Para proporcionar un flujo fluido de electricidad, la energía solar y la eólica requieren condiciones ininterrumpidas de sol y viento. En la quietud y la oscuridad, ese flujo fluido se para. En el otro extremo, en días soleados y ventosos, los parques solares y eólicos pueden producir más energía de la necesaria.
Los sistemas de almacenamiento de energía pueden absorber el exceso de energía producida por la eólica y la solar, guardándola para los momentos de baja producción.
En la transición hacia las energías renovables y las fuentes de energía variable, como la eólica y la solar, los ingenieros llevan mucho tiempo trabajando en la tecnología de almacenamiento. Durante décadas, la energía hidroeléctrica ha sido el principal método de almacenamiento de energía a nivel mundial. En Estados Unidos, representa el 95% de la capacidad de almacenamiento de energía a escala comercial. Pero las instalaciones hidroeléctricas están sujetas a un largo proceso de obtención de permisos, tardan varios años en construirse y tienen requisitos específicos de ubicación.
Los combustibles fósiles tienen una ventaja significativa sobre las fuentes de energía renovables, como la eólica y la solar: no dependen del clima. Pero esta ventaja está disminuyendo gracias a los avances en el almacenamiento de energía. Los sistemas de almacenamiento de energía pueden absorber el exceso de energía producida por la eólica y la solar, guardándola para los momentos de baja producción.
Las baterías de iones de litio son otra de las principales soluciones de almacenamiento de energía. Pueden funcionar a escala de la red, como la energía hidroeléctrica, o alimentar demandas energéticas más pequeñas, como las de las empresas, los hogares y los vehículos eléctricos.
Las baterías de iones de litio y la energía hidroeléctrica por sí solas no bastarán para que la red pase a ser 100% renovable. Pero la energía puede almacenarse por otros métodos, como en baterías ecológicas, en la energía cinética de un volante de inercia o como energía térmica en sales fundidas.
Alimentando la Resiliencia
En Quaqtaq, una comunidad inuit del norte de Quebec, EVLO Energy Storage Inc. está probando cómo sus sistemas pueden aportar energía renovable a la red y servir a zonas remotas. Durante los últimos tres años, los sistemas de almacenamiento de energía de EVLO han ayudado a la comunidad de Quaqtaq a integrar la energía solar.
«Cuando la red de distribución se apague por un evento planificado o no, la microrred que tenemos allí será autosostenible y proporcionará continuidad de electricidad».
Adile Ajaja, jefe del equipo de software de EVLO
EVLO, una filial del productor de energía renovable Hydro-Québec, ha desarrollado un mejor tipo de batería de iones de litio: las baterías de litio y fosfato de hierro. A diferencia de las baterías tradicionales de iones de litio, la variedad de fosfato de hierro y litio se fabrica con materiales no tóxicos. La composición de la batería también es intrínsecamente más segura y estable que las baterías de iones de litio. La composición también elimina prácticamente la preocupación por la eliminación de residuos, ya que las baterías están compuestas por materiales no tóxicos. Los materiales también pueden ser reutilizados y reciclados, promoviendo una economía circular de las baterías de iones de litio.
Hydro-Québec lleva 40 años desarrollando la tecnología de los sistemas EVLO. Sus sistemas más pequeños pueden alimentar edificios comerciales, mientras que las unidades más grandes y resistentes pueden alimentar redes y emplazamientos industriales. La batería de fosfato de hierro y litio es una de las más eficientes del mercado actual. A diferencia de otros tipos de baterías, tiene una profundidad de descarga del 100%, lo que significa que los usuarios pueden acceder a toda la energía almacenada en la batería.
Adile Ajaja, jefe del equipo de software de EVLO, y su equipo utilizan MATLAB® y Simulink® para desarrollar y modelar los sistemas EVLO. A continuación, utilizan el código generado a partir de sus modelos Simulink en su hardware para controlar el sistema.
Desde su primer proyecto, EVLO ha llevado su solución a otras comunidades. En la ciudad de Lac-Mégantic, la empresa ha instalado recientemente un sistema de almacenamiento de energía para dar servicio a una microrred de barrio. La primera microrred de Quebec formaba parte de los esfuerzos de recuperación después de que un tren desbocado destruyera gran parte del centro de la ciudad hace unos años.
EVLO intervino en ese proyecto para aumentar la resistencia de la red eléctrica. Los sistemas almacenan la energía de 1.700 paneles solares y dan servicio a 40 edificios del centro de la ciudad, estaciones de carga de vehículos eléctricos y controles de automatización para una gestión más eficiente de la energía. La microrred y los sistemas de almacenamiento de energía también proporcionan una fuente de energía en caso de que la red principal se apague. «Cuando la red de distribución se interrumpe por un evento planificado o no, la microrred que tenemos allí será autosuficiente y proporcionará continuidad de la electricidad», dice Ajaja.
Eliminando Fricción
La empresa finlandesa Teraloop ha dado un nuevo giro a la antigua tecnología de almacenamiento de energía. Esa tecnología, un volante de inercia, almacena energía en un rotor que gira rápidamente. Pero a diferencia de la mayoría de los volantes, la solución de Teraloop tiene un centro hueco. «Piensa en un neumático pero sin la llanta», dice James Hagerman, asesor técnico jefe de Teraloop. «La mayoría de los volantes de inercia son sólidos, con un cubo». Mejorando aún más el volante de inercia tradicional, Teraloop aprovecha las fuerzas magnéticas para hacer levitar el rotor del volante, lo que permite una rotación casi sin fricción.
«Siempre que se necesite una gran potencia para una duración corta, como la aceleración de un metro… un volante de inercia puede superar a las baterías». James Hagerman, principal asesor técnico de sistemas de Teraloop
Teraloop elimina la mayoría de las tensiones que limitan los volantes de inercia estándar al eliminar el cubo y emplear la levitación magnética. Su producto se mueve más rápido que los volantes de inercia estándar y almacena más energía.
La empresa planea utilizar su volante de inercia para acompañar el almacenamiento de la batería en las estaciones de carga de vehículos eléctricos, para el frenado regenerativo en sistemas de metro y tranvía, y para estabilizar las fluctuaciones de tensión de las microrredes.
En las estaciones de carga de vehículos eléctricos, los volantes de inercia aceleran la carga de los vehículos y prolongan la vida útil de las baterías. Las baterías almacenan energía de la red para la carga de los vehículos, pero son una solución imperfecta. «Las baterías actuales son de iones de litio y no están hechas para completar muchos ciclos cada día. Su vida útil se reduce drásticamente», dice Hagerman. «Así que se hace lo que se llama almacenamiento híbrido de energía, que es el volante de inercia más la batería».
El modelo de almacenamiento híbrido es bueno para la batería. «Protege la batería y permite que la estación de energía tenga una conexión mínima a la red», dice. Eso significa que la incorporación de estaciones de carga no requerirá actualizaciones de la red, al menos no mientras los VE sean una minoría de vehículos en la carretera.
Como sistema autónomo, el volante de inercia puede proporcionar energía a los sistemas de transporte público. Las tecnologías de frenado regenerativo -que invierten la rotación de un motor al frenar para cargar un vehículo eléctrico- se utilizan en metros y tranvías, pero con una capacidad de almacenamiento limitada. «Siempre que se necesite una gran potencia para una duración corta, como la aceleración de un metro… un volante de inercia puede superar a las baterías», dice Hagerman.
Fuera de la carretera, los volantes de inercia pueden estabilizar las microrredes alimentadas por fuentes renovables intermitentes. «El voltaje fluctúa, la frecuencia fluctúa, por lo que necesitan tener apoyo de la red», dice Hagerman. «Ahí es donde los proveedores de electricidad utilizan baterías a largo plazo», dice, pero los volantes de inercia complementan las baterías, proporcionando ráfagas de energía durante períodos cortos.
Hagerman utiliza MATLAB y Simulink para modelar cómo se integrará el volante de inercia en los sistemas de red existentes. Con Simulink, muestra a los clientes potenciales cómo funciona el volante de inercia y qué aspecto tiene cuando se utiliza junto con las baterías y los sistemas de red.
«No competimos con las baterías, pero puede haber ocasiones en las que el volante de inercia por sí mismo sea una mejor opción, especialmente cuando el espacio es limitado», dice Hagerman. Pero también les muestra cómo el volante de inercia puede mejorar los sistemas alimentados por baterías. «Se complementan mutuamente».
Frío y Caliente
La filial X de Alphabet Inc. se presenta como un grupo de inventores y emprendedores que crean tecnologías que resuelven algunos de los problemas más difíciles del mundo. Con ese espíritu, apoyaron un proyecto de almacenamiento de energía en ciernes llamado Malta, que almacena energía en sal y líquido frío. El equipo del proyecto Malta diseñó su sistema de almacenamiento de energía por bombeo para conectarlo a la red y estabilizar el suministro de energía.
«No queremos que el sistema [de almacenamiento de energía] esté sólo en Estados Unidos o en los países desarrollados. Queremos poder construirlo en cualquier parte». Pravallika Vinnakota, ingeniero jefe de modelado y simulación de Malta
Malta Inc. con sede en Cambridge, Massachusetts, se convirtió en su propia empresa en 2018 y perfeccionó su diseño para una central eléctrica. «Esto proporcionará una mayor fiabilidad y flexibilidad de la red», dice Pravallika Vinnakota, ingeniero principal de modelado y simulación en Malta Inc.
Cuando se conecta a una fuente de electricidad -la red, la eólica, la solar o las fuentes de combustible fósil-, la bomba de calor del sistema convierte la energía eléctrica en energía térmica, creando una diferencia de temperatura. «Almacena la electricidad en forma de calor en una sal fundida de muy alta temperatura y en forma de frío en un refrigerante de baja temperatura», explica Vinnakota. La sal caliente y el refrigerante frío se guardan en tanques separados, almacenando energía para 10 horas durante varios días.
Luego, cuando se necesita energía, un motor térmico convierte la energía térmica en energía eléctrica para su distribución. En función de la demanda de energía, un algoritmo gobierna tanto el momento en que el sistema toma energía de la red como el momento en que la distribuye. Este ciclo puede repetirse miles de veces: Malta calcula que el sistema puede durar más de 25 años sin que su rendimiento se vea afectado.
Pero el sistema aún está en fase de ingeniería y diseño. Por ahora, el equipo de Malta trabaja en simulaciones. Importando un modelo de su sistema a Simulink, el equipo de Malta diseña los controles del sistema y averigua cómo hacerlo funcionar. «Nuestro objetivo es construir una planta en los próximos años. Como ahora no tenemos una planta, lo mejor que podemos hacer es construir modelos de simulación y hacer un montón de pruebas con ellos», dice Vinnakota. «También estamos utilizando el diseño basado en modelos para determinar las especificaciones de la planta a partir de la información que obtenemos de nuestras simulaciones”.
Una vez que Malta esté preparada para construir una planta física, no estarán limitados por la geografía, dice Vinnakota: «No necesita estar junto a una montaña, como los sistemas de almacenamiento de energía potencial», como la energía hidroeléctrica de bombeo. El sistema también utiliza materiales fácilmente disponibles, como la sal y el acero. «No queremos que el sistema esté sólo en Estados Unidos o en los países desarrollados. Queremos poder construirlo en cualquier parte».
Un Puente hacia una Red Renovable
A medida que los costes de las fuentes de energía renovables disminuyan y la necesidad de sustituir los combustibles fósiles sea cada vez más urgente, el almacenamiento de energía se convertirá en una herramienta esencial. Pero las diferentes necesidades de almacenamiento exigen diferentes herramientas, que van desde las baterías a los volantes de inercia o los tanques de sal. Las empresas están explorando cada una de estas tecnologías para apuntalar la resistencia de la red eléctrica y facilitar una transición suave a la energía limpia.
