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¿Sabes de cuántas formas se puede almacenar energía? Los avances en este terreno no son tan conocidos, pero serán decisivos para aprovechar al máximo los beneficios de las energías limpias.

Según datos de la Alianza Europea para el Almacenamiento de Energía, (European Energy Research Alliance), en la actualidad no existe una tecnología de almacenamiento única que cubra todas las necesidades en cuanto a la generación y administración de la energía limpia, pues el problema posee muchas variables, entre las que destacan los costos, los desafíos de instalación y mantenimiento, así como la dependencia a las fluctuaciones meteorológicas de cada recurso captable. Esta última cuestión presenta uno de los retos más difíciles. Es por eso que hallar el tipo de almacenamiento adecuado, con el menor impacto ambiental y una eficiencia que iguale la eficiencia de los métodos actuales, se ha vuelto uno de los aspectos más importantes para que el despliegue de nuevos sistemas de captación de energía renovable prospere en cada plano.

“La energía eléctrica no se puede almacenar como tal”, así lo declara la Agencia Internacional de Energía Renovable (Irena, por sus siglas en inglés) en su estudio Perspectivas de innovación de las redes renovables, 2016. En realidad, es necesario transformarla en otros tipos para que su almacenamiento sea viable: sea químico, mecánico, térmico o electromagnético. ¿Cuál es el mejor método? ¿Cuál, el que más vida útil y ciclos de recarga tiene? ¿Cuál, el más seguro?

Tecnologías electroquímicas prometedoras

Una de las primeras tecnologías de almacenamiento de la energía es la electroquímica, es decir, las baterías. Se trata de acumuladores de electricidad transformada en energía de reacción entre compuestos, los cuales tienen la capacidad de intercambiar electrones entre sí, los cuales, al pasar por un circuito, generan una corriente eléctrica. Cuando el efecto es contrario, un generador hace circular los electrones en sentido opuesto; entonces la batería se recarga de energía. La tecnología de las baterías de plomo ácido, las LAB (Lead-Acid Batteries), ha predominado durante décadas debido su costo y posicionamiento inicial, pero hoy, según el análisis de la doctora Linda Gaines, en su libro The Future of Automotive Lithium-Ion Battery Recycling: “las baterías de litio (LIB) están cerca de alcanzarlas y superar su demanda en el mercado, en unos años, y quizá de revolucionar el desempeño y costo de los autos eléctricos en bien del medioambiente”.

En este campo, y hasta 1990, las baterías de litio encontraron cabida en el mercado. Éstas se usan principalmente en dispositivos portátiles. En palabras del investigador de la Universidad Alemana Aachen, Gerhard Fuchs, publicadas en su estudio Technology Overview on Electricity Storage, “son las marcas asiáticas más establecidas quienes controlan la producción de estas baterías, como Samsung, Panasonic, Toshiba, Sony, etc.”. También la compañía Tesla basa en éstas su método de almacenamiento.

En la actualidad, las baterías de flujo están tomando fuerza y relevancia desde muchos puntos de vista. Por ahora, no están muy comercializadas, debido a que se utilizarían mayormente en vehículos eléctricos por su capacidad para responder a la demanda de energía, tan expresa como la de un motor de combustión. Tienen una longevidad de hasta 20 años y según el doctor mexicano en Química Inorgánica por la Universidad de Harvard, Raúl Hernández, “éstas tienen una ventaja comparativa muy grande sobre las baterías de litio o ácido-plomo cuando se trata de aplicaciones o usos estacionarios. Esto es porque la potencia y capacidad están desligadas, e incrementar una u otra puede llevarse a cabo de forma independiente. En la actualidad existe una gran cantidad de desarrollo técnico y científico para hacer de estas baterías una de las soluciones más viables para el almacenamiento masivo de energía a nivel global”.

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Su desventaja, al menos en estos días, radica en su costo, porque “la sola manufactura representa más de un 40% del precio total de una batería”, según lo revela el doctor en Ingeniería Química Vish Viswanathan, en las estimaciones que hizo para el Departamento de Energía de Estados Unidos, Costos, capital y compensaciones para las baterías de flujo Redox, 2015. No obstante, a esta premisa el doctor Raúl Hernández señala: “En la actualidad existen prototipos comerciales muy competitivos, es necesario de una producción en masa para poder empezar a reducir costos. Aunado a eso, existe todavía un gran campo desconocido respecto al potencial de baterías de flujo en sistemas no acuosos”.

Innovaciones

Entre las recientes innovaciones se presenta hoy una opción viable en costo y rendimiento con las llamadas baterías de reacción Redox, de vanadio, las cuales permiten acumular y liberar hasta 250 KW. No obstante, existe una polémica por el uso de este elemento altamente tóxico. Por otro lado, nuevas investigaciones señalan que las baterías de ion de sodio podrían desplazar a las antes mencionadas por su bajo costo de producción y su independencia a las temperaturas extremas. También, se ha desarrollado ya un modelo de batería de flujo de moléculas orgánicas, capaz de reducir su impacto contaminante en un porcentaje alto, pero según el doctor Raúl Hernández, “es un poco arriesgado predecir si en 5 o 10 años estaremos ya en condiciones idóneas para adoptar dicha tecnología en su totalidad. Lo que si es un hecho es que prototipos de estas baterías ya existen, pero como todo proceso de cambio, la adopción de esta tecnología va a comenzar cuando la demanda sea mayor y existan los incentivos comerciales, económicos y políticos para hacerlo”.

Alquimia del siglo XXI

Aquí, el tema es la electrólisis de hidrógeno. Este elemento ahora se puede tomar como un gestor energético para el almacenamiento de la energía captada en los parques eólicos. Es el más abundante del universo. El fin es producirlo por hidrólisis del agua, con la ventaja de que, si la electricidad proviene de fuentes renovables, constituye un portador energético que prácticamente carece de emisiones. Además, el hidrógeno puede ser reconvertido en electricidad. Este avance facilitará al máximo la penetración del recurso eólico a la red eléctrica. Pero, como toda propuesta, tendrá sus pros y contras. Algunos especialistas reconocen que, aunque la electrólisis de este elemento es un proceso maduro, aún sufre algunos problemas fundamentales; el doctor Ulf Bossel, en su análisis Does a hydrogen economy make sense?, los explica con claridad: “Ahora el costo es tan elevado que no encuentra mercado, lo que deja este proceso con una producción de 4% a nivel mundial”.

Los entusiastas en el tema señalan que hay aplicaciones destacadas para el hidrógeno, por lo que este elemento sustituirá la economía de combustibles fósiles; así lo apunta el ingeniero Kaveh Mazloomi en su libro Electrical Efficiency of Electrolytic Hydrogen Production: “Los motores de cuatro tiempos permiten aprovechar las características especiales que presenta el hidrógeno como combustible, que carece de toxicidad y no llega a formar ozono. Con un adecuado diseño, se puede conseguir un motor con un rendimiento energético mayor que el equivalente en gasolina y totalmente ecológico, más ligero que los autos eléctricos y sin más emisiones que vapor de agua y otros gases inofensivos para el medioambiente”.

Energía mecánica

En su estudio Perspectivas de innovación de las redes renovables, 2016, Irena afirma que: “La tecnología de almacenamiento de los volantes de inercia es considerada como muy eficiente, la más adecuada para el alto rendimiento, y se pretende que éstos sean los sustitutos de las baterías de alta potencia”. Esto, debido a que transforman la energía eléctrica y la almacenan como energía cinética; es decir que aumentan su velocidad de rotor conforme se incrementa la energía para almacenarla. Es la utilizada para suavizar la salida energética de turbinas eólicas con el fin de mejorar su estabilidad y alcanzar su máximo aprovechamiento. Los volantes de inercia permiten que la transferencia energética sea muy rápida (a diferencia de las baterías químicas, por ejemplo, las cuales, debido a las propiedades sintéticas de los elementos de los que están compuestas, requieren de un cierto tiempo de carga y descarga), de manera que han sido utilizados en ciclos mecánicos de requerimiento energético discontinuo, como en motores y compresores alternativos, prensas, troqueladoras, etc.

Los volantes de inercia pueden alcanzar los 10 MW de potencia. También tienen una vida útil muy larga y son altamente reciclables. Hay propuestas, según refiere la Alianza para la Electrificación Rural (ARE, por sus siglas en inglés), para crear volantes de inercia de grandes dimensiones para almacenar cantidades de energía eléctrica que alcancen los gigawatts. Asisimo, en datos de la Alianza Europea para la Investigación Energética, la empresa Beacon Power ha desarrollado un volante de inercia de fibra de carbono que no genera fricción y puede alcanzar más de 150 mil ciclos de carga.

Otra forma de almacenamiento mecánico es la compresión de aire. Dicha tecnología está limitada a los sitios subterráneos que requiere para su proceso. El almacenamiento por medio de aire comprimido (Compressed Air Energy Storage) es un método limpio y económico, ideal para aprovechar la energía eléctrica sobrante de los aerogeneradores, los cuales colectan más energía durante la noche para comprimir aire y almacenarlo en depósitos bajo tierra, como minas abandonadas, cuevas artificiales o mantos acuíferos. Posteriormente, en las horas pico, el aire almacenado se expande para mover un turbogenerador, pudiendo llegar a los 100 MW para los periodos de alta demanda energética.

Al calor de las masas

La energía solar térmica es más eficiente que la solar fotovoltaica porque la convierte directamente en electricidad. Su desventaja es que se trata de una tecnología de generación más costosa. Es la más eficiente, pues usa turbinas de vapor, otra tecnología limpia, que no disipa la energía y presenta un mínimo número de conversiones intermedias, o sea que se puede aprovechar casi toda la energía captada.

Mientras que las instalaciones generadoras proporcionan sólo 600 MW de energía solar térmica a nivel mundial, se están desarrollando otros proyectos de energía termosolar de concentración para conseguir un total de 14 gigavatios. Así lo explica Wim van Helden, consultor de energía térmica y agente operativo de la International Energy Agency (IEA), en su reporte para el Almacenamiento de energía térmica, aplicaciones y compactación. “Hoy en día, los centros de investigación en el desarrollo y mejora de los sistemas de almacenamiento térmico deben hacer un esfuerzo por implementar este sistema de generación de energía eléctrica limpia para las grandes industrias, porque una de sus ventajas, por encima de otros métodos, es que tiene una mayor posibilidad de almacenamiento de una forma eficiente y a un costo competitivo”. Por ejemplo, permiten un mejor ajuste entre la energía demandada por la red y la producida por la planta, al permitir almacenar energía térmica durante periodos de baja demanda para transformarla en electricidad cuando es requerida por la red. También permite operar la planta en condiciones más estables de funcionamiento y de mayor rendimiento, al amortiguar posibles efectos transitorios (como, por ejemplo, el paso de nubes).

En palabras del doctor Ignacio R. Martin Ramírez, ingeniero industrial mecánico, especializado en energía térmica e investigador en el área de energía solar en el Centro de Investigaciones de Materiales Avanzados (Cimav): “En cuanto al almacenamiento de la energía térmica, no hay una solución estandarizada; tenemos multitud de opciones, ya sean colectores planos, parabólicos compuestos o espejos de Fresnel, y muchos métodos para diferentes aplicaciones, como por ejemplo la agroindustria, ya sea para esterilizar o secar frutas, etc.; la cuestión aquí es que el uso final de esta energía es lo que determina el método a usar”.

Almacenamiento de energía eléctrica

Los apoyos para proyectos de almacenamiento de energía eléctrica están proliferando en todo el mundo. Entre las aplicaciones que han generado mayor interés y esfuerzos de investigación, destacan aquellas en torno a la integración solar fotovoltaica con el almacenamiento de energía magnética por superconducción (SMES, por sus siglas en inglés). Ésta ha sido una tecnología investigada durante mucho tiempo para uso a gran escala, ya que ofrece la descarga instantánea de energía y un número teóricamente infinito de ciclos de recarga. No obstante, el estudio citado anteriormente, sobre las Perspectivas de innovación…, de Irena, objeta dichas afirmaciones al referir que: “Tanto la tecnología de los capacitores eléctricos como la de los superconductores SMES, presenta aún tanta inmadurez que sus costos reales todavía son desconocidos, lo que ha limitado el desarrollo integral de sus iniciativas”.

Recientemente, un proyecto financiado por el Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE, por sus siglas en inglés) podría abrir el camino para que la tecnología SMES sea capaz de almacenar energía en el orden de los megavatios/hora. Esta capacidad es cada vez más requerida por las redes de electricidad que necesitan equilibrar la intermitencia de las fuentes de energía renovable. También el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas de España, (Ciemat) trabaja en otro dispositivo de almacenamiento de energía eléctrica y realiza estudios en bobinas superconductoras, las cuales hoy son consideradas las más indicadas para igualar en precio y rendimiento a las baterías de plomo-ácido, LAB. Esto, porque crean un campo electromagnético altamente contenido, que requiere relativamente poca energía para mantenerlo estable. Así, la energía se libera descargando las bobinas sin importar el grado de demanda. Pese a ello, su desventaja radica en que estas bobinas son más caras que el bombeo hídrico o el aire comprimido, según un estudio reciente realizado por el Instituto de Investigación de la Energía Eléctrica de Estados Unidos.

Por último, tenemos la tecnología electromecánica y la hidroeléctrica de bombeo, donde el agua contenida en un embalse situado en un dique inferior, es bombeada durante las horas de menor demanda eléctrica al depósito, situado en un nivel más alto, el dique superior, con el fin de turbinarla para generar electricidad en las horas de mayor consumo eléctrico. Así lo explican investigadores de la Universidad Cambridge en su reporte especial Hydropower on Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation: “Estas instalaciones permiten una mejora en la eficiencia económica de la explotación de cualquier sistema eléctrico a gran escala, lo cual ofrece una alta posibilidad de mercado, mientras la geología lo permita, es decir, que aunque sus condiciones dependen de su localidad, sus costos son muy competitivos”.

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