Almacenamiento eléctrico de corta y larga duración

Uno de los grandes “desarrollos tecnológicos” para apoyar la generación de energía solar y la eólica han sido los almacenadores de energía, en particular las baterías y las centrales hidráulicas de rebombeo. En este artículo se analizan estos sistemas de almacenamiento separados en dos grandes grupos: los de respuesta rápida (baterías) y los de larga duración (horas). Al final se aborda otra categoría que no altera a las anteriores: el almacenamiento detrás o después del medidor.

La energía eléctrica producida con tecnologías solar y eólica debe ser apoyada con baterías para mejorar su calidad, con plantas de rebombeo y termosolares para dar respaldo limpio en la noche y con baterías o volantes de inercia en casa del consumidor para optimizar el consumo y dar mayor seguridad.

La transición energética mundial hacia tecnologías que disminuyan al mínimo las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) en la generación y consumo de energía eléctrica y que abaraten sus costos ha abierto la puerta a la energía solar fotovoltaica (FV) y a la eólica, ya que generan sin emitir CO2 y han llegado a ser muy económicas. Sin embargo, esto ha traído muchos problemas técnicos a las redes eléctricas, tales como su intermitencia (solo generan cuando hay sol o viento) y su fluctuación en la entrega de energía al pasar nubes o haber rachas de viento. Hay empresas eléctricas tradicionales que se resisten a incorporar estas nuevas energías variables por los problemas que traen a la red –no solo por las fluctuaciones, sino, además, por su falta de inercia para regularlas y por la imposibilidad de ser despachadas tal como se hace con las plantas tradicionales–, pero en general en el mundo se ha favorecido la inversión en desarrollo tecnológico para resolver de manera eficiente y económica estos problemas. Uno de los grandes “desarrollos tecnológicos” para apoyar la generación de energía solar y la eólica han sido los almacenadores de energía, en particular las baterías y las centrales hidráulicas de rebombeo.

En este artículo se analizan estos sistemas de almacenamiento separados en dos grandes grupos. Los de respuesta rápida (baterías), asociados principalmente al almacenamiento y descarga en segundos, lo que permite entregar a la red una energía de buena calidad (voltaje y frecuencia), y los de larga duración (horas), que almacenan energía durante algunas horas del día para entregarla a la red en la noche. Para no complicar esta explicación, se ha dejado para el final otra categoría que es muy importante pero que no altera a las anteriores; se trata del almacenamiento detrás o después del medidor, es decir, el almacenamiento que podemos instalar en nuestras casas o fábricas para consumir energía de la red cuando esta es barata y evitarla cuando es cara, tomándola de nuestras propias baterías.

Almacenamiento en la central generadora La generación con energía solar FV solo se logra cuando hay sol (6 a 8 horas al día); es en corriente directa que debe ser convertida a corriente alterna con “inversores” para entregarla a la red. Desgraciadamente, la radiación solar es fluctuante (pequeñas oscilaciones de intensidad) y marcadamente variable cuando pasan nubes, que ocasionan bajadas y subidas de carga muy intensas (hasta el 50% de la potencia nominal) y muy rápidas (en segundos). Estas variaciones son muy malas para la red eléctrica, sobre todo en zonas conocidas como “rígidas”. Para evitar que esas variaciones lleguen al consumidor, se instalan baterías asociadas a la planta solar (y en su caso también a la eólica). Generalmente las baterías se mantienen con una carga del 50%, de manera que puedan recibir o entregar carga proveniente de variaciones rápidas en el suministro y entregarla cuando el operador lo desee. Con este sistema, asociado a un inversor inteligente, se logra intervenir para que la red no se entere cuando hay variaciones bruscas de generación por paso de nubes o ráfagas de viento y siga recibiendo un flujo de energía constante. También el operador de la red, en caso necesario, puede pedir a esta planta solar (con baterías) que aumente o baje la carga entregada (para equilibrar potencia o regular frecuencia, por ejemplo). Conviene resaltar que en la actualidad hay tecnologías para dar una cierta inercia virtual a las plantas solares con pura electrónica de potencia. Quizás el problema principal que trae consigo la generación solar es que, al atardecer, al ponerse el sol, justo cuando hay una gran demanda de energía en los consumidores, de manera brusca cae la generación. Esto se ha resuelto exigiendo a los generadores solares que sus baterías sean capaces de entregar una o dos horas extra de carga según lo requiera el sistema. Evidentemente, todos estos apoyos electrónicos tienen un costo y hay que considerarlos al integrar el precio de esta electricidad de mejor calidad. También cada país debe tener su reglamentación para pagar al generador estos servicios auxiliares.

La misma metodología expuesta es aplicada para plantas eólicas. Conviene examinar el caso de la recientemente inaugurada planta eólica El Coromuel, situada en las cercanías de La Paz, Baja California Sur, de 50 MW de potencia con 20 aerogeneradores de 2.5 MW cada uno y tres bancos de baterías con sistema inteligente de inversores que suman 10 MW. En la figura 1 se presenta una vista de los aerogeneradores y otra del sistema de baterías de respaldo que operan asociadas a la central para entregar energía eléctrica de buena calidad. Como se puede ver, el uso de baterías en esta nueva era de energías limpias, donde hay que darle cabida a la solar y la eólica que son intermitentes y fluctuantes, es principalmente para mejorar la calidad de esa energía entregada a la red; no es para almacenar energía y entregarla en la noche. Conviene revisar la figura 2, donde se muestra la producción de baterías esperada en los próximos 25 años en Estados Unidos. Allí se ve que las baterías actuales almacenan energía por corto tiempo, la mayoría con solo 2 horas de almacenamiento. Mucho más adelante se irán incorporando las de 10 horas. Además, en la figura se ve que en el año 2050 se tendrán 210 GW de baterías, lo que es solo el 10% de la potencia instalada y 2% de la generación.

Almacenamiento de larga duración

Otro problema que ha traído la generación con energía solar y eólica es que hay horas en que el “sobrante” debe verterse (o regalarse), mientras que en la noche pasan hasta 18 horas en que no hay fuentes limpias como estas. Aquí es donde aparecen otras tecnologías, más apropiadas para el caso: por ejemplo, durante el día bombear agua de un embalse inferior a uno superior y, cuando se requiera esa energía, bajar el agua a través de turbinas hidráulicas (véase figura 3) para generar. Otra tecnología que ha cobrado mucha importancia es la generación con energía solar concentrada (véase figura 4), donde mediante espejos se concentra la radiación solar en un foco para obtener muy altas temperaturas. Mediante un sistema de bombeo se hace circular por ese foco de muy alta temperatura agua con sales disueltas, de manera que a esa presión no hierva el agua, se transporte y almacene ese calor en un gran estanque. De allí se extrae de manera controlada el calor haciendo las veces de una caldera, y se genera vapor para mover unas turbinas en un ciclo Rankine tradicional.

Plantas de rebombeo

En el mundo hay actualmente más de 500 plantas de rebombeo, que suman 160 GW; en México no tenemos ninguna. Sin embargo, se han hecho trabajos muy valiosos sobre sitios donde se podrían instalar para ser usadas como una especie de “generador nocturno de energía limpia”. Ramírez Otero (2023) presentó recientemente un resumen de los proyectos que se han estudiado, varios de ellos hasta nivel de detalle. Esa presentación dejó puesta sobre la mesa una batería de proyectos que deberían tomarse en cuenta a la hora de analizar fuentes limpias de energía para generar por la noche. Allí quedó claro que el rebombeo ya no es un problema de ubicación de sitios (hay muchos ya estudiados a detalle) sino más

Embalse superior

El agua bajando Modo generación

El agua subiendo Modo bombeo Turbobomba

Los helióstatos concentran la radiación solar sobre una tubería Agua fría

La turbina está conectada a un generador que transforma la energía mecánica en electricidad a bajo voltaje

El vapor mueve la turbina

Vapor Generador de vapor

Almacenamiento después del medidor

Embalse inferior

El transformador sube el voltaje para transformar la energía eléctrica Entrada de refrigerante

Salida de refrigerante

El vapor se condensa y completa el ciclo bien de estrategia para la generación de energía limpia en el futuro. Si queremos bajar las emisiones y nos llenamos de plantas fotovoltaicas, habrá que respaldarlas con rebombeo. Es decir, este es un tema que tendrá que revivir con fuerza en el país, y agregarse otros casos de rebombeo como aquellos con agua desalada con vasos de almacenamiento artificiales en las montañas de la península de Baja California.

Plantas termosolares con almacenamiento

Una planta termosolar es muy conveniente en sitios con buena radiación solar directa (que se pueda concentrar reflejándola con espejos). En México, al igual que en los países árabes y en el desierto de Atacama, esta condición se da. Desgraciadamente, cuando se compara con la fotovoltaica resulta más cara y se rechaza, pero es poco válida esa comparación, ya que la ventaja de la termosolar es que puede generar prácticamente toda la noche gracias a su almacenamiento térmico con sales eutécticas disueltas. Tan solo en España hay instaladas 50 plantas termosolares, 18 de las cuales tienen almacenamiento de larga duración. Cuando se tome conciencia en nuestro país de que será indispensable eliminar las fuentes emisoras de CO2 podrá iniciarse la construcción de estas plantas en el noroeste del país.

Con el advenimiento intensivo de generación solar con celdas fotovoltaicas, y muy pronto con el uso masivo de autos eléctricos, vamos a encontrar que en las casas mexicanas y en muchos centros comerciales y fábricas habrá que optimizar, de manera inteligente, el almacenamiento de energía de parte del consumidor. Es decir, después del medidor habrá de tenerse una batería con sistema inteligente de inversor para que esta se cargue cuando haya energía barata y sobrante (solar, generalmente) y se consuma desde la batería cuando la de la red sea cara o escasa. Muy pronto tendrá un papel interesante el uso masivo de autos eléctricos. Lo ideal será cargarlos a las horas de radiación solar en estaciones comerciales o en la oficina, y luego, al llevarlos a casa, en lugar de que se sigan cargando, usarlos para que asuman la función de batería móvil (que se cargó a las horas de sol) y se use, en parte, para apoyar el consumo casero. Para que este sistema funcione como un buen optimizador del consumo de energía eléctrica va a ser indispensable el sistema de tarifas donde se refleje de manera clara el costo horario de producirla.

Finalmente, una función no menos importante del almacenador en casa es asegurar el suministro cuando haya interrupciones de energía, sobre todo en casos en que los apagones causan impactos importantes (sistemas de cómputo, por ejemplo). Son de destacarse otros sistemas de almacenamiento no tan conocidos, como los volantes de inercia. Muchos sitios tienen una rueda al vacío girando a alta velocidad acoplada a un generador eléctrico. Las variaciones del voltaje casero o la interrupción del servicio se subsanan con estos volantes, que son efectivos y no tan caros.

Conclusión

Las baterías se usan en esta era de transición energética como un aditamento que el generador requiere en su planta para entregar a la red una energía de calidad. Las plantas de rebombeo ya están bastante desarrolladas y se requiere incorporarlas a los estudios de flujo de las redes y a las estrategias para proveer el respaldo a las energías intermitentes, asociado esto a una reglamentación adecuada de las responsabilidades de cada área en estos casos y de los costos a pagar. Es necesario incorporar a los estudios de la red futura una o varias plantas termosolares capaces de suministrar energía limpia en la noche; también buscar la manera de fomentar, para bien del país y de su población, el almacenamiento (asociado a autogeneración) después del medidor en casas y comercios

Referencias

Ramírez O., J. (2023). La importancia de instalar plantas de almacenamiento de energía por bombeo (PAEB). México: Diálogos con Ingenieros. Sesión 39-42, 27 marzo. Colegio de Ingenieros Civiles de México.

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