Introducción
En el 2016, el mundo entero consumió alrededor de 572,8 billones de BTU (Unidades Térmicas Británicas). Los estadounidenses consumieron alrededor del 17 % del consumo total de esa energía primaria del mundo, que fue de alrededor de 97,5 cuatrillones de Btu.
Como resultados de nuestra dependencia de los combustibles fósiles, que afectan nuestro medio ambiente, existe una creciente demanda de opciones de energía más ecológicas. Sin embargo, otras tecnologías de energía renovable como la solar y la eólica tienen resultados variables.
Es por eso que los expertos y los consumidores están buscando sistemas de almacenamiento de energía para el hogar y hay varios tipos de baterías que pueden ayudarnos a depender menos de los combustibles fósiles mientras recibimos un flujo constante de energía.
Dado que el almacenamiento de energía en el hogar está creciendo en popularidad, hemos creado una guía para ayudarlo. Siga leyendo para conocer el proceso de los sistemas de almacenamiento de energía residencial y los conceptos básicos de las baterías.
Conceptos básicos de la batería: por qué es importante el almacenamiento de energía residencial
Si bien las tecnologías de energía renovable están disponibles, hay algunas ubicaciones geográficas que no reciben mucho viento o luz solar. Los hogares residenciales, especialmente aquellos más alejados de la red eléctrica, suelen ser más vulnerables a las interrupciones que aquellos hogares ubicados en áreas metropolitanas.
La energía almacenada equivale a suministros más estables
Ser capaz de almacenar energía ayuda a garantizar que todos los hogares reciban un suministro constante de energía sin importar dónde se encuentren. Además, mientras que los combustibles fósiles tardan más en aumentar, el almacenamiento de energía es conocido por su rápida respuesta.
Esto asegura una mayor estabilidad de la red de distribución, en momentos de mayor demanda.
Tipo de baterías
Además de un suministro constante de energía, el almacenamiento de energía también ayuda a reducir los costos. Los propietarios y operadores de dichos almacenamientos pueden recibir ingresos adicionales.
Actualmente existe una amplia gama de enfoques tecnológicos para ayudar a administrar nuestros suministros y crear una infraestructura energética sólida. Para ayudar a explicar estos variados enfoques, se dividen en estas categorías principales:
Almacenamiento de Energía de Aire Comprimido
Este tipo de almacenamiento de energía de reserva se logra mediante el uso de aire comprimido. Utiliza la energía potencial elástica del aire comprimido, que mejora la eficiencia de las turbinas de gas convencionales.
Al comprimir el aire con electricidad durante las horas de menor actividad se lo puede almacenar en cavernas subterráneas. Cuando la demanda alcanza su punto máximo, el aire se extrae del almacenamiento, se enciende con gas natural en una turbina de combustión y genera electricidad.
Utiliza menos gas natural pero está limitado por la geografía. Solo un tercio del gas natural se usa a través del almacenamiento de energía de aire comprimido en lugar de otros métodos convencionales. Debido a su necesidad de utilizar embalses subterráneos, su uso está limitado por sus ubicaciones.
Baterías de Flujo y de Estado Sólido
Las baterías de estado sólido ofrecen una gama más amplia de soluciones de almacenamiento electroquímico que las baterías de flujo. Esto incluye condensadores y baterías de química avanzada.
Con ambos tipos de baterías la energía se almacena directamente en la solución electrolítica. Esto se hace para aumentar su ciclo de vida y proporcionar a los usuarios tiempos de respuesta rápidos.
Excelente almacenamiento para distribución y uso final
Las baterías se pueden ubicar en cualquier lugar. Como resultado, son un excelente almacenamiento para la distribución. Una instalación de baterías ubicada cerca de los consumidores proporciona estabilidad de energía. Para uso final, se utilizan en vehículos eléctricos.
Variedad de baterías disponibles para almacenar energía
Muchos tipos de baterías ofrecen potencial de almacenamiento de energía a gran escala, tales como:
Metal-aire
Litio
Ion
Sodio – Azufre
Plomo - Acido
Algunos parques eólicos también tienen instalaciones de almacenamiento de baterías, que ayudan a proporcionar estabilidad en las fuentes de alimentación cuando no sopla el viento.
Los nuevos avances en tecnología de baterías están ayudando a reducir los costos de las baterías.
Volantes
Los volantes son dispositivos mecánicos. Estos dispositivos entregan electricidad instantánea aprovechando la energía rotacional.
Los volantes almacenan electricidad en forma de masa giratoria. Este método puede proporcionar una variedad de beneficios a la red, ya sea a nivel de transmisión o distribución, tales como:
Prolongada vida útil
Requiere poco mantenimiento
Alta eficiencia
Tiempos de respuesta rápidos
Cómo funcionan los volantes
Con forma de cilindro y con un gran rotor dentro de una aspiradora, los volantes extraen su energía de la red cuando el rotor acelera a velocidades extremadamente altas. Luego, la electricidad se almacena como energía de rotación.
La energía almacenada se descarga cuando el rotor cambia al modo de generación, se ralentiza y luego funciona con energía de inercia. Luego, la electricidad se devuelve a la red.
Los volantes también se pueden colocar en casi cualquier lugar, incluso cerca de los consumidores. Las granjas de volantes pueden producir megavatios de energía, mientras que un solo volante puede producir kilovatios.
Energía hidroeléctrica bombeada
La energía hidroeléctrica se produce cuando el agua se utiliza para crear depósitos de energía a gran escala. Es una forma de almacenar energía en la etapa de transmisión de la red. Su exceso de generación se almacena para su uso posterior.
Muchas centrales hidroeléctricas mantienen dos embalses ubicados a diferentes alturas. Cuando la oferta supera la demanda, se bombea agua al depósito superior para almacenar energía.
Una forma costosa de generar electricidad
El agua se libera en el reservorio inferior cuando la demanda supera la oferta. El agua corre cuesta abajo a través de turbinas que generan electricidad.
Hoy en día, el almacenamiento hidroeléctrico por bombeo es el sistema de almacenamiento más grande en funcionamiento. Sin embargo, el proceso para obtener los permisos correspondientes es largo y el almacenamiento por bombeo es costoso.
Hidrógeno
Para fines de generación, el hidrógeno se puede utilizar como combustible libre de carbono.
Es posible crear hidrógeno utilizando el exceso de electricidad. Luego puede almacenarse y usarse más tarde en motores, turbinas de gas o celdas de combustible para generar electricidad sin que se produzcan emisiones nocivas.
Continúa la investigación sobre el aprovechamiento de la energía cuando no sopla el viento
Todavía se están realizando investigaciones sobre cómo crear hidrógeno a partir de la energía eólica y almacenarlo dentro de las torres de las turbinas eólicas para usarlo como generación de electricidad cuando no sopla el viento.
Térmica
La energía térmica captura el frío y el calor para crear energía bajo demanda. Utiliza la energía del sol, incluso cuando el sol no brilla. El calor se captura del sol. Luego, su energía se almacena en sales fundidas, agua y otros fluidos. Esa energía almacenada se puede utilizar más tarde para generar electricidad, incluso después de la puesta del sol.
Energía Térmica y Almacenamiento de Uso Final
También puede utilizar tecnologías de almacenamiento térmico para el almacenamiento de energía de uso final. Al congelar el agua por la noche utilizando electricidad fuera de las horas pico, cuando la energía fría almacenada se libera del hielo, puede ayudar con el aire acondicionado durante el día.
Varios tipos de baterías para el almacenamiento de energía en el hogar
Como se mencionó, hay varios tipos diferentes de baterías que se pueden usar en el almacenamiento de energía en el hogar.
Baterías de flujo
Hay muchos tipos de baterías de flujo como:
Redox de Vanadio
Zinc – Bromuro
Hierro - Cromo
Sin embargo, todos ofrecen baja densidad de energía.
Su requisito de bombear electrolito líquido también complica la operación. Las eficiencias de ida y vuelta son bajas, entre 60% y 70%.
Las baterías de flujo tienen ciclos de vida excepcionales y un buen costo para configuraciones de alta energía y baja potencia. La tecnología está mejorando, lo que debería reducir aun mas los costos.
Plomo-ácido
Aquí es donde fallan las baterías de plomo-ácido:
Ciclo de vida pobre
Baja calidad de electricidad
Pobre diversidad energética
Las capacidades deficientes de descarga profunda también limitan su versatilidad. Sin embargo, el plomo-ácido proporciona un excelente costo por kWh.
Iones de litio
Existen varios tipos de baterías de iones de litio como:
Níquel manganeso cobalto (NMC)
Niquelado (LNO)
Níquel cobalto aluminio (NCA)
Fosfato de hierro (LFP)
Espinela de manganeso (LMO)
Titanato (ánodo) (LTO)
La espinela de manganeso y el cobalto de manganeso de níquel son los más comunes. Sin embargo, el fosfato y el titanato de hierro también se están utilizando más comúnmente en aplicaciones de redes.
Beneficios de los iones de litio
Las baterías de iones de litio ofrecen los siguientes beneficios:
Alto Voltaje
Eficiencia hasta 90%
Versatilidad desde 15 minutos hasta más de cuatro horas
Madurez
Las baterías de iones de litio se pueden utilizar en una variedad de aplicaciones fuera de la red. Su ciclo de vida se considera de bueno a excelente.
Contras de iones de litio
Los costos pueden ser altos a medida que disminuye la relación potencia/energía. Las baterías de iones de litio también requieren electrónica, en relación con el equilibrio de celdas. Los impactos ambientales de las baterías de litio también comienzan a ser reconocidos.
Beta alúmina de sodio
Los dos tipos de baterías de beta-alúmina de sodio son:
Azufre de sodio
Cloruro de sodio y níquel
Ofrecen un ciclo de vida bueno a excelente.
Pros y contras de las baterías de beta alúmina de sodio
Todas las baterías de alúmina beta de sodio funcionan a altas temperaturas de alrededor de 300 °C. También requieren entre cuatro y seis horas de almacenamiento de energía por unidad de potencia.
Dependiendo de su perfil operativo, ofrecen buenas eficiencias de ida y vuelta de hasta el 85%. Sin embargo, si las baterías permanecen inactivas, ese perfil cae.
Las baterías de alúmina beta de sodio también requieren calentadores para evitar la congelación. Y esos calentadores consumen energía constantemente.
Cómo funcionan las baterías para el almacenamiento de energía en el hogar
A menudo se prefieren estas baterías debido a su gran cantidad de aplicaciones para uso comercial y residencial. Eso es porque los sistemas de almacenamiento de energía de la batería son recargables.
Los sistemas de baterías recargables almacenan energía de la red eléctrica o de los paneles solares. Luego se puede utilizar para proporcionar energía a hogares y/o negocios.
Los sistemas de almacenamiento de energía de la batería contienen tecnologías avanzadas, cosa que no ocurre con las baterías normales. Esto les permite realizar tareas como el cambio de carga y el recorte de picos.
Tres pasos para sistemas de almacenamiento de energía de batería
Hay tres pasos básicos para los sistemas de almacenamiento de energía de batería:
Carga:Durante el día, los sistemas de almacenamiento de baterías se cargan con electricidad limpia, que se genera con energía solar.
Optimización:El software de la batería utiliza algoritmos. Estos algoritmos coordinan lo siguiente y ayudan a optimizar las baterías cuando se utiliza su energía almacenada.
(i) Producción solar
(ii) Uso histórico
(iii) Estructuras de tarifas
(IV) Patrones meteorológicos
Descarga:Durante momentos de alto uso, la energía se descarga del sistema de almacenamiento de la batería. Esto reduce y/o elimina costosas tarifas de demanda.
Beneficios de las baterías modernas para el almacenamiento de energía en el hogar
Las baterías para el almacenamiento de energía en el hogar ofrecen ahorros de costos a los consumidores. También ofrecen a los proveedores de energía nuevas formas de ganar más dinero.
Asimismo, suelen incluir un inversor y sistemas de control computarizados. Estos sistemas llave en mano son eficientes debido a las siguientes razones:
Fáciles de instalar
Mayormente libres de mantenimiento
No requieren experiencia previa ni esfuerzo por parte del propietario
A prueba de intemperie
Las baterías modernas para el almacenamiento de energía residencial también son seguras para las mascotas y las personas. No obstante, existe una tendencia creciente de que los aficionados al bricolaje construyan sus propios sistemas de almacenamiento de baterías.
Un sistema residencial de almacenamiento de baterías conectado a la red, ya sea listo para usar o de bricolaje, debe cumplir con los requisitos de NEC. Estos son los mismos tipos de componentes eléctricos que se utilizan en los sistemas eléctricos y de control industriales, tales como:
Una caja de conexiones
Desconexión de CC
Protección contra la sobretensión
Protección contra fallas a tierra
Medidor (en caso de estar conectado a la red)
Desconexión de CA
Disyuntor DP (para el cableado del sistema fotovoltaico a la red)
Aplicaciones de almacenamiento de energía para uso residencial
Hay varias aplicaciones beneficiosas para los sistemas de almacenamiento de energía en el hogar.
Reserva en caso de emergencia
Con el aumento de la cantidad de tormentas, es importante contar con un sistema de almacenamiento de energía residencial que provea la energía necesaria, incluso cuando se produce un corte. El almacenamiento de energía de batería funciona de manera eficiente ya sea que tenga acceso a la energía solar o no.
También es una alternativa más segura y fluida a los generadores pequeños. Especialmente porque los generadores son uno de los principales contribuyentes a la intoxicación por monóxido de carbono en los EE. UU.
Sistemas Fuera de la red
Algunas personas han optado por desconectarse de la red y generar su energía utilizando energía solar. Gracias a la tecnología moderna, los aficionados al bricolaje ahora tienen un sistema de almacenamiento de energía de batería que supera con creces las capacidades de las baterías marinas de plomo-ácido utilizadas en el pasado.
Además, los sistemas de energía de batería más nuevos y modernos son más fáciles de configurar, instalar y más fáciles para ampliar. También son mucho más seguros y, al compararlos por kWh de almacenamiento, son mucho más baratos.
Solar Self-Consumption
Most homeowners are concerned with the application of solar self-consumption in residential energy storage systems. This system allows homeowners to store any surplus energy produced by their solar panels during the day.
Homeowners can then use that stored solar energy at night. For those customers on utilities without net metering, solar self-consumption is a great option.
The Future of Energy Storage
Many emerging home energy storage technologies remain unproven such as:
- Liquid metal
- Aqueous sodium ion
- Lithium-air
- Lithium solid polymer electrolyte
- Lithium sulfur
- Zinc-air
However, each of them can help improve the following:
- Cost
- Cycle life
- Safety
- Energy density
The Technology of the Future
However, these technologies have yet to experience market validation. Part of the reason is that energy storage is currently expensive.
One reason it’s so expensive is that there are no current policies that place a monetary value on the myriad and unique benefits of home energy storage. Also, at this point, there is no need for additional storage capacity in order to maintain reliability within the electricity grid.
With no current market need, it’s difficult to lower expenses in order to make it cost-effective. Also, right now energy storage doesn’t possess enough of a track record with large commercial-scale projects that would encourage new projects.
Pumped hydro is the only exception and it’s still expensive.
Battery Storage Systems Can Transform the Future
Many people do believe that battery energy storage systems will help to radically transform how consumers interact with energy.
Batteries will help make solar energy a must-have for homes and businesses. Batteries should also bring greater independence from the traditional utilities we all currently depend upon.
New doors should open offering a greater diversity of energy options.
Demand Quality and Excellence
Understanding battery basics is part of the key toward finding the best products and services for your home and business. It’s important to demand quality and excellence from those supplying you with products and services.
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