El almacenamiento de energía es la captura de energía producida en un momento dado para su uso posterior [1] con el fin de reducir los desequilibrios entre la demanda y la producción de energía. Un dispositivo que almacena energía se denomina generalmente acumulador o batería . La energía se presenta en múltiples formas, entre ellas la radiación, la química , el potencial gravitacional , el potencial eléctrico , la electricidad, la temperatura elevada, el calor latente y la cinética . El almacenamiento de energía implica la conversión de energía de formas que son difíciles de almacenar a formas que se pueden almacenar de manera más conveniente o económica.
Algunas tecnologías permiten almacenar energía a corto plazo, mientras que otras pueden durar mucho más. En la actualidad, el almacenamiento de energía a gran escala está dominado por las represas hidroeléctricas, tanto convencionales como de bombeo. El almacenamiento de energía en red es un conjunto de métodos utilizados para almacenar energía a gran escala dentro de una red eléctrica.
Ejemplos comunes de almacenamiento de energía son la batería recargable , que almacena energía química fácilmente convertible a electricidad para operar un teléfono móvil; la presa hidroeléctrica , que almacena energía en un depósito como energía potencial gravitatoria ; y los tanques de almacenamiento de hielo , que almacenan hielo congelado por energía más barata durante la noche para satisfacer la demanda máxima diurna de refrigeración. Los combustibles fósiles como el carbón y la gasolina almacenan energía antigua derivada de la luz solar por organismos que luego murieron, quedaron enterrados y con el tiempo se convirtieron en estos combustibles. Los alimentos (que se elaboran mediante el mismo proceso que los combustibles fósiles) son una forma de energía almacenada en forma química .
En la red del siglo XX, la energía eléctrica se generaba en gran medida quemando combustibles fósiles. Cuando se necesitaba menos energía, se quemaba menos combustible. [2] La energía hidroeléctrica , un método de almacenamiento de energía mecánica, es el almacenamiento de energía mecánica más ampliamente adoptado y se ha utilizado durante siglos. Las grandes represas hidroeléctricas han sido sitios de almacenamiento de energía durante más de cien años. [3] Las preocupaciones por la contaminación del aire, las importaciones de energía y el calentamiento global han generado el crecimiento de la energía renovable, como la solar y la eólica. [2] La energía eólica no está controlada y puede generarse en un momento en el que no se necesita energía adicional. La energía solar varía con la cobertura de nubes y, en el mejor de los casos, solo está disponible durante las horas del día, mientras que la demanda a menudo alcanza su punto máximo después del atardecer ( ver curva de pato ). El interés en almacenar energía de estas fuentes intermitentes crece a medida que la industria de la energía renovable comienza a generar una fracción mayor del consumo total de energía. [4] En 2023, BloombergNEF pronosticó que las implementaciones totales de almacenamiento de energía crecerán a una tasa de crecimiento anual compuesta del 27 por ciento hasta 2030. [5]
El uso de la electricidad fuera de la red eléctrica era un nicho de mercado en el siglo XX, pero en el siglo XXI se ha expandido. Los dispositivos portátiles se utilizan en todo el mundo. Los paneles solares son ahora comunes en las zonas rurales de todo el mundo. El acceso a la electricidad es ahora una cuestión de viabilidad económica y financiera, y no solo de aspectos técnicos. Los vehículos eléctricos están sustituyendo gradualmente a los vehículos con motor de combustión. Sin embargo, la propulsión de transporte de larga distancia sin quemar combustible sigue siendo una tarea en desarrollo.
La siguiente lista incluye una variedad de tipos de almacenamiento de energía:
La energía se puede almacenar en agua bombeada a una mayor altura mediante métodos de almacenamiento por bombeo o moviendo materia sólida a lugares más altos ( baterías de gravedad ). Otros métodos mecánicos comerciales incluyen la compresión de aire y volantes de inercia que convierten la energía eléctrica en energía interna o energía cinética y luego la convierten nuevamente en energía cuando la demanda eléctrica alcanza su pico.
Las represas hidroeléctricas con embalses pueden utilizarse para suministrar electricidad en momentos de máxima demanda. El agua se almacena en el embalse durante los períodos de baja demanda y se libera cuando la demanda es alta. El efecto neto es similar al del almacenamiento por bombeo, pero sin la pérdida por bombeo.
Si bien una represa hidroeléctrica no almacena directamente energía proveniente de otras unidades generadoras, se comporta de manera equivalente al reducir la producción en períodos de exceso de electricidad proveniente de otras fuentes. En este modo, las represas son una de las formas más eficientes de almacenamiento de energía, porque solo cambia el momento de su generación. Las turbinas hidroeléctricas tienen un tiempo de arranque del orden de unos pocos minutos. [6]
A nivel mundial, la energía hidroeléctrica de almacenamiento por bombeo (PSH) es la forma de almacenamiento de energía de red activa de mayor capacidad disponible y, a marzo de 2012, el Instituto de Investigación de Energía Eléctrica (EPRI) informa que la PSH representa más del 99% de la capacidad de almacenamiento a granel en todo el mundo, lo que representa alrededor de 127.000 MW . [7] La eficiencia energética de la PSH varía en la práctica entre el 70% y el 80%, [7] [8] [9] [10] con afirmaciones de hasta el 87%. [11]
En épocas de baja demanda eléctrica, se utiliza el exceso de capacidad de generación para bombear agua desde una fuente más baja a un depósito más alto. Cuando la demanda aumenta, el agua se devuelve a un depósito más bajo (o vía fluvial o masa de agua) a través de una turbina , generando electricidad. Los conjuntos de turbina-generador reversibles actúan como bomba y turbina (normalmente un diseño de turbina Francis ). Casi todas las instalaciones utilizan la diferencia de altura entre dos masas de agua. Las plantas de almacenamiento por bombeo puro desplazan el agua entre los depósitos, mientras que el enfoque de "bombeo de retorno" es una combinación de almacenamiento por bombeo y plantas hidroeléctricas convencionales que utilizan el flujo natural de los ríos.
El almacenamiento de energía por aire comprimido (CAES) utiliza el excedente de energía para comprimir el aire para la posterior generación de electricidad. [12] Los sistemas a pequeña escala se han utilizado durante mucho tiempo en aplicaciones como la propulsión de locomotoras mineras. El aire comprimido se almacena en un depósito subterráneo , como un domo de sal .
Las plantas de almacenamiento de energía por aire comprimido (CAES) pueden salvar la brecha entre la volatilidad de la producción y la carga. El almacenamiento CAES atiende las necesidades energéticas de los consumidores al proporcionar de manera eficaz energía disponible para satisfacer la demanda. Las fuentes de energía renovables, como la eólica y la solar, varían, por lo que en los momentos en que proporcionan poca energía, deben complementarse con otras formas de energía para satisfacer la demanda energética. Las plantas de almacenamiento de energía por aire comprimido pueden absorber el excedente de producción de energía de las fuentes de energía renovables durante períodos de sobreproducción de energía. Esta energía almacenada se puede utilizar en un momento posterior cuando aumenta la demanda de electricidad o disminuye la disponibilidad de recursos energéticos. [13]
La compresión del aire crea calor; el aire es más cálido después de la compresión. La expansión requiere calor. Si no se agrega calor adicional, el aire será mucho más frío después de la expansión. Si el calor generado durante la compresión se puede almacenar y utilizar durante la expansión, la eficiencia mejora considerablemente. [14] Un sistema CAES puede lidiar con el calor de tres maneras. El almacenamiento de aire puede ser adiabático , diabático o isotérmico . Otro enfoque utiliza aire comprimido para impulsar vehículos. [15] [16]
El almacenamiento de energía mediante volante de inercia (FES) funciona acelerando un rotor (un volante de inercia ) a una velocidad muy alta, manteniendo la energía como energía rotacional . Cuando se agrega energía, la velocidad rotacional del volante de inercia aumenta, y cuando se extrae energía, la velocidad disminuye, debido a la conservación de la energía .
La mayoría de los sistemas FES utilizan electricidad para acelerar y desacelerar el volante, pero se están considerando dispositivos que utilizan directamente energía mecánica. [17]
Los sistemas FES tienen rotores fabricados con compuestos de fibra de carbono de alta resistencia , suspendidos por cojinetes magnéticos y que giran a velocidades de 20.000 a más de 50.000 revoluciones por minuto (rpm) en un recinto de vacío. [18] Estos volantes de inercia pueden alcanzar la velocidad máxima ("carga") en cuestión de minutos. El sistema de volante de inercia está conectado a una combinación de motor eléctrico / generador .
Los sistemas FES tienen una vida útil relativamente larga (duran décadas con poco o ningún mantenimiento; [18] las vidas útiles de ciclo completo citadas para volantes de inercia varían desde más de 10 5 hasta 10 7 ciclos de uso), [19] alta energía específica (100–130 W·h/kg, o 360–500 kJ/kg) [19] [20] y densidad de potencia .
El cambio de altitud de las masas sólidas permite almacenar o liberar energía a través de un sistema de elevación accionado por un motor/generador eléctrico. Los estudios sugieren que la energía puede empezar a liberarse con apenas un segundo de aviso, lo que convierte al método en un aporte complementario útil a una red eléctrica para equilibrar los picos de carga. [21]
La eficiencia puede alcanzar el 85% de recuperación de la energía almacenada. [22]
Esto se puede lograr ubicando las masas dentro de viejos pozos de minas verticales o en torres especialmente construidas donde se levantan los pesos pesados para almacenar energía y se les permite un descenso controlado para liberarla. En 2020 se está construyendo un prototipo de almacén vertical en Edimburgo, Escocia [23].
En 2013, se estaba desarrollando activamente un potencial almacenamiento de energía o almacenamiento de energía por gravedad en asociación con el Operador Independiente del Sistema de California . [24] [25] [26] Se examinó el movimiento de vagones de ferrocarril con tolva llenos de tierra impulsados por locomotoras eléctricas desde elevaciones más bajas a más altas. [27]
Otros métodos propuestos incluyen:
El almacenamiento de energía térmica (TES) es el almacenamiento o eliminación temporal de calor.
El almacenamiento de calor sensible aprovecha el calor sensible de un material para almacenar energía. [32]
El almacenamiento de energía térmica estacional (STES) permite que el calor o el frío se utilicen meses después de su recolección a partir de energía residual o fuentes naturales. El material se puede almacenar en acuíferos contenidos, grupos de pozos en sustratos geológicos como arena o lecho de roca cristalina, en pozos revestidos llenos de grava y agua, o minas llenas de agua. [33] Los proyectos de almacenamiento de energía térmica estacional (STES) suelen tener una recuperación de la inversión en cuatro a seis años. [34] Un ejemplo es la comunidad solar Drake Landing en Canadá, para la cual el 97% del calor durante todo el año es proporcionado por colectores solares térmicos en los techos de los garajes, habilitados por un almacén de energía térmica de pozo (BTES). [35] [36] [37] En Braedstrup, Dinamarca, el sistema de calefacción solar del distrito de la comunidad también utiliza STES, a una temperatura de 65 °C (149 °F). Una bomba de calor , que funciona solo mientras hay energía eólica excedente disponible. Se utiliza para elevar la temperatura a 80 °C (176 °F) para su distribución. Cuando no se dispone de energía eólica, se utiliza una caldera de gas. El 20% de la calefacción de Braedstrup es solar. [38]
Los sistemas de almacenamiento de energía térmica por calor latente funcionan transfiriendo calor hacia o desde un material para cambiar su fase. Un cambio de fase es la fusión, solidificación, vaporización o licuefacción. Este tipo de material se denomina material de cambio de fase (PCM). Los materiales utilizados en los LHTES suelen tener un calor latente alto, de modo que a su temperatura específica, el cambio de fase absorbe una gran cantidad de energía, mucho más que el calor sensible. [39]
Un acumulador de vapor es un tipo de LHTES en el que el cambio de fase es entre líquido y gas y utiliza el calor latente de vaporización del agua. Los sistemas de aire acondicionado con almacenamiento de hielo utilizan electricidad fuera de horas punta para almacenar frío congelando el agua. El frío almacenado en el hielo se libera durante el proceso de derretimiento y se puede utilizar para enfriar en horas punta.
El aire se puede licuar enfriándolo con electricidad y almacenarlo como criógeno con las tecnologías existentes. Luego, el aire líquido se puede expandir a través de una turbina y la energía se puede recuperar como electricidad. El sistema se demostró en una planta piloto en el Reino Unido en 2012. [40] En 2019, Highview anunció planes para construir una planta de 50 MW en el norte de Inglaterra y el norte de Vermont, con la instalación propuesta capaz de almacenar de cinco a ocho horas de energía, para una capacidad de almacenamiento de 250 a 400 MWh. [41]
La energía eléctrica se puede almacenar térmicamente mediante calefacción resistiva o bombas de calor, y el calor almacenado se puede convertir de nuevo en electricidad a través del ciclo Rankine o el ciclo Brayton . [42] Esta tecnología se ha estudiado para adaptar las centrales eléctricas de carbón a sistemas de generación libres de combustibles fósiles. [43] Las calderas de carbón se sustituyen por un almacenamiento de calor de alta temperatura cargado con el exceso de electricidad de fuentes de energía renovables. En 2020, el Centro Aeroespacial Alemán comenzó a construir el primer sistema de batería Carnot a gran escala del mundo, que tiene una capacidad de almacenamiento de 1.000 MWh. [44]
Una batería recargable consta de una o más celdas electroquímicas . Se la conoce como "celda secundaria" porque sus reacciones electroquímicas son eléctricamente reversibles. Las baterías recargables vienen en muchas formas y tamaños, desde pilas de botón hasta sistemas de red de megavatios.
Las baterías recargables tienen un menor costo total de uso y un menor impacto ambiental que las baterías no recargables (desechables). Algunos tipos de baterías recargables están disponibles en los mismos formatos que las desechables. Las baterías recargables tienen un costo inicial más alto, pero se pueden recargar a un costo muy bajo y se pueden usar muchas veces.
Las composiciones químicas más comunes de las baterías recargables incluyen:
Una batería de flujo funciona haciendo pasar una solución sobre una membrana donde se intercambian iones para cargar o descargar la celda. El voltaje de la celda está determinado químicamente por la ecuación de Nernst y varía, en aplicaciones prácticas, de 1,0 V a 2,2 V. La capacidad de almacenamiento depende del volumen de la solución. Una batería de flujo es técnicamente similar tanto a una celda de combustible como a una celda de acumulador electroquímico . Las aplicaciones comerciales son para el almacenamiento de medio ciclo largo, como la energía de la red de respaldo.
Los supercondensadores , también llamados condensadores eléctricos de doble capa (EDLC) o ultracondensadores, son una familia de condensadores electroquímicos [48] que no tienen dieléctricos sólidos convencionales . La capacitancia está determinada por dos principios de almacenamiento, la capacitancia de doble capa y la pseudocapacitancia . [49] [50]
Los supercondensadores cierran la brecha entre los condensadores convencionales y las baterías recargables . Almacenan la mayor cantidad de energía por unidad de volumen o masa ( densidad de energía ) entre los condensadores. Admiten hasta 10 000 faradios /1,2 voltios, [51] hasta 10 000 veces más que los condensadores electrolíticos , pero entregan o aceptan menos de la mitad de energía por unidad de tiempo ( densidad de potencia ). [48]
Si bien los supercondensadores tienen una energía y densidades energéticas específicas que son aproximadamente el 10 % de las baterías, su densidad de potencia es generalmente entre 10 y 100 veces mayor. Esto da como resultado ciclos de carga y descarga mucho más cortos. Además, toleran muchos más ciclos de carga y descarga que las baterías.
Los supercondensadores tienen muchas aplicaciones, entre ellas:
La conversión de electricidad en gas es la conversión de electricidad en un combustible gaseoso como el hidrógeno o el metano . Los tres métodos comerciales utilizan electricidad para reducir el agua a hidrógeno y oxígeno mediante electrólisis .
En el primer método, el hidrógeno se inyecta en la red de gas natural o se utiliza para el transporte. El segundo método consiste en combinar el hidrógeno con dióxido de carbono para producir metano mediante una reacción de metanización , como la reacción de Sabatier , o metanización biológica, lo que da como resultado una pérdida de conversión de energía adicional del 8 %. El metano puede entonces ser introducido en la red de gas natural. El tercer método utiliza el gas de salida de un generador de gas de madera o una planta de biogás , después de que el mejorador de biogás se mezcla con el hidrógeno del electrolizador, para mejorar la calidad del biogás.
El elemento hidrógeno puede ser una forma de energía almacenada. El hidrógeno puede producir electricidad a través de una pila de combustible de hidrógeno .
En penetraciones inferiores al 20% de la demanda de la red, las energías renovables no cambian severamente la economía; pero más allá del 20% de la demanda total, [52] el almacenamiento externo se vuelve importante. Si estas fuentes se utilizan para producir hidrógeno iónico, se pueden expandir libremente. Un programa piloto comunitario de 5 años que utiliza turbinas eólicas y generadores de hidrógeno comenzó en 2007 en la remota comunidad de Ramea, Terranova y Labrador . [53] Un proyecto similar comenzó en 2004 en Utsira , una pequeña isla noruega.
Las pérdidas de energía involucradas en el ciclo de almacenamiento de hidrógeno provienen de la electrólisis del agua, la licuefacción o compresión del hidrógeno y la conversión en electricidad. [54]
El hidrógeno también se puede producir a partir de aluminio y agua eliminando la barrera de óxido de aluminio que se forma naturalmente en el aluminio e introduciéndolo en agua. Este método es beneficioso porque se pueden utilizar latas de aluminio recicladas para generar hidrógeno, sin embargo, los sistemas para aprovechar esta opción no se han desarrollado comercialmente y son mucho más complejos que los sistemas de electrólisis. [55] Los métodos comunes para eliminar la capa de óxido incluyen catalizadores cáusticos como el hidróxido de sodio y aleaciones con galio , mercurio y otros metales. [56]
El almacenamiento subterráneo de hidrógeno es la práctica de almacenar hidrógeno en cavernas , domos de sal y campos de petróleo y gas agotados. [57] [58] Imperial Chemical Industries ha almacenado grandes cantidades de hidrógeno gaseoso en cavernas durante muchos años sin ninguna dificultad. [59] El proyecto europeo Hyunder indicó en 2013 que el almacenamiento de energía eólica y solar utilizando hidrógeno subterráneo requeriría 85 cavernas. [60]
Powerpaste es un gel fluido a base de magnesio e hidrógeno que libera hidrógeno al reaccionar con agua . Fue inventado , patentado y está siendo desarrollado por el Instituto Fraunhofer de Tecnología de Fabricación y Materiales Avanzados ( IFAM ) de la Fraunhofer-Gesellschaft . Powerpaste se fabrica combinando polvo de magnesio con hidrógeno para formar hidruro de magnesio en un proceso realizado a 350 °C y de cinco a seis veces la presión atmosférica . Luego se agregan un éster y una sal metálica para hacer el producto terminado. Fraunhofer afirma que están construyendo una planta de producción programada para comenzar la producción en 2021, que producirá 4 toneladas de Powerpaste al año. [61] Fraunhofer ha patentado su invención en los Estados Unidos y la UE . [62] Fraunhofer afirma que Powerpaste puede almacenar energía de hidrógeno a 10 veces la densidad energética de una batería de litio de una dimensión similar y es seguro y conveniente para situaciones automotrices. [61]
El metano es el hidrocarburo más simple, con la fórmula molecular CH4 . El metano se almacena y transporta con mayor facilidad que el hidrógeno. La infraestructura de almacenamiento y combustión (ductos, gasómetros , centrales eléctricas) está madura.
El gas natural sintético ( syngas o SNG) se puede crear en un proceso de varios pasos, comenzando con hidrógeno y oxígeno. Luego, el hidrógeno se hace reaccionar con dióxido de carbono en un proceso Sabatier , produciendo metano y agua. El metano se puede almacenar y luego utilizar para producir electricidad. El agua resultante se recicla, lo que reduce la necesidad de agua. En la etapa de electrólisis, el oxígeno se almacena para la combustión del metano en un entorno de oxígeno puro en una planta de energía adyacente, eliminando los óxidos de nitrógeno .
La combustión de metano produce dióxido de carbono (CO2 ) y agua. El dióxido de carbono se puede reciclar para impulsar el proceso Sabatier y el agua se puede reciclar para una mayor electrólisis. La producción, el almacenamiento y la combustión de metano reciclan los productos de la reacción.
El CO 2 tiene valor económico como componente de un vector de almacenamiento de energía, no como coste, como ocurre en la captura y almacenamiento de carbono .
La conversión de energía en líquido es similar a la conversión de energía en gas, excepto que el hidrógeno se convierte en líquidos como el metanol o el amoníaco . Estos son más fáciles de manejar que los gases y requieren menos precauciones de seguridad que el hidrógeno. Se pueden utilizar para el transporte , incluidos los aviones , pero también para fines industriales o en el sector energético. [63]
Varios biocombustibles como el biodiesel , el aceite vegetal , los combustibles de alcohol o la biomasa pueden reemplazar a los combustibles fósiles . Varios procesos químicos pueden convertir el carbono y el hidrógeno del carbón, el gas natural, la biomasa vegetal y animal y los desechos orgánicos en hidrocarburos cortos adecuados como reemplazos de los combustibles de hidrocarburos existentes. Algunos ejemplos son el diésel Fischer-Tropsch , el metanol , el éter dimetílico y el gas de síntesis . Esta fuente de diésel se utilizó ampliamente en la Segunda Guerra Mundial en Alemania, que se enfrentó a un acceso limitado a los suministros de petróleo crudo. Sudáfrica produce la mayor parte del diésel del país a partir del carbón por razones similares. [64] Un precio del petróleo a largo plazo superior a los 35 dólares estadounidenses por barril puede hacer que estos combustibles líquidos sintéticos a gran escala sean económicos.
Varios investigadores han propuesto el aluminio como un depósito de energía. Su equivalente electroquímico (8,04 Ah/cm3) es casi cuatro veces mayor que el del litio (2,06 Ah/cm3). [65] Se puede extraer energía del aluminio haciéndolo reaccionar con agua para generar hidrógeno . [66] Sin embargo, primero se le debe quitar su capa de óxido natural, un proceso que requiere pulverización, [67] reacciones químicas con sustancias cáusticas o aleaciones. [56] El subproducto de la reacción para crear hidrógeno es óxido de aluminio , que se puede reciclar en aluminio con el proceso Hall-Héroult , lo que hace que la reacción sea teóricamente renovable. [56] Si el proceso Hall-Héroult se ejecuta utilizando energía solar o eólica, el aluminio podría usarse para almacenar la energía producida con mayor eficiencia que la electrólisis solar directa. [68]
Se han propuesto el boro , [69] el silicio , [70] y el zinc [71] como soluciones de almacenamiento de energía.
El compuesto orgánico norbornadieno se convierte en cuatriciclano al exponerse a la luz, almacenando la energía solar en forma de energía de enlaces químicos. En Suecia se ha desarrollado un sistema funcional denominado sistema solar térmico molecular. [72]
Un condensador (originalmente conocido como "condensador") es un componente eléctrico pasivo de dos terminales que se utiliza para almacenar energía electrostáticamente . Los condensadores prácticos varían ampliamente, pero todos contienen al menos dos conductores eléctricos (placas) separados por un dieléctrico (es decir, aislante ). Un condensador puede almacenar energía eléctrica cuando se desconecta de su circuito de carga, por lo que se puede utilizar como una batería temporal o como otros tipos de sistema de almacenamiento de energía recargable . [73] Los condensadores se utilizan comúnmente en dispositivos electrónicos para mantener el suministro de energía mientras se cambian las baterías. (Esto evita la pérdida de información en la memoria volátil). Los condensadores convencionales proporcionan menos de 360 julios por kilogramo, mientras que una batería alcalina convencional tiene una densidad de 590 kJ/kg.
Los condensadores almacenan energía en un campo electrostático entre sus placas. Dada una diferencia de potencial entre los conductores (por ejemplo, cuando se conecta un condensador a una batería), se desarrolla un campo eléctrico a través del dieléctrico, lo que hace que la carga positiva (+Q) se acumule en una placa y la carga negativa (-Q) en la otra. Si una batería está conectada a un condensador durante un tiempo suficiente, no puede fluir corriente a través del condensador. Sin embargo, si se aplica un voltaje acelerado o alterno entre los cables del condensador, puede fluir una corriente de desplazamiento . Además de las placas del condensador, la carga también se puede almacenar en una capa dieléctrica. [74]
La capacitancia es mayor cuanto menor es la separación entre conductores y cuando estos tienen una mayor superficie. En la práctica, el dieléctrico entre las placas emite una pequeña cantidad de corriente de fuga y tiene un límite de intensidad de campo eléctrico, conocido como voltaje de ruptura . Sin embargo, el efecto de recuperación de un dieléctrico después de una ruptura de alto voltaje es prometedor para una nueva generación de capacitores autorreparadores. [75] [76] Los conductores y los cables introducen inductancia y resistencia no deseadas .
La investigación está evaluando los efectos cuánticos de los condensadores a nanoescala [77] para baterías cuánticas digitales. [78] [79]
Los sistemas de almacenamiento de energía magnética superconductora (SMES) almacenan energía en un campo magnético creado por el flujo de corriente continua en una bobina superconductora que se ha enfriado a una temperatura inferior a su temperatura crítica superconductora . Un sistema SMES típico incluye una bobina superconductora , un sistema de acondicionamiento de energía y un refrigerador. Una vez que se carga la bobina superconductora, la corriente no decae y la energía magnética se puede almacenar indefinidamente. [80]
La energía almacenada se puede liberar a la red descargando la bobina. El inversor/rectificador asociado representa aproximadamente el 2-3% de pérdida de energía en cada dirección. Los SMES pierden la menor cantidad de electricidad en el proceso de almacenamiento de energía en comparación con otros métodos de almacenamiento de energía. Los sistemas SMES ofrecen una eficiencia de ida y vuelta superior al 95%. [81]
Debido a los requisitos energéticos de la refrigeración y al coste de los cables superconductores , el SMES se utiliza para el almacenamiento de corta duración, por ejemplo, para mejorar la calidad de la energía . También tiene aplicaciones en el equilibrio de la red. [80]
La aplicación clásica antes de la Revolución Industrial era el control de vías fluviales para impulsar molinos de agua destinados al procesamiento de granos o al suministro de energía a maquinaria. Se construyeron complejos sistemas de embalses y represas para almacenar y liberar agua (y la energía potencial que contenía) cuando fuera necesario. [82]
Se espera que el almacenamiento de energía en el hogar se vuelva cada vez más común dada la creciente importancia de la generación distribuida de energías renovables (especialmente fotovoltaica) y la importante proporción del consumo de energía en los edificios. [83] Para superar una autosuficiencia del 40% en un hogar equipado con fotovoltaica, se necesita almacenamiento de energía. [83] Múltiples fabricantes producen sistemas de baterías recargables para almacenar energía, generalmente para almacenar energía excedente de la generación solar o eólica doméstica. Hoy en día, para el almacenamiento de energía en el hogar, las baterías de iones de litio son preferibles a las de plomo-ácido dado su costo similar pero un rendimiento mucho mejor. [84]
Tesla Motors produce dos modelos del Tesla Powerwall . Uno es una versión de ciclo semanal de 10 kWh para aplicaciones de respaldo y el otro es una versión de 7 kWh para aplicaciones de ciclo diario. [85] En 2016, una versión limitada del Tesla Powerpack 2 costaba 398 dólares estadounidenses/kWh para almacenar electricidad por un valor de 12,5 centavos/kWh (precio promedio de la red eléctrica de EE. UU.), lo que hace que sea dudoso que haya un retorno positivo de la inversión a menos que los precios de la electricidad sean superiores a 30 centavos/kWh. [86]
RoseWater Energy produce dos modelos del "Sistema de energía y almacenamiento", el HUB 120 [87] y el SB20 [88] . Ambas versiones proporcionan 28,8 kWh de salida, lo que le permite hacer funcionar casas más grandes o locales comerciales ligeros y proteger instalaciones personalizadas. El sistema proporciona cinco elementos clave en un solo sistema, que incluyen una onda sinusoidal limpia de 60 Hz, tiempo de transferencia cero, protección contra sobretensiones de grado industrial, reventa de energía renovable a la red (opcional) y respaldo de batería. [89] [90]
Enphase Energy anunció un sistema integrado que permite a los usuarios domésticos almacenar, controlar y gestionar la electricidad. El sistema almacena 1,2 kWh de energía y genera una potencia de salida de 275 W/500 W. [91]
El almacenamiento de energía eólica o solar mediante almacenamiento de energía térmica , aunque menos flexible, es considerablemente más barato que las baterías. Un simple calentador de agua eléctrico de 52 galones puede almacenar aproximadamente 12 kWh de energía para complementar el agua caliente o la calefacción de espacios. [92]
Para fines puramente financieros en áreas donde está disponible la medición neta , la electricidad generada en el hogar puede venderse a la red a través de un inversor conectado a la red sin el uso de baterías para el almacenamiento.
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La mayor fuente y el mayor depósito de energía renovable son las represas hidroeléctricas. Un gran embalse detrás de una represa puede almacenar suficiente agua para promediar el caudal anual de un río entre las estaciones seca y húmeda, y un embalse muy grande puede almacenar suficiente agua para promediar el caudal de un río entre los años secos y húmedos. Si bien una represa hidroeléctrica no almacena directamente energía de fuentes intermitentes, sí equilibra la red al reducir su producción y retener el agua cuando la energía se genera mediante energía solar o eólica. Si la generación eólica o solar excede la capacidad hidroeléctrica de la región, entonces se necesita alguna fuente de energía adicional.
Muchas fuentes de energía renovable (en particular la solar y la eólica) producen energía variable . [97] Los sistemas de almacenamiento pueden compensar los desequilibrios entre la oferta y la demanda que esto provoca. La electricidad debe utilizarse a medida que se genera o convertirse inmediatamente en formas almacenables. [98]
El principal método de almacenamiento de energía eléctrica en la red es la hidroelectricidad por bombeo . En algunas zonas del mundo, como Noruega, Gales, Japón y Estados Unidos, se han utilizado características geográficas elevadas para construir embalses , utilizando bombas eléctricas para llenarlos. Cuando es necesario, el agua pasa por generadores y convierte el potencial gravitacional del agua que cae en electricidad. [97] La hidroelectricidad por bombeo en Noruega, que obtiene casi toda su electricidad de la energía hidroeléctrica, tiene actualmente una capacidad de 1,4 GW, pero como la capacidad instalada total es de casi 32 GW y el 75% de ella es regulable, se puede ampliar significativamente. [99]
Algunas formas de almacenamiento que producen electricidad incluyen represas hidroeléctricas de almacenamiento por bombeo , baterías recargables , almacenamiento térmico que incluye sales fundidas que pueden almacenar y liberar eficientemente grandes cantidades de energía térmica, [100] y almacenamiento de energía de aire comprimido , volantes de inercia , sistemas criogénicos y bobinas magnéticas superconductoras .
El excedente de energía también puede convertirse en metano ( proceso Sabatier ) almacenándose en la red de gas natural. [101] [102]
En 2011, la Administración de Energía de Bonneville, en el noroeste de los Estados Unidos, creó un programa experimental para absorber el exceso de energía eólica e hidroeléctrica generada por la noche o durante períodos tormentosos acompañados de fuertes vientos. Bajo control central, los electrodomésticos absorben la energía excedente calentando ladrillos de cerámica en calentadores de ambiente especiales a cientos de grados y aumentando la temperatura de tanques de calentadores de agua modificados . Después de cargarse, los electrodomésticos proporcionan calefacción y agua caliente a la casa según sea necesario. El sistema experimental fue creado como resultado de una severa tormenta en 2010 que produjo un exceso de energía renovable hasta el punto de que se cerraron todas las fuentes de energía convencionales o, en el caso de una planta de energía nuclear, se redujeron a su nivel operativo más bajo posible, dejando una gran área funcionando casi completamente con energía renovable. [103] [104]
Otro método avanzado utilizado en el antiguo proyecto Solar Two en Estados Unidos y en la torre de energía Solar Tres en España utiliza sal fundida para almacenar la energía térmica captada del sol y luego convertirla y distribuirla como energía eléctrica. El sistema bombea sal fundida a través de una torre u otros conductos especiales para que el sol la caliente. Los tanques aislados almacenan la solución. La electricidad se produce convirtiendo el agua en vapor que se alimenta a las turbinas .
Desde principios del siglo XXI, las baterías se han aplicado a capacidades de nivelación de carga y regulación de frecuencia a escala de servicios públicos . [97]
En el almacenamiento de vehículo a red , los vehículos eléctricos que están conectados a la red energética pueden entregar energía eléctrica almacenada en sus baterías a la red cuando sea necesario.
El almacenamiento de energía térmica (TES) se puede utilizar para el aire acondicionado . [105] Se utiliza más ampliamente para enfriar grandes edificios individuales y/o grupos de edificios más pequeños. Los sistemas de aire acondicionado comerciales son los que más contribuyen a las cargas eléctricas máximas. En 2009, el almacenamiento térmico se utilizó en más de 3.300 edificios en más de 35 países. Funciona enfriando el material por la noche y utilizando el material enfriado para enfriar durante los períodos más calurosos del día. [100]
La técnica más popular es el almacenamiento en hielo , que requiere menos espacio que el agua y es más barata que las pilas de combustible o los volantes de inercia. En esta aplicación, un enfriador estándar funciona por la noche para producir una pila de hielo. El agua circula por la pila durante el día para enfriar el agua que normalmente sería la salida diurna del enfriador.
Un sistema de almacenamiento parcial minimiza la inversión de capital al hacer funcionar los enfriadores casi las 24 horas del día. Por la noche, producen hielo para almacenar y durante el día enfrían agua. El agua que circula a través del hielo derretido aumenta la producción de agua helada. Un sistema de este tipo produce hielo durante 16 a 18 horas al día y lo derrite durante seis horas al día. Los gastos de capital se reducen porque los enfriadores pueden tener solo entre el 40% y el 50% del tamaño necesario para un diseño convencional sin almacenamiento. Normalmente, un almacenamiento suficiente para almacenar el calor disponible durante medio día es suficiente.
Un sistema de almacenamiento completo apaga los enfriadores durante las horas pico de carga. Los costos de capital son más altos, ya que un sistema de este tipo requiere enfriadores más grandes y un sistema de almacenamiento de hielo más grande.
Este hielo se produce cuando las tarifas de los servicios de electricidad son más bajas. [106] Los sistemas de refrigeración fuera de horas pico pueden reducir los costos de energía. El Consejo de Construcción Ecológica de los Estados Unidos ha desarrollado el programa de Liderazgo en Energía y Diseño Ambiental (LEED, por sus siglas en inglés) para fomentar el diseño de edificios con un impacto ambiental reducido. La refrigeración fuera de horas pico puede ayudar a obtener la certificación LEED. [107]
El almacenamiento térmico para calefacción es menos común que para refrigeración. Un ejemplo de almacenamiento térmico es el almacenamiento de calor solar para utilizarlo en calefacción por la noche.
El calor latente también se puede almacenar en materiales técnicos de cambio de fase (PCM), que se pueden encapsular en paneles de paredes y techos para moderar la temperatura ambiente.
Los combustibles de hidrocarburos líquidos son las formas de almacenamiento de energía más utilizadas para el transporte , seguidas por un uso cada vez mayor de vehículos eléctricos de batería y vehículos eléctricos híbridos . Se pueden utilizar otros portadores de energía, como el hidrógeno, para evitar la producción de gases de efecto invernadero.
Los sistemas de transporte público, como los tranvías y los trolebuses, requieren electricidad, pero debido a su variabilidad en el movimiento, un suministro constante de electricidad a través de energía renovable es un desafío. Los sistemas fotovoltaicos instalados en los techos de los edificios se pueden utilizar para alimentar los sistemas de transporte público durante períodos en los que hay una mayor demanda de electricidad y el acceso a otras formas de energía no está fácilmente disponible. [108] Las próximas transiciones en el sistema de transporte también incluyen, por ejemplo, los transbordadores y los aviones, donde el suministro de energía eléctrica se investiga como una alternativa interesante. [109]
Los condensadores se utilizan ampliamente en circuitos electrónicos para bloquear la corriente continua y permitir el paso de la corriente alterna . En redes de filtros analógicos , suavizan la salida de las fuentes de alimentación . En circuitos resonantes , sintonizan radios a frecuencias particulares . En sistemas de transmisión de energía eléctrica, estabilizan el voltaje y el flujo de energía. [110]
La Base de Datos Internacional de Almacenamiento de Energía (IESDB) del Departamento de Energía de los Estados Unidos es una base de datos de libre acceso de proyectos y políticas de almacenamiento de energía financiada por la Oficina de Electricidad del Departamento de Energía de los Estados Unidos y los Laboratorios Nacionales Sandia . [111]
La capacidad de almacenamiento es la cantidad de energía extraída de un dispositivo o sistema de almacenamiento de energía; generalmente se mide en julios o kilovatios-hora y sus múltiplos, y puede expresarse en número de horas de producción de electricidad a la capacidad nominal de la planta de energía ; cuando el almacenamiento es de tipo primario (es decir, térmico o de agua bombeada), la producción se obtiene solo con el sistema de almacenamiento integrado de la planta de energía. [112] [113]
La economía del almacenamiento de energía depende estrictamente del servicio de reserva solicitado, y varios factores de incertidumbre afectan la rentabilidad del almacenamiento de energía. Por lo tanto, no todos los métodos de almacenamiento son técnica y económicamente adecuados para el almacenamiento de varios MWh, y el tamaño óptimo del almacenamiento de energía depende del mercado y la ubicación. [114]
Además, los ESS se ven afectados por varios riesgos, por ejemplo: [115]
Por lo tanto, las técnicas tradicionales basadas en el Flujo de Caja Descontado (DCF) determinista para la valoración de inversiones no son totalmente adecuadas para evaluar estos riesgos e incertidumbres y la flexibilidad del inversor para afrontarlos. Por ello, la literatura recomienda evaluar el valor de los riesgos e incertidumbres a través del Análisis de Opciones Reales (ROA), que es un método valioso en contextos inciertos. [115]
La valoración económica de las aplicaciones a gran escala (incluido el almacenamiento de energía hidroeléctrica bombeada y el aire comprimido) considera beneficios como: evitar restricciones , evitar congestiones de la red, arbitraje de precios y entrega de energía libre de carbono. [100] [116] [117] En una evaluación técnica del Carnegie Mellon Electricity Industry Centre , se podrían alcanzar los objetivos económicos utilizando baterías si su costo de capital fuera de $30 a $50 por kilovatio-hora. [100]
Una medida de la eficiencia energética del almacenamiento es el almacenamiento de energía sobre la energía invertida (ESOI), que es la cantidad de energía que puede almacenar una tecnología, dividida por la cantidad de energía necesaria para construir esa tecnología. Cuanto mayor sea el ESOI, mejor será la tecnología de almacenamiento en términos energéticos. Para las baterías de iones de litio, este valor es de alrededor de 10, y para las baterías de plomo-ácido, de alrededor de 2. Otras formas de almacenamiento, como el almacenamiento hidroeléctrico bombeado, generalmente tienen un ESOI más alto, como 210. [118]
La hidroelectricidad de almacenamiento por bombeo es, con mucho, la tecnología de almacenamiento más grande utilizada a nivel mundial. [119] Sin embargo, el uso del almacenamiento hidroeléctrico por bombeo convencional es limitado porque requiere terreno con diferencias de elevación y también tiene un uso de tierra muy alto para una energía relativamente pequeña . [120] En lugares sin una geografía natural adecuada, también se podría utilizar el almacenamiento hidroeléctrico por bombeo subterráneo. [121] Los altos costos y la vida útil limitada aún hacen que las baterías sean un "sustituto débil" para las fuentes de energía despachables , y no pueden cubrir las brechas de energía renovable variable que duran días, semanas o meses. En los modelos de red con una alta participación de VRE, el costo excesivo del almacenamiento tiende a dominar los costos de toda la red; por ejemplo, solo en California , el 80% de la participación de VRE requeriría 9,6 TWh de almacenamiento, pero el 100% requeriría 36,3 TWh. A partir de 2018, el estado solo tenía 150 GWh de almacenamiento, principalmente en almacenamiento por bombeo y una pequeña fracción en baterías. Según otro estudio, para cubrir el 80% de la demanda estadounidense a partir de energía renovable variable se necesitaría una red inteligente que cubriera todo el país o un sistema de almacenamiento en baterías capaz de abastecer a todo el sistema durante 12 horas, ambos con un coste estimado de 2,5 billones de dólares. [122] [123] De manera similar, varios estudios han descubierto que depender únicamente de energía renovable variable y almacenamiento de energía costaría entre un 30 y un 50% más que un sistema comparable que combina energía renovable variable con plantas nucleares o plantas con captura y almacenamiento de carbono en lugar de almacenamiento de energía. [124] [125]
En 2013, el gobierno alemán asignó 200 millones de euros (aproximadamente 270 millones de dólares estadounidenses) para investigación y otros 50 millones de euros para subsidiar el almacenamiento de energía en baterías de paneles solares instalados en techos residenciales, según un representante de la Asociación Alemana de Almacenamiento de Energía. [126]
Siemens AG encargó una planta de producción e investigación que se inaugurará en 2015 en el Zentrum für Sonnenenergie und Wasserstoff (ZSW, el Centro Alemán de Investigación de Energía Solar e Hidrógeno en el estado de Baden-Württemberg ), una colaboración entre la universidad y la industria en Stuttgart, Ulm y Widderstall, con una plantilla de aproximadamente 350 científicos, investigadores, ingenieros y técnicos. La planta desarrolla nuevos materiales y procesos de fabricación casi de producción (NPMM&P) utilizando un sistema computarizado de Supervisión, Control y Adquisición de Datos (SCADA). Su objetivo es permitir la expansión de la producción de baterías recargables con mayor calidad y menor costo. [127] [128]
En 2014, se abrieron centros de investigación y pruebas para evaluar tecnologías de almacenamiento de energía. Entre ellos se encontraba el Laboratorio de Pruebas de Sistemas Avanzados de la Universidad de Wisconsin en Madison en Wisconsin State , que se asoció con el fabricante de baterías Johnson Controls . [129] El laboratorio se creó como parte del recién inaugurado Instituto de Energía de Wisconsin de la universidad. Sus objetivos incluyen la evaluación de baterías de vehículos eléctricos de última generación y de próxima generación , incluido su uso como complementos de la red eléctrica. [129]
El estado de Nueva York inauguró su Centro de Pruebas y Comercialización de Tecnología de Almacenamiento de Energía y Baterías de Nueva York (NY-BEST) en el Parque Empresarial Eastman en Rochester, Nueva York , con un costo de $23 millones para su laboratorio de casi 1.700 m2 . El centro incluye el Centro para Sistemas de Energía Futura, una colaboración entre la Universidad Cornell de Ithaca, Nueva York y el Instituto Politécnico Rensselaer en Troy, Nueva York . NY-BEST prueba, valida y certifica de forma independiente diversas formas de almacenamiento de energía destinadas al uso comercial. [130]
El 27 de septiembre de 2017, los senadores Al Franken de Minnesota y Martin Heinrich de Nuevo México presentaron la Ley de Promoción del Almacenamiento en Red (AGSA), que destinaría más de mil millones de dólares en investigación, asistencia técnica y subvenciones para fomentar el almacenamiento de energía en los Estados Unidos. [131]
En los modelos de red con una alta proporción de energía renovable variable , el costo excesivo del almacenamiento tiende a dominar los costos de toda la red: por ejemplo, solo en California, una proporción del 80% de energía renovable variable requeriría 9,6 TWh de almacenamiento, pero el 100% requeriría 36,3 TWh. Según otro estudio, para satisfacer el 80% de la demanda estadounidense a partir de energía renovable variable se necesitaría una red inteligente que cubriera todo el país o un sistema de almacenamiento en baterías capaz de abastecer a todo el sistema durante 12 horas, ambos con un costo estimado de 2,5 billones de dólares. [122] [123]
En el Reino Unido, unas 14 agencias industriales y gubernamentales se aliaron con siete universidades británicas en mayo de 2014 para crear el Centro de Almacenamiento de Energía SUPERGEN con el fin de ayudar en la coordinación de la investigación y el desarrollo de tecnología de almacenamiento de energía. [132] [133]
En los Balcanes de Europa se utilizaban ruedas hidráulicas sencillas en el año 100 a. C. para impulsar molinos de harina. En Egipto y Mesopotamia se habían construido sistemas de riego elaborados mil años antes, y es muy probable que estos sistemas contuvieran ruedas hidráulicas sencillas. Las ruedas hidráulicas impulsadas por un arroyo que corría por debajo eran comunes en el Imperio Romano durante los siglos III y IV d. C. Después de la caída del Imperio Romano de Occidente, la tecnología del agua avanzó más en Oriente Medio que en Europa, pero las ruedas hidráulicas se usaban comúnmente para aprovechar el agua como fuente de energía en Europa durante la Edad Media. El Libro del Juicio Final de 1086 d. C. enumera 5624 molinos accionados por agua en la mitad sur de Inglaterra. Los diseños de ruedas hidráulicas más eficientes fueron traídos a Europa desde Oriente Medio por los cruzados y se utilizaron para moler granos y para impulsar fuelles de hornos.
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