El almacenamiento de energía es la captura de energía producida en un momento dado para su uso posterior [1] para reducir los desequilibrios entre la demanda y la producción de energía. Un dispositivo que almacena energía generalmente se denomina acumulador o batería . La energía se presenta en múltiples formas, incluyendo radiación, química , potencial gravitacional , potencial eléctrico , electricidad, temperatura elevada, calor latente y cinética . El almacenamiento de energía implica convertir energía de formas que son difíciles de almacenar a formas más convenientes o económicamente almacenables.
Algunas tecnologías proporcionan almacenamiento de energía a corto plazo, mientras que otras pueden durar mucho más tiempo. El almacenamiento de energía a granel está actualmente dominado por las represas hidroeléctricas, tanto convencionales como de bombeo. El almacenamiento de energía en red es un conjunto de métodos utilizados para el almacenamiento de 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 en electricidad para operar un teléfono móvil; la presa hidroeléctrica , que almacena energía en un embalse como energía potencial gravitacional ; y tanques de almacenamiento de hielo , que almacenan hielo congelado con energía más barata durante la noche para satisfacer la demanda máxima de refrigeración durante el día. El hidrógeno verde , procedente de la electrólisis del agua , es un medio más económico de almacenamiento de energía renovable a largo plazo en términos de gastos de capital que la hidroelectricidad de almacenamiento por bombeo o las baterías. [ cita necesaria ] [2] [ verificación fallida ] [3] [ verificación fallida ] 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. [4] 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. [5] Las preocupaciones por la contaminación del aire, las importaciones de energía y el calentamiento global han generado el crecimiento de energías renovables como la solar y la eólica. [4] La energía eólica no está controlada y puede estar generándose en un momento en el que no se necesita energía adicional. La energía solar varía según la cobertura de nubes y, en el mejor de los casos, solo está disponible durante las horas del día, mientras que la demanda suele alcanzar su punto máximo después del atardecer ( ver curva de pato ). El interés en almacenar energía a partir 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. [6]
El uso de electricidad fuera de la red 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 los entornos rurales de todo el mundo. El acceso a la electricidad es ahora una cuestión de viabilidad económica y financiera, y no sólo de aspectos técnicos. Los vehículos eléctricos están sustituyendo progresivamente a los vehículos con motor de combustión. Sin embargo, aún está en desarrollo impulsar el transporte de larga distancia sin quemar combustible.
La siguiente lista incluye una variedad de tipos de almacenamiento de energía:
La energía se puede almacenar en agua bombeada a una mayor elevación utilizando 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 que convierten la energía eléctrica en energía interna o energía cinética y luego regresan nuevamente cuando la demanda eléctrica alcanza su punto máximo.
Se pueden operar represas hidroeléctricas con embalses para proporcionar 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 de otras unidades generadoras, se comporta de manera equivalente al reducir la producción en períodos de exceso de electricidad de otras fuentes. En este modo, las represas son una de las formas más eficientes de almacenamiento de energía, porque sólo cambia el momento de su generación. Las turbinas hidroeléctricas tienen un tiempo de arranque del orden de unos pocos minutos. [7]
En todo el mundo, la hidroelectricidad de almacenamiento por bombeo (PSH) es la forma de mayor capacidad de almacenamiento activo de energía disponible en la red y, en 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 . [8] La eficiencia energética de PSH varía en la práctica entre el 70% y el 80%, [8] [9] [10] [11] con afirmaciones de hasta el 87%. [12]
En momentos de baja demanda eléctrica, el exceso de capacidad de generación se utiliza para bombear agua desde una fuente más baja a un depósito más alto. Cuando la demanda crece, el agua se devuelve a un depósito inferior (o vía fluvial o cuerpo de agua) a través de una turbina , generando electricidad. Los conjuntos de turbina-generador reversibles actúan como bomba y turbina (generalmente un diseño de turbina Francis ). Casi todas las instalaciones utilizan la diferencia de altura entre dos cuerpos de agua. Las plantas de almacenamiento por bombeo puras desplazan el agua entre embalses, mientras que el enfoque de "retrobombeo" es una combinación de almacenamiento por bombeo y plantas hidroeléctricas convencionales que utilizan el flujo natural de los arroyos.
El almacenamiento de energía por aire comprimido (CAES) utiliza el excedente de energía para comprimir el aire para la posterior generación de electricidad. [13] 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 por ejemplo una cúpula de sal .
Las plantas de almacenamiento de energía por aire comprimido (CAES) pueden cerrar la brecha entre la volatilidad de la producción y la carga. El almacenamiento CAES aborda las necesidades energéticas de los consumidores al proporcionar de manera efectiva energía fácilmente disponible para satisfacer la demanda. Las fuentes de energía renovables como la eólica y la solar varían. Por eso, en momentos en que proporcionan poca energía, es necesario complementarlos con otras formas de energía para satisfacer la demanda energética. Las plantas de almacenamiento de energía de aire comprimido pueden absorber el excedente de producción de energía de fuentes de energía renovables en épocas de sobreproducción de energía. Esta energía almacenada se puede utilizar más adelante, cuando aumente la demanda de electricidad o disminuya la disponibilidad de recursos energéticos. [14]
La compresión del aire genera calor; el aire está más caliente después de la compresión. La expansión requiere calor. Si no se agrega calor adicional, el aire estará 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. [15] 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. [16] [17]
El almacenamiento de energía del volante (FES) funciona acelerando un rotor (un volante ) a una velocidad muy alta, manteniendo la energía como energía rotacional . Cuando se agrega energía, la velocidad de rotación del volante 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 utilicen directamente energía mecánica. [18]
Los sistemas FES tienen rotores hechos de 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. [19] Estos volantes pueden alcanzar la velocidad máxima ("carga") en cuestión de minutos. El sistema de volante está conectado a una combinación de motor / generador eléctrico .
Los sistemas FES tienen una vida útil relativamente larga (duran décadas con poco o ningún mantenimiento; [19] la vida útil de ciclo completo citada para los volantes varía desde más de 10 5 hasta 10 7 ciclos de uso), [20] alta energía específica ( 100–130 W·h/kg, o 360–500 kJ/kg) [20] [21] y densidad de potencia .
Cambiar la altitud de masas sólidas puede almacenar o liberar energía a través de un sistema de elevación impulsado por un motor/generador eléctrico. Los estudios sugieren que la energía puede comenzar a liberarse con tan solo 1 segundo de advertencia, lo que convierte al método en una alimentación complementaria útil a la red eléctrica para equilibrar los aumentos repentinos de carga. [22]
Las eficiencias pueden llegar hasta el 85% de recuperación de la energía almacenada. [23]
Esto se puede lograr ubicando las masas dentro de antiguos pozos mineros verticales o en torres especialmente construidas donde se elevan los pesos pesados para almacenar energía y se les permite un descenso controlado para liberarla. En 2020 se está construyendo un prototipo de tienda vertical en Edimburgo, Escocia [24]
El almacenamiento de energía potencial o almacenamiento de energía por gravedad se desarrolló activamente en 2013 en asociación con el Operador Independiente del Sistema de California . [25] [26] [27] Examinó el movimiento de vagones tolva llenos de tierra impulsados por locomotoras eléctricas desde elevaciones más bajas a más altas. [28]
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. [33]
El almacenamiento de energía térmica estacional (STES) permite utilizar calor o frío meses después de haber sido recolectado a partir de energía residual o de fuentes naturales. El material puede almacenarse 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 en minas llenas de agua. [34] Los proyectos de almacenamiento de energía térmica estacional (STES) a menudo se amortizan en cuatro a seis años. [35] Un ejemplo es Drake Landing Solar Community en Canadá, para el 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). [36] [37] [38] En Braedstrup, Dinamarca, el sistema de calefacción urbana solar de la comunidad también utiliza STES, a una temperatura de 65 °C (149 °F). Una bomba de calor , que funciona sólo mientras hay excedente de energía eólica 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 veinte por ciento del calor de Braedstrup es solar. [39]
Los sistemas de almacenamiento de energía térmica de calor latente funcionan transfiriendo calor hacia o desde un material para cambiar su fase. Un cambio de fase es la fusión, solidificación, vaporización o licuación. Un material de este tipo se denomina material de cambio de fase (PCM). Los materiales utilizados en los LHTES suelen tener un alto calor latente , de modo que a su temperatura específica, el cambio de fase absorbe una gran cantidad de energía, mucho más que el calor sensible. [40]
Un acumulador de vapor es un tipo de LHTES donde 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 las horas pico para almacenar frío congelando agua en hielo. El frío almacenado en el hielo se libera durante el proceso de fusión y puede usarse para enfriar en las horas pico.
El aire se puede licuar enfriándolo con electricidad y almacenarse como criógeno con las tecnologías existentes. Luego, el aire líquido se puede expandir a través de una turbina y la energía se recupera en forma de electricidad. El sistema se demostró en una planta piloto en el Reino Unido en 2012. [41] En 2019, Highview anunció planes para construir una planta de 50 MW en el norte de Inglaterra y el norte de Vermont, y la instalación propuesta podría almacenar de cinco a ocho horas de energía. , para una capacidad de almacenamiento de 250-400 MWh. [42]
La energía eléctrica se puede almacenar térmicamente mediante calefacción resistiva o bombas de calor, y el calor almacenado se puede convertir nuevamente en electricidad mediante el ciclo Rankine o el ciclo Brayton . [43] Esta tecnología se ha estudiado para adaptar plantas de energía alimentadas con carbón a sistemas de generación libres de combustibles fósiles. [44] Las calderas alimentadas con carbón se sustituyen por acumuladores de calor a alta temperatura cargados con el exceso de electricidad procedente de fuentes de energía renovables. En 2020, el Centro Aeroespacial Alemán comenzó a construir el primer sistema de baterías Carnot a gran escala del mundo, que tiene una capacidad de almacenamiento de 1.000 MWh. [45]
Una batería recargable comprende 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 costo total de uso e impacto ambiental más bajos que las baterías no recargables (desechables). Algunos tipos de baterías recargables están disponibles en los mismos factores de forma que las desechables. Las baterías recargables tienen un costo inicial más alto, pero se pueden recargar de manera muy económica y usarse muchas veces.
Las químicas comunes de las baterías recargables incluyen:
Una batería de flujo funciona pasando 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 solución. Una batería de flujo es técnicamente similar tanto a una pila de combustible como a una pila de acumulador electroquímico . Las aplicaciones comerciales son para almacenamiento de medio ciclo prolongado, como energía de red de respaldo.
Los supercondensadores , también llamados condensadores eléctricos de doble capa (EDLC) o ultracondensadores, son una familia de condensadores electroquímicos [49] que no cuentan con dieléctricos sólidos convencionales . La capacitancia está determinada por dos principios de almacenamiento, capacitancia de doble capa y pseudocapacitancia . [50] [51]
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, [52] 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 ). [49]
Si bien los supercondensadores tienen energía específica y densidades de energía que representan aproximadamente el 10% de las baterías, su densidad de potencia es generalmente de 10 a 100 veces mayor. Esto da como resultado ciclos de carga/descarga mucho más cortos. Además, toleran muchos más ciclos de carga-descarga que las baterías.
Los supercondensadores tienen muchas aplicaciones, entre ellas:
Power to gas es la conversión de electricidad a un combustible gaseoso como hidrógeno o 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 metanación como la reacción de Sabatier , o metanación biológica, lo que da como resultado una pérdida adicional de conversión de energía del 8%. Luego, el metano podrá inyectarse a 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 . El hidrógeno verde , procedente de la electrólisis del agua , es un medio más económico de almacenamiento de energía renovable a largo plazo en términos de gastos de capital que la hidroelectricidad de almacenamiento por bombeo o las baterías . [ cita necesaria ] [2] [ verificación fallida ] [3] [ verificación fallida ]
Con penetraciones inferiores al 20% de la demanda de la red, las energías renovables no cambian gravemente la economía; pero más allá de aproximadamente el 20% de la demanda total, [53] el almacenamiento externo adquiere importancia. Si estas fuentes se utilizan para producir hidrógeno iónico, se pueden expandir libremente. En 2007 se inició un programa piloto comunitario de cinco años de duración que utiliza turbinas eólicas y generadores de hidrógeno en la remota comunidad de Ramea, Terranova y Labrador . [54] Un proyecto similar comenzó en 2004 en Utsira , una pequeña isla noruega.
Las pérdidas de energía involucradas en el ciclo de almacenamiento del hidrógeno provienen de la electrólisis del agua, licuación o compresión del hidrógeno y conversión en electricidad. [55]
Se necesitan unos 50 kW·h (180 MJ) de energía solar para producir un kilogramo de hidrógeno, por lo que el coste de la electricidad es crucial. A 0,03 dólares/kWh, una tarifa común para líneas de alto voltaje fuera de las horas pico en Estados Unidos , el hidrógeno cuesta 1,50 dólares por kilogramo de electricidad, lo que equivale a 1,50 dólares por galón de gasolina . Otros costos incluyen la planta de electrolizadores , compresores o licuefacción de hidrógeno , almacenamiento y transporte . [ cita necesaria ]
También se puede producir hidrógeno a partir de aluminio y agua quitando la barrera natural de óxido de aluminio del aluminio e introduciéndola en agua. Este método es beneficioso porque las latas de aluminio recicladas se pueden utilizar 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. [56] 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. [57]
El almacenamiento subterráneo de hidrógeno es la práctica de almacenamiento de hidrógeno en cavernas , domos de sal y campos de petróleo y gas agotados. [58] [59] Imperial Chemical Industries ha almacenado durante muchos años grandes cantidades de hidrógeno gaseoso en cavernas sin ninguna dificultad. [60] El proyecto europeo Hyunder indicó en 2013 que el almacenamiento de energía eólica y solar utilizando hidrógeno subterráneo requeriría 85 cavernas. [61]
Powerpaste es un gel fluido a base de magnesio e hidrógeno que libera hidrógeno al reaccionar con el agua . Fue inventado , patentado y 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 entre cinco y seis veces la presión atmosférica . Luego se añaden un éster y una sal metálica para elaborar el producto terminado. Fraunhofer afirma que están construyendo una planta de producción cuyo inicio está previsto para 2021, que producirá 4 toneladas de Powerpaste al año. [62] Fraunhofer ha patentado su invención en los Estados Unidos y la UE . [63] Fraunhofer afirma que Powerpaste es capaz de almacenar energía de hidrógeno a 10 veces la densidad de energía de una batería de litio de dimensiones similares y es seguro y conveniente para situaciones automotrices. [62]
El metano es el hidrocarburo más simple con la fórmula molecular CH 4 . El metano se almacena y transporta más fácilmente que el hidrógeno. Las infraestructuras de almacenamiento y combustión (ductos, gasómetros , centrales eléctricas) están maduras.
El gas natural sintético ( gas de síntesis 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 de metano en un ambiente de oxígeno puro en una planta de energía adyacente, eliminando los óxidos de nitrógeno .
La combustión de metano produce dióxido de carbono (CO 2 ) 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 un costo como en la captura y almacenamiento de carbono .
La conversión de energía a líquido es similar a la conversión de energía a gas, excepto que el hidrógeno se convierte en líquidos como metanol o amoníaco . 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. [64]
Varios biocombustibles como el biodiesel , el aceite vegetal , el alcohol o la biomasa pueden sustituir 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 sustitutos 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 enfrentaba un acceso limitado a los suministros de petróleo crudo. Sudáfrica produce la mayor parte del diésel del país a partir de carbón por razones similares. [65] Un precio del petróleo a largo plazo superior a 35 dólares EE.UU. por barril puede hacer que estos combustibles líquidos sintéticos a gran escala sean económicos.
Varios investigadores han propuesto el aluminio como almacén de energía. Su equivalente electroquímico (8,04 Ah/cm3) es casi cuatro veces mayor que el del litio (2,06 Ah/cm3). [66] Se puede extraer energía del aluminio haciéndolo reaccionar con agua para generar hidrógeno . [67] Sin embargo, primero debe ser despojado de su capa de óxido natural , un proceso que requiere pulverización, [68] reacciones químicas con sustancias cáusticas o aleaciones. [57] El subproducto de la reacción para crear hidrógeno es óxido de aluminio , que puede reciclarse para obtener aluminio con el proceso Hall-Héroult , lo que hace que la reacción sea teóricamente renovable. [57] Si el proceso Hall-Heroult se ejecuta utilizando energía solar o eólica, el aluminio podría usarse para almacenar la energía producida con mayor eficiencia que la electrólisis solar directa. [69]
Se han propuesto como soluciones de almacenamiento de energía boro , [70] silicio , [71] y zinc [72] .
El compuesto orgánico norbornadieno se convierte en cuadriciclano al exponerse a la luz, almacenando energía solar como energía de enlaces químicos. En Suecia se ha desarrollado un sistema funcional como sistema solar térmico molecular. [73]
Un condensador (originalmente conocido como "condensador") es un componente eléctrico pasivo de dos terminales que se utiliza para almacenar energía de forma electrostática . Los condensadores prácticos varían ampliamente, pero todos contienen al menos dos conductores eléctricos (placas) separados por un dieléctrico (es decir, un aislante ). Un condensador puede almacenar energía eléctrica cuando se desconecta de su circuito de carga, por lo que puede usarse como una batería temporal , o como otro tipo de sistema de almacenamiento de energía recargable . [74] 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 capacitor a través de una batería), se desarrolla un campo eléctrico a través del dieléctrico, lo que hace que se acumule carga positiva (+Q) en una placa y carga negativa (-Q) en otra. el otro plato. Si se conecta una batería a un condensador durante un período de tiempo suficiente, no puede fluir corriente a través del condensador. Sin embargo, si se aplica un voltaje acelerado o alterno a través de los conductores del capacitor, puede fluir una corriente de desplazamiento . Además de las placas de los condensadores, la carga también se puede almacenar en una capa dieléctrica. [75]
La capacitancia es mayor dada una separación más estrecha entre conductores y cuando los conductores tienen una superficie mayor. 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 falla de alto voltaje es prometedor para una nueva generación de capacitores autorreparables. [76] [77] Los conductores y conductores introducen inductancia y resistencia no deseadas .
La investigación está evaluando los efectos cuánticos de los condensadores a nanoescala [78] para baterías cuánticas digitales. [79] [80]
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 cargada la bobina superconductora, la corriente no decae y la energía magnética se puede almacenar indefinidamente. [81]
La energía almacenada se puede liberar a la red descargando la bobina. El inversor/rectificador asociado representa aproximadamente entre un 2% y un 3% de pérdida de energía en cada dirección. Las PYMES 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%. [82]
Debido a los requisitos energéticos de la refrigeración y el coste del cable superconductor , SMES se utiliza para almacenamiento de corta duración, como por ejemplo para mejorar la calidad de la energía . También tiene aplicaciones en el equilibrio de la red. [81]
La aplicación clásica antes de la revolución industrial era el control de vías fluviales para impulsar molinos de agua para procesar granos o accionar maquinaria. Se construyeron complejos sistemas de embalses y presas para almacenar y liberar agua (y la energía potencial que contenía) cuando fuera necesario. [83]
Se espera que el almacenamiento de energía en el hogar sea cada vez más común dada la creciente importancia de la generación distribuida de energías renovables (especialmente la fotovoltaica) y la importante proporción del consumo de energía en los edificios. [84] Para superar una autosuficiencia del 40% en un hogar equipado con energía fotovoltaica, se necesita almacenamiento de energía. [84] Varios fabricantes producen sistemas de baterías recargables para almacenar energía, generalmente para retener el excedente de energía procedente 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 debido a su costo similar pero su rendimiento mucho mejor. [85]
Tesla Motors produce dos modelos de Tesla Powerwall . Una es una versión de ciclo semanal de 10 kWh para aplicaciones de respaldo y la otra es una versión de 7 kWh para aplicaciones de ciclo diario. [86] En 2016, una versión limitada del Tesla Powerpack 2 costaba 398 dólares (EE. UU.)/kWh para almacenar electricidad por un valor de 12,5 centavos/kWh (precio promedio de la red en EE. UU.), lo que hace dudoso el retorno positivo de la inversión a menos que los precios de la electricidad sean superiores a 30 centavos. /kWh. [87]
RoseWater Energy produce dos modelos del "Sistema de almacenamiento y energía", el HUB 120 [88] y el SB20. [89] Ambas versiones proporcionan 28,8 kWh de potencia, 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 la red de energía renovable (opcional) y respaldo de batería. [90] [91]
Enphase Energy anunció un sistema integrado que permite a los usuarios domésticos almacenar, monitorear y administrar la electricidad. El sistema almacena 1,2 kWh de energía y una potencia de salida de 275W/500W. [92]
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. [93]
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 almacenamiento.
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La mayor fuente y el mayor depósito de energía renovable provienen de las represas hidroeléctricas. Un gran embalse detrás de una presa 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 años secos y húmedos. Si bien una presa hidroeléctrica no almacena directamente energía de fuentes intermitentes, sí equilibra la red reduciendo su producción y reteniendo su agua cuando la energía se genera con energía solar o eólica. Si la generación eólica o solar excede la capacidad hidroeléctrica de la región, entonces se necesita alguna fuente adicional de energía.
Muchas fuentes de energía renovables (en particular, la solar y la eólica) producen energía variable . [98] Los sistemas de almacenamiento pueden nivelar los desequilibrios entre la oferta y la demanda que esto provoca. La electricidad debe utilizarse tal como se genera o convertirse inmediatamente en formas almacenables. [99]
El principal método de almacenamiento de la red eléctrica es la hidroelectricidad de almacenamiento por bombeo . Áreas del mundo como Noruega, Gales, Japón y Estados Unidos han utilizado características geográficas elevadas para los embalses , utilizando bombas eléctricas para llenarlos. Cuando es necesario, el agua pasa a través de generadores y convierte el potencial gravitacional del agua que cae en electricidad. [98] El almacenamiento por bombeo en Noruega, que obtiene casi toda su electricidad de la energía hidráulica, 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. [100]
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 de manera eficiente grandes cantidades de energía térmica, [101] y almacenamiento de energía con aire comprimido , volantes de inercia , sistemas criogénicos y sistemas superconductores . bobinas magnéticas .
La energía excedente también se puede convertir en metano ( proceso sabatier ) con almacenamiento en la red de gas natural. [102] [103]
En 2011, la Administración de Energía de Bonneville, en el noroeste de Estados Unidos, creó un programa experimental para absorber el exceso de energía eólica e hidroeléctrica generada durante la noche o durante períodos tormentosos acompañados de fuertes vientos. Bajo control central, los electrodomésticos absorben el excedente de energía calentando ladrillos cerámicos en calentadores especiales a cientos de grados y aumentando la temperatura de los tanques modificados del calentador de agua . Después de la carga, los electrodomésticos proporcionan calefacción y agua caliente según sea necesario. El sistema experimental se creó como resultado de una fuerte tormenta en 2010 que sobreprodujo 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 redujo a su nivel operativo más bajo posible, dejando un gran zona que funciona casi exclusivamente con energías renovables. [104] [105]
Otro método avanzado utilizado en el antiguo proyecto Solar Two en Estados Unidos y en la Solar Tres Power Tower en España utiliza sales fundidas para almacenar la energía térmica capturada del sol y luego convertirla y enviarla 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 regulación de frecuencia y nivelación de carga a escala de servicios públicos. [98]
En el almacenamiento de vehículo a red , los vehículos eléctricos que están conectados a la red eléctrica pueden entregar energía eléctrica almacenada desde sus baterías a la red cuando sea necesario.
El almacenamiento de energía térmica (TES) se puede utilizar para el aire acondicionado . [106] Se utiliza más ampliamente para enfriar edificios grandes individuales y/o grupos de edificios más pequeños. Los sistemas de aire acondicionado comerciales son los que más contribuyen a los picos de carga eléctrica. 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 diurnos más calurosos. [101]
La técnica más popular es el almacenamiento de hielo , que requiere menos espacio que el agua y es más económico que las pilas de combustible o los volantes de inercia. En esta aplicación, un enfriador estándar funciona durante la noche para producir una pila de hielo. El agua circula a través de la pila durante el día para enfriar el agua que normalmente sería la producción diurna del enfriador.
Un sistema de almacenamiento parcial minimiza la inversión de capital al hacer funcionar los enfriadores casi 24 horas al día. Por la noche producen hielo para almacenarlo y durante el día enfrían agua. El agua que circula a través del hielo derretido aumenta la producción de agua fría. 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 sólo entre el 40% y el 50% del tamaño necesario para un diseño convencional sin almacenamiento. Generalmente es adecuado un almacenamiento suficiente para almacenar el calor disponible para medio día.
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 eléctricos son más bajas. [107] Los sistemas de refrigeración fuera de las horas pico pueden reducir los costos de energía. El US Green Building Council ha desarrollado el programa Liderazgo en Energía y Diseño Ambiental (LEED) para fomentar el diseño de edificios de impacto ambiental reducido. El enfriamiento fuera de las horas pico puede ayudar a obtener la certificación LEED. [108]
El almacenamiento térmico para calefacción es menos común que para refrigeración. Un ejemplo de almacenamiento térmico es el almacenamiento del calor solar para utilizarlo como calefacción durante la noche.
El calor latente también se puede almacenar en materiales técnicos de cambio de fase (PCM). Estos se pueden encapsular en paneles de pared y techo para moderar la temperatura ambiente.
Los combustibles de hidrocarburos líquidos son las formas más comúnmente utilizadas de almacenamiento de energía para su uso en el transporte , seguidos por un uso creciente 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 tranvías y trolebuses requieren electricidad, pero debido a su variabilidad en el movimiento, un suministro constante de electricidad a través de energías renovables es un desafío. Los sistemas fotovoltaicos instalados en los tejados 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 disponible. [109] Las próximas transiciones en el sistema de transporte también incluyen, por ejemplo, ferries y aviones, donde el suministro de energía eléctrica se investiga como una alternativa interesante. [110]
Los condensadores se utilizan ampliamente en circuitos electrónicos para bloquear la corriente continua y permitir el paso de la corriente alterna . En las redes de filtros analógicos , suavizan la salida de las fuentes de alimentación . En circuitos resonantes sintonizan radios a frecuencias particulares . En los sistemas de transmisión de energía eléctrica estabilizan el voltaje y el flujo de potencia. [111]
La Base de datos internacional de almacenamiento de energía del Departamento de Energía de los Estados Unidos (IESDB) es una base de datos de acceso gratuito sobre 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 . [112]
La capacidad de almacenamiento es la cantidad de energía extraída de un dispositivo o sistema de almacenamiento de energía; generalmente medido en julios o kilovatios-hora y sus múltiplos, puede expresarse en número de horas de producción de electricidad a la capacidad nominal de la central eléctrica ; cuando el almacenamiento es de tipo primario (es decir, térmico o de agua bombeada), la producción se obtiene únicamente del sistema de almacenamiento integrado de la planta de energía. [113] [114]
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 almacenar varios MWh, y el tamaño óptimo del almacenamiento de energía depende del mercado y de la ubicación. [115]
Además, los ESS se ven afectados por varios riesgos, por ejemplo: [116]
Por lo tanto, las técnicas tradicionales basadas en Flujos de Caja Descontados (DCF) deterministas para la valoración de inversiones no son del todo adecuadas para evaluar estos riesgos e incertidumbres y la flexibilidad del inversor para afrontarlos. De ahí que 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. [116]
La valoración económica de las aplicaciones a gran escala (incluido el almacenamiento hidráulico por bombeo y el aire comprimido) considera beneficios que incluyen: evitar restricciones , evitar la congestión de la red, arbitraje de precios y suministro de energía libre de carbono. [101] [117] [118] En una evaluación técnica realizada por el Carnegie Mellon Electricity Industry Center , los objetivos económicos podrían alcanzarse utilizando baterías si su costo de capital fuera de $ 30 a $ 50 por kilovatio-hora. [101]
Una métrica de 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 energéticamente será la tecnología de almacenamiento. Para las baterías de iones de litio, esto es alrededor de 10 y para las baterías de plomo-ácido es aproximadamente 2. Otras formas de almacenamiento, como el almacenamiento hidroeléctrico por bombeo, generalmente tienen un ESOI más alto, como 210. [119]
La hidroelectricidad de almacenamiento por bombeo es, con diferencia, la tecnología de almacenamiento más utilizada a nivel mundial. [120] 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 suelo muy alto para energía relativamente pequeña . [121] En lugares sin una geografía natural adecuada, también se podría utilizar el almacenamiento subterráneo mediante bombeo hidráulico. [122] Los altos costos y la vida útil limitada todavía hacen de las baterías un "sustituto débil" de las fuentes de energía gestionables y no pueden cubrir los vacíos variables de energía renovable que duran días, semanas o meses. En los modelos de red con una alta participación de ERV, 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 ERV requeriría 9,6 TWh de almacenamiento, pero el 100% requeriría 36,3 TWh. En 2018, el estado solo tenía 150 GWh de almacenamiento, principalmente en almacenamiento por bombeo y una pequeña fracción en baterías. Según otro estudio, satisfacer el 80% de la demanda estadounidense a partir de ERV requeriría una red inteligente que cubra todo el país o un almacenamiento de baterías capaz de abastecer todo el sistema durante 12 horas, ambos con un costo estimado en 2,5 billones de dólares. [123] [124] De manera similar, varios estudios han encontrado que depender únicamente de ERV y almacenamiento de energía costaría entre un 30% y un 50% más que un sistema comparable que combine ERV con plantas nucleares o plantas con captura y almacenamiento de carbono en lugar de almacenamiento de energía. [125] [126]
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 baterías en paneles solares residenciales en tejados, según un representante de la Asociación Alemana de Almacenamiento de Energía. [127]
Siemens AG encargó la inauguración de una planta de producción e investigación en 2015 en el Zentrum für Sonnenenergie und Wasserstoff (ZSW, el Centro Alemán para la Investigación de Energía Solar e Hidrógeno en el Estado federado de Baden-Württemberg ), una colaboración entre universidad e industria en Stuttgart, Ulm y Widderstall, que cuenta con aproximadamente 350 científicos, investigadores, ingenieros y técnicos. La planta desarrolla nuevos materiales y procesos de fabricación cercanos a la 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. [128] [129]
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 el estado de Wisconsin , que se asoció con el fabricante de baterías Johnson Controls . [130] El laboratorio fue creado como parte del recién inaugurado Instituto de Energía de Wisconsin de la universidad . Entre sus objetivos se encuentra la evaluación de baterías de vehículos eléctricos de última generación y de próxima generación , incluido su uso como complementos de red. [130]
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 Eastman Business Park en Rochester, Nueva York , con un costo de 23 millones de dólares para su laboratorio de casi 1.700 m 2 . El centro incluye el Centro para Sistemas Energéticos Futuros, 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 a uso comercial. [131]
El 27 de septiembre de 2017, los senadores Al Franken de Minnesota y Martin Heinrich de Nuevo México presentaron la Ley de Avance del Almacenamiento en Red (AGSA), que dedicaría más de mil millones de dólares en investigación, asistencia técnica y subvenciones para fomentar el almacenamiento de energía en los Estados Unidos. [132]
En los modelos de red con una alta participación de ERV , 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 ERV requeriría 9,6 TWh de almacenamiento, pero el 100% requeriría 36,3 TWh. Según otro estudio, satisfacer el 80% de la demanda estadounidense a partir de ERV requeriría una red inteligente que cubra todo el país o un almacenamiento de baterías capaz de abastecer todo el sistema durante 12 horas, ambos con un costo estimado en 2,5 billones de dólares. [123] [124]
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 tecnologías de almacenamiento de energía. [133] [134]
En los Balcanes de Europa se utilizaron ruedas hidráulicas simples en el año 100 a. C. para impulsar molinos harineros. Mil años antes se habían construido elaborados sistemas de riego en Egipto y Mesopotamia, y es muy probable que estos sistemas contuvieran simples ruedas hidráulicas. Las norias 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 Occidental, la tecnología del agua avanzó más en el Medio Oriente que en Europa, pero las norias se usaban comúnmente para aprovechar el agua como una fuente de poder en Europa durante la Edad Media. El Libro del Juicio Final de 1086 EC enumera 5624 molinos impulsados 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 cereales y accionar fuelles de hornos.
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