Energías 100% renovables: ¿Es posible almacenar la energía renovable a escala masiva?

A esta altura quizás ya te cansaste de leer que “el sol no siempre brilla y el viento no siempre sopla”. Nosotros también. Pero, por desgracia, esto es un problema real.

Almacenar la energía es una tarea difícil. Es tan difícil que la red eléctrica está diseñada para que la electricidad se consuma en el instante en que es producida. Piénsalo de este modo: cuando alguien enciende una lámpara, alguna central eléctrica en algún lugar aumenta levemente su producción .

Almacenamiento de energía: ¿Por qué y cómo?

En términos generales, podemos clasificar el almacenamiento de energía en tres escalas temporales :

1. Nivel 1: segundos-minutos: sirve para cuando una nube cubre momentáneamente una granja solar o cuando la demanda de electricidad se dispara de manera inesperada. En los artículos científicos, se usan términos como “equilibrio de carga” para describir este proceso.
2. Nivel 2: horas-días: esta forma de almacenamiento de energía nos permite generar electricidad cuando hay sol o viento y utilizarla en el momento que deseemos, como, por ejemplo, en la noche. El almacenamiento de energía de este nivel suele llamarse “almacenamiento masivo”.
3. Nivel 3: semanas-meses: el almacenamiento de energía de este nivel funciona con las estaciones, de modo que se produce la mayor cantidad de electricidad en verano y se almacena para el invierno. Esto es importante porque en invierno el sol no brilla tanto (a menos que estés cerca del ecuador).

Hay un patrón definido en cuanto a los atributos que cada tipo de sistema de almacenamiento debería tener :

Almacenamiento de nivel 1 (es fácil)

El círculo en la image muestra el tipo de altos y bajos (a veces inesperados) que se dan en el almacenamiento de nivel 1. El almacenamiento de nivel 1 ya se puede lograr con distintos tipos de baterías .

Las baterías actuales son velocistas fantásticos, pero necesitamos corredores de maratón para el almacenamiento de nivel 2 y 3 . En particular, precisamos:

1. Alta escalabilidad (disponibilidad de materiales y espacio)
2. Bajo coste a escala
3. Capacidad de conservar la carga por suficiente tiempo

Almacenamiento de nivel 2 (es complicado)

Los paneles solares producen la mayor cantidad de electricidad durante el día, pero las demandas del hogar se disparan por la noche . El almacenamiento de nivel 2 podría servirnos para almacenar la electricidad generada al mediodía (cuando brilla el sol) para usarla en la noche.

Con un poco de carga base de electricidad sin carbono obtenida de la energía nuclear, no necesitaríamos tanto almacenamiento porque los puntos más bajos de la curva se elevarían.

Además, si se usan fuentes de electricidad controlables como la energía hidráulica y el gas natural (un combustible fósil) durante la demanda más alta de electricidad, podríamos obtener un 90% de electricidad limpia, más un 10% de gas con necesidades de almacenamiento relativamente pequeñas .

Almacenamiento de nivel 3 (es aún más complicado)

La cantidad adecuada de almacenamiento por estaciones depende del lugar del planeta en donde te encuentres. Por lo general, mientras más lejos estés del ecuador, mayor será la diferencia entre la llegada de luz solar en los meses de verano y en los de invierno . Esto influye en la cantidad de energía solar que podemos captar.

¿Soluciones para el nivel 2 y 3?

Veamos algunas de las alternativas a las baterías y al hidrógeno. (Recuerda que cargar significa introducir energía y descargar significa quitar energía)

1. Bombeo hidroeléctrico: se carga al bombear agua hacia arriba de una colina. Se almacena en un depósito. Se descarga al dejarla fluir hacia abajo y hacer girar una turbina. 
2. Baterías de flujo: son como baterías normales, pero el cátodo y el ánodo son líquidos .
3. Almacenamiento térmico: es como un gran refrigerador. Se carga usando electricidad para calentar una sustancia y enfriar otra. Se descarga usando la diferencia de temperatura para hacer girar una turbina .
4. Aire líquido: se carga enfriando y comprimiendo el aire hasta que se vuelve líquido. Se almacena en un tanque. Se descarga dejándolo volver a convertirse en gas y haciendo girar una turbina. 
5. Aire comprimido: se carga al comprimir el aire. Se almacena bajo tierra. Se descarga al descomprimirlo y dejar que haga girar una turbina .
6. Volante de inercia: se carga girando muy rápido un rotor grande. Se descarga al convertir la energía rotacional en calor o electricidad .

Hablaremos brevemente sobre cómo funciona cada uno de estos sistemas antes de llegar a una conclusión.

1: El bombeo hidroeléctrico

El 97% del almacenamiento de electricidad en la actualidad se realiza mediante el bombeo hidroeléctrico . En lugares adecuados, el bombeo hidroeléctrico es relativamente barato y puede facilitar el almacenamiento a largo plazo .

El almacenamiento por bombeo es distinto a la energía hidráulica, ya que la energía hidráulica funciona cuando un río llena un embalse; aquí solo almacenamos energía y no necesitamos un río.

Pero al igual que la energía hidráulica, el bombeo hidroeléctrico tiene sus complicaciones. Muchos países no tienen suficientes montañas  para construir sistemas de almacenamiento hidroeléctrico (recuerda que en el bombeo hidroeléctrico se necesita que se bombee el agua hacia arriba de una colina). En los lugares en los que podemos construirlo, se deben inundar terrenos amplios  y hay evidencia de que esto causa emisiones significativas de metano (CH₄) .

Aun así, se debería utilizar el bombeo hidroeléctrico en donde las condiciones ambientales lo permitan . En definitiva, tenemos que poner en la balanza estas desventajas en comparación con la otra alternativa: quemar carbón y gas.

2: Las baterías de flujo: tanques de batería líquida

Las baterías de flujo utilizan ánodos y cátodos líquidos. Si bien están compuestas por materiales diferentes a los de las baterías de iones de litio (las baterías comunes), el método es similar :

1. Se cargan empujando los electrones desde el cátodo hasta el ánodo.
2. Se descargan dejando que los electrones vuelvan a través de un circuito.

Las baterías de flujo presentan algunas ventajas en comparación con las baterías comunes:

• La capacidad de almacenamiento (tamaño del tanque) y la potencia (área de superficie de los electrodos) son independientes entre sí . ¿Necesitas mayor capacidad de almacenamiento? Aumenta el tamaño del tanque. ¿Necesitas mayor potencia? Aumenta el tamaño del área en donde se juntan el ánodo y el cátodo.
• Es posible que tengan una mayor vida útil .

3: Almacenamiento térmico

Podemos usar la electricidad para calentar cosas con una eficiencia de casi el 100% . Este calor se puede almacenar por unas cuantas horas  y luego volver a convertirse en electricidad a través de una turbina .

Una manera de almacenar el calor que podría ser más eficiente es la forma en que funciona tu refrigerador. Utiliza electricidad para enfriar una cosa y calentar otra. El aparato que hace esto (en tu refrigerador y en el sistema tecnológico de almacenamiento que se propone) se llama bomba de calor .

En este sistema, el frío se almacena en un líquido y el calor se almacena en sal fundida . ¡Quizás te acuerdes de la sal fundida que se menciona en el capítulo sobre energía nuclear!

Lo “opuesto” a la bomba de calor es el motor térmico . Los motores térmicos pueden transformar la diferencia de temperatura en electricidad. Esta “diferencia de temperatura” es simplemente la temperatura de la sal fundida menos la temperatura del líquido refrigerado.

4: El aire comprimido: ¿barato y ecológico?

En esta forma de almacenamiento energético, el aire se almacena bajo tierra y con mucha presión, y luego se libera para hacer girar una turbina .

Para este método se requiere de depósitos subterráneos extensos que no tengan fugas. . No cualquier hueco en el suelo tiene esta capacidad . En teoría, hay muchas zonas aptas , pero no está claro si este tipo de tecnología podría implementarse al tamaño de escala que se necesitaría en el nivel 2 o 3 de almacenamiento .

Hasta el momento solo se han construido dos plantas, por más de que hay gente que ha estado trabajando en esto desde 1940 .

5: Aire líquido

Para hacer que el aire se vuelva líquido, se debe comprimir y enfriar. El aire líquido se conserva en un tanque de almacenamiento. Para volver a sacar la energía del sistema, una parte del aire líquido se evapora.

El aire gaseoso ocupa más espacio que el aire líquido. Cuando dejamos que se evapore el líquido, podemos utilizar el movimiento del aire en expansión para girar una turbina que genera electricidad .

6: El volante de inercia: gira y gira

Podemos almacenar energía girando un rotor (llamado “volante de inercia”) a grandes velocidades en un vacío .

Se aumenta o se reduce la velocidad del rotor para almacenar o liberar electricidad. Se puede modificar la velocidad del rotor casi sin demora, por lo que este método es útil para el almacenamiento de nivel 1 . Sin embargo, los volantes de inercia son mucho más costosos que otros tipos de tecnologías de almacenamiento .

Todo depende del coste

Observemos las cifras para un país desarrollado como EE. UU. Estados Unidos utiliza 3,95 PWh de electricidad al año . Esto sería 12 MWh por persona  cada año. Si se lo divide por 365, se obtienen 32 kWh por persona por día. El costo de la electricidad es de $0,18/kWh en EE. UU. .

Esta es la ecuación que utilizaremos:

En el costo total se incluye la pérdida de energía del almacenamiento. Al transformar la energía de una forma a otra, se suele perder energía que se libera al entorno, por lo que, para empezar, debemos producir (y pagar por) más electricidad.

Los precios varían de acuerdo con la región y el proveedor . El costo de $150/kWh que utilizamos antes es el precio bruto de producción. Con las ganancias de la empresa incluidas y los costos de instalación, montaje, transporte e I+D, la misma empresa (Tesla) que produce las baterías por $150 hace poco tiempo vendió un paquete enorme de baterías al operador de una granja eólica por $511/kWh .

El precio estimado promedio es un poco menor, $350/kWh . Si trabajamos con estas cifras, esto es lo que obtenemos

Hagamos lo mismo con todas las tecnologías que hemos mencionado. (Compararemos dos tipos de baterías de iones de litio: NCA y LTO. Del mismo modo, observaremos dos tipos de baterías de flujo).

Entonces, ¿alguna de estas es lo suficientemente barata?

Según los expertos, $20/kWh por almacenamiento que pueda implementarse a gran escala, que no dependa de la ubicación y tenga una tasa de retención alta sería un precio lo suficientemente barato para poder ser implementado ampliamente .

Por esta razón, necesitamos innovación y apoyo gubernamental . Se espera que el costo de las baterías de flujo sea un 66% más bajo para 2030, y que las baterías tengan una mayor vida útil y tasas de retención de energía más altas .

Estamos intentando solucionar un problema no resuelto. En la actualidad, no sería inteligente elegir solo un tipo de tecnología. Es por esto que los fondos para investigación se dirigen a muchas empresas en paralelo .

De todas maneras, es probable que combinemos distintas soluciones de almacenamiento en regiones con geología, clima y economías diferentes .

Hay algo que está claro: Para utilizar cualquier energía que esté cerca de ser 100% renovable, necesitamos soluciones de almacenamiento baratas y de gran escala .

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https://climatescience.org/es/advanced-energy-storage/

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