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Almacenamiento de energía
Fecha de publicación: 6 de mayo de 2024
Colaboradores: Alice Gomstyn y Alexandra Jonker
El almacenamiento de energía es la captura y retención de energía en reserva para su uso posterior. Las soluciones de almacenamiento de energía para la generación de electricidad incluyen almacenamiento hidroeléctrico por bombeo, baterías, volantes de inercia, almacenamiento de energía por aire comprimido, almacenamiento de hidrógeno y componentes de almacenamiento de energía térmica .
La capacidad de almacenar energía puede reducir los impactos ambientales de la producción y el consumo de energía (como la liberación de emisiones de gases de efecto invernadero) y facilitar la expansión de energía limpia y renovable.
Por ejemplo, el almacenamiento de electricidad es fundamental para el funcionamiento de los vehículos eléctricos, mientras que el almacenamiento de energía térmica puede ayudar a las organizaciones a reducir su huella de carbono. Los sistemas de almacenamiento de energía a gran escala también ayudan a las compañías de servicios públicos a satisfacer la demanda de electricidad durante los periodos en que los recursos de energía renovable no producen energía.
Uno de los inventos más famosos diseñados para almacenar electricidad, la batería, data de 1800. El físico italiano Alessandro Volta empleó una pila de discos de níquel, discos de zinc y almohadillas empapadas en agua salada para suministrar corriente eléctrica. Unos 60 años después, el físico francés Gaston Planté inventó una batería recargable que empleaba plomo y ácido sulfúrico, conocida como batería de plomo-ácido.
Luego, a principios del siglo XIX, el inventor estadounidense Thomas Edison creó un tipo diferente de batería recargable, que empleaba níquel y hierro. El ingeniero químico canadiense Lewis Urry desarrolló más tarde el prototipo de la batería alcalina moderna en 1957, luego de investigar el uso del zinc por parte de Edison.
Otras dos formas de almacenamiento de energía empleadas durante mucho tiempo son el almacenamiento de energía hidroeléctrica bombeada y el almacenamiento de energía térmica. El almacenamiento de energía hidroeléctrica bombeada, que es un tipo de almacenamiento de energía hidroeléctrica, se empleó ya en 1890 en Italia y Suiza antes de extenderse por todo el mundo.
El almacenamiento de energía térmica, o TES, se empleaba en hieleras diseñadas para la conservación de alimentos a principios del siglo XIX. Los sistemas TES modernos han ayudado a calentar y enfriar edificios desde principios del siglo XX.
La capacidad de generación de electricidad en los sistemas de almacenamiento de energía se puede medir de dos maneras. La capacidad de energía, o la cantidad máxima de electricidad generada continuamente, se mide en vatios, como kilovatios (kW), megavatios (MW) y gigavatios (GW). La capacidad de energía, o la cantidad total de energía almacenada, se mide en vatios-hora, como kilovatios-hora (kWh), megavatios-hora (MWh) y gigavatios-hora (GWh).
Los sistemas de almacenamiento de energía eléctrica (EES) suelen servir de apoyo a las redes eléctricas. Los sistemas de almacenamiento de energía para la generación de energía eléctrica incluyen:
El almacenamiento de energía hidroeléctrica bombeada, también conocido como energía hidroeléctrica de almacenamiento por bombeo, se puede comparar con una batería gigante que consta de dos depósitos de agua de diferentes elevaciones. La llamada batería se "carga" cuando se emplea energía para bombear agua de un depósito inferior a un depósito superior.
El sistema de almacenamiento de energía "descarga" energía cuando el agua, atraída por la gravedad, se libera de nuevo al depósito de menor elevación y pasa a través de una turbina en el camino. El movimiento del agua a través de la turbina genera energía que se alimenta a los sistemas de red eléctrica.
El almacenamiento de energía hidroeléctrica bombeada es la tecnología de almacenamiento de energía más desplegada en todo el mundo, según la Agencia Internacional de Energía, y representa el 90 % del almacenamiento mundial de energía en 2020.1 A partir de mayo de 2023, China lidera el mundo en capacidad operativa de almacenamiento por bombeo con 50 gigavatios (GW), lo que representa el 30 % de la capacidad global.2
Si bien los consumidores a menudo piensan en las baterías como pequeños cilindros que alimentan sus dispositivos, las instalaciones de almacenamiento de baterías a gran escala conocidas como sistemas de almacenamiento de energía de baterías (BESS) pueden rivalizar con algunas instalaciones de almacenamiento de energía hidroeléctrica bombeada en capacidad de energía. Estos sistemas de almacenamiento electroquímico varían en su composición y pueden incluir baterías de plomo-ácido, de flujo redox, de sales fundidas y de iones de litio.
Las baterías de iones de litio dominan actualmente el mercado de almacenamiento de baterías a escala de servicios públicos. En 2023, la mayor instalación de almacenamiento de baterías de iones de litio del mundo se encontraba en el condado de Monterrey, California, con una capacidad de 550 megavatios.3 Las baterías de iones de litio también se emplean en vehículos eléctricos.
Un volante es una rueda giratoria que almacena energía cinética. La electricidad se emplea para "cargar" la rueda haciéndola voltear a altas velocidades, mientras que la rotación de la rueda a una velocidad constante almacena esa energía.
Los sistemas de almacenamiento de energía del volante de inercia (FESS) se consideran una tecnología energética eficiente, pero pueden descargar electricidad por períodos de tiempo más cortos que otros métodos de almacenamiento. Si bien América del Norte actualmente domina el mercado mundial del volante de inercia (se pueden encontrar grandes sistemas de almacenamiento de energía en los volantes de inercia en Nueva York, Pensilvania y Ontario), la demanda está aumentando en Europa.4
Esta tecnología energética funciona mediante el uso de electricidad para comprimir el aire y almacenarlo bajo tierra, a menudo en cavernas. Para generar electricidad, el aire se libera y corre a través de una turbina conectada a un generador eléctrico. Un puñado de plantas de CAES están operativas en todo el mundo, incluso en China, Canadá, Alemania y Estados Unidos.
El almacenamiento de energía térmica (TES) se puede encontrar en plantas de energía solar térmica que emplean sistemas de energía solar de concentración (CSP). Estos sistemas emplean luz solar concentrada para calentar fluidos, como agua o sal fundida. Si bien el vapor del fluido se puede emplear para producir electricidad inmediatamente, el fluido también se puede almacenar en tanques para su uso posterior.
La electricidad se puede convertir en hidrógeno para su almacenamiento a través de la electrólisis del agua, empleando la electricidad para dividir las moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno. La energía se libera cuando el hidrógeno se emplea como combustible para la generación de electricidad, así como para el transporte.
Los supercondensadores son dispositivos electroquímicos que almacenan energía mediante la recopilación de cargas eléctricas en electrodos (conductores eléctricos) llenos de una solución de electrolitos. Pueden descargar electricidad rápidamente y tener ciclos de vida largos.
El Departamento de Energía de EE. UU. considera que los supercondensadores están infrautilizados en el sistema eléctrico debido a su baja densidad energética, sus elevados costos y la falta de concienciación sobre sus beneficios.5 La continua innovación en la tecnología de supercondensadores podría reducir algunos de sus inconvenientes y aumentar su adopción.
El método de almacenamiento de energía térmica empleado en las centrales eléctricas solares térmicas se conoce como almacenamiento de calor sensible, en el que el calor se almacena en materiales líquidos o estables. Otros dos tipos de TES son el almacenamiento de calor latente y el almacenamiento termoquímico. El almacenamiento de calor latente implica la transferencia de calor durante el cambio de fase de un material, como de estable a líquido. El almacenamiento termoquímico implica el uso de procesos químicos para absorber calor y luego liberarlo.
Además de su uso en centrales solares, el almacenamiento de energía térmica se emplea habitualmente para calentar y refrigerar edificios y para obtener agua caliente. Emplear el almacenamiento de energía térmica para alimentar los sistemas de calefacción y aire acondicionado en lugar de gas natural y electricidad generada a partir de combustibles fósiles puede ayudar a descarbonizar los edificios y ahorrar costos energéticos.
Los beneficios de los sistemas de almacenamiento de energía para las redes eléctricas incluyen la capacidad de compensar los suministros de energía fluctuantes: los sistemas EES pueden retener el exceso de electricidad cuando está disponible y luego contribuir con el suministro de electricidad en momentos en que las fuentes de energía primaria no contribuyen lo suficiente, especialmente durante los períodos de mayor demanda.
Además, los sistemas EES propiedad de clientes de la red pueden proporcionar energía de respaldo de emergencia durante cortes de la red y pueden integrar en microrredes. El apoyo que el almacenamiento de energía proporciona a las redes eléctricas se considera clave para ayudar al mundo a realizar la transición hacia la energía verde y lograr un futuro con cero emisiones netas .
Los proyectos de almacenamiento de energía pueden ayudar a estabilizar el flujo de energía al proporcionar energía en momentos en que las fuentes de energía renovable no están generando electricidad, por la noche, por ejemplo, para instalaciones de energía solar con células fotovoltaicas, o durante días tranquilos cuando las turbinas eólicas no voltean.
El tiempo que un EES puede suministrar electricidad varía según el proyecto y el tipo de almacenamiento de energía. Los sistemas de almacenamiento de energía con duraciones cortas suministran energía durante solo unos minutos, mientras que el almacenamiento de energía diurno suministra energía durante horas. Los sistemas de almacenamiento de energía hidroeléctrica de bombeo, aire comprimido y algunos sistemas de almacenamiento de energía de baterías proporcionan almacenamiento diurno, mientras que otros sistemas de baterías y volantes de inercia admiten almacenamiento de corta duración.
Los investigadores están trabajando en mejorar las tecnologías energéticas para permitir que los sistemas de almacenamiento de energía eléctrica suministren energía durante 10 horas o más, lo que podría estabilizar aún más el suministro de energía a medida que se conecten más fuentes de energía renovables.
El desarrollo de dicho almacenamiento de energía de larga duración (LDES) también cuenta con el apoyo de los responsables políticos, con países como España, el Reino Unido y Estados Unidos desarrollando planes para fomentar proyectos LDES.
Implemente sus iniciativas de sustentabilidad mediante la gestión del impacto económico del clima severo y el cambio climático en sus prácticas comerciales.
Mejore la estrategia de gestión de activos con un conjunto completo de operaciones y optimice el rendimiento con aplicaciones HSE para empresas de energía y servicios públicos.
Alinee conceptos de las regulaciones y estándares de la industria con sus datos de negocio para acelerar el cumplimiento regulatorio.
La energía renovable es la energía generada a partir de fuentes naturales que se reponen más rápido de lo que se utilizan.
Las microrredes son redes eléctricas de pequeña escala que operan de manera independiente para generar electricidad para un área localizada, como un campus universitario, complejo hospitalario, base militar o región geográfica.
La tecnología de red inteligente promete modernizar el sistema eléctrico tradicional.
La energía térmica se refiere a la energía dentro de un sistema que se crea por el movimiento aleatorio de moléculas y átomos.
La capacidad mundial de generación de energía renovable se ha estado expandiendo en los últimos treinta años más rápido que en cualquier otro momento.
Conocer los beneficios y desventajas de la energía renovable puede ayudar a las organizaciones a planear mejor su despliegue.
Notas de pie de página
1 “Grid-scale Storage” (Almacenamiento a escala de red). (enlace externo a ibm.com). International Energy Agency, 11 de julio de 2023.
2 “New pumped-storage capacity in China is helping to integrate growing wind and solar power” (La nueva capacidad de almacenamiento por bombeo en China está ayudando a integrar la creciente energía eólica y solar). (enlace externo a ibm.com). Today in Energy. US Energy Information Administration, 9 de agosto de 2023.
3 “Work continue on deconstruction of the old Moss Landing power plant” (Continúan los trabajos de deconstrucción de la antigua central eléctrica de Moss Landing). (enlace externo a ibm.com). Condado de Monterrey Ahora, 24 de noviembre de 2023.
4 “Flywheel Energy Storage Market” (Mercado del almacenamiento de energía mediante volante de inercia). (enlace externo a ibm.com). Straits Research, 2022.
5 “Technology Strategy Assessment: Findings from Storage Innovations 2030 Supercapacitors July 2023” (Evaluación de la estrategia tecnológica: Resultados de las innovaciones en almacenamiento 2030 Supercondensadores Julio 2023). (enlace externo a ibm.com). Departamento de Energía de EE. UU., julio de 2023.