¿Cómo almacenar electricidad fuera de la red?

En los últimos 50 años, el consumo eléctrico mundial ha experimentado un aumento continuo, con un consumo estimado de unos 25.300 teravatios-hora en 2021. Con la transición hacia la industria 4.0, la demanda energética mundial se ha incrementado. Estas cifras aumentan cada año, sin incluir las necesidades energéticas de los sectores industriales y otros sectores económicos. Esta transformación industrial y el elevado consumo energético se combinan con efectos más tangibles en el cambio climático debido a las emisiones excesivas de gases de efecto invernadero. Actualmente, la mayoría de las centrales eléctricas dependen en gran medida de combustibles fósiles (petróleo y gas) para satisfacer dicha demanda. Estas preocupaciones climáticas impiden la generación adicional de energía mediante métodos convencionales. Por lo tanto, el desarrollo de sistemas de almacenamiento de energía eficientes y fiables se ha vuelto cada vez más importante para garantizar un suministro continuo y fiable de energía procedente de fuentes renovables.

El sector energético ha respondido orientándose hacia las energías renovables o soluciones ecológicas. Esta transición se ha visto facilitada por la mejora de las técnicas de fabricación, que han dado lugar, por ejemplo, a una fabricación más eficiente de palas de aerogeneradores. Asimismo, los investigadores han logrado mejorar la eficiencia de las células fotovoltaicas, lo que se traduce en una mejor generación de energía por área de uso. En 2021, la generación de electricidad a partir de fuentes solares fotovoltaicas (FV) aumentó significativamente, alcanzando un récord de 179 TWh, lo que representa un crecimiento del 22 % en comparación con 2020. La tecnología solar fotovoltaica representa actualmente el 3,6 % de la generación eléctrica mundial y es la tercera fuente de energía renovable más importante, después de la hidroeléctrica y la eólica.

Sin embargo, estos avances no solucionan algunas de las desventajas inherentes a los sistemas de energía renovable, principalmente la disponibilidad. La mayoría de estos métodos no producen energía bajo demanda como las centrales eléctricas de carbón y petróleo. Por ejemplo, la energía solar está disponible durante todo el día, con variaciones según el ángulo de la radiación solar y la posición de los paneles fotovoltaicos. No puede producir energía durante la noche, mientras que su producción se reduce significativamente durante el invierno y en días muy nublados. La energía eólica también sufre fluctuaciones en función de la velocidad del viento. Por lo tanto, estas soluciones deben combinarse con sistemas de almacenamiento de energía para mantener el suministro durante los períodos de baja producción.

¿Qué son los sistemas de almacenamiento de energía?

Los sistemas de almacenamiento de energía pueden almacenar energía para su uso posterior. En algunos casos, se produce una conversión de energía entre la energía almacenada y la energía suministrada. El ejemplo más común son las baterías eléctricas, como las de iones de litio o las de plomo-ácido. Estas proporcionan energía eléctrica mediante reacciones químicas entre los electrodos y el electrolito.

Las baterías, o BESS (sistema de almacenamiento de energía en baterías), representan el método de almacenamiento de energía más común en aplicaciones cotidianas. Existen otros sistemas de almacenamiento, como las centrales hidroeléctricas, que convierten la energía potencial del agua almacenada en una presa en energía eléctrica. El agua que cae hace girar el volante de una turbina que produce energía eléctrica. Otro ejemplo es el gas comprimido: al liberarlo, el gas hace girar el volante de la turbina, generando energía.

Lo que distingue a las baterías de otros métodos de almacenamiento reside en sus posibles áreas de operación. Desde pequeños dispositivos y el suministro de energía para automóviles hasta aplicaciones domésticas y grandes parques solares, las baterías se integran perfectamente en cualquier aplicación de almacenamiento fuera de la red eléctrica. Por otro lado, la energía hidroeléctrica y el aire comprimido requieren infraestructuras de almacenamiento muy grandes y complejas. Esto conlleva costos muy elevados que requieren aplicaciones de gran envergadura para justificar su uso.

Casos de uso para sistemas de almacenamiento fuera de la red.

Como se mencionó anteriormente, los sistemas de almacenamiento fuera de la red eléctrica pueden facilitar el uso y la dependencia de energías renovables como la solar y la eólica. Sin embargo, existen otras aplicaciones que pueden beneficiarse enormemente de estos sistemas.

Las redes eléctricas urbanas buscan proporcionar la cantidad adecuada de energía según la oferta y la demanda de cada ciudad. La energía requerida puede fluctuar a lo largo del día. Se han utilizado sistemas de almacenamiento aislados para atenuar las fluctuaciones y proporcionar mayor estabilidad en casos de demanda máxima. Desde otra perspectiva, los sistemas de almacenamiento aislados pueden ser muy beneficiosos para compensar cualquier fallo técnico imprevisto en la red eléctrica principal o durante los periodos de mantenimiento programado. Permiten satisfacer las necesidades energéticas sin tener que buscar fuentes de energía alternativas. Cabe citar, por ejemplo, la tormenta de hielo que azotó Texas a principios de febrero de 2023, que dejó a aproximadamente 262 000 personas sin electricidad, mientras que las reparaciones se retrasaron debido a las difíciles condiciones meteorológicas.

Los vehículos eléctricos son otra aplicación. Los investigadores han invertido mucho esfuerzo en optimizar la fabricación de baterías y las estrategias de carga/descarga para prolongar su vida útil y su densidad de potencia. Las baterías de iones de litio han estado a la vanguardia de esta pequeña revolución y se han utilizado ampliamente en los nuevos coches eléctricos, así como en autobuses eléctricos. En este caso, unas mejores baterías pueden permitir un mayor kilometraje, pero también tiempos de carga más cortos con las tecnologías adecuadas.

Otros avances tecnológicos, como los vehículos aéreos no tripulados (UAV) y los robots móviles, se han beneficiado enormemente del desarrollo de baterías. Sus estrategias de movimiento y control dependen en gran medida de la capacidad y la energía de la batería.

¿Qué es un BESS?

Un sistema de almacenamiento de energía en baterías (BESS) es un sistema que permite almacenar energía. Esta energía puede provenir de la red eléctrica principal o de fuentes de energía renovables como la eólica y la solar. Está compuesto por múltiples baterías dispuestas en diferentes configuraciones (serie/paralelo) y dimensionadas según las necesidades. Se conectan a un inversor que convierte la corriente continua (CC) en corriente alterna (CA) para su uso.sistema de gestión de baterías (BMS)Se utiliza para monitorear las condiciones de la batería y la operación de carga/descarga.

En comparación con otros sistemas de almacenamiento de energía, son especialmente flexibles de colocar/conectar y no requieren una infraestructura muy costosa, pero aún así tienen un coste considerable y requieren un mantenimiento más regular en función del uso.

Tamaño y hábitos de uso de BESS

Un punto crucial a considerar al instalar un sistema de almacenamiento de energía con baterías es el dimensionamiento. ¿Cuántas baterías se necesitan? ¿En qué configuración? En algunos casos, el tipo de batería puede ser crucial a largo plazo en términos de ahorro de costos y eficiencia.

Esto se hace caso por caso, ya que las aplicaciones pueden variar desde pequeños hogares hasta grandes plantas industriales.

La fuente de energía renovable más común para hogares pequeños, especialmente en zonas urbanas, es la energía solar mediante paneles fotovoltaicos. El ingeniero generalmente considera el consumo promedio de energía del hogar y evalúa la irradiancia solar anual en la ubicación específica. El número de baterías y su configuración de red se eligen para satisfacer la demanda del hogar durante el período de menor suministro de energía solar del año, sin agotar completamente las baterías. Esto supone una solución que garantice la independencia energética total de la red principal.

Mantener un estado de carga relativamente moderado o no descargar completamente las baterías puede resultar contradictorio al principio. Al fin y al cabo, ¿para qué usar un sistema de almacenamiento si no podemos aprovechar todo su potencial? En teoría es posible, pero quizá no sea la estrategia que maximice el retorno de la inversión.

Una de las principales desventajas de los sistemas BESS es el costo relativamente alto de las baterías. Por lo tanto, es esencial adoptar un hábito de uso o una estrategia de carga/descarga que maximice su vida útil. Por ejemplo, las baterías de plomo-ácido no pueden descargarse por debajo del 50 % de su capacidad sin sufrir daños irreversibles. Las baterías de iones de litio tienen mayor densidad energética y una larga vida útil. También pueden descargarse con rangos más amplios, pero esto conlleva un mayor precio. Existe una gran variación de costos entre las diferentes composiciones químicas; las baterías de plomo-ácido pueden ser cientos o miles de dólares más económicas que una batería de iones de litio del mismo tamaño. Por esta razón, las baterías de plomo-ácido son las más utilizadas en aplicaciones solares en países en desarrollo y comunidades de bajos recursos.

El rendimiento de la batería se ve gravemente afectado por la degradación a lo largo de su vida útil. No presenta un rendimiento estable que finalice con un fallo repentino. En cambio, la capacidad suministrada puede disminuir progresivamente. En la práctica, se considera que una batería ha alcanzado su vida útil cuando su capacidad alcanza el 80 % de su capacidad original. Es decir, cuando experimenta una disminución del 20 % de su capacidad. En la práctica, esto significa que se puede suministrar una menor cantidad de energía. Esto puede afectar la duración de uso de los sistemas totalmente autónomos y la autonomía de un vehículo eléctrico.

Otro punto a considerar es la seguridad. Gracias a los avances en fabricación y tecnología, las baterías recientes han sido, en general, químicamente más estables. Sin embargo, debido a la degradación y al abuso, las celdas pueden experimentar un descontrol térmico, lo que puede tener consecuencias catastróficas y, en algunos casos, poner en peligro la vida de los consumidores.

Es por esto que las empresas han desarrollado un mejor software de monitoreo de batería (BMS) para controlar el uso de la batería, pero también monitorear el estado de salud para brindar un mantenimiento oportuno y evitar consecuencias agravadas.

Conclusión

Los sistemas de almacenamiento de energía en la red ofrecen una gran oportunidad para lograr la independencia energética de la red principal, además de proporcionar una fuente de energía de respaldo durante periodos de inactividad y picos de demanda. Su desarrollo facilitaría la transición hacia fuentes de energía más ecológicas, limitando así el impacto de la generación de energía en el cambio climático, a la vez que se satisfacen las necesidades energéticas ante el crecimiento constante del consumo.

Los sistemas de almacenamiento de energía en baterías son los más utilizados y los más fáciles de configurar para diversas aplicaciones cotidianas. Su alta flexibilidad se ve contrarrestada por un coste relativamente alto, lo que lleva al desarrollo de estrategias de monitorización para prolongar al máximo su vida útil. Actualmente, la industria y el mundo académico están invirtiendo mucho esfuerzo en investigar y comprender la degradación de las baterías en diferentes condiciones.