Almacen de energia

La presa de Llyn Stwlan del esquema de almacenamiento de Ffestiniog en Gales. La central eléctrica inferior tiene cuatro turbinas de agua que pueden generar un total de 360 MW de electricidad durante varias horas, un ejemplo de almacenamiento y conversión de energía artificial.

Almacenamiento de energía es la captura de energía producida en un momento para su uso en un momento posterior para reducir los desequilibrios entre la demanda de energía y la producción de energía. Un dispositivo que almacena energía generalmente se llama acumulador o batería. La energía viene en múltiples formas, incluyendo radiación, química, potencial gravitatorio, 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. El almacenamiento de energía a granel está dominado actualmente por las represas hidroeléctricas, tanto convencionales como de bombeo. El almacenamiento de energía en la red es una colección 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 represa hidroeléctrica, que almacena energía en un embalse como energía potencial gravitatoria; 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. 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 fabrican mediante el mismo proceso que los combustibles fósiles) son una forma de energía almacenada en forma química.

Historia

En la red del siglo XX, la energía eléctrica se generaba en gran medida quemando combustibles fósiles. Cuando se requería menos energía, se quemaba menos combustible. La energía hidroeléctrica, un método de almacenamiento de energía mecánica, es el almacenamiento de energía mecánica más adoptado y ha estado en uso durante siglos. Las grandes represas hidroeléctricas han sido sitios de almacenamiento de energía durante más de cien años. Las preocupaciones sobre la contaminación del aire, las importaciones de energía y el calentamiento global han generado el crecimiento de las energías renovables, como la solar y la eólica. La energía eólica no está controlada y puede generarse en un momento en 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 el día, mientras que la demanda suele alcanzar su punto máximo después de la puesta del sol (ver curva de pato). El interés en almacenar energía de estas fuentes intermitentes crece a medida que la industria de las energías renovables comienza a generar una fracción mayor del consumo total de energía.

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 ahora son 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 únicamente de aspectos técnicos. Los vehículos eléctricos están reemplazando gradualmente a los vehículos con motor de combustión. Sin embargo, sigue en desarrollo impulsar el transporte de larga distancia sin quemar combustible.

Métodos

Comparación de diversas tecnologías de almacenamiento energético

Esquema

La siguiente lista incluye una variedad de tipos de almacenamiento de energía:

Mecánica

La energía se puede almacenar en agua bombeada a una elevación más alta utilizando métodos de almacenamiento por bombeo o moviendo materia sólida a lugares más altos (baterías de gravedad). Otros métodos mecánicos comerciales incluyen aire comprimido y volantes que convierten la energía eléctrica en energía interna o energía cinética y luego la vuelven a convertir cuando la demanda eléctrica alcanza su punto máximo.

Hidroelectricidad

Las represas hidroeléctricas con embalses se pueden operar para proporcionar electricidad en momentos de máxima demanda. El agua se almacena en el depósito 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 energía directamente 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 solo cambia el momento de su generación. Las turbinas hidroeléctricas tienen un tiempo de arranque del orden de unos pocos minutos.

Hidráulica bombeada

The Sir Adam Beck Generating Complex at Niagara Falls, Canada, which includes a large bombed storage hydroelectricity reservoir to provide an extra 174 MW of electricity during periods of peak demand.

A nivel mundial, la hidroelectricidad de almacenamiento por bombeo (PSH) es la forma de almacenamiento de energía de red activa de mayor capacidad disponible y, a partir de marzo de 2012, el Instituto de Investigación de Energía Eléctrica (EPRI) informa que PSH representa más del 99% de capacidad de almacenamiento a granel en todo el mundo, que representa alrededor de 127.000 MW. La eficiencia energética de PSH varía en la práctica entre el 70% y el 80%, con afirmaciones de hasta el 87%.

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 (por lo general, un diseño de turbina Francis). Casi todas las instalaciones utilizan la diferencia de altura entre dos cuerpos de agua. Las plantas puras de almacenamiento por bombeo desplazan el agua entre depósitos, mientras que el sistema de "bombeo" El enfoque es una combinación de almacenamiento por bombeo y plantas hidroeléctricas convencionales que utilizan el flujo natural de la corriente.

Aire comprimido

Una locomotora de aire comprimido utilizada dentro de una mina entre 1928 y 1961.

El almacenamiento de energía de aire comprimido (CAES) utiliza energía excedente para comprimir aire para la generación de electricidad posterior. Los sistemas a pequeña escala se han utilizado durante mucho tiempo en aplicaciones tales como la propulsión de locomotoras de minas. El aire comprimido se almacena en un depósito subterráneo, como un domo de sal.

Las plantas de almacenamiento de energía de 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 proporcionando de forma eficaz energía fácilmente disponible para satisfacer la demanda. Las fuentes de energía renovable como la energía eólica y solar varían. Entonces, en momentos en que proporcionan poca energía, deben complementarse con otras formas de energía para satisfacer la demanda de energía. Las plantas de almacenamiento de energía de aire comprimido pueden absorber el excedente de producción de energía de las fuentes de energía renovables durante tiempos de sobreproducción de energía. Esta energía almacenada se puede utilizar en un momento posterior cuando aumente la demanda de electricidad o disminuya la disponibilidad de recursos energéticos.

La compresión del aire genera calor; el aire es 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. 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 propulsar vehículos.

Volante

Los componentes principales de un volante típico.

Un flywheel Flybrid Kinetic Energy Recovery System. Construido para su uso en los coches de carreras de Fórmula 1, se emplea para recuperar y reutilizar la energía cinética capturada durante el frenado.

El almacenamiento de energía del volante (FES) funciona acelerando un rotor (un volante) a una velocidad muy alta, manteniendo la energía como energía de rotación. 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 usan electricidad para acelerar y desacelerar el volante, pero se están considerando dispositivos que usen energía mecánica directamente.

Los sistemas FES tienen rotores hechos de compuestos de fibra de carbono de alta resistencia, suspendidos por cojinetes magnéticos y girando a velocidades de 20 000 a más de 50 000 revoluciones por minuto (rpm) en un recinto de vacío. Dichos 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; la vida útil de ciclo completo citada para los volantes oscila entre más de 10⁵ y 10⁷, ciclos de uso), alta energía específica (100–130 W·h/kg, o 360–500 kJ/kg) y densidad de potencia.

Masa sólida gravitatoria

Cambiar la altitud de las 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 hace que el método sea una alimentación complementaria útil en una red eléctrica para equilibrar los picos de carga.

Las eficiencias pueden llegar al 85 % de recuperación de la energía almacenada.

Esto se puede lograr ubicando las masas dentro de viejos pozos verticales de minas o en torres especialmente construidas donde los pesos pesados se levantan con cabrestantes para almacenar energía y se permite un descenso controlado para liberarla. En 2020 se está construyendo un prototipo de tienda vertical en Edimburgo, Escocia

El almacenamiento de energía potencial o almacenamiento de energía por gravedad estuvo en desarrollo activo en 2013 en asociación con el Operador Independiente del Sistema de California. Examinó el movimiento de vagones de tolva llenos de tierra impulsados por locomotoras eléctricas desde elevaciones más bajas a más altas.

Otros métodos propuestos incluyen:-

• usando carriles, grúas o ascensores para mover pesos arriba y abajo;
• usando plataformas de globos de alta altitud con energía solar que apoyan winches para elevar y bajar masas sólidas golpeadas debajo de ellos,
• utilizando winches apoyados por una barcaza oceánica para aprovechar una diferencia de elevación de 4 km (13.000 pies) entre la superficie del mar y los fondos marinos,

Torre de acumulación de calor de distrito de Theiss cerca de Krems un der Donau en el Bajo Austria con una capacidad térmica de 2 GWh

Térmica

El almacenamiento de energía térmica (TES) es el almacenamiento temporal o la eliminación de calor.

Térmica de calor sensible

El almacenamiento de calor sensible aprovecha el calor sensible de un material para almacenar energía.

El almacenamiento de energía térmica estacional (STES, por sus siglas en inglés) permite utilizar el calor o el frío meses después de haber sido recolectado de fuentes naturales o de energía residual. El material se puede almacenar en acuíferos contenidos, grupos de perforaciones en sustratos geológicos como arena o lecho rocoso cristalino, en pozos revestidos llenos de grava y agua, o en minas llenas de agua. Los proyectos de almacenamiento de energía térmica estacional (STES, por sus siglas en inglés) a menudo se recuperan en cuatro a seis años. 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 almacenamiento de energía térmica de pozo (BTES). En Braedstrup, Dinamarca, el sistema de calefacción de distrito solar 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 veinte por ciento del calor de Braedstrup es solar.

Térmica térmica latente (LHTES)

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 licuefacción. Tal material se llama material de cambio de fase (PCM). Los materiales utilizados en los LHTES suelen tener un alto calor latente, por lo que, a su temperatura específica, el cambio de fase absorbe una gran cantidad de energía, mucho más que el calor sensible.

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 al congelar el agua en hielo. El frío almacenado en el hielo se libera durante el proceso de fusión y se puede utilizar para enfriar en las horas pico.

Almacenamiento de energía térmica criogénica

El aire puede licuarse 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 como electricidad. El sistema se demostró en una planta piloto en el Reino Unido en 2012. En 2019, Highview anunció planes para construir 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 250-400 MWh.

Batería de Carnot

La energía eléctrica se puede almacenar térmicamente mediante calefacción resistiva o bombas de calor, y el calor almacenado se puede volver a convertir en electricidad a través del ciclo Rankine o el ciclo Brayton. Esta tecnología se ha estudiado para reconvertir centrales eléctricas de carbón en sistemas de generación libres de combustibles fósiles. Las calderas de carbón se sustituyen por almacenamiento de calor a alta temperatura cargado con el exceso de electricidad procedente de fuentes de energía renovables. En 2020, el Centro Aeroespacial Alemán comenzó a construir el primer sistema de batería de Carnot a gran escala del mundo, que tiene una capacidad de almacenamiento de 1000 MWh.

Electroquímica

Batería recargable

Un banco de batería recargable utilizado como fuente de alimentación ininterrumpida en un centro de datos

Una batería recargable consta de una o más celdas electroquímicas. Se conoce como 'célula 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 y un 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 pueden recargarse a un precio muy bajo y usarse muchas veces.

Las características químicas comunes de las baterías recargables incluyen:

• Batería de plomo-ácido: Las baterías de ácido plomo tienen la mayor cuota de mercado de productos de almacenamiento eléctrico. Una sola célula produce alrededor de 2V cuando se carga. En el estado cargado el electrodo negativo de plomo metálico y el electrodo positivo de sulfato de plomo están inmersos en un ácido sulfúrico diluido (H₂SO₄El electrolito. En el proceso de descarga los electrones son expulsados de la célula como el sulfato de plomo se forma en el electrodo negativo mientras que el electrolito se reduce al agua.

• La tecnología de la batería de plomo-ácido se ha desarrollado ampliamente. Upkeep requiere trabajo mínimo y su costo es bajo. La capacidad de energía disponible de la batería está sujeta a una descarga rápida que da lugar a una baja vida útil y baja densidad de energía.

• Batería Nickel-cadmio (NiCd): Utiliza hidroxido de óxido de níquel y cadmio metálico como electrodos. El cadmio es un elemento tóxico y fue prohibido para la mayoría de los usos por la Unión Europea en 2004. Las baterías de níquel-cadmio han sido casi completamente reemplazadas por baterías de niquel-hidruro metálico (NiMH).
• Batería de hidrato de níquel-metal (NiMH): Los primeros tipos comerciales estaban disponibles en 1989. Estos son ahora un consumidor común y tipo industrial. La batería tiene una aleación de absorción de hidrógeno para el electrodo negativo en lugar de cadmio.
• Batería de iones de litio: La elección en muchas electrónicas de consumo y tiene una de las mejores ratios de energía a masa y un auto-descarga muy lento cuando no está en uso.
• Batería de polímero de iones de litio: Estas baterías son ligeras en peso y se pueden hacer en cualquier forma deseada.
• Batería de aluminio con cristales de sal de roca como electrolito: aluminio y azufre son materiales abundantes en la Tierra y son mucho más baratos que el Litio tradicional.

Batería de flujo

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 la solución. Una batería de flujo es técnicamente similar tanto a una celda de combustible como a una celda de acumulación electroquímica. Las aplicaciones comerciales son para el almacenamiento de medio ciclo prolongado, como la red eléctrica de respaldo.

Supercondensador

Una de las flotas de capas eléctricas propulsadas por supercapacitadores, en una parada de autobús de estación de carga rápida, en servicio durante Expo 2010 Shanghai China. Los carriles de carga se pueden ver suspendidos sobre el autobús.

Los supercondensadores, también llamados condensadores eléctricos de doble capa (EDLC) o ultracondensadores, son una familia de condensadores electroquímicos que no tienen dieléctricos sólidos convencionales. La capacitancia está determinada por dos principios de almacenamiento, capacitancia de doble capa y pseudocapacitancia.

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 capacitores. Admiten hasta 10.000 faradios/1,2 voltios, hasta 10.000 veces más que los condensadores electrolíticos, pero entregan o aceptan menos de la mitad de potencia por unidad de tiempo (densidad de potencia).

Si bien los supercondensadores tienen energía específica y densidades de energía que son aproximadamente el 10 % de las baterías, su densidad de energía 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 y descarga que las baterías.

Los supercondensadores tienen muchas aplicaciones, entre ellas:

• Corriente de bajo suministro para la copia de seguridad de memoria en el acceso aleatorio estático (SRAM)
• Potencia para automóviles, autobuses, trenes, grúas y ascensores, incluida la recuperación energética de frenado, almacenamiento de energía a corto plazo y entrega de energía de moho

Química

Energía a gas

La nueva tecnología ayuda a reducir los gases de efecto invernadero y los costos operativos en dos plantas de picor existentes en Norwalk y Rancho Cucamonga. El sistema de almacenamiento de baterías de 10 megavatios, combinado con la turbina de gas, permite que la planta más alta responda más rápidamente a las cambiantes necesidades energéticas, aumentando así la fiabilidad de la red eléctrica.

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 en hidrógeno y oxígeno por medio de la 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 de conversión de energía adicional del 8 %. Luego, el metano puede alimentarse 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 mezcle con el hidrógeno del electrolizador, para mejorar la calidad del biogás.

Hidrógeno

El elemento hidrógeno puede ser una forma de energía almacenada. El hidrógeno puede producir electricidad a través de una celda de combustible de hidrógeno.

Con penetraciones por debajo del 20 % de la demanda de la red, las energías renovables no cambian gravemente la economía; pero más allá del 20% de la demanda total, el almacenamiento externo se vuelve importante. Si estas fuentes se utilizan para producir hidrógeno iónico, se pueden expandir libremente. En 2007, se inició un programa piloto comunitario de 5 años que utiliza turbinas eólicas y generadores de hidrógeno en la remota comunidad de Ramea, Terranova y Labrador. 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 a electricidad.

Se requieren alrededor de 50 kW·h (180 MJ) de energía solar para producir un kilogramo de hidrógeno, por lo que el costo de la electricidad es crucial. A $0,03/kWh, una tarifa de línea de alto voltaje común fuera de las horas pico en los Estados Unidos, el hidrógeno cuesta $1,50 por kilogramo de electricidad, equivalente a $1,50/galón de gasolina. Otros costos incluyen la planta de electrolizadores, compresores de hidrógeno o licuefacción, almacenamiento y transporte.

También se puede producir hidrógeno a partir del aluminio y el agua quitando la barrera de óxido de aluminio que se produce naturalmente en el aluminio e introduciéndola en el agua. Este método es beneficioso porque se pueden usar 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. 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.

El almacenamiento subterráneo de hidrógeno es la práctica de almacenamiento de hidrógeno en cavernas, domos de sal y campos agotados de petróleo y gas. Grandes cantidades de hidrógeno gaseoso han sido almacenadas en cavernas por Imperial Chemical Industries durante muchos años sin ninguna dificultad. El proyecto europeo Hyunder indicó en 2013 que el almacenamiento de energía eólica y solar utilizando hidrógeno subterráneo requeriría 85 cavernas.

Powerpaste es un gel fluido a base de magnesio e hidrógeno que libera hidrógeno al reaccionar con el agua. Fue inventado, patentado y está siendo desarrollado por el Instituto Fraunhofer de Tecnología de Fabricación y Materiales Avanzados (IFAM) de Fraunhofer-Gesellschaft. Powerpaste se elabora combinando polvo de magnesio con hidrógeno para formar hidruro de magnesio en un proceso que se lleva a cabo a 350 °C y entre cinco y seis veces la presión atmosférica. Luego se agregan un éster y una sal de metal para hacer el producto terminado. Fraunhofer afirma que están construyendo una planta de producción programada para comenzar a producir en 2021, que producirá 4 toneladas de Powerpaste al año. Fraunhofer ha patentado su invención en los Estados Unidos y la UE. Fraunhofer afirma que Powerpaste puede almacenar energía de hidrógeno a 10 veces la densidad de energía de una batería de litio de una dimensión similar y es seguro y conveniente para situaciones automotrices.

Metano

El metano es el hidrocarburo más simple con la fórmula molecular CH₄. El metano se almacena y transporta más fácilmente que el hidrógeno. La infraestructura de almacenamiento y combustión (tuberías, 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 reacciona 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, reduciendo la necesidad de agua. En la etapa de electrólisis, el oxígeno se almacena para la combustión del metano en un ambiente de oxígeno puro en una planta de energía adyacente, eliminando los óxidos de nitrógeno.

La combustión del 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, almacenamiento y combustión de metano recicla los productos de reacción.

El CO₂ tiene un valor económico como componente de un vector de almacenamiento de energía, no un costo como en la captura y almacenamiento de carbono.

Poder líquido

La energía a líquido es similar a la energía a 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.

Biocombustibles

Varios biocombustibles, como el biodiésel, el aceite vegetal, los combustibles alcohólicos 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 reemplazo de los combustibles de hidrocarburos existentes. Algunos ejemplos son el diesel Fischer-Tropsch, el metanol, el éter dimetílico y el gas de síntesis. Esta fuente de diesel se usó ampliamente en la Segunda Guerra Mundial en Alemania, que enfrentó 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. Un precio del petróleo a largo plazo superior a US$35/bbl puede hacer que estos combustibles líquidos sintéticos a gran escala sean económicos.

Aluminio

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). La energía se puede extraer del aluminio haciéndolo reaccionar con agua para generar hidrógeno. Sin embargo, primero debe ser despojado de su capa de óxido natural, proceso que requiere pulverización, reacciones químicas con sustancias cáusticas o aleaciones. El subproducto de la reacción para crear hidrógeno es el óxido de aluminio, que se puede reciclar en aluminio con el proceso Hall-Héroult, lo que hace que la reacción sea teóricamente renovable. Si el Proceso Hall-Heroult se ejecuta con energía solar o eólica, el aluminio podría usarse para almacenar la energía producida con mayor eficiencia que la electrólisis solar directa.

Boro, silicio y zinc

El boro, el silicio y el zinc se han propuesto como soluciones de almacenamiento de energía.

Otro químico

El compuesto orgánico norbornadieno se convierte en quadriciclane al exponerse a la luz, almacenando energía solar como la energía de los enlaces químicos. En Suecia se ha desarrollado un sistema de trabajo como un sistema térmico solar molecular.

Métodos eléctricos

Condensador

Este condensador lleno de mila, lleno de aceite tiene una baja inductancia y baja resistencia, para proporcionar la alta potencia (70 megavatios) y las descargas de alta velocidad (1.2 microsegundo) necesarias para operar un láser de tinte.

Un capacitor (originalmente conocido como 'condensador') es un componente eléctrico pasivo de dos terminales que se usa para almacenar energía electrostáticamente. Los capacitores prácticos varían ampliamente, pero todos contienen al menos dos conductores eléctricos (placas) separados por un dieléctrico (es decir, un aislante). Un capacitor 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. Los capacitores se usan 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 (p. ej., cuando se conecta un capacitor a una batería), se desarrolla un campo eléctrico a través del dieléctrico, lo que hace que se acumule una carga positiva (+Q) en una placa y una carga negativa (-Q) en la otra. el otro plato. Si se conecta una batería a un capacitor durante un tiempo suficiente, no puede fluir corriente a través del capacitor. Sin embargo, si se aplica un voltaje alterno o de aceleración a través de los conductores del capacitor, puede fluir una corriente de desplazamiento. Además de las placas de condensadores, la carga también se puede almacenar en una capa dieléctrica.

La capacitancia es mayor dada una separación más estrecha entre los conductores y cuando los conductores tienen un área de superficie más grande. 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 la recuperación de un dieléctrico después de una falla de alto voltaje es prometedor para una nueva generación de capacitores autorregenerables. Los conductores y conductores introducen inductancia y resistencia no deseadas.

La investigación está evaluando los efectos cuánticos de los capacitores a nanoescala para las baterías cuánticas digitales.

Magnéticas superconductoras

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 por debajo de 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.

La energía almacenada se puede liberar a la red descargando la bobina. El inversor/rectificador asociado representa alrededor del 2% al 3% de pérdida de energía en cada dirección. SMES pierde 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%.

Debido a los requisitos de energía de la refrigeración y el costo del cable superconductor, SMES se utiliza para el almacenamiento de corta duración, como mejorar la calidad de la energía. También tiene aplicaciones en el balanceo de redes.

Aplicaciones

Molinos

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.

Casas

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 fotovoltaica) y la importante proporción del consumo de energía en los edificios. Para superar un 40% de autoabastecimiento en un hogar equipado con fotovoltaica, se necesita almacenamiento de energía. Múltiples fabricantes producen sistemas de baterías recargables para almacenar energía, generalmente para retener el excedente de energía 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.

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. En 2016, una versión limitada del Tesla Powerpack 2 costaba $398 (EE. UU.)/kWh para almacenar electricidad por un valor de 12,5 centavos/kWh (precio promedio de la red de EE. UU.), lo que hace dudoso un retorno positivo de la inversión a menos que los precios de la electricidad superen los 30 centavos/kWh.

RoseWater Energy produce dos modelos de "Energy & Storage System", el HUB 120 y el SB20. Ambas versiones proporcionan 28,8 kWh de salida, lo que le permite hacer funcionar casas más grandes o locales comerciales ligeros y proteger las instalaciones personalizadas. El sistema proporciona cinco elementos clave en un solo sistema, incluida la provisión de una onda sinusoidal limpia de 60 Hz, tiempo de transferencia cero, protección contra sobretensiones de grado industrial, venta de red de energía renovable (opcional) y respaldo de batería.

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.

Almacenar energía eólica o solar mediante el almacenamiento de energía térmica, aunque es menos flexible, es considerablemente más económico 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.

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.

Red eléctrica y centrales eléctricas

Energías renovables

Construcción de los tanques de sal que proporcionan un almacenamiento eficiente de energía térmica para que la electricidad pueda generarse después de que el sol caiga, y se puede programar la salida para satisfacer la demanda. La estación de generación de Solana 280 MW está diseñada para proporcionar seis horas de almacenamiento. Esto permite que la planta genere alrededor del 38% de su capacidad nominal durante un año.

La central solar de 150 MW Andasol en España es una planta parabólica de energía solar térmica que almacena energía en tanques de sal fundida para que pueda seguir generando electricidad cuando el sol no está brillando.

La mayor fuente y la mayor reserva de energía renovable son las represas hidroeléctricas. Un gran embalse detrás de una presa puede almacenar suficiente agua para promediar el flujo anual de un río entre las estaciones seca y húmeda. Un embalse muy grande puede almacenar suficiente agua para promediar el flujo de un río entre años secos y húmedos. Si bien una represa hidroeléctrica no almacena energía directamente de fuentes intermitentes, sí equilibra la red al reducir su producción y retener el 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 renovable (especialmente la solar y la eólica) producen energía variable. Los sistemas de almacenamiento pueden nivelar los desequilibrios entre oferta y demanda que esto provoca. La electricidad debe usarse tal como se genera o convertirse inmediatamente en formas almacenables.

El principal método de almacenamiento de la red eléctrica es la hidroelectricidad de almacenamiento por bombeo. Áreas del mundo como Noruega, Gales, Japón y los EE. UU. han utilizado características geográficas elevadas para los embalses, usando 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. El almacenamiento por bombeo en Noruega, que obtiene casi toda su electricidad de la energía hidroeléctrica, tiene actualmente una capacidad de 1,4 GW, pero dado que la capacidad instalada total es de casi 32 GW y el 75 % es regulable, puede ampliarse significativamente.

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, y almacenamiento de energía de aire comprimido, volantes, sistemas criogénicos y superconductores. bobinas magneticas

El excedente de energía también se puede convertir en metano (proceso sabatier) con almacenamiento en la red de gas natural.

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 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 calefactores especiales a cientos de grados y aumentando la temperatura de los tanques de calentadores de agua modificados. Después de la carga, los aparatos proporcionan calefacción y agua caliente al hogar según sea necesario. El sistema experimental se creó como resultado de una fuerte tormenta de 2010 que sobreprodujo energía renovable hasta el punto de que todas las fuentes de energía convencionales se cerraron o, en el caso de una planta de energía nuclear, se redujeron a su nivel operativo más bajo posible, dejando un gran zona que funciona casi por completo con energías renovables.

Otro método avanzado utilizado en el antiguo proyecto Solar Two en Estados Unidos y en Solar Tres Power Tower en España utiliza sal fundida para almacenar energía térmica capturada del sol y luego convertirla y enviarla como energía eléctrica. El sistema bombea sales fundidas a través de una torre u otros conductos especiales para ser calentadas por el sol. 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 las capacidades de regulación de frecuencia y nivelación de carga a escala de servicios públicos.

En el almacenamiento del vehículo a la red, los vehículos eléctricos que se conectan a la red de energía pueden entregar la energía eléctrica almacenada de sus baterías a la red cuando sea necesario.

Aire acondicionado

El almacenamiento de energía térmica (TES) se puede utilizar para el aire acondicionado. Es más ampliamente utilizado para enfriar edificios grandes 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, se utilizó almacenamiento térmico 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.

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. En esta aplicación, un enfriador estándar funciona de 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 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 fría. Dicho sistema 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 un 40 % - 50 % del tamaño necesario para un diseño convencional sin almacenamiento. El almacenamiento suficiente para almacenar medio día de calor disponible suele ser adecuado.

Un sistema de almacenamiento completo apaga los enfriadores durante las horas de máxima carga. Los costos de capital son más altos, ya que dicho sistema 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. Los sistemas de refrigeración fuera de las horas pico pueden reducir los costos de energía. El U.S. 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.

El almacenamiento térmico para calefacción es menos común que para refrigeración. Un ejemplo de almacenamiento térmico es almacenar el calor solar para calentarlo 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, a temperatura ambiente moderada.

Transporte

Los combustibles de hidrocarburos líquidos son las formas más utilizadas de almacenamiento de energía para su uso en el transporte, seguidas de un uso cada vez mayor de vehículos eléctricos a batería y vehículos eléctricos híbridos. Se pueden utilizar otros vectores 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 energías renovables es un desafío. Los sistemas fotovoltaicos instalados en los techos de los edificios se pueden utilizar para alimentar los sistemas de transporte público durante los períodos en los que existe una mayor demanda de electricidad y el acceso a otras formas de energía no está disponible. Las próximas transiciones en el sistema de transporte también incluyen, p. transbordadores y aviones, donde se investiga el suministro de energía eléctrica como una alternativa interesante.

Electrónica

Los capacitores se usan 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 energía.

Casos de uso

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 financiados por la Oficina de Electricidad del Departamento de Energía de los Estados Unidos y los Laboratorios Nacionales Sandia.

Capacidad

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 salida se obtiene solo con el sistema de almacenamiento integrado de la planta de energía.

Economía

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.

Además, los ESS se ven afectados por varios riesgos, por ejemplo:

• Riesgos técnicos, relacionados con la tecnología específica;
• Riesgos de mercado, que son los factores que afectan al sistema de suministro eléctrico;
• Regulación y riesgos de política.

Por lo tanto, las técnicas tradicionales basadas en flujos de efectivo descontados (DCF) deterministas para la evaluación de inversiones no son del todo adecuadas para evaluar estos riesgos e incertidumbres y la flexibilidad del inversor para enfrentarlos. Por lo tanto, 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.

La valoración económica de las aplicaciones a gran escala (incluido el almacenamiento hidroeléctrico por bombeo y el aire comprimido) tiene en cuenta los beneficios, entre los que se incluyen: evitar restricciones, evitar la congestión de la red, arbitraje de precios y suministro de energía libre de carbono. En una evaluación técnica realizada por Carnegie Mellon Electricity Industry Centre, los objetivos económicos podrían cumplirse con el uso de baterías si su costo de capital fuera de $30 a $50 por kilovatio-hora.

Una métrica 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 energéticamente la tecnología de almacenamiento. Para las baterías de iones de litio, esto es alrededor de 10, y para las baterías de plomo-ácido es de aproximadamente 2. Otras formas de almacenamiento, como el almacenamiento hidroeléctrico bombeado, generalmente tienen un ESOI más alto, como 210.

La hidroelectricidad de almacenamiento por bombeo es, con mucho, la tecnología de almacenamiento más grande utilizada a nivel mundial. Sin embargo, el uso del almacenamiento hidroeléctrico por bombeo convencional es limitado porque requiere un terreno con diferencias de elevación y también tiene un uso de suelo muy alto para una potencia relativamente pequeña. En lugares sin una geografía natural adecuada, también se podría utilizar el almacenamiento subterráneo de agua por bombeo. Los altos costos y la vida limitada todavía hacen que las baterías sean un "sustituto débil" para fuentes de energía despachables, y no pueden cubrir 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 de 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, abastecer el 80% de la demanda de EE. UU. a partir de VRE requeriría una red inteligente que cubriera todo el país o un almacenamiento en batería capaz de abastecer todo el sistema durante 12 horas, ambos a un costo estimado en $ 2,5 billones. De manera similar, varios estudios han encontrado que confiar solo en VRE y almacenamiento de energía costaría entre un 30 y un 50 % más que un sistema comparable que combina VRE con plantas nucleares o plantas con captura y almacenamiento de carbono en lugar de almacenamiento de energía.

Investigación

Alemania

En 2013, el gobierno federal 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 los techos, según un representante de la Asociación Alemana de Almacenamiento de Energía.

Siemens AG encargó una planta de producción e investigación para abrir 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 universidad/industria en Stuttgart, Ulm y Widderstall, integrada por 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 Control de Supervisión y Adquisición de Datos (SCADA). Su objetivo es permitir la expansión de la producción de baterías recargables con mayor calidad y menor costo.

Estados Unidos

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. El laboratorio fue creado 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 suplementos a la red.

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, a un costo de $23 millones para sus casi 1700 m² ² laboratorio. El centro incluye el Centro para Sistemas de Energía del Futuro, 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 para uso comercial.

El 27 de septiembre de 2017, los senadores Al Franken de Minnesota y Martin Heinrich de Nuevo México introdujeron la Ley de Almacenamiento de Red Avanzada (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. estados

En los modelos de red con una alta participación de VRE, el costo excesivo de 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. Según otro estudio, abastecer el 80% de la demanda de EE. UU. a partir de VRE requeriría una red inteligente que cubriera todo el país o un almacenamiento en batería capaz de abastecer todo el sistema durante 12 horas, ambos a un costo estimado en $ 2,5 billones.

Reino Unido

En el Reino Unido, unas 14 agencias gubernamentales y de la industria se aliaron con siete universidades británicas en mayo de 2014 para crear el centro de almacenamiento de energía SUPERGEN a fin de ayudar en la coordinación de la investigación y el desarrollo de tecnología de almacenamiento de energía.