الجاذبية تحت الأرض (UGES). يتم توليد الكهرباء عن طريق خفض الرمال إلى منجم تحت الأرض من خلال عمود المنجم واستخدام شاحنات قلابة لملء المنجم تحت الأرض بالرمل. عندما تكون هناك طاقة زائدة في الشبكة، يتم استخراج الرمال من المنجم وترسب في مواقع التخزين العلوية فوق المنجم. تقدم UGES دورات أسبوعية إلى موسمية لتخزين الطاقة مع تكاليف استثمارية لتخزين الطاقة تتراوح بين 2.0 و 15.0 دولارًا أمريكيًا/كيلوواط ساعة. وتشير التقديرات إلى أن التكنولوجيا لديها إمكانات عالمية تتراوح بين 7 و 70 تيراواط ساعة ويمكن أن تدعم التنمية المستدامة، لا سيما من خلال توفير خدمات تخزين الطاقة على المدى الطويل.