La electricidad en su forma original no se puede almacenar. No obstante, con el uso de algún sistema de almacenamiento de energía (ESS) se podría convertir en otras formas de energía que si se pueden almacenar. Estas formas de energía pueden ser posteriormente reconvertidas en electricidad cuando sea necesario.
Un ESS proporciona una amplia gama de enfoques tecnológicos con el objetivo de administrar nuestro suministro de energía, en un esfuerzo por crear una infraestructura energética más resistente y la generación de ahorros de costos tanto para las empresas de servicios públicos como para los consumidores. Las tecnologías actuales de sistemas de almacenamiento de electricidad incluyen baterías, volantes, aire comprimido, almacenamiento hidráulico bombeado y otros. Hoy en día, todos estos sistemas todavía están limitados en la cantidad total de energía que pueden almacenar, pero a través de la investigación estas tecnologías continúan mejorando a un ritmo rápido.
La red eléctrica de Estados Unidos se basa en un delicado equilibrio entre el suministro de electricidad generado y las demandas de los consumidores. Una forma efectiva de ayudar a equilibrar las fluctuaciones en la oferta y la demanda de electricidad es almacenar electricidad durante los períodos de alta producción y baja demanda, a fin de liberarla de nuevo a la red de energía eléctrica durante los períodos de menor producción o mayor demanda.
En este número hablaremos sobre cómo el almacenamiento de electricidad proporcionará confiabilidad, beneficios económicos y ambientales para todos nosotros. Dependiendo de la medida en que se despliegue, el almacenamiento de electricidad podría ayudar a la red eléctrica de los Estados Unidos a operar de manera más eficiente, reducir la probabilidad de caídas de tensión durante la demanda máxima y permitir que se utilicen más recursos renovables.
Creciente necesidad de almacenamiento de electricidad
Desde que se descubrió la electricidad muchos investigadores y científicos han buscado métodos efectivos para almacenar energía para ser utilizada en función de la demanda. En los últimos 100 años, la industria del almacenamiento de energía ha seguido evolucionando e innovando en respuesta a los cambios en la demanda de electricidad y los avances tecnológicos.
Hoy en día, los consumidores en los Estados Unidos están usando electricidad las 24 horas del día. Independientemente de que estemos despiertos o dormidos, nuestra necesidad de electricidad es continua. Los consumidores estadounidenses tienden a dar por sentado lo fácil que es obtener la energía necesaria para alimentar dispositivos, electrodomésticos, herramientas, máquinas, vehículos y todas las cosas que usamos durante el día y la noche.
Ahora, la rápida aceptación de los vehículos eléctricos está ejerciendo aún más presión sobre la red eléctrica, a fin de manejar una mayor demanda de electricidad. Además, el avance tecnológico y el crecimiento de los mercados de energía renovable, como la solar, la eólica y otras, ha sido un factor impulsor masivo con respecto a la necesidad de almacenamiento de energía dado el impacto sustancial en la red.
Tecnologías de almacenamiento de energía
Un rasgo importante del sector de la energía eléctrica es que el nivel de electricidad que se puede generar es algo fijo en cortos períodos de tiempo. Por el contrario, la demanda de electricidad fluctúa a lo largo del día. El desarrollo de tecnologías para almacenar energía eléctrica a fin de que pueda estar disponible para satisfacer la demanda cuando sea necesario representa un cambio importante en la forma en que se distribuye la electricidad.
Sistemas de almacenamiento de energía
Los sistemas de almacenamiento de energía (ESS) están diseñados para administrar el nivel de energía requerido para abastecer a los clientes en las horas pico, cuando la necesidad es mayor. En última instancia, ayudarán a que el uso de energía renovable sea más fluido y más fácil de inyectar en el sistema de distribución.
ESS también ayudará a equilibrar las microrredes para lograr un equilibrio estable entre la generación y la carga. Los sistemas de almacenamiento de energía pueden proporcionar regulación de frecuencia, manteniendo la frecuencia en 60 Hz en todo el sistema, lo cual es de vital importancia. Esto posibilitara mantener el equilibrio entre la carga de la red y la energía generada. Además, la implementación de un ESS también puede lograr una fuente de alimentación más confiable para instalaciones industriales de alta tecnología. El almacenamiento de energía y la electrónica de potencia son prometedores para transformar la industria de la energía eléctrica.
Electrónica de potencia de alto voltaje
La electrónica de potencia de alto voltaje, como interruptores, controladores e inversores, permite controlar la energía eléctrica de forma rápida y precisa para soportar la transmisión a larga distancia. Estos dispositivos de alto voltaje permitirán que el sistema funcione de manera más eficiente y responda eficazmente a las perturbaciones en forma más rápida. Otro desafío importante que se está abordando es la reducción del costo de la tecnología de almacenamiento de energía y de la electrónica de potencia como un esfuerzo para lograr una aceptación más rápida en el mercado.
Programa de almacenamiento de energía del DOE
El programa de almacenamiento de energía (ESP) desarrollado por la Oficina de Electricidad (OE) del Departamento de Energía de los Estados Unidos realiza investigación y desarrollo en una amplia variedad de tecnologías de almacenamiento de energía. Esta amplia base tecnológica incluye baterías (tanto convencionales como avanzadas), condensadores electroquímicos, volantes de inercia, electrónica de potencia, sistemas de control y herramientas de software para la optimización y el tamaño del almacenamiento. El ESP trabaja en estrecha colaboración con los distintos socios de la industria, al punto de compartir los costos en muchos de sus proyectos.
El ESP ofrece la oportunidad para que las empresas de servicios públicos y los departamentos estatales de energía colaboren en el diseño, adquisición, instalación y puesta en marcha de importantes instalaciones de almacenamiento, pioneras y de hasta varios megavatios de tamaño. También apoya estudios analíticos sobre el rendimiento técnico y económico de las tecnologías de almacenamiento, así como evaluaciones técnicas tanto de los componentes de los sistemas de almacenamiento de energía como de los sistemas operativos.
El almacenamiento de energía mejorado puede proporcionar múltiples beneficios a la industria energética y a sus clientes residenciales, así como a las empresas de fabricación industrial y las empresas comerciales. Estos beneficios incluirán una mejor calidad de la energía y la entrega confiable de electricidad a los clientes, y proporcionarán una mayor estabilidad y confiabilidad de los sistemas de transmisión y distribución.
El ESP alienta a las empresas de servicios públicos a modernizar los equipos existentes a fin de diferir o eliminar actualizaciones costosas, mejorando la disponibilidad y aumentando el valor de mercado de las fuentes de generación distribuida. El ESP ofrece a las empresas de servicios públicos y proveedores un valor mejorado de energía renovable y reducciones de costos, a través de una mayor capacidad además del aplazamiento del pago de la transmisión.
El ESP también se esfuerza por mejorar la densidad de almacenamiento de energía mediante la realización de investigaciones sobre electrolitos avanzados para baterías de flujo, el desarrollo de baterías de Na de baja temperatura, como por ejemplo electrodos nanoestructurados con propiedades electroquímicas mejoradas.
En electrónica de potencia, la investigación de nuevos materiales de alto voltaje, alta potencia, alta frecuencia y banda ancha, como el carburo de silicio y el nitruro de galio, está avanzando. Además, avanza en paralelo la investigación sobre sistemas avanzados de conversión de energía que utilizan magnetismo avanzado, condensadores de alto voltaje y controles avanzados para aumentar significativamente la densidad de potencia y el rendimiento.
Iniciativa Energy Earthshots
Energy Earthshots Initiative, otro programa desarrollado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos, tiene como objetivo acelerar los avances de soluciones de energía limpia más abundantes, asequibles y confiables dentro de esta década. Cumplir con la Iniciativa Energy Earthshots ayudará a Estados Unidos a enfrentar los obstáculos más difíciles aun por venir para abordar la crisis climática, hacer crecer la economía de energía limpia y alcanzar más rápidamente el objetivo de cero emisiones netas de carbono para 2050.
DOE – Energía de almacenamiento de larga duración Earthshots
Los Earthshots de energía de almacenamiento de larga duración (LDSEE) establecen un objetivo a fin de reducir el costo del almacenamiento de energía a escala de red en un 90% para los sistemas que ofrecen 10 + horas de duración, durante la presente década. El almacenamiento de energía tiene el potencial de acelerar la descarbonización total de la red eléctrica.
Almacenamientos de menor duración para respaldar el nivel actual de generación de energía renovable se están instalando en la actualidad. A medida que se despliegan más energías renovables en la red, se necesitaran tecnologías de almacenamiento de mayor duración. Un almacenamiento más barato y eficiente hará que sea más factible capturar y almacenar energía limpia renovable para su uso cuando la generación de energía no esté disponible o sea inferior a la demanda.
Como ejemplo, las fuentes renovables generadas durante el día, como la energía generada por energía solar, se pueden usar por la noche o la energía nuclear generada durante los momentos de baja demanda se puede usar cuando aumenta la demanda. LDSS considerará todo tipo de tecnologías: electroquímicas, mecánicas, térmicas, portadoras químicas, o cualquier combinación que tenga el potencial de cumplir con los objetivos de duración y costo necesarios para la flexibilidad de la red.
Participación de las partes interesadas
El DOE ha implementado planes para celebrar una serie de eventos a fin de involucrar a las comunidades, industrias y otras partes interesadas, incluida una Cumbre SUD que se celebró el Día Mundial del Almacenamiento de Energía 2021. Consulte los próximos eventos en el sitio web del Gran Desafío de Almacenamiento de Energía en energy.gov/energy-storage-grand-challenge.
Financiamiento
Varias oficinas del DOE realizan actividades de almacenamiento de energía y la Solicitud de Presupuesto del Año Fiscal 2022 del Presidente incluyó un total de $ 1.16 billones para estas actividades, que se siguen a través del corte transversal del Gran Desafío de Almacenamiento de Energía. Como asignaciones pendientes, el DOE anticipa oportunidades de financiamiento y otras actividades para ayudar a avanzar en el progreso hacia el cumplimiento de las metas SUD, que se alinean con la Hoja de Ruta del Gran Desafío de Almacenamiento de Energía del DOE.
Alcanzar el objetivo de cero emisiones netas de carbono
El objetivo de Inyección de Almacenamiento de Larga Duración (LDSS) es clave para alcanzar cero emisiones netas de carbono de la red eléctrica para 2035, y para toda la economía hacia el 2050. El almacenamiento de energía puede aumentar el control local del sistema de energía y crear resiliencia para las comunidades que experimentan interrupciones frecuentes de energía o que pueden no tener acceso a la red. El desarrollo de la tecnología y la fabricación para alcanzar los objetivos de costos LDSS establecerá una nueva industria manufacturera con sede en los Estados Unidos para productos de almacenamiento.
Debido a la rápida caída de los costos de las tecnologías de energía solar y eólica, las crecientes proporciones de energía renovable variable se convertirán en el estándar en el futuro. Los esfuerzos para descarbonizar el sector del transporte se están acelerando a través del uso de vehículos eléctricos.
La necesidad de acomodar el suministro de energía variable en paralelo a proporcionar una producción ininterrumpida en el sector eléctrico es un objetivo alcanzable. Los esfuerzos para integrar las energías renovables, como la solar, la eólica y otros recursos renovables, en los sectores de uso final, han demostrado un potencial significativo, así como la importancia crucial que tiene el almacenamiento de electricidad para hacer realidad la descarbonización profunda.
El almacenamiento de electricidad que se basa en la mejora rápida de las baterías y otras tecnologías permitirá una mayor flexibilidad del sistema, un activo clave a medida que la proporción de energías renovables variables continúa aumentando. El almacenamiento de electricidad puede hacer posible un sector del transporte dominado por vehículos eléctricos, permitir sistemas solares domésticos efectivos las 24 horas fuera de la red y admitir minirredes 100% renovables.
Predicciones internacionales
La Agencia Internacional de Energías Renovables (IRENA) ha analizado los costos actuales y el rendimiento de una gama de tecnologías de almacenamiento de electricidad en aplicaciones estacionarias así también como la reducción de costos y el potencial de mejora del rendimiento hasta 2030 en el informe "Electricity Storage and Renewables: Costs and Markets to 2030".
El informe concluyó que la capacidad total de almacenamiento de electricidad podría triplicarse en términos energéticos para 2030. Junto con la rápida adopción de energía renovable, eso debería ser suficiente para duplicar la proporción de energías renovables alrededor del mundo en menos de una década y media. El almacenamiento de electricidad de la batería podría crecer 17 veces y los costos de las tecnologías de almacenamiento de baterías podrían caer hasta en un 66%.
Este estudio muestra que los sistemas de almacenamiento de electricidad en baterías ofrecen un enorme potencial de implementación y reducción de costos. Para 2030, los costos totales de instalación podrían caer entre 50% y 60% y los costos de celdas de batería aún más. Todo esto está impulsado por la optimización de las instalaciones de fabricación, combinada con mejores combinaciones y un menor uso de materiales.
Tecnología de sistemas de almacenamiento de energía
Los sistemas de almacenamiento de energía (ESS) proporcionan una amplia gama de enfoques tecnológicos para administrar nuestro suministro de energía con el fin de crear una infraestructura energética más resistente y generar ahorros de costos para las empresas de servicios públicos y para los consumidores. A continuación, se analizan los diversos enfoques que se están implementando actualmente en todo el mundo.
Almacenamiento de baterías
Desde que Alessandro Volta inventó la primera batería en 1800, hemos comprendido cómo funciona la electricidad a través de los científicos e investigadores.. En su nivel más básico, una batería es un dispositivo que consiste en una o más celdas electroquímicas. Dentro de esas células, tienen lugar reacciones químicas, creando un flujo de electrones en un circuito. Esta actividad de flujo de electrones proporciona la corriente eléctrica requerida. Esto incluye baterías de química avanzada, baterías de flujo y condensadores que convierten la energía química almacenada en energía eléctrica
Tipos de baterías
Cada tipo de batería tiene un lado positivo (cátodo), un lado negativo (ánodo) y un tipo de electrolito que reacciona químicamente con ellos. Este proceso es común a todas las baterías, pero los diferentes tipos de baterías almacenan energía de manera diferente. Los tipos más comunes de baterías recargables disponibles para nuestro uso hoy en día son las baterías de iones de litio y las baterías de plomo-ácido.
Baterías de plomo-ácido
Las baterías de plomo-ácido han existido por más de 170 años y son las baterías recargables más antiguas que existen. Cada batería de plomo-ácido de 12 voltios contiene seis celdas, cada una con un terminal positivo, un terminal negativo y una mezcla de ácido sulfúrico y agua. La reacción química hace que el ácido sulfúrico se descomponga en el agua almacenada dentro de cada celda con el propósito de diluir el ácido. Durante el uso de la energía, el ácido se agota en la batería. Cuando la batería está generando energía, se está descargando a medida que lo hace.
Para cargar la batería, el proceso se invierte y la recarga de la batería restaura las moléculas de ácido. En resumen, así es el proceso de almacenamiento de energía. Luego, la energía almacenada en el ácido se convierte en electricidad para su uso. Si bien hay muchos tipos diferentes de baterías de plomo-ácido, todas utilizan el mismo proceso de almacenamiento de energía química.
Baterías de iones de litio
Como se mencionó anteriormente, todas las baterías tienen un cátodo y un ánodo. En el caso de las baterías de iones de litio, los cátodos y ánodos son capaces de almacenar iones de litio. La energía se almacena y libera cuando los iones de litio se mueven desde el cátodo al ánodo a través del electrolito. Mientras que el proceso en las baterías de plomo-ácido es siempre a través de un mismo tipo de reacción química, las baterías de iones de litio utilizan muchos procesos químicos diferentes..
Algunos de los tipos más comunes de baterías de litio son:
Óxido de litio y cobalto (LiCoO2) - Conocido como LCO y comúnmente utilizado en teléfonos y computadoras.
Óxido de manganeso de litio (LiMn2O4) - Conocido como LMO y comúnmente utilizado en herramientas eléctricas.
Óxido de litio níquel manganeso y cobalto (LiNiMnCoO2) - Conocido como NMC y utilizado en automóviles eléctricos Tesla.
Óxido de aluminio y litio níquel cobalto (LiNiCoAlO2) - Conocido como NCA y utilizado en automóviles eléctricos Tesla.
Titanato de litio (Li2TiO3) - Conocido como LTO y utilizado en herramientas eléctricas y aplicaciones especializadas.
Fosfato de hierro y litio (LiFePO4) - Conocido como baterías LFP o "Life Po".
Baterías de sodio-azufre (NaS)
Las baterías de sodio-azufre (NaS) se han utilizado durante 25 años y están bien establecidas, aunque son caras. La batería de NaS de sodio-azufre, junto con la batería de litio-azufre relacionada, emplean materiales de electrodos más económicos y abundantes. Fue la primera batería comercial de metal alcalino y utilizó azufre líquido para el electrodo positivo y un tubo cerámico de electrolito sólido de beta-alúmina (BASE).
Supercondensadores
Los condensadores almacenan energía eléctrica en dos placas metálicas separadas por un semiconductor y la restauran en el momento de la descarga. Los supercondensadores son muy grandes y se utilizan para el almacenamiento de energía y están sometidos a frecuentes ciclos de carga y descarga a alta corriente y corta duración. Han evolucionado y forman parte de la tecnología de baterías mediante el uso de electrodos especiales y electrolitos. Los supercondensadores pueden cargarse y descargarse muy rápidamente, lo cual es ventajoso cuando se carga un vehículo eléctrico.
Baterías de celda de flujo redox
Las baterías de celda de flujo redox (RFB), desarrolladas en la década de 1970, tienen dos electrolitos líquidos separados por una membrana para dar medias celdas positivas y negativas, cada una con un electrodo que en general es de carbono. La carga y la descarga surge de una reacción de oxidación de reducción reversible a través de la membrana. Durante el proceso de carga, los iones se oxidan en el electrodo positivo (liberación de electrones) y se reducen en el electrodo negativo (absorción de electrones). Esto significa que los electrones se mueven desde el material activo (electrolito) del electrodo positivo al material activo del electrodo negativo. Al descargar, el proceso se invierte y se libera energía.
Almacenamiento térmico
Los sistemas de almacenamiento térmico utilizan métodos de calefacción y refrigeración para almacenar y liberar energía. Por ejemplo, la sal fundida almacena calor generado por el sol para su uso cuando no hay luz solar. El almacenamiento de hielo en los edificios reduce la necesidad de hacer funcionar los compresores al tiempo que proporciona aire acondicionado durante varias horas. Otros sistemas utilizan agua fría y calentadores de agua a disposicion. En todos los casos, el exceso de energía carga el sistema de almacenamiento (calentamiento de las sales fundidas, congelar el agua, etc.) y luego se libera según sea necesario.
Almacenamiento mecánico
Los sistemas de almacenamiento mecánico son posiblemente los más simples, recurriendo a las fuerzas cinéticas de rotación o gravitación para almacenar energía. Las principales opciones a tal fin son el uso de volantes de inercia y sistemas de aire comprimido.
La electricidad acelera un volante a través del cual la energía se conserva como energía cinética de rotación. Cuando se necesita la energía, la fuerza de giro del volante se utiliza para hacer girar un generador. Algunos volantes de inercia pueden alcanzar velocidades de rotación de hasta 60.000 revoluciones por minuto. La electricidad se utiliza para comprimir aire a una velocidad de hasta 1,000 libras por pulgada cuadrada y almacenarlo, a menudo, en cavernas subterráneas. Cuando la demanda de electricidad es alta, el aire presurizado se libera para generar electricidad a través de un generador de turbina de expansión.
Almacenamiento de energía hidroeléctrica por bombeo
El almacenamiento de energía hidroeléctrica por bombeo es un tipo de almacenamiento de energía hidroeléctrica. Es una configuración de dos depósitos de agua a diferentes elevaciones que pueden generar energía. A medida que el agua se mueve de uno a otro, pasa a través de una turbina. Luego, el sistema requiere energía a medida que bombea agua al depósito superior o se recarga. Los sistemas hidroeléctricos bombeados, basados en grandes depósitos de agua, se han implementado ampliamente para convertirse en la forma más común de almacenamiento a escala de servicios públicos.
Almacenamiento de hidrógeno
La electricidad se convierte en hidrógeno por electrólisis. El hidrógeno se almacena y finalmente se vuelve a electrificar, pero la eficiencia de este proceso hoy en día es menor que la de otras tecnologías de almacenamiento. El interés en el almacenamiento de energía de hidrógeno está creciendo debido a la capacidad de almacenamiento mucho mayor en comparación con las baterías o el almacenamiento de energía hidroeléctrica y de aire comprimido bombeado (CAES).
Potencial energético gravitacional
La energía gravitacional es la energía potencial que un objeto masivo tiene en relación con otro objeto masivo debido a la gravedad. Es la energía potencial asociada con el campo gravitatorio, que se libera o se convierte en energía cinética, cuando los objetos caen uno hacia el otro. La energía potencial aumenta cuando dos objetos se separan más.
¿Qué sigue?
Incluso con la avalancha de nuevas tecnologías, ESS todavía tiene muchos obstáculos que superar para alcanzar el nivel de energía almacenada que se necesitará en el futuro. El descubrimiento continuo de nuevos enfoques para administrar el suministro de energía está generando una infraestructura energética más resistente y eficiente que resultara en ahorros de costos a las empresas de servicios públicos y a los consumidores. La rápida caída de los costos de la energía solar, la energía eólica y otros recursos renovables desempeñará un papel principal en la generación de la electricidad necesaria para nuestras necesidades cada vez mayores.
Productos de control de almacenamiento de energía
A medida que la red cambia y mejora, los sistemas de almacenamiento de energía experimentarán una mayor necesidad de control eléctrico en todos los niveles: residencial, comercial / industrial e inversor / batería. Los controles eléctricos de bajo voltaje, tanto de corriente alterna (CA) como de corriente continua (CC), son críticos para los sistemas efectivos de almacenamiento de energía. Estos productos incluyen, pero no se limitan a lo siguiente:
- Los disyuntores en miniatura (MCB) protegen contra sobrecargas o cortocircuitos.
- Los disyuntores de corriente residual protegen contra condiciones climáticas severas.
- Los disyuntores de caja moldeada protegen contra corrientes extremadamente excesivas.
- Los interruptores de desconexión ofrecen un método de desconexión necesario para cumplir con los estándares de instalación.
- Los dispositivos de protección contra sobretensiones protegen los componentes sensibles de sobretensiones causadas por rayos y sobretensiones.
- Los contactores ofrecen una forma de encender o apagar un sistema.
- Los medidores de energía ofrecen una medición de la energía consumida y almacenada para la toma de decisiones informadas.
- Los bloques de terminales, el conducto de cableado y el riel DIN ofrecen facilidad de cableado durante el montaje.
- Los dispositivos piloto ofrecen una interfaz hombre-máquina para la comunicación y la interacción.
- Los portafusibles protegen e integran la seguridad de los fusibles en un sistema eléctrico.
Muchos de estos productos necesarios para los sistemas de almacenamiento de energía están disponibles en c3controls, y estamos listos y capacitados para ayudar a los fabricantes con productos y servicios de clase mundial necesarios para la producción de todo tipo de sistemas de almacenamiento de energía.
Controles de máquinas eléctricas durante más de cuatro décadas
Esperamos que se haya beneficiado de este número de TODO BAJO CONTROL y que haya aprendido un poco más sobre cómo el almacenamiento de electricidad proporcionará confiabilidad, beneficios económicos y ambientales para todos nosotros. Hay muchas industrias y empresas con nuevas tecnologías que se beneficiarán con la finalización e implementación del Programa de Almacenamiento de Energía del DOE.
En futuros números, presentaremos información sobre las últimas tendencias y avances para una amplia variedad de industrias que dependen de los productos de c3controls como parte integral de los controles de sus máquinas.
