Modelado y simulación de un sistema de almacenamiento de energía potencial gravitacional de masas sólidas

Abstract

Este trabajo presenta el estudio y modelado de un sistema de almacenamiento de energía potencial gravitacional de masas sólidas, una tecnología emergente diseñada para mitigar la intermitencia de las energías renovables a gran escala. A diferencia de los sistemas electroquímicos tradicionales, esta solución utiliza el principio físico de elevación y descenso de bloques de material de alta densidad para almacenar y liberar energía eléctrica de forma mecánica. El objetivo central es analizar el funcionamiento dinámico del sistema y su interacción con la red eléctrica. Para ello, se desarrolla un modelo que integra la mecánica de las masas con una etapa de electrónica de potencia basada en un convertidor back-to-back y una máquina síncrona de imanes permanentes (PMSM). Se implementan estrategias de control vectorial (VOC y FOC) para garantizar una gestión bidireccional eficiente del flujo de potencia, permitiendo que el sistema actúe como una carga durante los excedentes de generación y como un generador ante picos de demanda. Los resultados destacan que las baterías gravitacionales ofrecen ventajas críticas frente a las baterías de litio: una vida útil superior a 30 años sin degradación, nulo riesgo de incendio y el uso de materiales sostenibles. Esta investigación valida la viabilidad técnica de una tecnología que ya ha comenzado su implementación global (como el proyecto Rudong en China), posicionándola como una alternativa robusta y de bajo impacto ambiental para la transición energética actual.

This work presents the study and modeling of a solid mass gravitational energy storage system, an emerging technology designed to mitigate the intermittency of large-scale renewable energy sources. Unlike traditional electrochemical systems, this solution utilizes the physical principle of lifting and lowering high-density material blocks to store and release electrical energy mechanically. The main objective is to analyze the system’s dynamic performance and its interaction with the electrical grid. To this end, a model is developed that integrates the mechanical dynamics of the masses with a power electronics stage based on a back-to-back converter and a permanent magnet synchronous machine (PMSM). Vector control strategies (VOC and FOC) are implemented to ensure efficient bidirectional power flow management, allowing the system to act as a load during generation surpluses and as a generator during peak demand. The results highlight that gravitational batteries offer critical advantages over lithium-ion batteries: a lifespan exceeding 30 years without degradation, zero fire risk, and the use of sustainable materials. This research validates the technical feasibility of a technology that has already begun its global implementation (such as the Rudong project in China), positioning it as a robust, low-environmental-impact alternative for the current energy transition.