El almacenamiento de energía es la captura de energía producida en un momento para usar en un momento posterior [1] 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 se presenta en múltiples formas que incluyen radiación, química , potencial gravitacional , potencial eléctrico, electricidad, temperatura elevada, calor latente y cinética . El almacenamiento de energía implica convertir la energía de formas que son difíciles de almacenar en formas de almacenamiento más conveniente o económicamente.
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 represas hidroeléctricas, tanto convencionales como por bombeo. El almacenamiento de energía de la red es una colección de métodos utilizados para el almacenamiento de energía a gran escala dentro de una red de energía 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 presa hidroeléctrica , que almacena energía en un reservorio como energía potencial gravitacional , y tanques de almacenamiento de hielo , que almacenan hielo congelado por más barato. energía 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 elaboran 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 parte mediante la quema de combustibles fósiles. Cuando se requería menos energía, se quemaba menos combustible. [2] La energía hidroeléctrica , un método de almacenamiento de energía mecánica, es el almacenamiento de energía mecánica más ampliamente adoptado y se ha utilizado durante siglos. Las grandes represas hidroeléctricas han sido lugares de almacenamiento de energía durante más de cien años. [3] Las preocupaciones por 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. [2] 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 las horas del día, mientras que la demanda a menudo alcanza 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. [4]
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 solo de aspectos técnicos. Los vehículos eléctricos están reemplazando gradualmente a los vehículos con motor de combustión. Sin embargo, la potencia del transporte de larga distancia sin quemar combustible sigue en desarrollo.
Métodos
Esquema
La siguiente lista incluye una variedad de tipos de almacenamiento de energía:
- Almacenamiento de combustibles fósiles
- Mecánico
- Primavera
- Almacenamiento de energía de aire comprimido (CAES)
- Locomotora sin fuego
- Almacenamiento de energía del volante
- Gravitacional de masa sólida
- Acumulador hidraulico
- Hidroelectricidad de almacenamiento por bombeo (almacenamiento hidroeléctrico por bombeo, PHS o energía hidroeléctrica por almacenamiento por bombeo, PSH)
- Expansión térmica
- Eléctrico, electromagnético
- Condensador
- Supercondensador
- Almacenamiento de energía magnética superconductora (SMES, también bobina de almacenamiento superconductora)
- Biológico
- Electroquímico (sistema de almacenamiento de energía de la batería, BESS)
- Batería de flujo
- Batería recargable
- UltraBattery
- Térmico
- Calentador de almacenamiento de ladrillos
- Almacenamiento de energía criogénica , almacenamiento de energía de aire líquido (LAES)
- Motor de nitrógeno líquido
- Sistema eutéctico
- Aire acondicionado para almacenamiento de hielo
- Almacenamiento de sales fundidas
- Material de cambio de fase
- Almacenamiento de energía térmica estacional
- Estanque solar
- Acumulador de vapor
- Almacenamiento de energía térmica (general)
- Químico
- Biocombustibles
- Sales hidratadas
- Almacenamiento de hidrógeno
- Peróxido de hidrógeno
- Poder a gas
- Pentóxido de vanadio
Mecánico
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 la compresión de aire y volantes que convierten la energía eléctrica en energía interna o energía cinética y luego regresan cuando la demanda eléctrica alcanza su punto máximo.
Hidroelectricidad
Las represas hidroeléctricas con embalses pueden funcionar para proporcionar electricidad en los 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 pérdidas por bombeo.
Si bien una represa hidroeléctrica no almacena directamente energía 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 minutos. [5]
Hidroeléctrica bombeada
En todo el mundo, la energía hidroeléctrica de almacenamiento por bombeo (PSH) es la forma de almacenamiento de energía de la red activa de mayor capacidad disponible y, en marzo de 2012, el Instituto de Investigación de Energía Eléctrica (EPRI) informa que la PSH representa más del 99% de la capacidad de almacenamiento a granel. en todo el mundo, lo que representa alrededor de 127.000 MW . [6] La eficiencia energética de PSH varía en la práctica entre el 70% y el 80%, [6] [7] [8] [9] con afirmaciones de hasta el 87%. [10]
En momentos de baja demanda eléctrica, el exceso de capacidad de generación se utiliza para bombear agua desde una fuente inferior a un depósito superior. Cuando aumenta la demanda, 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 una bomba y una turbina (generalmente un diseño de turbina Francis ). Casi todas las instalaciones utilizan la diferencia de altura entre dos cuerpos de agua. Las plantas de almacenamiento por bombeo puro trasladan el agua entre los reservorios, mientras que el enfoque de "bombeo" es una combinación de almacenamiento por bombeo y plantas hidroeléctricas convencionales que utilizan el flujo de corriente natural.
Aire comprimido
El almacenamiento de energía de aire comprimido (CAES) utiliza el excedente de energía para comprimir el aire para la posterior generación de electricidad. [11] Los sistemas a pequeña escala se han utilizado durante mucho tiempo en aplicaciones como la propulsión de locomotoras de minas. El aire comprimido se almacena en un depósito subterráneo , como una cúpula 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 al proporcionar de manera efectiva energía 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 renovable 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. [12]
La compresión del aire genera calor; el aire es más cálido 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. [13] Un sistema CAES puede lidiar con el calor de tres formas. El almacenamiento de aire puede ser adiabático , diabático o isotérmico . Otro enfoque utiliza aire comprimido para propulsar vehículos. [14] [15]
Volante
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 usan directamente energía mecánica. [dieciséis]
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. [17] Estos 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 (que dura décadas con poco o ningún mantenimiento; [17] la vida útil de ciclo completo cotizada para volantes oscila entre más de 10 5 , hasta 10 7 , ciclos de uso), [18] alta energía específica ( 100–130 W · h / kg, o 360–500 kJ / kg) [18] [19] y densidad de potencia .
Gravitacional de masa sólida
Cambiar la altitud de 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 suplementaria útil en una red eléctrica para equilibrar las sobrecargas. [20]
Las eficiencias pueden alcanzar hasta el 85% de recuperación de la energía almacenada. [21]
Esto se puede lograr ubicando las masas dentro de antiguos pozos de minas verticales o en torres especialmente construidas donde los pesos pesados se levantan para almacenar energía y se permite un descenso controlado para liberarla. En 2020 se está construyendo un prototipo de tienda vertical en Edimburgo, Escocia [22]
El almacenamiento potencial de energía o el almacenamiento de energía por gravedad se desarrolló activamente en 2013 en asociación con el Operador del Sistema Independiente de California . [23] [24] [25] Se examinó el movimiento de vagones de tolva llenos de tierra impulsados por locomotoras eléctricas desde elevaciones más bajas a más altas. [26]
Otros métodos propuestos incluyen: -
- utilizar rieles [26] [27] y grúas [21] para mover pesos de hormigón hacia arriba y hacia abajo;
- utilizando plataformas de globos alimentadas por energía solar a gran altitud que sostienen cabrestantes para elevar y bajar masas sólidas colgadas debajo de ellos, [28]
- utilizando cabrestantes sostenidos por una barcaza oceánica para aprovechar una diferencia de elevación de 4 km (13.000 pies) entre la superficie del mar y el lecho marino, [29]
Térmico
El almacenamiento de energía térmica (TES) es el almacenamiento temporal o la eliminación de calor.
Calor térmico sensible
El almacenamiento de calor sensible aprovecha el calor sensible de un material para almacenar energía. [30]
El almacenamiento de energía térmica estacional (STES, por sus siglas en inglés) permite que el calor o el frío se utilicen meses después de su recolección de energía residual o fuentes naturales. El material se puede almacenar en acuíferos contenidos, grupos de perforaciones en sustratos geológicos como arena o lecho de roca cristalina, en pozos revestidos llenos de grava y agua, o minas llenas de agua. [31] Los proyectos de almacenamiento de energía térmica estacional (STES) a menudo se amortizan en cuatro a seis años. [32] 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, con un acumulador de energía térmica de pozo (BTES) como tecnología habilitadora. [33] [34] [35] 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 cuando hay un excedente de energía eólica disponible en la red nacional, se utiliza para elevar la temperatura a 80 ° C (176 ° F) para la distribución. Cuando el excedente de electricidad generada por el viento no está disponible, se utiliza una caldera de gas. El veinte por ciento del calor de Braedstrup es solar. [36]
Calor latente térmico (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 fundir, solidificar, vaporizar o licuar. Dicho material se denomina material de cambio de fase (PCM). Los materiales utilizados en los LHTES suelen tener un calor latente elevado, de modo que a su temperatura específica, el cambio de fase absorbe una gran cantidad de energía, mucho más que el calor sensible. [37]
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 para 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
Ver artículo principal Almacenamiento de energía criogénica
El aire puede licuarse enfriando con electricidad y almacenarse como un criógeno con las tecnologías existentes. Luego, el aire líquido se puede expandir a través de una turbina y la energía se puede recuperar como electricidad. El sistema se demostró en una planta piloto en el Reino Unido en 2012. [38] 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. [39]
Batería de Carnot
Ver artículo principal Batería de Carnot
La energía eléctrica se puede almacenar en almacenamiento de calor mediante calefacción resistiva o bombas de calor, y el calor almacenado se puede convertir de nuevo en electricidad mediante el ciclo Rankine o el ciclo Brayton . [40] Esta tecnología se ha estudiado para adaptar las centrales eléctricas de carbón existentes a sistemas de generación libres de combustibles fósiles. [41] Las calderas de carbón se sustituyen por almacenamiento de calor a alta temperatura que se carga con el exceso de electricidad procedente de fuentes de energía renovables variables. En 2020, el Centro Aeroespacial Alemán comienza a construir el primer sistema de baterías Carnot a gran escala del mundo, que tiene una capacidad de almacenamiento de 1000 MWh. [42]
Electroquímica
Batería recargable
Una batería recargable comprende una o más celdas electroquímicas . Se la conoce como "celda 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 los desechables. Las baterías recargables tienen un costo inicial más alto, pero se pueden recargar a muy bajo costo y usarse muchas veces.
Las químicas comunes de las baterías recargables incluyen:
- Batería de plomo-ácido : Las baterías de plomo-ácido tienen la mayor participación en el mercado de productos de almacenamiento eléctrico. Una sola celda produce aproximadamente 2V cuando se carga. En el estado cargado, el electrodo negativo de plomo metálico y el electrodo positivo de sulfato de plomo se sumergen en un electrolito de ácido sulfúrico diluido (H 2 SO 4 ) . En el proceso de descarga, los electrones se expulsan de la celda a medida que se forma sulfato de plomo en el electrodo negativo, mientras que el electrolito se reduce a agua.
- La tecnología de baterías de plomo-ácido se ha desarrollado ampliamente. El mantenimiento requiere una mano de obra mínima y su costo es bajo. La capacidad de energía disponible de la batería está sujeta a una descarga rápida que resulta en una vida útil baja y una densidad de energía baja. [43]
- Batería de níquel-cadmio (NiCd): utiliza hidróxido 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 reemplazadas casi por completo por baterías de níquel-hidruro metálico (NiMH).
- Baterías de níquel e hidruro metálico (NiMH): Los primeros tipos comerciales estuvieron disponibles en 1989. [44] Actualmente son de tipo industrial y de consumo común. La batería tiene una aleación que absorbe hidrógeno para el electrodo negativo en lugar de cadmio .
- Batería de iones de litio : la opción en muchos productos electrónicos de consumo y tiene una de las mejores relaciones de energía a masa y una autodescarga muy lenta cuando no está en uso.
- Batería de polímero de iones de litio : estas baterías son livianas y se pueden fabricar en cualquier forma deseada.
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 solución. Una batería de flujo es similar técnicamente tanto a una célula de combustible y una célula del acumulador electroquímico . Las aplicaciones comerciales son para almacenamiento de medio ciclo largo, como energía de red de respaldo.
Supercondensador
Los supercondensadores , también llamados condensadores eléctricos de doble capa (EDLC) o ultracondensadores, son una familia de condensadores electroquímicos [45] que no tienen dieléctricos sólidos convencionales . La capacitancia está determinada por dos principios de almacenamiento, capacitancia de doble capa y pseudocapacitancia . [46] [47]
Los supercondensadores acortan 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 condensadores. Soportan hasta 10,000 faradios / 1.2 Voltios, [48] hasta 10,000 veces más que los capacitores electrolíticos , pero entregan o aceptan menos de la mitad de energía por unidad de tiempo ( densidad de potencia ). [45]
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, que incluyen:
- Baja corriente de suministro para la copia de seguridad de la memoria en la memoria estática de acceso aleatorio (SRAM)
- Energía para automóviles, autobuses, trenes, grúas y ascensores, incluida la recuperación de energía del frenado, el almacenamiento de energía a corto plazo y el suministro de energía en modo ráfaga
Químico
Poder a gas
La energía a gas es la conversión de electricidad en un combustible gaseoso como hidrógeno o metano . Los tres métodos comerciales utilizan electricidad para reducir el agua en hidrógeno y oxígeno mediante 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 metanización , como la reacción de Sabatier , o metanización biológica, lo que da como resultado una pérdida de conversión de energía adicional del 8%. Luego, el metano puede introducirse en 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 mezcla 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 pila 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 de aproximadamente el 20% de la demanda total, [49] el almacenamiento externo se vuelve importante. [50] Si estas fuentes se utilizan para producir hidrógeno iónico, se pueden expandir libremente. En 2007 se inició un programa piloto comunitario de cinco años que utiliza turbinas eólicas y generadores de hidrógeno en la remota comunidad de Ramea, Terranova y Labrador . [51] 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 , licuación o compresión del hidrógeno y conversión en electricidad. [52]
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 común de línea de alto voltaje 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 electrolizadora , compresores de hidrógeno o licuefacción , almacenamiento y transporte . [ cita requerida ]
El hidrógeno también se puede producir a partir de aluminio y agua quitando la barrera de óxido de aluminio de origen natural del aluminio e introduciéndola en el agua. Este método es beneficioso porque se pueden usar latas de aluminio reciclado 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. [53] Los métodos comunes para quitar la capa de óxido incluyen catalizadores cáusticos como hidróxido de sodio y aleaciones con galio , mercurio y otros metales. [54]
El almacenamiento subterráneo de hidrógeno es la práctica del almacenamiento de hidrógeno en cavernas , domos de sal y campos de petróleo y gas agotados. [55] [56] Grandes cantidades de hidrógeno gaseoso han sido almacenadas en cavernas por Imperial Chemical Industries durante muchos años sin ninguna dificultad. [57] El proyecto europeo Hyunder indicó en 2013 que el almacenamiento de energía eólica y solar utilizando hidrógeno subterráneo requeriría 85 cavernas. [58]
Powerpaste es un gel fluido a base de magnesio e hidrógeno que libera hidrógeno cuando reacciona 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 realizado a 350 ° C y de cinco a seis veces la presión atmosférica . Luego se agregan un éster y una sal metálica para hacer el producto terminado. Fraunhofer afirma que están construyendo una planta de producción programada para comenzar la producción en 2021, que producirá 4 toneladas de Powerpaste anualmente. [59] Fraunhofer ha patentado su invención en los EE . UU. Y la UE . [60] Fraunhofer afirma que Powerpaste puede almacenar energía de hidrógeno a 10 veces la densidad de energía de una batería de litio de dimensión similar y es seguro y conveniente para situaciones de automoción. [59]
Metano
El metano es el hidrocarburo más simple con la fórmula molecular CH 4 . 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 (gas de síntesis 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 central eléctrica adyacente, eliminando los óxidos de nitrógeno .
La combustión de metano produce dióxido de carbono (CO 2 ) 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, el almacenamiento y la combustión de metano reciclan los productos de reacción.
El CO 2 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 al líquido
La energía a líquido es similar a la energía a gas, excepto que el hidrógeno se convierte en líquidos como metanol o amoníaco . Son más fáciles de manipular 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. [61]
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 sustitutos de los combustibles de hidrocarburos existentes. Algunos ejemplos son el diesel de Fischer-Tropsch , el metanol , el éter dimetílico y el gas de síntesis . Esta fuente de diesel se utilizó ampliamente en la Segunda Guerra Mundial en Alemania, que enfrentaba un acceso limitado a los suministros de petróleo crudo. Sudáfrica produce la mayor parte del diesel del país a partir del carbón por razones similares. [62] Un precio del petróleo a largo plazo superior a 35 dólares EE.UU. / bbl puede hacer que los combustibles líquidos sintéticos a gran escala sean económicos.
Aluminio
El aluminio ha sido propuesto como reserva de energía por varios investigadores. Su equivalente electroquímico (8,04 Ah / cm3) es casi cuatro veces mayor que el del litio (2,06 Ah / cm3). [63] La energía se puede extraer del aluminio haciéndolo reaccionar con agua para generar hidrógeno . [64] Sin embargo, primero debe ser despojado de su capa de óxido natural , un proceso que requiere pulverización, [65] reacciones químicas con sustancias cáusticas o aleaciones. [54] El subproducto de la reacción para crear hidrógeno es el óxido de aluminio , que puede reciclarse en aluminio con el proceso Hall-Héroult , lo que hace que la reacción sea teóricamente renovable. [54] Si el proceso de 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. [66]
Boro, silicio y zinc
Se han propuesto como soluciones de almacenamiento de energía boro , [67] silicio , [68] y zinc [69] .
Otro químico
El compuesto orgánico norbornadieno se convierte en cuadriciclano al exponerse a la luz, almacenando energía solar como energía de enlaces químicos. En Suecia se ha desarrollado un sistema de trabajo como sistema térmico solar molecular. [70]
Métodos eléctricos
Condensador
Un condensador (originalmente conocido como "condensador") es un componente eléctrico pasivo de dos terminales que se utiliza para almacenar energía de forma electrostática . Los capacitores prácticos varían ampliamente, pero todos contienen al menos dos conductores eléctricos (placas) separados por un dieléctrico (es decir, aislante ). Un condensador puede almacenar energía eléctrica cuando se desconecta de su circuito de carga, por lo que puede usarse como una batería temporal o como otros tipos de sistema de almacenamiento de energía recargable . [71] Los condensadores se utilizan 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 capacitores 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 condensador a través de una batería), se desarrolla un campo eléctrico a través del dieléctrico, lo que hace que la carga positiva (+ Q) se acumule en una placa y la carga negativa (-Q) se acumule en el otro plato. Si se conecta una batería a un condensador durante un período de tiempo suficiente, no puede fluir corriente a través del condensador. Sin embargo, si se aplica un voltaje de aceleración o alternancia a través de los cables del condensador, puede fluir una corriente de desplazamiento . Además de las placas de condensadores, la carga también se puede almacenar en una capa dieléctrica. [72]
La capacitancia es mayor dada una separación más estrecha entre conductores y cuando los conductores tienen un área de superficie mayor. 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 ruptura de alto voltaje es prometedor para una nueva generación de condensadores autorreparables. [73] [74] Los conductores y conductores introducen inductancias y resistencias no deseadas .
La investigación está evaluando los efectos cuánticos de los condensadores a nanoescala [75] para baterías cuánticas digitales. [76] [77]
Magnetismo superconductor
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 típico de SMES 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. [78]
La energía almacenada se puede liberar a la red descargando la bobina. El inversor / rectificador asociado representa aproximadamente un 2-3% de pérdida de energía en cada dirección. Las PYME pierden 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%. [79]
Debido a los requisitos energéticos de la refrigeración y al costo del cable superconductor , SMES se utiliza para almacenamiento de corta duración, como mejorar la calidad de la energía . También tiene aplicaciones en el equilibrio de la red. [78]
Aplicaciones
Molinos
La aplicación clásica antes de la revolución industrial era el control de las vías fluviales para impulsar molinos de agua para procesar granos o alimentar maquinaria. Se construyeron sistemas complejos de embalses y presas para almacenar y liberar agua (y la energía potencial que contenía) cuando fuera necesario. [80]
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 la fotovoltaica) y la importante participación del consumo de energía en los edificios. [81] Para superar una autosuficiencia del 40% en un hogar equipado con energía fotovoltaica, se necesita almacenamiento de energía. [81] Varios fabricantes producen sistemas de baterías recargables para almacenar energía, generalmente para almacenar energía excedente 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 debido a su costo similar pero su rendimiento mucho mejor. [82]
Tesla Motors produce dos modelos del 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. [83] En 2016, una versión limitada del Tesla Powerpack 2 costó $ 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 que un retorno positivo de la inversión sea dudoso a menos que los precios de la electricidad sean superiores a 30 centavos. / kWh. [84]
RoseWater Energy produce dos modelos del "Energy & Storage System", el HUB 120 [85] y SB20. [86] 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, incluido el suministro 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. [87] [88]
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 275 W / 500 W. [89]
El almacenamiento de energía eólica o solar mediante almacenamiento de energía térmica, aunque menos flexible, es considerablemente más barato 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. [90]
Para fines puramente financieros en áreas donde se dispone de 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 almacenamiento.
Red eléctrica y centrales eléctricas
Energía renovable
La fuente más grande y la mayor reserva de energía renovable son las represas hidroeléctricas. Un gran depósito detrás de una presa puede almacenar suficiente agua para promediar el caudal anual de un río entre las estaciones seca y húmeda. Un depósito muy grande puede almacenar suficiente agua para promediar el caudal de un río entre años secos y húmedos. Si bien una represa hidroeléctrica no almacena directamente energía de fuentes intermitentes, sí equilibra la red al reducir su producción y retener su agua cuando la energía es generada por 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 . [95] Los sistemas de almacenamiento pueden nivelar los desequilibrios entre la oferta y la demanda que esto provoca. La electricidad debe usarse tal como se genera o convertirse inmediatamente en formas almacenables. [96]
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 depósitos , utilizando 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. [95] 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 como la capacidad instalada total es de casi 32 GW y el 75% de ella es regulable, se puede ampliar significativamente. [97]
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 cantidades muy grandes de energía térmica, [98] y almacenamiento de energía de aire comprimido , volantes , sistemas criogénicos y superconductores. bobinas magnéticas .
El excedente de energía también se puede convertir en metano ( proceso de sabatier ) con almacenamiento en la red de gas natural. [99] [100]
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 por la noche o durante períodos de tormenta acompañados de fuertes vientos. Bajo control central, los electrodomésticos absorben el excedente de energía calentando ladrillos cerámicos en calentadores especiales a cientos de grados y aumentando la temperatura de los tanques de calentadores de agua modificados . Después de la carga, los electrodomésticos proporcionan calefacción y agua caliente según sea necesario. El sistema experimental fue creado como resultado de una severa tormenta de 2010 que sobreprodujo energía renovable hasta el punto que todas las fuentes de energía convencionales fueron apagadas, o en el caso de una central nuclear, reducida a su nivel operativo más bajo posible, dejando una gran cantidad de energía renovable. área que funciona casi en su totalidad con energía renovable. [101] [102]
Otro método avanzado utilizado en el antiguo proyecto Solar Two en los Estados Unidos y la Solar Tres Power Tower en España utiliza sal fundida para almacenar la energía térmica captada del sol y luego convertirla y enviarla como energía eléctrica. El sistema bombea sal fundida a través de una torre u otros conductos especiales para ser calentados 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 . [95]
En el almacenamiento de vehículo a red , los vehículos eléctricos que están conectados a la red de energía pueden entregar 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 . [103] 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, el almacenamiento térmico se utilizó en más de 3300 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. [98]
La técnica más popular es el almacenamiento de hielo , que requiere menos espacio que el agua y es más barata 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 su almacenamiento y durante el día enfrían el agua. El agua que circula a través del hielo que se derrite aumenta la producción de agua fría. Tal sistema produce hielo de 16 a 18 horas al día y derrite hielo durante seis horas al día. Los gastos de capital se reducen porque las enfriadoras pueden tener solo entre un 40% y un 50% del tamaño necesario para un diseño convencional sin almacenamiento. El almacenamiento suficiente para almacenar el calor disponible de medio día suele ser adecuado.
Un sistema de almacenamiento completo apaga las enfriadoras durante las horas pico de 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. [104] Los sistemas de enfriamiento fuera de las horas pico pueden reducir los costos de energía. El US Green Building Council ha desarrollado el programa de 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. [105]
El almacenamiento térmico para calefacción es menos común que para refrigeración. Un ejemplo de almacenamiento térmico es el almacenamiento de calor solar que se utilizará para calentar durante la noche.
El calor latente también se puede almacenar en materiales técnicos de cambio de fase (PCM). Estos pueden encapsularse en paneles de pared y techo, a temperaturas ambiente moderadas.
Transporte
Los combustibles de hidrocarburos líquidos son las formas de almacenamiento de energía más comúnmente utilizadas para su uso en el transporte , seguidas de un uso creciente de vehículos eléctricos de batería y vehículos eléctricos híbridos . Se pueden utilizar otros portadores de energía como el hidrógeno para evitar la producción de gases de efecto invernadero.
Los sistemas de transporte público como tranvías y 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 hay una mayor demanda de electricidad y el acceso a otras formas de energía no está fácilmente disponible. [106] Las próximas transiciones en el sistema de transporte también incluyen, por ejemplo, transbordadores y aviones, donde el suministro de energía eléctrica se investiga como una alternativa interesante. [107]
Electrónica
Los condensadores se utilizan ampliamente en circuitos electrónicos para bloquear la corriente continua mientras permiten el paso de la corriente alterna . En las redes de filtros analógicos , suavizan la salida de las fuentes de alimentación . En los circuitos resonantes , sintonizan radios a frecuencias particulares . En los sistemas de transmisión de energía eléctrica , estabilizan el voltaje y el flujo de energía. [108]
Casos de uso
La base de datos internacional de almacenamiento de energía del Departamento de Energía de los Estados Unidos (IESDB) 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 Sandia National Labs . [109]
Capacidad
La 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 de la placa de identificación de la central eléctrica ; cuando el almacenamiento es de tipo primario (es decir, térmico o de agua bombeada), la producción se obtiene únicamente con el sistema de almacenamiento integrado de la planta de energía. [110] [111]
Ciencias económicas
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. [112]
Además, los SEE se ven afectados por varios riesgos, por ejemplo: [113]
1) Riesgos tecnoeconómicos, que están relacionados con la tecnología específica;
2) Riesgos de mercado, que son los factores que afectan el sistema de suministro eléctrico;
3) Riesgos normativos y de política.
Por lo tanto, las técnicas tradicionales basadas en el Flujo de Caja Descontado (DCF) determinista para la valoración de la inversión no son totalmente adecuadas para evaluar estos riesgos e incertidumbres y la flexibilidad del inversor para afrontarlos. Por lo tanto, la literatura recomienda evaluar el valor de los riesgos y las incertidumbres a través del Análisis de opciones reales (ROA), que es un método valioso en contextos inciertos. [113]
La valoración económica de las aplicaciones a gran escala (incluido el almacenamiento hidroeléctrico bombeado y el aire comprimido) considera beneficios que incluyen: evitar restricciones , evitar la congestión de la red, arbitraje de precios y suministro de energía libre de carbono. [98] [114] [115] En una evaluación técnica realizada por el Carnegie Mellon Electricity Industry Center , los objetivos económicos podrían cumplirse utilizando baterías si su costo de capital fuera de $ 30 a $ 50 por kilovatio-hora. [98]
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 la tecnología de almacenamiento energéticamente. Para las baterías de iones de litio, esto es alrededor de 10, y para las baterías de plomo ácido es alrededor de 2. Otras formas de almacenamiento, como el almacenamiento hidroeléctrico por bombeo, generalmente tienen un ESOI más alto, como 210. [116]
Investigar
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 tejados, según un representante de la Asociación Alemana de Almacenamiento de Energía. [117]
Siemens AG encargó la apertura de una planta de investigación y producción 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 entre la universidad y la industria en Stuttgart, Ulm y Widderstall, con 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 Adquisición de Datos y Control de Supervisión (SCADA). Su objetivo es permitir la expansión de la producción de baterías recargables con mayor calidad y menor costo. [118] [119]
Estados Unidos
En 2014, se abrieron centros de investigación y pruebas para evaluar las 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 . [120] El laboratorio fue creado como parte del recién inaugurado Wisconsin Energy Institute de la universidad . Sus objetivos incluyen la evaluación de baterías de vehículos eléctricos de última generación y de última generación , incluido su uso como complementos de la red. [120]
El estado de Nueva York presentó su Centro de Comercialización y Pruebas 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 su laboratorio de casi 1.700 m 2 . El centro incluye el Center for Future Energy Systems, 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 destinadas a uso comercial. [121]
El 27 de septiembre de 2017, los senadores Al Franken de Minnesota y Martin Heinrich de Nuevo México introdujeron la Ley de Almacenamiento de Redes Avanzadas (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. [122]
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 con el fin de ayudar en la coordinación de la investigación y el desarrollo de la tecnología de almacenamiento de energía. [123] [124]
Ver también
- Uso eficiente de la energía
- Almacenamiento de energía como servicio (ESaaS)
- Almacenamiento de energía de la red
- Sistema híbrido de energía renovable
- Lista de centrales eléctricas de almacenamiento de energía
- Esquema de energía
- Poder-a-X
- Transmisión de potencia
- Energía renovable
- Energía renovable variable
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Otras lecturas
Revistas y artículos
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Libros
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- Díaz-González, Franscisco (2016). Almacenamiento de energía en sistemas eléctricos . Reino Unido: John Wiley & Sons. ISBN 9781118971321.
enlaces externos
- Departamento de Energía de EE. UU. - Sistema de almacenamiento de energía Centro de investigación gubernamental sobre tecnología de almacenamiento de energía.
- Departamento de Energía de EE. UU. - Base de datos internacional de almacenamiento de energía La base de datos internacional de almacenamiento de energía del DOE proporciona información gratuita y actualizada sobre proyectos de almacenamiento de energía conectados a la red y las políticas estatales y federales pertinentes.
- Número especial de IEEE sobre almacenamiento masivo de energía
- IEA-ECES - Agencia Internacional de Energía - Programa de Conservación de Energía a través de Conservación de Energía.
- Glosario de administración de información energética