Los circuitos de potencia siempre desempeñaron un papel esencial en la electrónica, pero el uso cada vez mayor de energía renovable y la necesidad de soluciones de almacenamiento de energía podrían ayudar a acelerar el desarrollo de dispositivos de potencia existentes. ¿Por qué la energía renovable tiene problemas de almacenamiento? ¿Cómo podría resolverse este desafío con vehículos eléctricos? ¿Cómo esto podría impulsar al sector de los dispositivos de potencia?
¿Por qué el almacenamiento de energía es un gran problema para las fuentes de energía renovable?
Durante las últimas décadas, los gobiernos sintieron una enorme presión para eliminar de a poco los combustibles fósiles en favor de las fuentes de energía renovable, como la energía solar, eólica e hidroeléctrica. Inicialmente, esta motivación para inclinarse hacia los combustibles de energía renovable venía del deseo de reducir emisiones de CO2 relacionadas con el cambio climático. Sin embargo, durante los últimos dos años se introdujeron dos nuevos factores que, probablemente, hayan tenido un impacto mucho mayor que cualquier cantidad de cambio climático: el dinero y la guerra.
La pandemia del COVID del 2020 impactó fuertemente la economía global, lo que resultó en mayores costos de vida, tasas de interés en aumento y desafíos para la cadena de suministro. Luego, a principios del 2022, la guerra entre Rusia y Ucrania causó que muchos países de todo el mundo dejaran de recibir suministros de Rusia, y esto generó enormes aumentos en los precios de la energía (especialmente en los países europeos que dependían del combustible ruso).
Es por eso que la idea de independencia energética generó más interés entre los países occidentales, y las fuentes de energía renovable son una opción viable. Aunque los precios de los paneles solares se redujeron de forma significativa y las eficiencias energéticas de los sistemas renovables aumentaron drásticamente, todavía tienen un gran desafío: la disponibilidad de potencia.
Los paneles solares operan con mayor efectividad cuando hay sol, y los molinos de viento funcionan mejor durante los días ventosos, lo que significa que la energía de recursos renovables cambia mucho de un día al otro. Lo que es peor, el consumo de energía en las regiones del norte (Canadá, Reino Unido, etc.) suele ser más bajo hacia el mediodía y subir a un punto máximo durante la noche (especialmente en invierno, cuando se necesita usar calefacción). Sin embargo, los paneles solares producen su potencia pico durante los momentos opuestos.
En la actualidad, las redes de energía eléctrica no pueden almacenar potencia, lo que significa que cualquier energía adicional que se genere se desperdicia, y esto es lo que hace que las fuentes de energía renovables sean extremadamente poco confiables y demasiado caras. Para echar más leña al fuego, la poca confiabilidad de la energía renovable hace que no puedan existir redes de energía eléctrica que contengan un 100 % de energía renovable, por lo que requieren un enorme respaldo de combustibles fósiles que puedan satisfacer demandas repentinas de energía.
Para resolver este desafío, los investigadores están analizando métodos para crear soluciones de almacenamiento de energía que puedan guardar sobrantes de energía renovable durante los momentos de máxima producción y alimentar con ella la red durante momentos de baja producción de energía renovable. Una solución prometedora es usar baterías enormes, ya que tienen densidades de alta energía (lo que significa que ocupan poco lugar en comparación con otras soluciones de almacenamiento de energía) y pueden liberar cantidades sustanciales de energía rápidamente. Pero el enorme costo de estos sistemas de baterías, en combinación con su inflamabilidad, siguen presentándoles desafíos a los ingenieros.
¿Cómo podrían resolver el problema los vehículos eléctricos?
Una idea radical con la que los investigadores están experimentando es utilizar vehículos eléctricos como una enorme batería de red virtual en lugar de utilizar grandes instalaciones especializadas. Explicado de manera más sencilla, los vehículos eléctricos que se enchufan en las tomas podrían diseñarse no solo para obtener potencia para la carga, sino también para devolverle potencia a las tomas durante momentos de alta demanda. Si suponemos que los puntos de carga eléctrica se volverán más prevalentes en la sociedad, y que un vehículo eléctrico estacionado pasa la mayor parte del tiempo conectado a la toma, esta técnica podría resolver el desafío del almacenamiento de energía sin necesitar inversiones adicionales en tecnologías de red ni grandes instalaciones de almacenamiento.
Para incentivar a los propietarios de vehículos eléctricos, los vehículos registrados que usen un número serial único medirían la cantidad de energía que ingresa y sale de la batería para uso en la red eléctrica, y esto se traduciría en una tarifa que se le pagaría al propietario del vehículo eléctrico. Además, las tarifas de energía en tiempo real les permitirían a los vehículos cargarse durante la producción de potencia pico cuando la energía está en su momento más económico, y devolver la potencia a la red eléctrica cuando los precios de la energía están en su punto más alto.
Aunque esto puede sonar como una idea prometedora, la realidad de un sistema como este presenta muchos desafíos que los ingenieros tendrían que enfrentar. En primer lugar, el sistema de tarifas de energía en tiempo real requiere API que les permitan a los dispositivos de IoT solicitar precios de energía en tiempo real cuyo valor esté determinado por la producción de potencia en tiempo real. Esto significaría que los dispositivos que almacenan y generan potencia necesitarían registrar su salida con marcas de tiempo para probar que realmente generaron esa potencia en ese momento.
El segundo desafío es que un sistema de carga de un vehículo así sería algo complejo debido a la necesidad de capacidades bidireccionales (es decir, potencia de contrafase). Además, los vehículos eléctricos enchufados en el sistema no deben permitir que su energía almacenada baje de un nivel definido por el usuario, porque si no se sacrificaría el rango del vehículo eléctrico y se reduciría la vida útil de la batería (suponiendo que tenga una cantidad limitada de ciclos de carga).
No son solo las energías renovables, las baterías también se están volviendo cada vez más comunes
Aunque los vehículos eléctricos y el almacenamiento de energía para redes eléctricas están generando grandes avances en el desarrollo de tecnología de baterías, la continua integración de la electrónica en dispositivos de uso diario también presenta nuevas oportunidades para el uso de baterías y soluciones de administración de baterías. La necesidad de dispositivos más pequeños es un desafío muy particular para los ingenieros, ya que las baterías pueden ser los componentes más pesados y grandes de un dispositivo, por lo que reducir el tamaño de la batería puede reducir significativamente el peso y el tamaño. Pero, al hacer esto, se reduce su capacidad general, lo que se traduce directamente en una vida útil mucho menor. Por esta razón, los ingenieros deberán tratar de desarrollar técnicas de ahorro de energía para minimizar el consumo de energía, además de utilizar los componentes específicamente diseñados para el funcionamiento de las baterías (p. ej., usar un procesador móvil en lugar de un procesador de escritorio).
Las computadoras portátiles y los teléfonos inteligentes son un ejemplo notable. Aunque son cada vez más pequeños físicamente y consumen cada vez menos energía, el rendimiento de su batería y de su procesador siguen aumentando. Esto solo es posible gracias a los avances en la tecnología de semiconductores, en la que el tamaño cada vez menor de los transistores y la tensión reducida de la compuerta resulta en un menor consumo de energía.
¿Qué desafíos se les presentan a los avances del almacenamiento de energía?
Hasta ahora, hemos hablado de cómo las fuentes de energía renovable están sufriendo en gran medida por la falta de soluciones de almacenamiento de energía, cómo los vehículos eléctricos podrían ser la solución para el almacenamiento de energía renovable y cómo los dispositivos electrónicos de uso cotidiano están ayudando a mejorar las tecnologías de baterías; pero, ¿qué desafíos existen para las soluciones de almacenamiento de energía en lo que respecta a la implementación técnica?
En primer lugar, cualquier sistema de baterías compuesto de múltiples celdas debe garantizar que la carga se distribuya por igual. Aunque esto no es problema para las baterías con unas pocas celdas, los sistemas más grandes que suelen encontrarse en los vehículos eléctricos y en las instalaciones de almacenamiento a gran escala pueden tener cientos (si no miles) de celdas individuales. El número resultante de conectores de celdas, los IC necesarios para leer cada celda y la administración de algoritmos pueden hacer que esos sistemas sean extremadamente complejos de construir y mantener.
En segundo lugar, las baterías almacenan energía como tensión de CC en lugar de tensión de CA, lo cual es un problema tanto para cargar como para descargar. La conversión de CA a CC y viceversa debe hacerse de la manera más eficiente posible para minimizar la pérdida de energía. La necesidad de un sistema de conversión bidireccional también presenta complejidades de los circuitos y problemas de seguridad, especialmente al lidiar con sistemas eléctricos que pueden alimentar un circuito desde muchas fuentes (esto suele requerir tableros de fusibles y conmutadores para un aislamiento correcto).
En tercer lugar, los grandes sistemas de baterías usados en aplicaciones de redes eléctricas definitivamente lidiarán con grandes tensiones y corrientes. Además, la gran cantidad de energía que se almacena no solo requerirá componentes que puedan tolerar tales condiciones, sino que también se deben integrar medidas de seguridad para evitar el daño a las baterías. Por ejemplo, consumir mucha corriente de una batería hará que esta se sobrecaliente, lo que suele generar un riesgo grave de que se incendie. Considerando que la mayoría de las baterías de alta energía se basan en el litio, este incendio podría volverse una catástrofe muy rápidamente y generar un efecto de fuga térmica en el que las baterías cercanas también fallen.
En cuarto lugar, los sistemas de baterías más nuevos ofrecen tiempos de carga más rápidos, lo que aumenta de manera significativa la corriente de carga, y esto requiere un circuito de potencia que pueda manejar corrientes más grandes. El tamaño de un componente es proporcional a la corriente que puede manejar, por lo que las baterías de carga rápida necesitarán circuitos físicamente más grandes. Además, una corriente mayor hará que el efecto de calentamiento sea también mayor, y este calor adicional debe abordarse apropiadamente o existirá un riesgo de incendio.
¿Cómo acelerará la industria de almacenamiento de energía al desarrollo de la industria de dispositivos de potencia?
En lo que respecta al almacenamiento de energía, los dispositivos de potencia desempeñan un papel esencial, ya sea para la carga, la conmutación de corriente o el monitoreo de la tensión de la celda. Los problemas que cubrimos hasta ahora le presentarán a la industria de los dispositivos de potencia oportunidades clave para el avance y la integración.
La primera y, probablemente, la más importante es la necesidad de mayor eficiencia en los conversores de potencia. Incluso si un conversor tiene un 95 % de eficiencia, el 5 % de un número grande sigue siendo excepcionalmente mucho, y esto no solo se traduce en energía perdida, sino que esa energía perdida casi siempre sale en forma de calor. Por ejemplo, una instalación de almacenamiento de batería de 1 GW que tiene un 95 % de eficiencia tendrá un desperdicio de energía de 50 MW de energía a través de cables, componentes y unidades de almacenamiento. Aumentar la eficiencia tan solo un 1 % podría darles electricidad a 20 000 hogares más.
Además, los gobiernos de todo el mundo aprueban cada vez más leyes con requisitos de eficiencia energética para los dispositivos de los consumidores y los electrodomésticos. Por esta razón, la demanda de conversores y amplificadores de potencia más eficientes también aumentará, ya que los ingenieros están obligados a exprimir cada vatio de energía adicional que puedan con cada diseño.
La demanda constante de dispositivos más pequeños con mayor duración de la batería y mejor rendimiento también ayudará a acelerar el desarrollo de nuevos amplificadores de potencia y conversores de potencia. Como se discutió anteriormente, reducir el tamaño de la batería es una de las mejores formas de reducir el peso de un producto, pero esto tiene el costo de reducir la capacidad de la batería. Los procesadores con uso eficiente de energía pueden ayudar a extender la vida útil de una batería, pero esto tiene un costo: un menor rendimiento. En consecuencia, el uso de amplificadores y conversores de potencia de alta eficiencia permiten un diseño que use un procesador más potente, ya que, de otra forma, se perdería mucha energía en su conversión, energía que podría usarse para el procesamiento.
Otra área que puede ayudar a acelerar el desarrollo de los amplificadores y los conversores de potencia es el área de los recolectores de energía. El uso cada vez mayor de dispositivos de IoT en áreas remotas en las que no existen fuentes de energía requiere que estos dispositivos generen su propia energía. Los recolectores de energía pueden proporcionarla, pero las pequeñas cantidades de las energías involucradas hace que los conversores de potencia de los recolectores de energía deban ser lo más eficientes posible para minimizar la pérdida.
Los dispositivos de energía usados en redes eléctricas definitivamente lidiarán con tensiones y corrientes muy grandes. Aunque los semiconductores tradicionales han podido funcionar en estos entornos en el pasado, la introducción de nuevas tecnologías de potencia, como SiC y GaN, les presenta a los ingenieros unos diseños modernos revolucionarios con tensiones operativas significativamente mayores, eficiencias más altas y diseños más pequeños. La combinación de tolerancia a mayores tensiones y un menor tamaño físico también les ofrecen oportunidades a los vehículos eléctricos y a otros dispositivos portátiles de alta tensión gracias a su peso reducido y sus grandes capacidades de administración de la potencia.
Finalmente, los dispositivos involucrados en situaciones de alta confiabilidad (como las baterías de red de gran escala) podrían incluso integrar soluciones inteligentes para un monitoreo de potencia avanzado y una mayor protección del dispositivo. Por ejemplo, un pequeño microcontrolador con un procesador de IA incorporado podría integrarse en un amplificador de potencia y proporcionar un monitoreo en vivo de la corriente y la tensión. A diferencia de los métodos de protección de dispositivos tradicionales, un sistema como este podría ofrecer protección predictiva y defender al dispositivo de los comportamientos anormales. Esto también podría usarse para indicarle a un anfitrión central que hay un posible problema antes de que el daño esté hecho.
Conclusión
A medida que sigue creciendo la importancia del almacenamiento de energía y de la eficiencia energética, también lo hace la importancia de los conversores y los amplificadores de potencia. El sector de la energía renovable tiene un problema importante con respecto al almacenamiento de energía, y a menos que puedan construirse baterías a gran escala, los ingenieros podrían tener que utilizar los vehículos eléctricos conectados a la red como grandes baterías virtuales. Por supuesto, estos sistemas de potencia requerirán de sistemas de suministro de potencia avanzados capaces de transferir energía de manera bidireccional con gran eficiencia mientras que minimizan el impacto en la vida útil de la batería.
Los dispositivos portátiles deberán continuar mejorando la eficiencia energética para que las baterías puedan ser cada vez más pequeñas físicamente, mientras que los recolectores de energía integrados en los diseños de IoT podrían presentarles a los amplificadores y conversores de potencia oportunidades reales de crecimiento.
Por último, el desarrollo de grandes sistemas de baterías usados por las redes eléctricas definitivamente necesitará de tecnologías de semiconductores, como SiC y GaN, y el enorme costo de estos sistemas podría fomentar el uso de amplificadores inteligentes que puedan ofrecer capacidades predictivas para adelantarse a los posibles daños antes de que ocurran.