Tecnologías y aplicaciones del almacenamiento de energía en generación de energías renovables (II)

Ver 1ª PARTE

Las aplicaciones de gestión de la energía incluyen energía de movimiento en escalas de tiempo largas, y generalmente requieren velocidades de descarga continuas de varias horas o más. Las tecnologías para estas aplicaciones incluyen varios tipos de baterías, bombeo hidro, aire comprimido, y almacenamiento de energía térmica.

Baterías de alta energía

Para muchas baterías, hay un considerable solapamiento entre gestión de la energía y las aplicaciones de corta duración discutidas anteriormente. Además, las baterías pueden generalmente proporcionar una rápida respuesta, lo que significa que las baterías designadas para gestionar la energía pueden proporcionar servicios potenciales sobre todas las aplicaciones y escalas de tiempo discutidas.

Varias tecnologías de baterías han demostrado utilidad para aplicaciones de gestión de energía. Adicionalmente a la química indicada anteriormente, las baterías disponibles incluyen dos tipos generales: baterías de alta-temperatura y baterías de flujo de electrolito líquido.

La batería de alta-temperatura más madura es la batería de azufre-sodio, cuyas instalaciones en el mundo superan los 270 MW. Las químicas de alta temperatura están en varias etapas de desarrollo y comercialización. Un ejemplo es la sodium-niquel chloride (ZEBRA) battery.

El segundo tipo de baterías de alta energía es la batería de flujo de electrolito líquido. Esta batería usa un electrolito líquido que fluye a través de una membrana. La ventaja de esta tecnología es que los componentes de energía y potencia pueden dimensionarse independientemente. Hay un limitado despliegue de dos tipos de baterías de flujo – bromuro de zinc y redox vanadio. También se han perseguido otras combinaciones tales como polisulfito – bromuro, y nueva química está bajo desarrollo.

Almacenaje hydro bombeado (PHS)

Hydro bombeado es la tecnología de almacenaje de energía desplegada en una escala gigavatio en los Estados Unidos y mundialmente. En los Estados Unidos, alrededor de 20 GW se despliega en 39 sitios, y el rango de instalaciones en capacidad de menos de 50 MW a 2,100 MW. Muchos de los sitios almacenan 10 horas o más, haciendo la tecnología útil para nivelar la carga. PHS se usa también para servicios auxiliares. PHS usa bombas convencionales y turbinas y requiere una cantidad significativa de tierra y agua para los depósitos superiores e inferiores. Las plantas PHS pueden alcanzar eficiencias que exceden el 75 % y pueden tener capacidades que excedan de 20 horas de capacidad de descarga. Las regulaciones ambientales pueden limitar el desarrollo a gran escala de la tecnología PHS. Sin embargo, dada la alta eficiencia en ambos sentidos, ser una tecnología probada, y los bajos costes comparados a la mayoría de las alternativas, las PHS convencionales todavía son perseguidas en numerosas localizaciones. Se han estudiado las configuraciones alternativas de bajo impacto, incluyendo el uso de de formaciones subterráneas mineras o naturales para el depósito inferior, pero esta configuración aún no se ha comercializado.

Almacenaje de energía en aire comprimido (CAES)

La tecnología CAES se basa en la tecnología de las turbinas de gas convencionales y usa la energía potencial elástica del aire comprimido. La energía se almacena comprimiendo el aire en una caverna subterránea estanca. Para extraer la energía almacenada, se extrae aire comprimido de los recipientes de almacenaje, se calienta, y luego se expande en una turbina de alta presión que captura la energía del aire comprimido. El aire luego se mezcla con combustible y entra en combustión, expandiendo el gas a través de una turbina de gas de baja presión. Las turbinas se conectan a un generador eléctrico.

CAES se considera un sistema de almacenaje/generación híbrida debido a que requiere combustión en la turbina de gas. El rendimiento de una planta CAES se basa en su ratio de energía (energy in/energy out) y su uso como combustible (típicamente expresado como ratio de calor en BTU/kWh). El rendimiento de CAES se estima como un ratio de energía de 0.6 – 0.8 y un ratio de calor de 4000 – 4300 BTUWh. Debido a que CAES usa tanto electricidad como gas natural, una definición de un solo punto de eficiencia en los dos sencillos de un dispositivo CAES no representa una figura económica de mérito.

La desventaja principal de CAES es la necesidad de una caverna subterránea y su dependencia de los combustibles fósiles. Configuraciones alternativas para CAES ha sido propuestas usando los recipientes antes mencionados, nuevos diseños de turbinas para reducir el uso de los combustibles fósiles, o diseños que reutilizan el calor de la compresión y eluden completamente el uso de combustible.

Almacenaje de energía térmica

El almacenaje de energía térmica a veces se ignora como una tecnología de almacenamiento de electricidad porque típicamente no se usa para almacenar y luego descargar electricidad directamente. Sin embargo, en algunas aplicaciones, el almacenamiento térmico puede ser funcionalmente equivalente al almacenaje de electricidad. Un ejemplo es almacenar energía térmica del sol que más tarde se convierte en electricidad en un generador térmico convencional. Otro ejemplo es convertir la electricidad en una forma de energía térmica que más tarde se sustituye por un uso eléctrico tal como enfriamiento o calentamiento eléctrico.

El primer ejemplo (energía térmica de almacenamiento que más tarde se convierte en electricidad) puede ser usado con muchos tipos de generadores térmicos pero es a menudo asociado con la energía solar de concentración. En esta aplicación, la energía térmica del campo solar se almacena en sal fundida u otro medio. Esta energía puede recuperarse más tarde y usada para generar electricidad, que convierte esta tecnología en una fuente de energía.

Debe tenerse cuidado cuando se discute la eficiencia del almacenamiento de energía térmica. Uno de los problemas principales con el almacenamiento de energía es la pérdida de eficiencia. La electricidad es una fuente de energía de alta calidad, y transforma la electricidad en un medio almacenado donde se incurre en pérdidas considerables. La energía térmica es una energía de una calidad mucho más baja, pero puede almacenarse con mucha mayor eficiencia. En una planta CSP, la energía térmica se almacena antes de convertirse en electricidad. Como resultado, la eficiencia de ida y vuelta en un almacenamiento térmico puede ser cercano al 100 %, mucho más alto que cualquier tecnología de almacenamiento de electricidad. Sin embargo, el almacenamiento térmico CSP puede solamente almacenar energía térmica producida del campo solar, en oposición a otras tecnologías de almacenaje que pueden almacenar electricidad producida de cualquier fuente.

Por último, el almacenamiento de energía por el usuario final tiene una eficiencia de ida y vuelta extremadamente alta. Por ejemplo la demanda de energía de enfriamiento puede conseguirse almacenando energía en forma de agua fría o hielo en horas valle a la vez que se produce frío durante el tiempo de alta demanda. Esto almacena efectivamente la electricidad con eficiencia de ida y vuelta muy alta.

El almacenamiento de calor por el usuario final puede usarse en aplicaciones de calentamiento de espacios o agua. (el calentamiento de agua controlable difumina la línea entre el almacenamiento de energía y la respuesta de demanda). Como ocurre con otras formas de almacenamiento térmico, la eficiencia de y de y vuelta efectiva del almacenaje de agua caliente por el usuario final es mucho más alta que los dispositivos de almacenamiento de electricidad puros pero está limitado por las demandas de calentamiento estacional y diaria.

Bibliografía: The Role of Energy Storage with Renewable Electricity Generation. NREL/TP-6A2-47187. January 2010

Palabras clave: Fast-start thermal generator, superconducting magnetic energy storage (SMES), high-temperature batteries, liquid electrolyte flow batteries, Pumped Hydro Storage (PHS), Compressed Air Energy Storage (CAES)