El futuro de las renovables, el almacenamiento de energía.

SmartGrids. Generación y distribución.

El mayor reto hoy en día de nuestras redes de generación y distribución de energía eléctrica es disponer de un medio para el almacenamiento de energía, de forma que generación y consumo queden independizados.

Almacenar la energía eléctrica permitiría a cualquiera de las energías renovables independizarse del consumo y aprovechar todo su potencial de generación cuando este se da en la naturaleza, incrementando su competitividad y equiparándolas a las energías convencionales, favoreciendo la entrada de las nuevas generaciones de redes de distribución llamadas “Smart grids”.

Los sistemas de almacenamiento de energía eléctrica se configurarían pues como sistemas reversibles, en los que lo importante a tener en cuenta es el rendimiento global alcanzado en la transformación y almacenamiento de la energía, teniendo siempre presente la variable temporal (para tener en cuenta aspectos como las pérdidas durante el almacenamiento, la potencia, el tiempo de respuesta, etc).

Usando la Gravedad.

Dentro de los sistemas de almacenamiento mecánico, quizás la forma quizás más intuitiva y barata que exista actualmente es la del almacenamiento de energía en forma de energía potencial gravitatoria, que básicamente consiste en usar la energía eléctrica generada en exceso para elevar algo a una mayor altura, ganando energía potencial, y dejando que descienda para volver a generar energía.

Lo más lógico es utilizar como medio el agua, por su disponibilidad, y lo suyo es reconvertir el almacenamiento de energía que ya se tiene disponible, los embalses de agua, reconvirtiéndolos en embalses hidráulicos reversibles, en los que el agua se bombea a un embalse superior cuando existe excedente de generación de energía eléctrica, y se deja caer, cuando es preciso, al embalse inferior, turbinándolo para recuperar esta energía (como si de una hidroeléctrica en circuito cerrado se tratase).

Y desde aquí las propuestas que surgen hoy en día son muy diversas, propias de una tecnología madura que busca su adaptación a diversas ubicaciones con potencial, y existen experiencias ya de centrales de bombeo puro, de almacenamiento utilizando el agua de mar o la existencia de cavernas profundas, como sistemas de almacenamiento inferior, entre otras.

Con un rendimiento global cercano al 80% en la conversión de la energía en las nuevas centrales, la tecnología hidráulica de bombeo es una propuesta de almacenamiento de energía sobradamente demostrada y con amplia experiencia de implantación en todo el mundo, existiendo en España cerca de 5.300 MW instalados (lejos aún de países como Japón, con 25 MW).

Comprimiendo la Energía.

Herramienta neumática. Energía elástica.
Herramienta neumática. Energía elástica.

La energía potencial elástica podría ser el otro medio de almacenamiento de energía por medios mecánicos, haciendo que un material pase de un estado de compresión a otro de liberación, generando energía, algo de sobras conocido por el común de los portales que ha podido ver el potencial del aire comprimido en sistemas neumáticos de todo tipo (martillos, bombas, motores, herramientas, etc).

Los sistemas que utilizan aire para el almacenamiento de energía son los denominados como CAES (Compressed Air Energy Storage), y su función es comprimir aire hasta unos 70 bares de presión y almacenarlo en cavernas para, cuando sea preciso, descomprimirlo y aprovechar la energía.

El principal problema, en este caso, las leyes de los gases (PxV=nxRxT) que se empeñan en relacionar la presión y el volumen con la temperatura, lo que obliga al sistema a asumir pérdidas de energía por la disipación de calor, durante la compresión, o el calentamiento del gas, durante la descompresión. Los rendimientos de almacenamiento se nos quedan así en un 42%.

Evidentemente, alguno de los lectores que nos siga habrá caído en que si mezclamos las técnicas de almacenamiento de calor que vimos en algún post anterior, con este sistema, podríamos tener un ciclo de almacenamiento mejor…. Que no corra por la patente, que la idea ya está cogida, se llama CAES Adiabático y supone la siguiente generación de sistemas de almacenamiento por aire comprimido, con varios proyectos de demostración en Alemania (Proyecto ADELE), Estados Unidos, etc.

Surgen además en esta línea otras alternativas interesantes como

  • El almacenamiento de aire comprimido en “globos” subacuáticos, que podría suponer una revelación para la eólica offshore,
  • La ICAES (Isothermal Compressed Aire Energy Storage), que propone una compresión/descompresión del aire en múltiples etapas hasta llegar a presiones máximas de trabajo de unos 70 bar, o
  • La compresión de aire hasta la licuefacción, llamada LAES (Liquid Air Energy Storage), con la que proponen comprimir, depurar y licuar el aire, mediante su enfriamiento, para almacenarlo a bajas presiones en tanques aislados que funcionan como almacenes de energía, lo que permite mayores niveles de compresión y por lo tanto menores volúmenes de almacenamiento.

La Química de la Combustión.

Cuando hablamos del almacenamiento de energía en forma química, es habitual que caigamos en la tentación de acordarnos de las baterías o pilas, uno de los sistemas que quizás más pujanza haya alcanzado hoy en día para el almacenamiento de energía eléctrica, por su proliferación en nuestras vidas cotidianas.

Sin embargo, la combustión es aún hoy en día una de las formas de energía más utilizada. En ella, el almacenamiento de energía se encuentra en el propio combustible, que atesora una cantidad enorme de energía útil, siendo una de las fuentes de suministro con mayor densidad energética.

Un kilo de gasolina acumula en su interior unos 12,2 kWh/kg de energía, mientras que la hidráulica de bombeo tiene una densidad de 1,5 Wh/kg.

El principal problema de usar combustibles es que muchos no son renovables (una vez quemados no hay forma de reusarlos) y que su uso es sumamente deficiente, con eficiencias que en el mejor de los casos llegan al 56% en su combustión.

¿Significa esto que tenemos que descartarlos?…. Evidentemente no, y menos con esa densidad energética. De hecho, deberían ser la primera línea de batalla.

Si hablamos de su origen, lo suyo es que cerremos el ciclo y optemos por generar el combustible a partir de la electricidad que queremos almacenar, y mucho mejor si lo podemos hacer aprovechando algún flujo natural o residual que podamos reciclar en un combustible útil, como por ejemplo ocurre con el hidrógeno y su generación por electrólisis del agua, un proceso que, aunque aún presente unos rendimientos bajos (del 70% de conversión), podría tener un gran futuro.

La otra alternativa interesante que se está empezando a plantear en cuanto a almacenamiento químico de energía es el reciclaje del CO2, mediante procesos de metanación o reducción catalítica del mismo, pudiendo generar hidrocarburos ligeros como el metanol, con una densidad energética muy superior a la del hidrógeno, aunque actualmente con unos rendimientos de almacenamiento inferiores.

Los sistemas de “Power to Gas” (P2G) o “Power to Liquid” (P2L), que es como se define a estos medios para la generación de combustibles a partir de electricidad, se convierten pues en una alternativa de futuro a tener en cuenta, existiendo hoy en día ya multitud de experiencias en el mercado implementadas y en funcionamiento.

Si hablamos de uso, lo suyo es que sustituyamos las combustiones, que aportan un uso muy incompleto, por reacciones de oxidación controladas que permitan la máxima conversión a energía eléctrica y, por lo tanto, los más altos rendimientos.

Aquí es donde surgen las denominadas como pilas, celdas o células de combustible, que no son más que baterías en las que los reactivos que producen la electricidad son consumidos, y por lo tanto precisa de una reposición continua.

En una pila de combustible, el combustible (hidrógeno, metanol, CO, etc) se suministra al ánodo, mientras que el oxidante (oxígeno, aire, etc) se suministra al cátodo, ambos formados por electrodos que permiten catalizar la reacción. En medio de ambos se encuentra el electrolito, que hace que las funciones de aislante eléctrico, medio para la difusión y/o intercambio de protones y separador de las reacciones químicas.

Siguiendo este principio de funcionamiento hay en el mercado actualmente diversas pilas de combustible diferenciadas en función del combustible aceptado y el tipo de electrolito utilizado, principalmente.

El futuro de estos sistemas evidentemente está en la generación de energía en sustitución de los actuales motores de combustión, propios de una tecnología del pasado, pero quizás las pilas de combustible puedan incluso ofrecernos más, y en un futuro podamos ver pilas de combustible reversibles (también conocidas como pilas regenerativas), sistemas con un mayor eficiencia energética, unos menores costes de fabricación e incluso una mayor robustez y flexibilidad en el uso de combustibles.

Cargando las pilas.

Almacenamiento de energía en baterías
Testigo de descarga de batería

La otra alternativa química para el almacenamiento de energía es el uso de reacciones de oxidación y reducción en las que los productos químicos no son el oxígeno y un combustible, sino pares de sustancias que interaccionan (pares redox) reduciéndose y oxidándose en celdas (sistemas de ánodo, cátodo y electrolito) que conectadas en serie entre sí forman pilas electroquímicas que son capaces de proporcionar distintas potencias y capacidades energéticas.

Estos sistemas de almacenamiento se llevan usando desde hace prácticamente 200 años en muy diversos sistemas, evolucionando considerablemente desde que los inventó en 1800 Alessandro Volta. Pero no ha sido hasta las últimas décadas cuando la proliferación de las necesidades energéticas en sistemas portátiles (desde móviles, hasta tablets, ordenadores o incluso coches eléctricos) ha hecho que sean verdaderamente conocidas, siendo su aplicación al almacenamiento de energía a gran escala aún una alternativa muy joven y con muchas limitaciones.

Para el almacenamiento de energía procedente de la red en aplicaciones estacionarias de regulación como las que estamos analizando, ahora mismo las únicas baterías que existen a escala comercial son las desarrolladas por los japoneses de NGK Insulators, Ltd., en base a la patente que en 1960 desarrolló Ford Motor Company, para posteriormente venderla a la empresa, que la desarrolló a escala comercial de la mano de TEPCO (Tokyo Electronic Power Company), estando actualmente en eficiencias de almacenamiento del 75%, incluyendo las pérdidas del sistema.

En la actualidad, las instalaciones más grandes desarrolladas por NGK cuentan con una capacidad de almacenamiento de 245 MWh y una potencia de 35 MW, encontrándose en Japón (para un parque eólico de 51 MW) y en Italia (dentro del marco de colaboración con TSO TERNA).

Las alternativas a la tecnología de sodio son aún escasas, y las experiencias de escala más o menos comercial llevadas a cabo (para el almacenamiento de energía a gran escala) se reducen a unas pocas plantas de pocos MW, instaladas con mayor o menor éxito, y fundamentalmente basadas en tecnologías ya implementadas a menor escala.

Si quieres conocer más de este tema visita: La Calidad Ambiental.

Leave your comment

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *

Una cookie o galleta informática es un pequeño archivo de información que se guarda en su navegador cada vez que visita nuestra página web. La utilidad de las cookies es guardar el historial de su actividad en nuestra página web, de manera que, cuando la visite nuevamente, ésta pueda identificarle y configurar el contenido de la misma en base a sus hábitos de navegación, identidad y preferencias. Las cookies pueden ser aceptadas, rechazadas, bloqueadas y borradas, según desee. Ello podrá hacerlo a través de la configuración de su navegador, según el caso. En caso de que rechace las cookies no podremos asegurarle el correcto funcionamiento de las distintas funcionalidades de nuestra página web. Más información en el apartado “POLÍTICA DE COOKIES” de nuestra página web. política de cookies, pinche el enlace para mayor información.Aquí

ACEPTAR
Aviso de cookies