Actualmente, el almacenamiento de energía es una de las tecnologías en las que más esfuerzo e investigación se están invirtiendo. Desde que los humanos empezamos a generar energía eléctrica, nos dimos cuenta de que la generación y el transporte eran más sencillos que el almacenamiento y, principalmente, lo que hacemos es intentar ajustar la generación a la demanda.
Pero en los últimos años esto ha cambiado y el almacenamiento de energía es una de las prioridades de diversas empresas de todo el mundo. Esto es así por varias razones: por un lado, cada vez estamos reemplazando más fuentes fósiles de energía por otras, que en mucho caso necesitamos que sean móviles; por otro lado, el poder almacenar toda la energía renovable que podemos producir (haya o no demanda), nos permite aprovecharla posteriormente. Eso nos permite también el tener energía de fuentes renovables en momentos en los que no luce el sol, no hay olas o viento.
Sistemas de almacenamiento de energía
Se puede clasificar la biomasa y los combustibles fósiles como sistemas de almacenamiento de biológico y serían a la vez, fuentes de energía y sistemas de almacenamiento, ya que es posible almacenarlos para una convertirlos en energía. En este artículo nos vamos a centrar en aquellos sistemas que responden a la necesidad de almacenamiento de energía para sustituir a las fuentes fósiles. Actualmente, estos son los principales modos de almacenamiento de energía:
Almacenamiento mecánico
Bombeo hidroeléctrico
Es un sistema de almacenamiento a gran escala y el modo de mayor capacidad instalado en todo el mundo. El sistema necesita un salto de agua de, al menos, 100 m. En la parte superior se sitúa una presa a la que se devuelve agua, donde queda almacenada. Para ese proceso utilizamos la energía que queremos almacenar. Cuando se necesita energía, se libera el agua. Al caer, ésta pasa por unas turbinas que transforman la energía del agua en energía eléctrica (al igual que ocurre en una central hidroeléctrica). Se combina con facilidad con sistemas eólicos, donde la energía sobrante se utiliza para retornar el agua al nivel superior.
Se trata de una tecnología rentable y probada que proporciona estabilidad al sistema eléctrico y puede generar cantidades significativas de energía limpia con tiempos de respuesta rápidos. El rendimiento de este sistema es de entre el 72-80%.
Aire comprimido
Consiste en almacenar aire a altas presiones de 6-7 MPa. Cuando hay un excedente de energía, la desviamos a un motor reversible comprime el aire ambiente a altas presiones en cámaras de almacenamiento subterráneas. Cuando la demanda vuelve a crecer y necesitamos extraer la energía, cambiamos el sentido del flujo: extraemos el aire comprimido y lo utilizamos para producir energía eléctrica.
Es un sistema de almacenamiento masivo equiparable en capacidad al bombeo hidroeléctrico. El sistema tiene unas pérdidas de entre el 20-50%.
Volantes de inercia
Este sistema almacena energía de forma cinética. Consiste en un disco metálico que comienza a girar cuando se le aplica un par motor para, a continuación, intentar frenar el volante con un par resistente conservando la energía eléctrica en forma cinética. consiste en el empleo de un disco metálico que comienza a girar cuando se le aplica un par motor.
Este sistema tiene una gran eficiencia (90%) y un mantenimiento mínimo,
Almacenamiento térmico
Consiste en acumular energía a través de métodos que incluyen desde la refrigeración mediante acumulación de hielo hasta la exposición a temperaturas extremadamente elevadas. El proceso se realiza subiendo o bajando la temperatura de una sustancia, cambiando su fase o una combinación de ambos mecanismos. Los nombres que estos procesos reciben son: calor sensible, calor latente, y almacenamiento térmico subterráneo.
- Calor sensible: Consiste en el almacenamiento de energía aumentando la temperatura de un sólido o un líquido sin cambiar de fase. Normalmente se utiliza para temperaturas menores a 200 ºC, aunque para temperaturas mayores a 500 ºC se utilizan metales fundidos,
- Calor latente: Se basa en almacenar la energía almacenada realizando un cambio de fase (fusión o evaporación), mientras que al revertir el proceso (solidificación o condensación) se recupera la energía.
- Almacenamiento subterráneo de energía térmica (ASET): Nos permite almacenar la energía durante largos periodos de tiempo (meses). Un ejemplo de esto podría ser el almacenamiento del calor en verano para su utilización en invierno,
Almacenamiento químico y electroquímico
Baterías
Las baterías o acumuladores son el sistema de almacenamiento de energía más utilizado en los hogares con pilas eléctricas: de botón, alcalinas, recargables, de móviles, en coches… Aunque no es un tipo de almacenamiento de energía al que la industria es ajeno.
Las baterías son unos dispositivos que almacenan y devuelven energía eléctrica gracias a las reacciones químicas (redox) que se producen en su interior. El almacenaje de energía se realiza por medio de compuestos químicos capaces de generar energía eléctrica. Existen multitud de tipos, como las pilas de plomo-ácido, las de ion de litio o las de níquel-cadmio. Las principales ventajas de las baterías son su rapidez de respuesta —milisegundos—, su facilidad de instalación y escalabilidad y, finalmente, los múltiples beneficios que pueden aportar a activos renovables a los que vayan asociadas.
Pueden clasificarse en dos tipos, según sean recargables o no: las baterías primarias (muchas veces llamadas pilas no recargables) no lo son, mientras que las secundarias (comúnmente llamadas baterías) sí.
Baterías de iones de Litio
Esta tecnología se ha situado como la más interesante en su clase para usarlas en ordenadores portátiles, teléfonos móviles y otros aparatos eléctricos y electrónicos. Este tipo de baterías también son conocidas por ser las utilizadas por Tesla en sus Powerwall y PowerPack, pero fueron desarrolladas en los años 80, basándose en investigaciones anteriores y se utilizan en aparatos electrónicos, vehículos, y aplicaciones militares y aeroespaciales. Recientemente se ha presentado una batería Li-S para coches que promete una autonomía de 2.000 km.
Son tan utilizadas porque acumulan mucha mayor carga por unidad de peso y volumen en comparación con otras baterías.
Pilas de combustible
Las pilas de combustible podrían verse como un tipo de almacenamiento de energía con un flujo continuo de combustible y oxidante que sufren una reacción química controlada. El combustible proviene de un tanque externo que permite un uso prolongado mayor al de una batería. Otra diferencia con las baterías es que en la pila de combustible los reactivos del cátodo y el ánodo no son sólidos.
En el caso de la pila de combustible de hidrógeno, los reactivos que se utilizan normalmente son el hidrógeno en el ánodo y el
oxígeno en el cátodo. Al combinarse químicamente, mediante la oxidación del hidrógeno y la reducción del oxígeno, obtenemos agua y energía con la diferencia de potencial entre ambos electrodos.
Hay diversos tipos de pilas de combustible que se diferencian principalmente por el electrolito utilizado: las hay de ácido fosfórico (PAFC), carbonatos fundidos (MCFC), conversión directa de metanol (DMFC)…
Hidrógeno
Como hemos visto, el hidrógeno puede ser utilizado para obtener energía, utilizándolo como combustible. El hidrógeno generado se puede almacenar en contenedores especiales durante largos periodos de tiempo, y podría utilizarse para obtener electricidad en plantas de generación o para proveer a los coches de combustible, entre otros usos.
Podemos obtenerlo a partir de gas natural, agua o el refinado de aceites pesados, nos permite almacenar energía procedente, por ejemplo, de exceso de producción de energía renovable. De todos estos tipos de producción, la única que se puede considerar limpia es la obtenida a base de agua y con energía procedente de fuentes renovables.
Almacenamiento eléctrico y electromagnético
Supercondensador (o ultracondensador)
Son dispositivos capaces de almacenar una densidad de energía muy alta en comparación con los condensadores normales. Esta energía se almacena en forma de cargas electrostáticas (no hay reacciones químicas) que luego se puede liberar rápidamente cuando es necesario. Los supercondensadores (también llamados EDLC) pueden ser cargados y descargados en cuestión de segundos, siendo así ideales para responder a necesidades de puntas de potencia o a breves interrupciones del suministro. Están formados por pares de placas conductivas separadas por un medio dieléctrico. Los EDLC más potentes pueden alcanzar 5.000 F de capacidad.
Constructivamente, El área de las placas es el factor que más influye en su capacidad. Para aumentarla se puede incrementar su rugosidad e incluso aportarle porosidad. Por eso, el futuro de los supercondensadores son los nanotubos de grafeno, que tienen una porosidad mayor a la del carbono utilizado habitualmente.
Uno de los usos típicos es las baterías de los coches híbridos, por su gran capacidad y su descarga rápida a 5 kW/kg, siendo posible combinarlo con sistemas de hidrógeno. y el rendimiento total de los supercondensadores se sitúa en el 90%.
Almacenamiento de energía magnética por superconducción (SMES)
Los imanes superconductores son una forma de almacenamiento masivo de energía que promete tener una vital importancia. Debido a la energía absorbida por el sistema de refrigeración y a los costes de los materiales este sistema se utiliza para el almacenamiento de energía de corta duración. La aplicación más común de este tipo de almacenamiento de energía es la mejora de la calidad de onda en las redes de distribución de electricidad, evitando los microcortes.
Estos sistemas almacenan energía en un campo magnético creado por un flujo de corriente continua en una bobina superconductora que se ha enfriado a una temperatura por debajo de su temperatura crítica superconductora. El sistema típico consta de 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 puede almacenarse indefinidamente.
La energía almacenada se puede liberar a la red descargando la bobina. Los sistemas SMES ofrecen una eficiencia superior al 95%.
Fuentes:
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Jansen, Ralph H. Dever, Timothy P. 2006. G2 Flywheel Module Design. National Aeronautics and Space Administration. https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20060028492.pdf
Lladó Sánchez, Adrià. 2015. Estudio de almacenamiento de energía mediante aire comprimido. Escola Politècnica Superior d’Enginyeria de Manresa. Tutor: de Felipe Blanch, J.J. https://upcommons.upc.edu/bitstream/handle/2117/81020/TFG+-+Adri%E0+Llad%F3+-+Estudio+del+almacenamiento+de+energia+mediante+aire+comprimido.+Los+sitemas+CAES+(Compressed+Air+Ener~1.pdf;jsessionid=4488E333E4FB6F03AEFD69B95CB36587?sequence=1
Martín Chicharro, Guillermo Javier. 2016. Sistemas de almacenamiento de energía. Escuela de ingenierías industriales. Universidad de Valladolid. Tutor: Ruiz González, José Miguel. https://uvadoc.uva.es/bitstream/handle/10324/18325/TFG-P-;jsessionid=F03993627E6B50B95C14C0705BB0D970?sequence=1
Rodríguez Ávila, Laura. 2014. Evaluación de la tecnología CAES como sistema de almacenamiento de energía eólica. Caso de estudio en España. UPM. Director: Llamas Moya, Bernardo. http://oa.upm.es/32792/
Twenergy. 2019. ¿Qué son los supercondensadores y cuáles son sus aplicaciones? Twenergy. https://twenergy.com/eficiencia-energetica/almacenamiento-de-energia/supercondensadores-que-son-aplicaciones/
