GUÍA DEALMACENAMIENTO

DE ENERGÍA

El almacenamiento de energía está creciendo en interés e importancia en la planificación y gestión de sistemas energéticos de todos los tipos y tamaños. Su importancia se debe a un simple concepto: el desacoplamiento entre la generación y la demanda de la energía eléctrica.

¿POR QUÉ ESINTERESANTE ELALMACENAMIENTOENERGÉTICO?

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La electricidad es una de las fuentes de energía más utilizadas en la sociedad moderna, pero presenta un inconveniente: no se puede almacenar y, por tanto, generación y demanda deben coincidir en cualquier momento para que no se produzcan apagones o sobrecargas.

Tradicionalmente este problema se ha solucionado mediante el uso de tecnologías de generación de rápida puesta en marcha (como puede ser un motor de combustión diesel), interconexiones con otros países y, en menor medida, con la incorporación de sistemas de almacenamiento por bombeo de agua. Sin embargo, estas soluciones hasta ahora habituales son difíciles de implantar en los sistemas actuales, que evolucionan desde la generación centralizada en grandes plantas de generación de potencia hacia modelos donde la generación se distribuye entre plantas más pequeñas, basadas en tecnologías renovables o de alta eficiencia como la cogeneración.

Es aquí donde la capacidad de desacoplamiento entre generación y demanda gracias al almacenamiento energético cobra importancia, ya que permite generar electricidad cuando hay recursos renovables (viento, radiación solar, etc.) y consumir cuando se necesita.

El modelo de generación distribuida basado en energías renovables tiene ventajas ambientales y permite una mayor independencia de fuentes de energía exógenas, pero presenta un grave problema técnico: no es posible adaptar su producción en función de las curvas de demanda eléctrica.

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La acumulación de energía también es de aplicación en el suavizado de las curvas de demanda. La siguiente figura muestra la forma típica de la curva de demanda en España para un día laborable:modelos donde la generación se distribuye entre plantas más pequeñas, basadas en tecnologías renovables o de alta eficiencia como la cogeneración.

Fuente: Red Eléctrica de España (www.ree.es)

En el gráfico se aprecian dos picos de consumo, por la mañana y a última hora de la tarde, y dos valles, uno muy pronunciado por la noche y otro de menor profundidad por la tarde. Por tanto, para cubrir la demanda durante el día, se deben instalar grandes capacidades de generación de potencia que quedan sin uso durante la noche. Sin embargo, si existiera la suficiente capacidad de almacenamiento energético, se podría almacenar la energía generada sobrante en horas de baja demanda, para utilizarla más tarde cuando ésta sea muy elevada y la capacidad de generación insuficiente.

Además de estas aplicaciones relacionadas con la planificación de un sistema eléctrico, la acumulación de energía también tiene otras ventajas:

1. Permite una mejor gestión de redes eléctricas con grandes potencias instaladas en generación distribuida (voltaje, frecuencia, armónicos, etc).

2. Sirve como apoyo a Sistemas de Alimentación Ininterrumpida (SAI) para data centers, torres de telecomunicaciones, catenarias de ferrocarril, sistemas de regadío, etc.

3. Puede permitir la conexión entre el sistema eléctrico y otros sistemas energéticos, como el del transporte o la generación de energía térmica.

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La energía eléctrica, por desgracia, no se puede acumular. Para almacenarla es necesario transformarla en otros tipos de energía. Cuando exista demanda, el mismo u otro dispositivo deberá encargarse de “retransformar” la energía acumulada en electricidad.

Existen diversas tecnologías de acumulación de energía, que pueden dividirse en los siguientes grupos en función del tipo de energía en la que transforman la electricidad para su almacenamiento:

¿Cómo se puede acumular energía eléctrica?

1. Tecnologías mecánicas

Se basan en la utilización de las distintas formas de energía mecánica (cinética y potencial). Dentro de este grupo se encuentran:

Bombeo de agua

Consiste en una central hidroeléctrica que, además de generar electricidad, es capaz de bombear agua a un reservorio situado a una altura superior cuando hay baja demanda. De este modo, aprovechando la energía potencial del agua, se pueden realizar descargas de agua controladas para ayudar a regular los picos de la curva de carga durante los periodos de demanda alta. El rendimiento global ronda el 65%.

Fuente: Electricity Storage Handbook (Sandia National Laboratories, 2013)

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Aire comprimido (también llamado “CAES”)

La electricidad generada en periodos de baja demanda se invierte en grupos compresores, que comprimen aire y lo introducen en una formación geológica subterránea. Cuando la demanda energética aumenta, el aire comprimido se utiliza en turbinas de combustión modificadas para generar electricidad. La energía almacenada proviene de energía potencial y térmica (actualmente obtenida de la combustión de combustibles fósiles). Se pueden obtener rendimientos en torno al 75%.

Fuente: Electricity Storage Handbook (Sandia National Laboratories, 2013) p.69

Volantes de inercia

Se trata de una forma de almacenamiento a través de la conservación de la energía cinética de un disco metálico, que comienza a girar cuando se le aplica un par motor. Al someterlo a un par resistente se frena y la energía almacenada en el rotor es transformada en corriente continua por el generador. Se obtendrá mayor energía cuanta más inercia y velocidad angular se produzca en ese freno. El rendimiento puede llegar al 90%.

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2. Tecnologías con hidrógeno

El hidrógeno molecular es un combustible con un alto poder calorífico (casi cuatro veces superior al del gas natural) que se encuentra en cantidades muy pequeñas de forma natural. Sin embargo, es posible producirlo a partir de agua e hidrocarburos aportando energía, como por ejemplo electricidad. Este proceso se conoce como electrólisis y se realiza en electrolizadores, aparatos basados en procesos electroquímicos (más detalles sobre los mismos en la siguiente sección). El hidrógeno, por tanto, se produce en momentos de baja demanda y se almacena utilizando distintas tecnologías (gas comprimido, líquido o en estado sólido). Cuando exista un pico de demanda, la transformación de la energía contenida en las moléculas de hidrógeno en electricidad se realiza mediante motores y turbinas basadas en su combustión o bien con procesos electroquímicos más eficientes que almacenan la energía en aparatos llamados pilas de combustible (más detalle sobre éstos en la siguiente sección). El hidrógeno presenta, además, la ventaja de servir como combustible en el sector del transporte y también para la producción de calor, por lo que se le da el nombre de “vector energético”. Sin embargo, el rendimiento del ciclo completo “electricidad - hidrógeno - electricidad” es inferior a otras tecnologías, ya que se sitúa en torno al 40%.

3. Tecnologías electroquímicas

Se basan en la transformación directa de la energía contenida en los compuestos químicos en energía eléctrica y viceversa. Todas se basan en reacciones de oxidación y reducción (redox) donde las especies químicas implicadas intercambian electrones que pueden ser conducidos a través de un circuito para producir electricidad. Entre las tecnologías electroquímicas se encuentran las baterías, las pilas de combustible y los electrolizadores. Dada la importancia de estas tecnologías dentro de la acumulación de energía eléctrica, se puede consultar la siguiente sección para encontrar detalles sobre los distintos tipos y variantes.

4. Otras tecnologías

Existen otras tecnologías menos maduras, en general en fase de desarrollo e investigación, como es el caso de los supercondensadores o los sistemas SMES (almacenamiento de energía magnética por superconducción). Ambas presentan excelentes cualidades para la generación de grandes potencias en periodos de tiempo cortos.

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Las tecnologías electroquímicas se basan en las llamadas “reacciones redox” para transformar el contenido energético de los compuestos químicos involucrados en electricidad. Para ello, es fundamental conseguir que los electrones que pierden una molécula (en lenguaje químico, se oxidan) pasen por un circuito eléctrico antes de ser ganados por otra molécula (en lenguaje químico, se reducen). Con este objetivo, cualquier tecnología electroquímica separa físicamente el lugar donde ocurren las dos reacciones (electrodos), permitiendo el intercambio de electrones a través de un circuito eléctrico y el de iones a través de una sustancia llamada “electrolito”.

Tecnologías electroquímicas

En resumen, las tecnologías de acumulación pueden ser utilizadas en diversas aplicaciones, pero no todas las mencionadas sirven para cualquier situación. Cada tecnología presenta unas características que la hacen más interesante para determinadas aplicaciones, lo que se puede comprobar en el siguiente gráfico:

Fuente: Electricity Storage Handbook (Sandia National Laboratories, 2013)

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El siguiente esquema muestra el proceso de electrolisis para una pila de combustible:

1. Baterías tradicionales

Las baterías se caracterizan por ser dispositivos cerrados (no se introduce o extrae material reactivo durante su uso), cuyos componentes químicos presentan la posibilidad de ser regenerados mediante la reacción redox inversa al aplicar un voltaje durante la carga.

Existen diversos tipos de baterías, cuyos nombres vienen dados por los compuestos químicos que utilizan. El siguiente listado recoge los tipos más utilizados en la actualidad para aplicaciones estacionarias.

En este proceso se ve que el ánodo es donde se produce la oxidación y, por lo tanto, pierde un electrón, y el cátodo es donde se produce la reducción y gana un electrón. En este caso, el hidrógeno se oxida, cediendo electrones que circulan a través de la carga eléctrica (por ejemplo, una bombilla o un motor eléctrico) y llegan al otro electrodo, donde son captados por el oxígeno, que se reduce y se combina con el hidrógeno oxidado para dar agua.

De forma análoga, algunos dispositivos electroquímicos (como electrolizadores o baterías durante la carga) plantean la situación inversa. Así, un generador de energía provoca la circulación de electrones en el circuito, forzando la reducción de una especie (que capta esos electrones) y, en consecuencia, la oxidación de la otra. En el caso del electrolizador, el hidrógeno presente en el agua se reduce, mientras que el oxígeno se oxida (justo al contrario que en el caso de la pila de combustible).

Actualmente existen muchas aplicaciones tecnológicas basadas en la electroquímica. A continuación, se muestra un resumen de las más relevantes por su utilidad en el almacenamiento de energía en aplicaciones estacionarias:

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Las baterías de plomo-ácido se basan en las reacciones redox que ocurren entre el plomo que se encuentra en los electrodos (en estado metálico puro en la oxidación y en forma de dióxido de plomo en la reducción) y el ácido sulfúrico, que actúa como electrolito de la batería. El rendimiento de carga/descarga se sitúa entre el 75% y el 85% en corriente continua.

Es la tecnología de batería recargable más antigua, pero sigue utilizándose en diversas aplicaciones, entre las que se incluyen la automoción, sistemas de alimentación ininterrumpida y la gestión de la producción de centrales de energía renovable. Las baterías de plomo ácido tradicionales presentan el problema de ser poco flexibles: en la etapa de diseño se establece si servirán para dar grandes potencias durante poco tiempo o si, por el contrario, servirán para dar grandes cantidades de energía a potencias inferiores. Actualmente se están desarrollando baterías de plomo-ácido avanzadas que tratan de mitigar estas limitaciones para su uso extensivo en aplicaciones estacionarias.

Baterías de Plomo-Ácido

Sistema de almacenamiento con baterías de plomo-ácido para el Parque Eólico Tappi en Aomori (Japón) Fuente: Electricity Storage Handbook (Sandia National Laboratories, 2013)

Baterías de Sodio-Azufre (también denominadas “NaS”)

En este tipo de baterías los electrodos están compuestos de sodio (se oxida en la descarga) y azufre (se reduce en descarga). Entre ellos se sitúa un electrolito compuesto de β-alúmina, que conduce los iones Na+ producidos en la interfaz ánodo-electrolito hasta el cátodo, donde reaccionan con el azufre, reduciéndolo, para formar Na2S5.

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Durante la carga, se produce la reacción opuesta. En conjunto con la batería de sodio-Níquel-Cloro forma parte de las “baterías de sales fundidas”, que trabajan a temperaturas por encima de 200ºC. El rendimiento de carga/descarga es superior al 86% trabajando en corriente continua.

Esta tecnología se encuentra en un grado de madurez comercial y tiene aplicaciones diversas como acumulador de energía eléctrica. Se usa de forma extensiva en integración de energía eólica y para la gestión de la red eléctrica, debido a sus largos tiempos de descarga. También es capaz de reaccionar con rapidez a cambios en las magnitudes de control de la red eléctrica, por lo que también se usa para la mejora de la calidad de suministro eléctrico.

Sistema de almacenamiento con baterías NaS para apoyo del parque eólico de Luverne (Estados Unidos) Fuente: Electricity Storage Handbook (Sandia National Laboratories)

Baterías de Sodio-Níquel-Cloro (también conocidas por su nombre comercial “ZEBRA”)

Estas baterías suponen un avance de las tecnologías de las baterías NaS. Los electrodos se componen de sodio/cloruro de sodio y níquel/cloruro de níquel, con un electrolito en forma de barrera separadora capaz de conducir los iones Na+ (compuesto del material cerámico β-alúmina). Durante la carga, el sodio se reduce de cloruro de sodio a sodio fundido y el níquel se oxida a cloruro de níquel. En la descarga ocurre la reacción inversa. Estas baterías funcionan a una temperatura de en torno a los 250ºC.

Sus aplicaciones son similares a las de las baterías NaS (gestión y soporte de red e integración de energías renovables), aunque en este caso no se encuentra en fase comercial, sino en proyectos de demostración tecnológica.

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Cuentan con un electrodo hecho de grafito y otro de un compuesto de litio (óxido de litio-cobalto, fosfato de litio-hierro, óxido de litio-manganeso y otros más complejos). El electrolito es una sal de litio disuelta en un compuesto orgánico. Durante la carga, el litio contenido en el compuesto se oxida, liberando iones Li+ y electrones que viajan, respectivamente, a través del electrolito y el circuito eléctrico hasta el electrodo de grafito, donde el carbono reacciona con ambos, reduciéndose y formando el compuesto CLix. El rendimiento obtenido en corriente continua es cercano al 90% para el ciclo carga/descarga.

Las baterías de ion-litio se encuentran en distintos puntos de desarrollo tecnológico. Algunas, como las de LiCoO2, ya se utilizan comercialmente de forma extensiva en electrónica portátil (ordenadores portátiles, teléfonos móviles, reproductores de música, etc.) y son una parte fundamental de muchos modelos de vehículos eléctricos e híbridos. En relación a las aplicaciones estacionarias, para soporte de red e integración de energías renovables, se encuentra en el último estadío de desarrollo, con gran número de proyectos de demostración ya realizados y con expectativas de reducción de costes que la harían comercialmente viable.

Baterías de Ión-Litio (también llamadas “Li-Ion”)

Sistema de almacenamiento eléctrico residencial basado en Li-ion para la gestión de la demanda.Fuente: Electricity Storage Handbook (Sandia National Laboratories)

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Este tipo de baterías se compone de un electrodo metálico (típicamente zinc, aluminio, magnesio o litio) y de otro “electrodo” de aire. La pareja redox la componen el metal (que se oxida durante la descarga) y el oxígeno del aire (que se reduce).

Estas baterías, en especial la de zinc-aire, se conocen desde hace años en modo primario (sin posibilidad de recarga) y aún se encuentran en estado de I+D para su uso como acumuladores de energía eléctrica en tareas de gestión de sistemas eléctricos. Una de las principales barreras es que no se consiguen rendimientos de ciclo completo superiores al 50%.

Baterías de Metal - Aire

Sistema de almacenamiento eléctrico residencial basado en Li-ion para la gestión de la demanda.Fuente: Electricity Storage Handbook (Sandia National Laboratories)

2. Baterías de flujo

Las baterías de flujo se diferencian de las baterías tradicionales en que el electrolito circula a través de las celdas de la batería (donde se encuentran los electrodos) mediante su bombeo desde depósitos de acumulación. Es decir, en lugar de ser un sistema cerrado, el electrolito está continuamente introduciéndose y extrayéndose de las celdas de la batería según se va agotando la especie iónica al producirse la reacción química. Este diseño permite realizar baterías personalizables, donde el tamaño de los depósitos de acumulación de electrolito define la capacidad de almacenamiento energético y el número de celdas define la potencia nominal de la batería.

El siguiente esquema representa la configuración de una batería de flujo. Se observa como existen dos electrolitos, cada uno cargado con una especie química distinta que participa en la reacción redox (que dependen del tipo de batería de flujo). Entre ambos electrolitos, se sitúa una membrana que solo permite el paso de los iones correspondientes a la reacción química.

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Actualmente, existen dos tipos de batería de flujo, las de zinc- bromo (Zn-Br) y las de vanadio (VRB), una tecnología comercialmente viable.

Las baterías de vanadio, también llamadas VRB (del inglés: Vanadium Redox Battery), son una de las tecnologías de acumulación para aplicaciones estacionarias más interesantes. En los últimos años se están realizando proyectos de demostración en todo el mundo que demuestran sus óptimas propiedades para su uso en todas las aplicaciones estacionarias mencionadas en la primera sección de la guía:

1. Alta capacidad de respuesta en carga/descarga: son capaces de dar incluso el doble de su potencia nominal durante cortos periodos de tiempo. De esta manera pueden complementar a energías renovables o actuar como generadores en sistemas de alimentación ininterrumpida y sirven como ayuda para la calidad de suministro.

2. Diseño de capacidad energética y potencia independiente: se pueden ajustar caso a caso a las particularidades del proyecto. Al almacenar el electrolito en tanques, se puede incrementar la capacidad de almacenamiento para descargas durante largos periodos de tiempo.

3. Bajas pérdidas por autodescarga: al mantener los electrolitos almacenados en tanques independientes, se producen pocas pérdidas por autodescarga cuando la batería no está en carga o descarga. Por tanto, se pueden diseñar sistemas para almacenamiento por largos periodos de tiempo.

Fuente: Pacific Northwest National Laboratory

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Las VRB usan la oxidación y reducción de iones de vanadio en ambos electrodos. En el electrodo negativo se utiliza el par V2+/V3+ (oxidación en descarga) y en el positivo el par V4+/V5+ en forma de VO2+/VO2+ (reducción en descarga). Como ya se ha explicado, en las baterías de flujo estos iones se encuentran disueltos en el electrolito y no almacenados como parte del electrodo. En el caso de las VRB, los iones de vanadio se encuentran disueltos en una solución ácida (generalmente de ácido sulfúrico, aunque recientes innovaciones incluyen también iones cloruro) y los electrodos que transmiten o recogen los electrones están fabricados en grafito. La separación entre ambos electrodos se realiza a través de una membrana de intercambio protónico (que permite la transmisión de iones H+).

Los principales inconvenientes son debidos a que presentan bajas densidades energéticas (energía por unidad de masa del equipo) y que requieren espacios para acoger todo el sistema (celdas + tanques + distribución del electrolito). En cualquier caso, los dos inconvenientes no son de gran importancia en aplicaciones estacionarias. El proyecto existente en el Centro Nacional de Energías Renovables (CENER), que lleva operando varios años una batería VRB de 50 kW de potencia y 200 kWh de capacidad nominal para gestionar la microrred Atenea que alimenta la iluminación de varios edificios colindantes y parte del alumbrado exterior del polígono industrial en que se encuentra. A nivel internacional, en Estados Unidos y Japón se han llegado a instalar baterías VRB en el rango de los MW/MWh.

Sistema de almacenamiento con una batería VRB (600 kW / 3,6 MWh) en Oxnard (Estados Unidos)Fuente: Electricity Storage Handbook (Sandia National Laboratories)

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En cambio los avances en investigación y desarrollo auguran un futuro prometedor conforme se reduzcan los costes de las tecnologías innovadoras, ya en disposición de ser comercializadas, como las baterías redox de vanadio y otras mostradas en esta guía.

Conclusiones

De acuerdo con el informe elaborado por Sandia National Laboratories para el Departamento de Energía del Gobierno de Estados Unidos, presentan unos costes más elevados que tecnologías más maduras como las baterías de plomo-ácido o NaS, pero casi en rango con las tecnologías comercialmente maduras.

El almacenamiento energético es necesario para responder de forma eficaz a los retos de gestionar redes eléctricas más sostenibles, con mayor penetración de las energías renovables y aplicando criterios de suavizado de la curva de demanda. Sin embargo, actualmente su uso generalizado aún no es una realidad.

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Fuentes:

Grupo KERNCENERCIC EnergiguneFenercomElectricity Storage Handbookmadrimasd.orgnosoloingenieria.comPacific Northwest National LaboratoryREEUniversidad de NavarraUPCWeber et al.

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