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GUÍA SOBRE EL SECTOR DEL ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA A MEDIA Y GRAN ESCALA

Guía sobre el sector del almacenamiento de energía a media y gran escala 2

E l uso de la electricidad está cada vez más extendido sobre todo por el creciente acceso a la misma en países en vía de desarrollo, la industrialización iniciada por los países emergentes, la expansión de dispositivos cuyo funcionamiento

requiere corriente eléctrica y, en general, por el incremento de la población mundial.

Este aumento de la demanda de electricidad, junto con la necesidad de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero ha propiciado la penetración cada vez más acusada de las energías renovables en sustitución de combustibles fósiles.

Estas fuentes de energía, por su propia naturaleza, son intermitentes lo que supone un desafío importante para el equilibrio del sistema eléctrico y el suministro continuo de electricidad.

En este sentido se ha realizado un gran esfuerzo para encontrar una solución eficaz y viable técnicamente, entre las que destacan el desplazamiento de cargas a través de la gestión de la demanda, la interconexión entre redes y el almacenamiento de energía eléctrica (EES, de sus siglas en inglés Electrical Energy Storage).

Entre las posibles soluciones, el EES se ha posicionado como una de las opciones más prometedoras, al conseguir, no solo, aliviar la intermitencia de las energías renovables, si no también cubrir los picos de demanda, mejorar la calidad y fiabilidad del suministro y facilitar la gestión de la red.

Dentro de las tecnologías consideradas como EES existe una gran variedad, ya que desde un punto de vista técnico se considera como tecnología EES cualquiera en la que exista un proceso de conversión de una energía (principalmente electricidad) en otra que sea almacenable y que ésta pueda volver a convertirse en energía eléctrica. Esta guía proporciona una visión general del estado del arte de las tecnologías EES. Así mismo, se evalúan las características técnicas y económicas que permiten seleccionar el sistema de almacenamiento más adecuado a cada aplicación.

1 Introducción


C omo hemos visto, el almacenamiento de energía es un pilar fundamental para la penetración de las energías renovables a media y gran escala. Hoy en día existen diferentes tecnologías que permiten almacenar energía de una manera

eficiente; algunas de ellas con un alto nivel de madurez como el bombeo hidroeléctrico y otras en fases de investigación y desarrollo como los supercondensadores.

2 Tecnologías para el almacenamiento de energía

A continuación, se hará un breve repaso por las principales tecnologías existentes.


Bombeo hidroeléctrico - PHS

E l almacenamiento mediante bombeo hidroeléctrico (PHS, de sus siglas en inglés Pumped Hydroelectric Storage) es una tecnología con una larga historia. Esto permite que en la actualidad se la pueda considerar una tecnología madura y

con un gran potencial de almacenamiento.

Las plantas de bombeo reversible están formadas por dos depósitos de agua separados verticalmente, pero conectados entre sí. Esto permite que una bomba eleve el agua desde el reservorio inferior hasta el superior, donde permanecerá almacenada hasta que se requiera esa energía.

De esta forma, la energía eléctrica consumida en la bomba se acumula como energía potencial en el agua almacenada y cuando ésta se deja caer, unas turbinas transformarán el movimiento de agua en energía eléctrica de nuevo.

Actualmente este sistema basa su funcionamiento en el precio de la energía. Es decir; solamente bombeará agua al reservorio superior cuando el precio de la electricidad sea bajo y se dejará caer cuando el precio sea mayor y exista una demanda.

PROYECTO DESTACADO

La central reversible de Sallente Estanygento, ubicada en los Pirineos Catalanes, es la primera central de bombeo hidroeléctrico puro instalada en España. Ésta planta tiene una potencia instalada de 450 MW y un desnivel de 400 metros.

Bombeo1

2

3Descarga

Acumulación

Deposito superior

Deposito Inferior

2.1


Aire comprimido - CAES

E l almacenamiento mediante aire comprimido (CAES, de sus siglas en inglés (Compressed Air Energy Storage) es un sistema de almacenamiento mecánico equivalente a las centrales hidroeléctricas reversibles en términos de

aplicaciones, producción y capacidad de almacenamiento. Este tipo de instalaciones están formadas por un motor reversible que, durante los momentos de exceso de energía, comprime el aire ambiente para almacenarlo bajo presión en una caverna subterránea. Cuando hay una demanda de electricidad, el aire a presión se calienta mediante un foco de calor cuyo origen puede ser un combustible fósil. Este aire caliente se expande y es capturado por una turbina para la producción de electricidad.

Durante el proceso de compresión la temperatura del aire aumenta, lo que provoca la necesidad de extraer el calor ya que no es posible almacenar el aire comprimido a altas temperaturas.

Este calor, tradicionalmente, era liberado a la atmósfera, aunque actualmente se ha desarrollado una nueva tecnología que lo recupera y almacena, conocida como almacenamiento energético adiabático mediante aire comprimido (AA-CAES, de sus siglas en inglés Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage).

Este nuevo sistema emplea el calor almacenado para calentar el aire comprimido de tal forma que el proceso no requiere un aporte a mayores de calor para recuperar la energía del aire comprimido como ocurría con el CAES.

PROYECTO DESTACADO

La planta “Kraftwerk Huntorf” es la primera instalación comercial que emplea la tecnología CAES, está ubicada en Alemania. La instalación cuenta con una potencia máxima de 321 MW. El aire comprimido se almacena en dos cavernas de sal situadas a más de 600 metros, lo que garantiza para los 310.000 metros cúbicos una presión específica máxima de 100 bares.

2.2


Volante de inercia – FES

E l almacenamiento mediante los volantes de inercia (FES, de sus siglas en inglés Flywheel Energy Storage) es un sistema relativamente moderno que almacena la electricidad en forma de energía cinética.

Estos sistemas están compuestos por un volante de inercia, un grupo de rodamientos, un motor reversible y una cámara de vacío. En aquellos sistemas denominados de alta velocidad también pueden contar con cojinetes magnéticos sin contacto para reducir el desgaste de los rodamientos y así mejorar la eficiencia de los mismos.

El funcionamiento se basa en acelerar o desacelerar el volante de inercia mediante el motor reversible. Éste puede consumir electricidad que transmite al volante de inercia acelerándolo o puede recibir energía del volante para recuperar la electricidad. Para minimizar las pérdidas por la resistencia del aire, estos volantes suelen situarse en cámaras de vacío.

La cantidad de energía almacenada depende de la velocidad de rotación del volante y su inercia. Así podemos distinguir dos grupos: FES de baja velocidad (por debajo de las 6 x 103 rpm) y FES de alta velocidad (pueden superar los 1 x 105 rpm).

Los modelos de baja velocidad son utilizados para aplicaciones de baja y media potencia, mientras que los de alta velocidad se emplean para aplicaciones de alta potencia. Sus características la convierten en una opción interesante para la industria aeroespacial.

2.3

PROYECTO DESTACADO

Uno de los proyectos más interesantes se ubica en la isla de Kodiak en Alaska. Esta isla cuenta con una red aislada cuya generación se basa principalmente en centrales hidroeléctricas, parques eólicos y generadores diésel por lo que el uso de sistemas de almacenamiento proporciona una alta seguridad a la red. En el 2015 se instalaron dos volantes de inercia de 1 MW para mejorar la gestión de la red.


Supercondensador

L os supercondensadores, o supercapacitors en inglés, son sistemas basados en el almacenamiento de cargas electrostáticas, por lo que no se produce ninguna reacción química.

Este tipo de dispositivos están formados por pares de electrodos, un medio dieléctrico y una membrana porosa situada en el centro del medio dieléctrico.

Se busca que los electrodos tengan la mayor superficie posible, por lo que se están investigando estructuras y materiales, como los porosos, que la aumenten. Así mismo, también se está trabajando para que el medio dieléctrico, responsable de la polarización y, por lo tanto, de la generación de cargas, sea lo más dieléctrico posible.

Los supercondensadores, al almacenar en cargas puramente electroestáticas, se caracterizan por poder ser cargados y descargados en brevísimos períodos de tiempo, del orden de segundos o menos, lo cual los hace especialmente apropiados para responder ante necesidades de puntas de potencia o ante interrupciones de suministro de poca duración.

2.4

PROYECTO DESTACADO

Desde el año 2014, La Palma tiene en funcionamiento supercondensadores de 4MW/20MWs que estabilizan la frecuencia del sistema y evitan pérdidas del suministro al ser una tecnología de rápida respuesta. Todo ello dota al sistema de mayor robustez y calidad.

EN SEGUNDOSO MENOS

Carga Descarga

Almacenamiento de carga en un supercondensador

ÁnodoElectrodo(carbono poroso)

Electrólito

Capas Helmholtz

CátodoElectrodo (carbono poroso)


Pilas de combustible o de hidrógeno (Hydrogen storage and fuel cell)

L as pilas de combustible (Fuel cells) son un tipo de almacenamiento de energía químico continuo, es decir, se trata de un sistema que no requiere recargas sino que está en funcionamiento siempre que el combustible y el oxidante sean

suministrados desde el exterior de la pila. Esta tecnología también se conoce como pilas de hidrógeno ya que normalmente el combustible es hidrógeno.

Al contrario de lo que ocurre con otras tecnologías de almacenamiento se considera que las pilas de combustible tienen dos procesos claramente diferenciados pero complementarios.

Por un lado, está el proceso de almacenamiento en el que se produce la hidrólisis donde el agua se convierte en hidrógeno mediante el aporte de una corriente eléctrica. Esta reacción tiene lugar en una celda compuesta por dos electrodos inmersos en agua por los que se hace pasar la corriente eléctrica. Por otro lado, está la recuperación de electricidad al reaccionar el hidrógeno con el oxígeno. Este último proceso tiene lugar en una serie de celdas conectadas entre sí formadas por un ánodo, un cátodo y un electrolito.

2.5

PROYECTO DESTACADO

En 2013, se puso en marcha en Alemania un parque eólico de 140 MW con un sistema de electrolisis de 1 MW. Esta unidad produce 210 Nm3 de H2 por hora, que puede emplearse en un motor de combustión interna para producir electricidad o inyectarse directamente en la red local de gas natural, en función de las necesidades operacionales. El sistema de compresión y almacenamiento de hidrógeno almacena hasta 27 MWh de energía, lo que permite aprovechar energía eólica que de lo contrario sería desperdiciada.


Almacenamiento térmico (Thermal Energy Storage -TES)

E l almacenamiento térmico (TES, de sus siglas en inglés Thermal Energy Storage) abarca una variedad de tecnologías que permiten almacenar energía en forma de calor o frío utilizando repositorios aislados.

Entre las diferentes tecnologías disponibles destacan: el almacenamiento mediante sales, por su alto rendimiento, y el almacenamiento mediante aire líquido, por su singularidad.

El almacenamiento mediante sales se base en calentar mezclas de nitratos de sodio, potasio y calcio, principalmente por la acción del sol. Es una de las técnicas más utilizadas en las plantas de energía solar térmica.

Las sales a temperaturas superiores a los 500°C se almacenan en tanques aislados hasta que se requiera generar electricidad. Para ello las sales se ponen en contacto con agua para generar vapor, el cual mueve una turbina para obtener electricidad.

El almacenamiento mediante aire líquido (LAEs, de sus siglas en inglés Liquid Air Energy Storage) destaca por almacenar la energía en forma de frío. Esto se consigue gracias a un compresor que capta el aire ambiente y aumenta su presión hasta licuarlo y un purificador de aire que limpia las impurezas. El aire licuado se almacena a bajas temperaturas. Para obtener la energía almacenada en él, el aire licuado se libera lo que eleva su temperatura y se transforma en gas a alta presión que se hace pasar por una turbina para generar electricidad.

2.6

PROYECTO DESTACADO

España es el país con mayor capacidad de almacenamiento de energía térmica instalada (1 GW) con más de 25 proyectos puestos en marcha. La totalidad de ellos son plantas termosolares y de solar de concentración (CSP) con sistemas de almacenamiento en sales fundidas.

Destacan la planta Andasol 1 en Aldeire, Granada, al ser el primer complejo termosolar del mundo con almacenamiento térmico y la planta Gemasolar en Fuentes de Andalucía, Sevilla, al ser la primera instalación comercial que además puede llegar a funcionar 24 horas al día.


Baterías de almacenamiento de energía – BES

E l almacenamiento de energía en baterías (BES, de sus siglas en inglés Battery Energy Storage) es la tecnología para almacenar electricidad más antigua. Se emplea en todo el mundo tanto a nivel industrial como en objetos de la vida

diaria.

Existen diferentes tipos de baterías según sus componentes pero su funcionamiento siempre se basa en una reacción electroquímica que se produce al aplicar o demandar una corriente eléctrica a dos sustancias químicamente activas que se oxidan y reducen, respectivamente, formando el sistema redox (reducción-oxidación).

Las baterías están formadas por diferentes celdas (conectadas en serie o en paralelo) que contienen dos electrodos (un ánodo y un cátodo) dentro de un electrolito. Estos equipos son bidireccionales de forma que pueden convertir electricidad en energía química y viceversa.

2.7

Sistema de almacenamiento de energía mediante baterías

CONSUMO

DISTRIBUCIÓN

ALMACENAMIENTOGENERACIÓN

Subestación Eléctrica

e-

e-

e-

e-

Carga

Descarga


E l almacenamiento mediante baterías es una de las tecnologías más extendidas y en la que más se está investigando con el objeto de encontrar reacciones que mejoren sus características técnicas.

En este punto de la guía se hará un repaso de las tecnologías más representativas dentro de las baterías de almacenamiento: baterías convencionales, baterías de flujo y baterías en estado sólido.

Baterías convencionales

E xisten muchos tipos de baterías convencionales en función de los diferentes materiales que componen los electrodos, el electrolito y las reacciones redox que se producen en ellos.

Las baterías que pueden emplearse para almacenamiento a media y/o gran escala son las de plomo-ácido, iones de litio (Li-ion), sodio-azufre (NaS) y níquel-cadmio (NiCd).

3.1.1 Baterías plomo-ácidoLas baterías de plomo-ácido tienen cátodos formados por dióxido de plomo (PbO2), los ánodos son de plomo (Pb) y el electrolito es ácido sulfúrico (H2SO4).

Son las baterías recargables más antiguas y siguen empleándose en muchos campos: automoción, sistemas de alimentación ininterrumpida y gestión de la producción de electricidad, entre otros. Sin embargo, no hay muchas instalaciones de almacenamiento a gran escala debido a su relativamente baja densidad de energía (50-90 Wh/L) y energía específica (25-50 Wh/kg) y los problemas de rendimiento a bajas temperaturas, lo que incrementa el coste de la instalación.

3 Almacenamiento de energía mediante baterías

3.1


3.1.2 Baterías de iones de litio (Li-ion)Las baterías de Li-ion tienen cátodos de óxidos metálicos de litio (como LiCoO2 ó LiMO2 ), ánodos de grafito y electrolitos de disoluciones de sales de litio.

Normalmente se utilizan en equipos o instalaciones en las que es importante que la batería sea pequeña y pese poco, como en productos electrónicos portátiles.

A media y gran escala su principal aplicación es la gestión de la producción en centrales de energías renovables pero con una limitación importante en el número de horas de almacenamiento.

PROYECTO DESTACADO

El proyecto M5BAT de 2016 en Aaechen (Alemania) incluye baterías de plomo-ácido en un sistema flexible de almacenamiento de 5 MW de energía que combina cinco tecnologías diferentes. Este proyecto busca evaluar la eficiencia de estas baterías usadas en conjunto o por separado, con el fin de desarrollar sistemas híbridos de almacenamiento con menores costes para una misma capacidad. Forma parte de la iniciativa del gobierno alemán “Energy Storage Funding Initiative”.

PROYECTO DESTACADO

El mayor proyecto desarrollado actualmente en Europa es el sistema de baterías de Li-ion de 10 MW/ 10 MWh en la planta eólica de Feldheim (Alemania) para la regulación de la potencia del suministro. Ha sido financiado en parte por el Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER).


3.1.3 Baterías sodio-azufre (NaS)Las baterías de sodio-azufre son baterías de sales fundidas que necesitan altas temperaturas (alrededor de 300°C) para que se produzca la reacción redox. Los electrodos están compuestos por sodio (Na) y azufre (S) fundidos en un electrolito sólido de beta alúmina. Por su elevada densidad de energía (150-300 Wh/L), su gran capacidad (hasta 245 MWh) y una descarga diaria prácticamente nula se considera una de las tecnologías prometedoras para el almacenamiento a media y gran escala.

3.1.4 Baterías níquel-cadmio (NiCd)Las baterías de níquel-cadmio están compuestas por electrodos de hidróxido de níquel (Cd(OH)3) y cadmio (Cd) en una disolución alcalina que actúa como electrolito.

Aunque son baterías que requieren muy poco mantenimiento, cada vez se emplean menos debido a que sus componentes son muy contaminantes y a su efecto memoria, que hace que la batería pierda capacidad si se realizan cargas sin que se haya descargado completamente.

Actualmente, es más interesante emplear baterías de hidruros metálicos de níquel (NiMH), en las que se sustituye el electrodo de cadmio por un hidruro metálico. Esto disminuye el impacto ambiental y el efecto memoria y aumenta la capacidad de carga de las baterías. Esta tecnología se emplea en sistemas de alimentación ininterrumpida.

PROYECTO DESTACADO

En 2003, se llevó a cabo la instalación de un sistema de baterías de NiCd en Alaska que suministraban 27 MW de potencia durante 15 minutos.

PROYECTO DESTACADO

El monorail de Tokio instaló en 2014 el primer servicio de potencia de emergencia durante cortes de energía mediante baterías de NiMH de alta capacidad y rápida respuesta en la carga y descarga.

PROYECTO DESTACADO

El proyecto Terna SANC es la primera instalación de almacenamiento de energía a gran escala mediante baterías de NaS en Europa. Se trata de 3 sistemas de almacenamiento con una capacidad de 34,8 MW en el sur de Italia que actúan como una subestación eléctrica para gestionar la producción de las plantas de energía eólica existentes en la zona.


Baterías de flujo (Flow Batteries)

L as baterías de flujo son un tipo de baterías de almacenamiento que permiten dimensionar de forma separada la potencia y la energía necesarias y en las que el electrolito fluye a través de las diferentes celdas. Esto permite su escalabilidad

y que la capacidad de almacenamiento se pueda dimensionar según cada aplicación.

A continuación se analizan dos de las baterías de flujo con mayor potencial en la actualidad.

3.2.1 Batería de flujo redox de Vanadio (VRB)Las baterías de flujo de vanadio (VRB, de sus siglas en inglés Vanadium Redox Flow Battery) es uno de los sistemas de almacenamiento en baterías de flujo más maduros. Las baterías redox de vanadio emplean soluciones de vanadio en ácido sulfúrico (H2SO4 ) diluido. Que los dos electrolitos sean del mismo compuesto elimina el riesgo de contaminación por difusión de iones de un lado de la membrana al otro, lo que hace que la vida útil del electrolito sea prácticamente infinita. En el electrodo negativo se encuentra el par V2+/ V3+ y en el positivo el par V5+ / V4+.Dentro de esta tipología de baterías podemos encontrar la tecnología HydraRedox, la cual supera las deficiencias y limitaciones de la tecnología de flujo redox de vanadio convencional mediante un diseño único de celdas individuales y otras innovaciones técnicas. Esta nueva tecnología (HydraRedox), que permite almacenar cantidades masivas de energía eléctrica, supone un incremento significativo de la eficiencia, fiabilidad, flexibilidad y vida de almacenaje con una menor inversión:

3.2


• Eficiencia en corriente continua del 95%, manteniéndose alta y constante incluso a cargas bajas.

• Tiempo de respuesta inferior a 340 microsegundos.

• Posibilidad de carga tanto de forma uniforme como intermitente.

• Posibilidad de carga y descarga hasta 4 veces su potencia nominal. • Profundidad de descarga máxima (hasta el 100% de su carga).

• Operación por un número ilimitado de ciclos sin ningún deterioro.

• Funcionamiento seguro: operación a temperatura ambiente y presión próxima a la atmosférica (no puede arder ni explotar).

• Amplia versatilidad.• Escalable y modular para un amplio rango de aplicaciones.

• Vida útil en torno a 30 años de operación ininterrumpida.

3.2.2 Batería de flujo híbrida de zinc-bromo (ZnBr)Las baterías de flujo zinc-bromo (ZnBr, de su nombre en inglés Zinc Bromine Flow Battery). Este sistema se considera una batería de flujo híbrida ya que uno de sus componentes se almacena de manera interna, al contrario que las baterías puras de flujo. Las baterías de ZnBr se basan en la reacción redox del zinc y del bromo en la que el zinc queda depositado en el interior de la celda, mientras que el bromo se deposita en el tanque exterior en forma de aceite. En la actualidad se están desarrollando tecnologías que almacenan los dos electrolitos en el exterior.

PROYECTO DESTACADO

Actualmente se está construyendo en España la segunda instalación de almacenamiento con tecnología HydraRedox, con una potencia de 122 kW y 400 kWh de almacenamiento. Se trata de un sistema off-grid con eólica y fotovoltaica.

HydraRedoxPermite almacenar cantidades masivas de energía eléctrica


Baterías sólidas (Solid State Batteries) L as baterías sólidas, que se encuentran en fase experimental, se caracterizan

porque todos sus componentes (electrodos y electrolitos) se encuentran en estado sólido, lo que hace que su conductividad sea muy alta. Esto permite que

tengan una elevada densidad de energía, es decir, pueden acumular gran cantidad de electricidad en poco espacio.

Otra ventaja de las baterías sólidas es que no tienen problemas de pérdidas de electrolito, normalmente líquido, ni cambios en su funcionamiento por efecto de la temperatura, que puede congelar o hacer arder el electrolito en las baterías de iones de litio convencionales.

3.3

PROYECTO DESTACADO

La Universidad de Berkeley (California) está construyendo prototipos (en fase experimental) de baterías de Li-ion en estado sólido, donde los electrodos están unidos en una matriz polimérica porosa. Esto permite conseguir mejoras del 50% en peso y capacidad de energía respecto a las baterías de Li-ion convencionales.


Comparación y evaluación de las tecnologías E ntre la variedad de tecnologías existentes en la actualidad para el almacenamiento

de energía puede resultar complicado saber cuál es la más adecuada para las necesidades de la instalación o la actividad donde va a ser utilizada.

Características técnicas:• Capacidad (MWh): representa la cantidad de energía que puede almacenar la

tecnología.

• Densidad de energía (Wh/L): permite conocer el tamaño necesario para el almacenamiento de energía. Para una determinada cantidad de energía, cuanto mayor sea la densidad, más pequeño será el volumen necesario de almacenamiento.

• Energía específica (Wh/kg): es un indicador del peso de la instalación. Para una determinada cantidad de energía, cuanto mayor sea la energía específica, más ligero será el sistema de almacenamiento.

4 El almacenamiento de energía en la actualidad

4.1

Para ello, es imprescindible conocer las características técnicas y económicas más relevantes a tener en cuenta:


• Eficiencia del ciclo (%): es el ratio entre la electricidad de salida y la electricidad de entrada, por lo que representa la eficiencia de la tecnología para almacenar energía.

• Eficiencia de la descarga (%): indica la facilidad para transmitir la energía desde el almacenamiento en el momento en que es requerida. Contribuye a la eficiencia global del ciclo.

• Tiempo de respuesta: representa la rapidez con la que la energía almacenada está disponible.

• Autodescarga (%): se refiere a las pérdidas existentes en los sistemas de

almacenamiento (de calor en almacenamiento térmico, de aire en los sistemas de aire comprimido…)

• Flexibilidad en el diseño: hace referencia a la posibilidad de diseñar una instalación en función de diferentes parámetros como potencia, energía, voltaje y amperaje.

• Duración del almacenamiento: es un indicador relacionado con el grado de autodescarga; tecnologías con un alto porcentaje de descarga sólo pueden emplearse a corto plazo.

Características económicas:• Vida útil (años): la duración de la tecnología es un indicador importante desde el

punto de vista económico ya que, a menor vida útil, mayor coste de mantenimiento y reposición.

• Costes de potencia (€/kW): se trata del capital necesario para el desarrollo de la instalación de una capacidad determinada.

• Coste de energía (€/kWh): refleja el coste por kWh producido.

• Coste de operación y mantenimiento (€/kW/año): este indicador debe considerarse en el cálculo del coste total de la instalación, además del capital inicial.

• Coste de desmantelamiento (€/kW + €/kWh): hace referencia al coste de eliminación o reciclaje de una instalación al final de su vida útil.

• Nivel de desarrollo: es un indicador del grado de comercialización, los riesgos técnicos y los beneficios económicos de la tecnología.

A continuación se incluyen varias tablas comparativas de estas características técnicas y económicas para cada tecnología. La escala de colores marca en una gama de verdes las características más ventajosas (alta densidad de energía, bajo tiempo de respuesta…) y en una gama de rojos las más desfavorables (alto porcentaje de autodescarga, baja duración del almacenamiento…):


Si el tamaño y el peso de la instalación son factores importantes, será necesario elegir una tecnología con alta densidad y energía específica. Actualmente, la mejor posicionada en este caso son las de Li-ion.

Desde el punto de vista de la eficiencia, la mayoría de las tecnologías actualmente comercializadas tienen una eficiencia media-alta >60%, como el bombeo hidroeléctrico, los volantes de inercia, los supercondensadores y las baterías convencionales y de flujo, destacando algunas como la HydraRedox con niveles de eficiencia por encima del 85%.

El tiempo de respuesta es imprescindible que sea muy rápido, del orden de milisegundos o inferior, si el sistema de almacenamiento se va a utilizar para mantener el suministro de energía. Para esta aplicación son adecuadas las baterías convencionales, las baterías de flujo y los supercondensadores.

Si el tiempo que es necesario almacenar la energía es una variable decisiva para nuestra instalación, tendremos que tener en cuenta el porcentaje de autodescarga. El bombeo hidroeléctrico, los sistemas de aire comprimido, las baterías NaS, las baterías de flujo y las pilas de hidrógeno tienen muy poca autodescarga diaria, por lo que permiten almacenar la energía a largo plazo (durante meses). Otras baterías convencionales pueden almacenar energía durante días. Sin embargo, los supercondensadores y los volantes de inercia pierden la energía almacenada en unas pocas horas.

Tecnología Capacidad Densidad de energía

Energía específica

Eficiencia de cada ciclo

Eficiencia de la descarga

Tiempo de respuesta Autodescarga Flexibilidad en

el diseñoDuración del

almacenamiento

Bombeo hidroeléctrico (PHS) MUY ALTA MUY BAJA MUY BAJA ALTA ALTA ALTO MUY BAJA BAJA ALTO

Aire comprimido (CAES) ALTA MUY BAJA MEDIA BAJA BAJA MEDIO MUY BAJA BAJA ALTO

Volante de inercia (FES) BAJA MEDIA ALTA MUY ALTA ALTA BAJO MUY ALTA BAJA BAJO

Supercondensador MUY BAJA BAJA BAJA MUY ALTA MUY ALTA MUY BAJO ALTA BAJA BAJO

Pila de hidrógeno MEDIA MUY ALTA MUY ALTA BAJA MUY BAJA BAJO MUY BAJA BAJA ALTO

Almacenamiento térmico (TES) ND* ALTA ALTA BAJA ND* MUY ALTO BAJA BAJA MEDIO

Batería plomo-ácido MEDIA MEDIA MEDIA ALTA MEDIA MUY BAJO BAJA BAJA MEDIO

Batería Ión-litio BAJA ALTA ALTA MUY ALTA MEDIA MUY BAJO BAJA BAJA MEDIO

Batería NaS ALTA ALTA ALTA ALTA MEDIA ND* MUY BAJA BAJA ALTO

Batería NiCd BAJA ALTA MEDIA MEDIA MEDIA MUY BAJO MUY BAJA BAJA MEDIO

Batería de flujo redox de Vanadio (VRB) convencional

MEDIA BAJA MEDIA ALTA MEDIA MUY BAJO BAJA MEDIA ALTO

Batería HydraRedox ALTA MEDIA MEDIA ALTA ALTA MUY BAJO MUY BAJA ALTA ALTO

Batería de flujo de Zinc-Bromo (ZnBr) BAJA MEDIA MEDIA MEDIA BAJA MUY BAJO BAJA MEDIA ALTO

ANÁLISIS COMPARATIVO DE LAS CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LAS TECNOLOGÍAS PARA ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA A MEDIA Y GRAN ESCALA

*ND = No hay datos disponibles

HydraRedox > 85%> 60%Mayoría de tecnologías

actualmente en fase comercial

Eficiencia


La vida útil, el coste de operación y mantenimiento y el coste de desmantelamiento son parámetros muy importantes en el caso del almacenamiento a gran escala. Por ejemplo, las baterías de plomo-ácido tienen bajos costes de potencia y energía pero por su alto coste de mantenimiento y su corta vida útil no son muy adecuadas para la aplicación a media y gran escala.

Las tecnologías con mayor grado de desarrollo en la actualidad son el bombeo hidroeléctrico y las baterías de plomo-ácido.

No obstante, si para cada una de estas tecnologías, consideramos tanto aspectos técnicos como económicos, podemos decir que a día de hoy la tecnología HydraRedox sería la mejor posicionada como sistema de almacenamiento a media y gran escala.

Tecnología Vida útil Coste de potencia Coste de Energía Coste operación y mantenimiento

Coste desmantelamiento instalación Nivel de desarrollo

Bombeo hidroeléctrico (PHS) MUY ALTA MUY ALTO BAJO BAJO ALTO MUY ALTO

Aire comprimido (CAES) ALTA MEDIO BAJO MEDIO MEDIO ALTO

Volante de inercia (FES) MEDIA BAJO MUY ALTO MEDIO MEDIO MEDIO

Supercondensador ALTA BAJO ALTO BAJO MEDIO MUY BAJO

Pila de hidrógeno MEDIA ALTO MUY BAJO MUY BAJO MEDIO MUY BAJO

Almacenamiento térmico (TES) ALTA BAJO MUY BAJO ND* ALTO BAJO

Batería plomo-ácido BAJA BAJO BAJO ALTO ALTO MUY ALTO

Batería Ión-Litio BAJA ALTO ALTO ND* ALTO MUY BAJO

Batería NaS MEDIA ALTO MEDIO ALTO MEDIO ALTO

Batería NiCd MEDIA MEDIO ALTO MEDIO ALTO ALTO

Batería de flujo redox de Vanadio (VRB) convencional

MEDIA MEDIO MEDIO ALTO BAJO BAJO

Batería HydraRedox ALTA MEDIO MEDIO BAJO BAJO ALTO

Batería de flujo de Zinc-Bromo (ZnBr) BAJA ALTO MEDIO ND* MEDIO MUY BAJO

*ND = No hay datos disponibles

ANÁLISIS COMPARATIVO DE LAS CARACTERÍSTICAS ECONÓMICAS DE LAS TECNOLOGÍAS PARA ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA A MEDIA Y GRAN ESCALA

Bombeo HidroeléctricoBaterías Plomo-ácido

Grado de desarrollo+


Contexto actual y tendencias del sector E l contexto energético actual está evolucionando hacia formas de generación

limpias y respetuosas con el medio ambiente. Esto provoca la necesidad de modificar las pautas y formas de gestión de la red de suministro. En este

sentido, para muchos analistas de la industria energética, el almacenamiento de energía se está posicionando como un elemento clave para lograr una transición global a fuentes renovables.

En la última década el número de proyectos relacionados con el almacenamiento energético ha aumentado significativamente. Muestra de ello, es que en los últimos seis años se han registrado más de 250 en la base de datos “DOE Global Energy Storage Database” frente a los cerca de 170 registrados hasta el 2010.

Si analizamos el número de plantas de almacenamiento de energía instaladas hasta 2016 podemos ver que la distribución no es similar en todos los países. En el mapa se observa que la mayoría de países han implementado algún proyecto de almacenamiento, aunque se concentran en países de América del Norte, oeste de Europa y el este de Asia.

4.2

Más de 80 proyectos

Entre 40 y 80 proyectos

Entre 20 y 40 proyectos

Menos de 20 proyectos

Distribución mundial de instalaciones de almacenamiento de energía


• Estados Unidos: este país está a la cabeza de la lista de países con mayor número de proyectos de almacenamiento de energía, destacando el uso de las baterías de Li-ion y bombeo hidroeléctrico.

• Japón: al igual que Estados Unidos apuesta por el bombeo hidroeléctrico,

además de por las baterías de NaS y las de Li-ion. • Alemania: por su parte, apuesta principalmente por el bombeo hidroeléctrico, las

baterías de Li-ion y las baterías VRB.

• China: este país apuesta principalmente por el almacenamiento mediante bombeo hidroeléctrico y baterías, destacando las de Li-ion y las VRB.

• España: situado en el quinto puesto apuesta, al contrario que el resto de los países en cabeza, por las sales fundidas ya que esta tecnología es la más utilizada como sistema de apoyo a la energía termosolar, fuente de energía renovable en la que España es puntera. Así mismo, también potencia el almacenamiento mediante bombeo hidroeléctrico.

Como se puede observar, las tecnologías más implantadas hasta la fecha en todo el mundo son el bombeo hidroeléctrico, las baterías de Li-ion y las baterías VRB, si bien éstas dos últimas siguen mejorándose.

A nivel de país queda de manifiesto que existe una diferencia clara en el perfil tecnológico. Así, mientras Europa del Este ha apostado por el bombeo hidroeléctrico, el oeste ha ido desplegando tecnologías emergentes como el almacenamiento mediante sales fundidas.

Por otro lado, Estados Unidos a pesar de apostar claramente por las baterías de Li-ion presenta una gran diversidad de tecnologías implantadas, algunas de las cuales están en fases muy iniciales de desarrollo.

En cuanto a los países asiáticos, su apuesta va más por las baterías. Actualmente se encuentran entre los países con más instalaciones en funcionamiento, sólo por detrás de países como Estados Unidos.

En resumen, podemos decir que los países líderes en generación limpia están viendo en el almacenamiento un elemento cada vez más importante y necesario para un desarrollo viable y sostenible de las energías renovables, siendo las baterías los sistemas más prometedores.

Entre los países con un mayor número de proyectos de almacenamiento en operación encontramos a:

• bombeo hidroeléctrico• baterías Li-ion• baterías VRB

Nivel de implantaciónhasta la fecha+


A lo largo de la guía se han descrito las diferentes alternativas tecnológicas para el almacenamiento de energía a media y gran escala; desde las últimas investigaciones aún en fase de desarrollo (como los supercondensadores)

hasta tecnologías ya maduras (como es el caso de las baterías de plomo-ácido y el bombeo hidroeléctrico).

Las tecnologías existentes pueden satisfacer la mayoría de los requisitos técnicos necesarios para las operaciones del sistema de distribución eléctrica. Actualmente, aparte del bombeo hidroeléctrico, existen ya tecnologías suficientemente maduras para su implantación masiva en el mercado actual.

El análisis técnico-económico detallado de cada tecnología será la clave para seleccionar la más adecuada en cada caso.

Entre las opciones que se consideran más interesantes para el almacenamiento a media-gran escala se encuentran:

• Las baterías de Li-ion, debido a su alta densidad y energía específica son ligeras y de reducidas dimensiones lo que facilita su instalación en ciertos lugares. No obstante, su baja vida útil y altos coste son algunos de los inconvenientes más importantes de esta tecnología a día de hoy.

• Las baterías de flujo, especialmente las VRB y en concreto la HydraRedox, por su capacidad de dimensionamiento tanto de la parte de potencia como de energía, su rápido tiempo de respuesta, su larga vida útil y su bajo/nulo porcentaje de autodescarga que permite almacenar energía durante meses. Estas características las hacen idóneas como complemento de sistemas de generación renovable, para gestión de las redes de suministro y como sistemas de emergencia (SAI).

Las previsiones indican un crecimiento exponencial de la capacidad de almacenamiento que permitirá la integración plena de las energías renovables en el mercado energético.

5 Conclusiones

Capacidad almacenamiento

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