Por Steven Shackell
A pesar de nuevas eficiencias, el consumo de electricidad a nivel mundial sigue en aumento. La infraestructura de generación y almacenamiento de energía también debe aumentar. Metodologías de almacenamiento de energía como la hidroeléctrica por bombeo, baterías, bancos de capacitores y volantes de inercia se usan actualmente a nivel de red para almacenar energía. Cada tecnología tiene varios beneficios y restricciones relacionados con la capacidad, la velocidad, la eficiencia y el costo.
Otra tecnología emergente, el almacenamiento de energía en imanes superconductores (SMES, por sus siglas en inglés), es prometedora en avances en el almacenamiento de energía. SMES podría revolucionar la manera en que transferimos y almacenamos energía eléctrica. Este artículo explora la tecnología SMES para identificar lo que es, cómo funciona, cómo se puede usar y cómo se compara con otras tecnologías de almacenamiento de energía.
¿Qué es el almacenamiento de energía en imanes superconductores?
SMES es una tecnología de almacenamiento de energía avanzada que, al más alto nivel, almacena energía de manera similar a una batería. Energía externa carga el sistema SMES donde se almacenará; cuando se necesite, esa misma energía se puede descargar y usar de manera externa. Sin embargo, los sistemas SMES almacenan energía eléctrica en la forma de un campo magnético mediante el flujo de CC en una bobina. Esta bobina se compone de un material superconductor con resistencia eléctrica cero, lo que hace que la creación del campo magnético sea perfectamente eficiente. Luego que se carga la bobina superconductora, la CC de la bobina funcionará continuamente sin ninguna pérdida de energía, lo que permitirá que la energía se almacene perfectamente de manera indefinida hasta que el sistema SMES se descargue intencionalmente. Esta alta eficiencia permite a los sistemas SMES contar con eficiencias de extremo a extremo de más de 95 %.
¿Cómo funciona un sistema de almacenamiento de energía en imanes superconductores?
La tecnología SMES depende de los principios de superconductividad e inducción electromagnética para brindar una solución de almacenamiento de energía eléctrica de vanguardia. El almacenamiento de energía de CA desde una fuente de energía externa requiere un sistema SMES para convertir primero toda la energía de CA a energía de CC. De manera interesante, la conversión de energía es la única parte de un SMES que no es perfectamente eficiente, lo que representa toda la pérdida total del sistema.
La energía de CC luego pasa por el cable superconductor para generar un gran campo electromagnético, el que en última instancia se usa para almacenar esta energía. Los materiales superconductores tienen cero resistencia eléctrica cuando se enfrían por debajo de la temperatura crítica; este es el motivo por el cual los sistemas SMES no tienen reducción o pérdida de almacenamiento de energía, a diferencia de otros métodos de almacenamiento.
Demostración de una geometría de solenoide que genera un campo electromagnético
El cable superconductor se enrolla de manera precisa en una geometría toroidal o de solenoide, como otros dispositivos de inducción comunes, para generar el campo magnético de almacenamiento. A medida que crece la cantidad de energía que se debe almacenar en el sistema SMES, también debe hacerlo el tamaño y la cantidad de cable superconductor. Por ejemplo, un proyecto de SMES de gran envergadura en Norteamérica se presentó conceptualmente con capacidad de almacenamiento de 2400 MW y con un anillo de almacenamiento de diez kilómetros de diámetro, enterrado bajo tierra.
La ventaja de los sistemas de almacenamiento de energía en imanes superconductores (SMES)
La característica que define los sistemas SMES es su imbatible eficiencia. Se desperdicia una energía mínima en el proceso de almacenamiento de energía. Los sistemas SMES tienen una eficiencia de extremo a extremo cercana al 100 %, mientras que las baterías de iones de litio oscilan entre el 80 % y el 90 %, y el almacenamiento hidroeléctrico por bombeo presenta una eficiencia del sistema que oscila entre el 70 % y el 85 %. En aplicaciones donde la energía puede ser intermitente o dispersa, como una microrred rural o un satélite de gran volumen, la conservación de energía puede ser primordial, y puede ser necesaria la maximización de la eficiencia del almacenamiento, incluso si cuesta más al inicio.
Además, los sistemas SMES presentan tiempos de respuesta rápidos para cargar y descargar, lo que los hace candidatos ideales para aplicaciones que requieran la distribución y estabilización de energía rápida y precisa. Por ejemplo, la fabricación de semiconductores o establecimientos médicos se benefician en gran medida de los sistemas SMES, ya que sus equipos pueden generar grandes sobretensiones que un sistema SMES puede reparar con facilidad, incluso si se compara con los sistemas de baterías de iones de litio de alto rendimiento.
Las desventajas de los sistemas de almacenamiento de energía en imanes superconductores
Los sistemas SMES tienen costos iniciales muy altos en comparación con otras soluciones de almacenamiento de energía. Los materiales superconductores son costosos de fabricar y requieren un sistema de enfriamiento criogénico para lograr y mantener un estado de superconducción del material de la bobina.
Los superconductores como el óxido de cobre de bario con itrio (YBCO) y el óxido de cobre de calcio con estroncio y bismuto (BSCCO) se crean mediante intrincadas técnicas de síntesis que usan materias primas de alta pureza, lo que los hace mucho más costosos de fabricar que los cables tradicionales. Adicionalmente, el YBCO y BSCCO tienen puntos críticos a 93 K (-292,3 F) y 110 K (-261 F) de presión atmosférica, lo que significa que solo son superconductores cuando se mantienen a temperaturas muy bajas y requieren sistemas criogénicos complejos para crear tales ambientes.
Además, los sistemas SMES están limitados en su escalabilidad. Aparte de los costos iniciales no escalables, los sistemas SMES tienen altos requisitos de mantenimiento y la capacidad de almacenamiento no se puede aumentar fácilmente. En contraste, los sistemas de almacenamiento de baterías de iones de litio se pueden conectar fácilmente, mientras que la combinación de dispositivos SMES requiere escalar la infraestructura de enfriamiento criogénico de su tipo.
¿Es el almacenamiento de energía en imanes superconductores el futuro de la infraestructura energética?
Si bien SMES ofrece una increíble ventaja única por sobre otras aplicaciones de almacenamiento de energía y es una tecnología verdaderamente de vanguardia, es improbable que SMES se adopte ampliamente en la mayoría de las aplicaciones de almacenamiento de energía en el futuro cercano. Actualmente, los materiales superconductores están limitados en sus capacidades y suministros. Las tecnologías actuales requieren temperaturas criogénicas para exhibir superconductividad y aún no se ha logrado la producción masiva de superconductores con capacidad de red.
Sin embargo, los físicos trabajan para descubrir nuevos materiales superconductores para alta temperatura que algún día puedan permitir la superconductividad a temperatura ambiente. Si esto se logra y el material se puede producir en masa, la eficiencia y el rendimiento de los SMES probablemente impulsarán la adopción en el mercado antes que otras tecnologías. Los avances en los materiales superconductores, las tecnologías criogénicas y las estrategias de reducción de costos podrían mejorar drásticamente la competitividad de los sistemas SMES; sin embargo, hoy en día, están restringidos a la investigación e infraestructuras energéticas de nicho.
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