Por Steven Shackell
La tecnología de las baterías data de hace 2000 años. Descubierta en la década de 1930 en el actual Irak, la batería de Bagdad, también conocida como batería parta, consta de una vasija de arcilla, un cilindro de cobre y una varilla de hierro que probablemente actuaban como electrodos cuando se combinaban con una solución electrolítica como el vinagre. Si bien algunos investigadores aún debaten acerca de su utilización, este podría ser uno de los primeros ejemplos de un sistema de almacenamiento de energía.
Todavía estamos trabajando para perfeccionar esa tecnología y competimos para crear un almacenamiento de energía eficiente a largo plazo que abarque desde baterías a nivel de placa hasta almacenamiento hidroeléctrico a nivel de megaredes. Este artículo examina los avances en el almacenamiento de la energía y los modernos sistemas de baterías en una variedad de aplicaciones.
Almacenamiento de energía a nivel de placa
Pequeños sistemas de almacenamiento de energía en baterías
Las baterías alimentan la mayoría de los dispositivos electrónicos portátiles modernos. Las pilas de litio tipo "botón", como la CR2032 de BeStar Technologies, son la principal fuente de energía para relojes, luces pequeñas, calculadoras, abridores de puertas de garaje, llaveros de automóviles, podómetros y muchos más dispositivos electrónicos compactos. Las baterías pequeñas varían mucho y tienen diferentes factores de forma. Un tamaño común como CR2032 almacena alrededor de 230 mAh de energía.
Las baterías de iones de litio son un elemento esencial del almacenamiento de energía a pequeña escala y representan más del 34 % de la cuota de mercado de la electrónica de pequeños artículos. Sus ventajas sobre las baterías de plomo-ácido, alcalinas e hidruro metálico de níquel incluyen mayor densidad de potencia, peso más ligero, vida útil más extensa y sensibilidad a la temperatura limitada.
Almacenamiento de energía en condensadores
Los supercondensadores representan un ámbito más nuevo de dispositivos de almacenamiento de energía y ahora se utilizan en aplicaciones que requieren almacenamiento y liberación rápidos de energía. Debido a que los supercondensadores pueden almacenar grandes cantidades de energía a tensiones relativamente bajas y alta capacitancia, tienen unas cuantas ventajas sobre el almacenamiento en baterías.
Los supercondensadores tienen una vida útil mucho más extensa que las baterías. Una pila común de iones de litio puede completar entre 500 y 10 000 ciclos, mientras que los supercondensadores pueden tolerar entre 100 000 y un millón de ciclos. Los supercondensadores, como los de la serie NEDL, pueden cargarse casi mil veces más rápido que los sistemas de baterías de capacidad similar. Por desgracia, los supercondensadores pueden perder hasta un 20 % de su carga por día debido a la autodescarga, por lo que no son ideales para sistemas de almacenamiento de energía a largo plazo.
Sistemas de almacenamiento de energía a nivel de red
Almacenar grandes cantidades de energía (más de 1 kWh) requiere sistemas dedicados que varían de manera considerable en tamaño y capacidad. A continuación, se muestran varios ejemplos de sistemas de almacenamiento de energía a nivel de red que ofrecen almacenamiento a escala, a corto y largo plazo.
Almacenamiento residencial de energía en baterías
Quizás la forma más reconocible de sistemas de almacenamiento de energía a nivel de red sean los sistemas de baterías residenciales, los cuales pueden usarse como fuentes de energía de respaldo para uso domiciliario. Los dispositivos como Tesla Powerwall y LG Chem RESU suelen combinarse con montajes de paneles solares a fin de captar el exceso de energía para su uso posterior.
Si bien la tecnología de baterías de iones de litio se utiliza en el 34 % de los dispositivos electrónicos pequeños, esta representa más del 90 % de la tecnología utilizada en sistemas de almacenamiento de energía en baterías a gran escala, según el Instituto EESI. La tecnología de iones de litio está tan ampliamente adoptada y tiene tanto impacto que el Premio Nobel de Química de 2019 fue otorgado a John B. Goodenough, Stanley Whittingham y Akira Yoshino por su contribución a dicha tecnología. Los sistemas de baterías de iones de litio pueden almacenar hasta 100 MW de electricidad, tienen una densidad de potencia de 200 a 400 Wh/litro y pueden alcanzar hasta un 95 % de eficiencia.
Almacenamiento de energía térmica
Existen varios tipos de dispositivos de almacenamiento de energía térmica, lo que incluye sales fundidas, sistemas de almacenamiento de hielo, tanques de agua caliente y sistemas de almacenamiento de energía térmica en acuíferos (ATES), que utilizan la temperatura (entropía) para almacenar energía. En muchos casos, el exceso de calor se almacena en materiales térmicamente conductores y luego, se recupera para generar electricidad.
Por ejemplo, las instalaciones de almacenamiento de energía en sales fundidas (MSES) se usan en aplicaciones comerciales para el almacenamiento de energía a corto plazo. En MSES, las sales fundidas se calientan a más de 1000 °F y se almacenan en contenedores aislados. Cuando se necesita energía, se bombea agua fría a través de la sal fundida para crear vapor, que luego pasa a través de turbinas para generar electricidad. Por lo general, estos sistemas pueden almacenar hasta 150 MW, tienen una densidad energética de 70 a 210 Wh/litro y pueden tener una eficiencia de hasta el 90 %.
Sistemas de almacenamiento de energía de aire comprimido
La presión también se puede utilizar para almacenar energía potencial. Los sistemas de almacenamiento por aire comprimido (CAES) utilizan electricidad para bombear aire a gran profundidad en orificios sellados que pueden soportar alta presión. Este aire a alta presión luego se puede calentar y pasar a través de una turbina de aire para generar electricidad.
Una ventaja de CAES es que se pueden utilizar para sistemas de almacenamiento de energía a medio y largo plazo. Solo existen algunos sistemas CAES en todo el mundo, pero sus capacidades de almacenamiento de energía son enormes, las cuales oscilan entre 110 MW y 315 MW al mismo tiempo que alcanzan una eficiencia del 70 %. Están previstos varios sistemas CAES más en Estados Unidos, Canadá, China, Australia, Alemania y otras partes de Europa. En teoría, los sistemas CAES de menor escala podrían usarse con fines residenciales, pero aún no han llegado al mercado.
Energía hidroeléctrica por bombeo
En la actualidad, la forma de almacenamiento de energía de mayor capacidad disponible es la energía hidroeléctrica de almacenamiento por bombeo (PSH). Estas plantas de almacenamiento de energía a gran escala utilizan la gravedad para almacenar electricidad. Los sistemas de PSH bombea agua mediante electricidad desde una elevación baja hacia una elevación más alta donde se puede almacenar. Cuando se necesita electricidad, el agua se devuelve a la piscina de menor elevación a través de turbinas, lo que genera electricidad de forma muy similar a una represa hidroeléctrica.
Leyenda: Central de almacenamiento por bombeo de Kruonis en Lituania
Los sistemas de almacenamiento de energía hidroeléctrica por bombeo pueden tener diferentes tamaños. Por ejemplo, una nueva instalación de PSH en Walpole, Australia Occidental, puede almacenar 1,5 MW de electricidad, lo que es suficiente para alimentar 500 hogares durante dos días. Mientras tanto, el sistema de almacenamiento de energía PSH más grande del planeta se encuentra en el condado de Bath, Virginia, y puede generar más de 3000 MW con una capacidad total de almacenamiento de 24 000 MWh. Esta energía almacenada equivale a 34 700 millones de baterías de iones de litio CR2032.
Los sistemas de PSH son los sistemas de almacenamiento de energía más grandes que se han utilizado en la era moderna. Sin embargo, su densidad energética es una de las más bajas de todas las soluciones de almacenamiento, ya que oscila entre 0,2 y 2 vatios-hora por litro; es decir, una doscientosava parte (1/200) de una batería de litio. Almacenar la misma cantidad de energía dentro de una batería de litio común requiere 200 veces el área total de un sistema de PSH. A pesar de su requerimiento de superficie cuadrada, los sistemas de PSH aún alcanzan eficiencias del 85 %.
Modernos sistemas de almacenamiento de energía
Hoy en día, existe una gran diversidad en la tecnología de almacenamiento de energía. Ya sea que estos sistemas dependan de la presión, la gravedad, el potencial químico, el potencial térmico o la capacitancia, todos tienen el mismo propósito: estabilizar y suministrar alimentación según la demanda de energía en una variedad de escalas. Desde pequeñas aplicaciones a nivel de placa, como la electrónica portátil, hasta sistemas a gran escala a nivel de red que permiten integraciones con energías renovables, cada una de estas tecnologías representa modernas soluciones para el almacenamiento de energía. Aunque los sistemas de almacenamiento de energía con baterías de iones de litio representan las aplicaciones más comunes, el panorama está evolucionando en busca de soluciones más eficientes, rentables y respetuosas con el medio ambiente.
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