En los últimos 50 años, el consumo mundial de electricidad ha experimentado un aumento constante, con un uso estimado de alrededor de 25 300 teravatios-hora en 2021. Con la transición hacia la Industria 4.0, la demanda energética se ha incrementado a nivel mundial. Estas cifras aumentan cada año, sin incluir las necesidades energéticas de los sectores industrial y otros sectores económicos. Este cambio industrial y el elevado consumo energético se suman a los efectos más tangibles del cambio climático, debido a las excesivas emisiones 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 de energía adicional 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 con una transición hacia las energías renovables o soluciones «verdes». Esta transición se ha visto facilitada por la mejora de las técnicas de fabricación, lo que ha permitido, por ejemplo, una producción más eficiente de las palas de las turbinas eólicas. Asimismo, los investigadores han logrado mejorar la eficiencia de las células fotovoltaicas, lo que se traduce en una mayor generación de energía por superficie de uso. En 2021, la generación de electricidad a partir de fuentes solares fotovoltaicas (FV) aumentó significativamente, alcanzando un récord de 179 TWh y representando un crecimiento del 22 % con respecto a 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 resuelven 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. La energía solar, por ejemplo, está disponible durante todo el día, con variaciones que dependen de los ángulos de irradiación solar y la ubicación de los paneles fotovoltaicos. No produce energía durante la noche y su producción se reduce significativamente durante el invierno y en días muy nublados. La energía eólica también sufre fluctuaciones que dependen 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 permiten almacenar energía para su uso posterior. En algunos casos, se produce una conversión 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 liberarse, el gas hace girar la rueda de la turbina, generando energía.
Lo que distingue a las baterías de otros métodos de almacenamiento es su potencial de aplicación. Desde pequeños dispositivos y sistemas de alimentación para automóviles hasta aplicaciones domésticas y grandes parques solares, las baterías se integran fácilmente en cualquier sistema de almacenamiento aislado. Por otro lado, la energía hidroeléctrica y el aire comprimido requieren infraestructuras de almacenamiento muy grandes y complejas, lo que conlleva costes muy elevados y exige aplicaciones de gran envergadura para que resulten rentables.
Casos de uso para sistemas de almacenamiento fuera de la red eléctrica.
Como se mencionó anteriormente, los sistemas de almacenamiento fuera de la red pueden facilitar el uso y la dependencia de métodos de energía renovable como la energía solar y eólica. No obstante, existen otras aplicaciones que pueden beneficiarse enormemente de dichos 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. Los sistemas de almacenamiento fuera de la red se han utilizado para atenuar las fluctuaciones y brindar mayor estabilidad en casos de demanda máxima. Desde otra perspectiva, estos sistemas pueden ser muy beneficiosos para compensar cualquier falla técnica imprevista en la red eléctrica principal o durante los períodos de mantenimiento programado. Pueden satisfacer las necesidades energéticas sin tener que buscar fuentes de energía alternativas. Un ejemplo de ello es la tormenta de hielo en 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 climáticas.
Los vehículos eléctricos representan otra aplicación. Los investigadores han dedicado grandes esfuerzos a optimizar la fabricación de baterías y las estrategias de carga y descarga para prolongar su vida útil y aumentar su densidad energética. Las baterías de iones de litio han liderado esta revolución y se utilizan ampliamente en los nuevos coches eléctricos, así como en los autobuses eléctricos. En este caso, unas mejores baterías pueden ofrecer una mayor autonomía y, con las tecnologías adecuadas, reducir los tiempos de carga.
Otros avances tecnológicos, como los vehículos aéreos no tripulados (UAV) y los robots móviles, se han beneficiado enormemente del desarrollo de las baterías. Sus estrategias de movimiento y control dependen en gran medida de la capacidad y la potencia de la batería.
¿Qué es un BESS?
El sistema de almacenamiento de energía en baterías (BESS, por sus siglas en inglés) es un sistema que permite almacenar energía. Esta energía puede provenir de la red eléctrica principal o de fuentes renovables como la energía eólica y la solar. Está compuesto por varias baterías dispuestas en diferentes configuraciones (serie/paralelo) y dimensionadas según los requisitos. Estas baterías se conectan a un inversor que convierte la corriente continua (CC) en corriente alterna (CA) para su uso. Un sistema de gestión de baterías (BMS, por sus siglas en inglés) se encarga de monitorizar el estado de las baterías y el proceso de carga/descarga.
En comparación con otros sistemas de almacenamiento de energía, son especialmente flexibles en cuanto a su ubicación y conexión, y no requieren una infraestructura muy costosa, pero aun así suponen un coste considerable y requieren un mantenimiento más regular en función del uso.
Tallas y hábitos de uso de BESS
Un aspecto 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 desempeñar un papel crucial a largo plazo en términos de ahorro de costes y eficiencia.
Esto se realiza caso por caso, ya que las aplicaciones pueden abarcar 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 suele considerar el consumo energético promedio del hogar y evaluar la irradiancia solar a lo largo del año en la ubicación específica. El número de baterías y su configuración de red se eligen para satisfacer la demanda del hogar durante los periodos de menor suministro solar del año, evitando que las baterías se descarguen por completo. Esto supone una solución que ofrece total independencia energética de la red principal.
Mantener un nivel de carga relativamente moderado o no descargar completamente las baterías puede parecer contraintuitivo 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 quizás no sea la estrategia que maximice el retorno de la inversión.
Una de las principales desventajas de los sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS) es el costo relativamente alto de las baterías. Por lo tanto, es fundamental elegir un hábito de uso o una estrategia de carga/descarga que maximice la vida útil de la batería. Por ejemplo, las baterías de plomo-ácido no se pueden descargar por debajo del 50 % de su capacidad sin sufrir daños irreversibles. Las baterías de iones de litio tienen una mayor densidad de energía y una vida útil prolongada. También se pueden descargar con mayor autonomía, pero esto conlleva un mayor costo. Existe una gran variación en el costo entre las diferentes químicas; las baterías de plomo-ácido pueden ser cientos o miles de dólares más baratas 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 pobres.
El rendimiento de la batería se ve muy afectado por la degradación durante su vida útil; no ofrece un rendimiento constante que finalice con una falla repentina. En cambio, la capacidad y la energía suministrada pueden disminuir progresivamente. En la práctica, se considera que la vida útil de una batería ha terminado cuando su capacidad alcanza el 80 % de su capacidad original. En otras palabras, cuando experimenta una disminución del 20 % en su capacidad. Esto significa que puede suministrar una menor cantidad de energía. Esto puede afectar los periodos de uso de los sistemas totalmente autónomos y la autonomía de un vehículo eléctrico.
Otro aspecto a considerar es la seguridad. Gracias a los avances en la fabricación y la tecnología, las baterías recientes suelen ser químicamente más estables. Sin embargo, debido a la degradación y al mal uso, pueden sufrir un sobrecalentamiento descontrolado que puede tener consecuencias catastróficas y, en algunos casos, poner en peligro la vida de los consumidores.
Por ello, las empresas han desarrollado mejores programas de monitorización de baterías (BMS) para controlar el uso de la batería, pero también para supervisar su estado de salud, con el fin de proporcionar un mantenimiento oportuno y evitar consecuencias más graves.
Conclusión
Los sistemas de almacenamiento de energía en red ofrecen una gran oportunidad para lograr la independencia energética de la red principal, además de proporcionar una fuente de energía de respaldo durante los periodos de baja demanda y los picos de consumo. Su desarrollo facilitaría la transición hacia fuentes de energía más limpias, limitando así el impacto de la generación de energía en el cambio climático y, al mismo tiempo, satisfaciendo las necesidades energéticas ante el constante crecimiento del consumo.
Los sistemas de almacenamiento de energía en baterías son los más comunes y fáciles de configurar para diversas aplicaciones cotidianas. Su gran flexibilidad se ve contrarrestada por un coste relativamente elevado, lo que ha impulsado el desarrollo de estrategias de monitorización para prolongar su vida útil al máximo. Actualmente, la industria y el ámbito académico están dedicando grandes esfuerzos a investigar y comprender la degradación de las baterías en diferentes condiciones.
