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Almacenamiento de energía, la llave maestra del nuevo sistema energético

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Sin almacenamiento de energía la transición energética es francamente difícil. El almacenamiento flexibiliza la intermitencia a la que está sujeta gran parte de la generación con energías renovables, liberando energía cuando la demanda es alta y almacenándola cuando ésta es menor. Resulta, por tanto, indispensable para disponer de electricidad a gran escala. Pero también lo es para el avance del autoconsumo y las comunidades energéticas. Así andan las cosas a día en este revolucionario sector.

Almacenamiento de energía, la llave maestra del nuevo sistema energético

El mercado de almacenamiento de energía a gran escala en España se limita, de momento, a proyectos piloto o instalaciones de investigación y desarrollo. Pero el sector está a punto de despegar, gracias, entre otras medidas,  al Plan Nacional Integrado de Energía y Clima (PNIEC), que considera el desarrollo del almacenamiento como una de las herramientas clave para otorgar flexibilidad al sistema eléctrico, facilitar la integración, cada vez mayor, de renovables (60 GW a añadir hasta 2030) y conseguir una mejor gestión de las redes eléctricas. El almacenamiento, fomenta además la participación ciudadana en el cambio de modelo energético y permite una mayor competencia. 



En España, de momento, hay 8,3 GW de capacidad en almacenamiento, cifra que incluye tanto el disponible a gran escala como el almacenamiento detrás del contador y el estacional. El Ejecutivo estima las necesidades mínimas de almacenamiento para 2030 en al menos 20 GW de capacidad y en 30 GW para 2050. El pasado mes de octubre se publicaba el borrador de la Estrategia de Almacenamiento de Energía de España, que confirma estos objetivos y plantea los medios para alcanzarlos.



Situación en España

"El almacenamiento de energía es una pieza esencial en un sistema energético seguro, renovable y eficiente. Es también una oportunidad para la industria y el empleo", dejaba escrito en un tuit la ministra de Transición Ecológica y vicepresidente cuarta, Teresa Ribera, el mismo día –9 de octubre– en el que se publicaba el borrador de la Estrategia. Un documento de más de cien páginas en el que se presentan las distintas tecnologías y soluciones para el almacenamiento, los retos que enfrenta su despliegue y las oportunidades que supone para el sistema energético y para el país. 



En la Estrategia se establecen diez líneas de acción, concretadas en 65 medidas diferentes, para lograr un despliegue efectivo del almacenamiento e impulsar la competitividad de la industria nacional, y se destaca la importancia de disponer de fabricantes nacionales en toda su cadena de valor y para los distintos sistemas de almacenamiento, tanto delante como detrás del contador. También se analizan con detalle todos los sistemas de almacenamiento de energía disponibles en la actualidad: mecánicos, como las centrales hidráulicas de bombeo o los volantes de inercia; electroquímicos, como las baterías; químicos, como el hidrógeno, el amoníaco, el metanol o los combustibles sintéticos; térmicos, como las sales fundidas de las centrales termosolares; y eléctricos, como los súpercondensadores y/o los imanes súperconductores.



De todas estas posibilidades, el Miteco solo considera "muy maduras" tres tecnologías, con una capacidad energética que va más alla del gigavatio: el bombeo, el aire comprimido y las sales fundidas, que funcionan ya en muchas centrales termosolares españolas. Respecto a este último sistema, el Ministerio dice que "se prevé un importante crecimiento por su potencial en cuanto a servicios que puede aportar"; y apuesta por aprovechar "el liderazgo de España en almacenamiento térmico renovable para mejorar la gestionabilidad del sistema eléctrico y reducir vertidos renovables". El Centro de Investigaciones Energéticas y Medioambientales y Tecnológicas (Ciemat), coincide y señala que teniendo en cuenta el estado actual de las tecnologías, el almacenamiento térmico, que permite almacenar electricidad a escala de gigavatios, es el más eficiente y económico y resulta fundamental en el diseño de las redes energéticas del futuro.



El (gran) papel de las baterías

Al bombeo, el aire comprimido y las sales fundidas se suma otra tecnología determinante para atender las elevadas cifras de almacenamiento que van a ser necesarias en unos años: las baterías. Según el Escenario de Desarrollo Sostenible de la Agencia Internacional de la Energía, para que el mundo cumpla los objetivos climáticos y de energía sostenible, se necesitarán en todo el mundo cerca de 10.000 GWh de baterías y otras formas de almacenamiento. La consultora McKinsey señala, por su parte, que unos objetivos de descarbonización más fuertes, que nos aseguren no sobrepasar el peligroso umbral de los 1,5ºC de incremento de las temperaturas para 2050, exigen disponer de una capacidad de 25 GW de almacenamiento en baterías para 2030, y más de 150 GW para 2050. 



Según la AIE, la potencia mundial de proyectos de sistemas de almacenamiento en baterías se ha multiplicado por más de 15 estos últimos cinco años, pasando de 0,2 GW a 3,1 GW, y no parece que la tendencia vaya a estancarse. Una de las principales razones es que las baterías son cada vez más baratas. Basándose en cómo avanza la innovación tecnológica, la integración de la cadena de valor, la electrificación en todos los sectores y las nuevas soluciones financieras, McKinsey augura que el coste de las baterías puede descender hasta un 90% en los próximos años. La Oficina Europea de Patentes (OEP) y la Agencia Internacional de la Energía (AIE) señalan, por su parte, en un informe conjunto, que el almacenamiento en baterías viene creciendo desde hace años a un ritmo anual del 14% en todo el mundo, y las baterías representan ya casi el 90% de toda la actividad de patentamiento en el ámbito del almacenamiento de electricidad. 



Este desarrollo está impulsado, fundamentalmente, por los avances en las baterías recargables de iones de litio (Li-ion) utilizadas en los dispositivos electrónicos de consumo y en los automóviles eléctricos. La movilidad eléctrica, en particular, está fomentando el desarrollo de nuevos productos químicos de iones de litio destinados a mejorar la producción de energía, la durabilidad, la velocidad de carga y descarga y la capacidad de reciclaje. El progreso tecnológico también se ve impulsado por la necesidad de integrar cada vez mayores cantidades de energía eólica y solar en las redes eléctricas.



El estudio de la OEP y la AIE muestra, asimismo, que están surgiendo rápidamente otras tecnologías de almacenamiento, como los supercapacitores y las baterías de flujo redox, que pueden resolver algunas de las deficiencias de las baterías de iones de litio. Según señalan en su estudio, las baterías de flujo redox pueden proporcionar una alternativa más segura, duradera y escalable que las baterías de Li-ion para algunas aplicaciones, como las estacionarías a gran escala y la carga de los vehículos eléctricos. Los supercapacitores, por su parte, pueden complementar las baterías de Li-ion atendiendo necesidades específicas, como la carga y descarga rápidas. Sin embargo, esta tecnología aún tiene que superar algunas debilidades, como el uso de sales de metales pesados potencialmente peligrosas para el medio ambiente.

Y luego está elhidrógeno, gas que se postula como el gran aliado para descarbonizar los sectores en los que la reducción de las emisiones de carbono es particularmente difícil, como el industrial, el transporte pesado o la edificación, y al que dedicamos un amplio reportaje en ER198.



Impulso europeo

La Unión Europea ha ido aprobando a lo largo de los últimos años diferentes normas que regulan el almacenamiento energético. La Directiva 2019/944 y el Reglamento 2019/943, ambos relativos al mercado interior de la electricidad, establecen los principios de una nueva configuración del mercado eléctrico, en la que el cliente activo, la respuesta de la demanda y el almacenamiento pasan a ser elementos determinantes. La Directiva 2018/2001, relativa al fomento del uso de energía procedente de fuentes renovables, incluye también el uso del almacenamiento energético.



El Plan de Recuperación Verde acordado por Bruselas cuenta, igualmente, con las tecnologías de almacenamiento para impulsar la recuperación en la UE. Adicionalmente, existen diferentes iniciativas europeas encaminadas al desarrollo específico de tecnologías de almacenamiento. Una de las más importantes, lanzada en 2017, es la Alianza Europea por las Baterías, con la que se pretende impulsar el liderazgo de la UE a lo largo de la cadena de valor de las baterías, de manera que se elimine la dependencia tecnológica de terceros países, generando, al mismo tiempo, empleo y creando un ecosistema de baterías sostenible, innovador y competitivo en Europa. 



La Comisión Europea ya ha inyectado 3.200 millones de euros a un primer proyecto de I+D en baterías y ahora acaba de aprobar un nuevo proyecto PIICE (Proyecto Importante de Interés Comunitario), dotado con 2.900 millones de euros, para ahondar más en la investigación e innovación en la cadena de valor de las baterías. Esta iniciativa cuenta con 42 participantes directos, incluidas pymes y empresas emergentes. Dos de los participantes son españoles:  Ferroglobe (empresa fruto de la fusión de Ferroatlántica con la norteamericana Globe Specialty Metals) y Little Electric Cars.
 
La CE estima que los 2.900 millones de financiación pública que recibirá este proyecto movilizarán otros 9.000 millones de euros en inversiones privadas; es decir, más del triple que la ayuda estatal. El proyecto abarca toda la cadena de valor de las baterías, desde la extracción de las materias primas, el diseño y la fabricación de las celdas y conjuntos de baterías, hasta el reciclado y eliminación en una economía circular, haciendo especial hincapié en la sostenibilidad. Según el vicepresidente de la Comisión Europea y Comisario europeo de Unión de la Energía, el eslovaco Maroš Šefčovič, este proyecto "ayudará a revolucionar el mercado de las baterías".  De hecho, Šefčovič  vaticina que en 2025 habrá ya una industria robusta en el Viejo Continente, que alimentará al menos seis millones de coches eléctricos cada año.



Los líderes del momento

En 2017, la industria de las baterías de la UE apenas estaba en el mapa mundial. Hoy, cinco países europeos ocupan posiciones muy destacadas. Son, según BloombergNEF (BNE), Alemania (puesto 4 mundial), Reino Unido (7), Finlandia, Francia (ambos en el 8) y Suecia (10).



De momento, sin embargo, los reyes del almacenamiento están en Asia. BNEF ha analizado la posición que ocupan los países en la actualidad y cómo es previsible que estén en 2025, en función de su trayectoria actual de desarrollo y teniendo en cuenta cinco puntos clave relacionados con la cadena de suministro: materias primas, fabricación de células y componentes, el medio ambiente, RII (regulaciones, innovación e infraestructura) y la demanda final (de vehículos eléctricos y almacenamiento estacionario). En base a todos estos parámetros, su conclusión es que China dominará la cadena de suministro de baterías de ion-litio hasta al menos 2025, año en el que Estados Unidos y Suecia podrían ocupar la tercera y cuarta posición. 



El éxito de China –explican desde la consultora– se debe a su gran demanda interna de baterías, de 72GWh,  así como a controlar el 80% del refinado de materias primas del mundo, el 77% de la capacidad mundial para fabricar baterías y el 60% de la fabricación de componentes. Japón y Corea ocupan las posiciones segunda y tercera, respectivamente: aunque ambos países son líderes en la fabricación de baterías y componentes, no tienen la misma influencia en el refinado y extracción de materias primas que China. Ahora bien, esta carencia la compensan con mayores puntuaciones ambientales y de RII que China.



BNEF ha analizado también si un país está promulgando políticas y regulaciones específicas, lo que le permitirá mejorar su posición. En esta sentido, señala que aunque Estados Unidos quedó en sexto lugar en 2020, la elección de Joe Biden como nuevo presidente del país podría cambiar la situación. "Si Estados Unidos aumentara su inversión en materias primas y promoviera la adopción de vehículos eléctricos, podría superar a Japón y China para ocupar el primer lugar en 2025. Por el contrario, el Reino Unido podría ver caer su posición en 2025 si se vuelve incapaz de acceder a la gran demanda en Europa continental, que será alrededor de cinco veces el tamaño de su mercado nacional". 



Sostenibilidad, cada vez más importante

En BNEF ponen el acento también en que la sostenibilidad y las emisiones de carbono asociadas con la cadena de suministro de las baterías son de creciente importancia. "Es vital asegurarse de que la electricidad que se use en el procesamiento de materiales y la fabricación de células de baterías sea baja en carbono", señalan. Pero no es solo cuestión de utilizar electricidad limpia.
Las baterías actuales contienen componentes clasificados como residuos peligrosos que hay que gestionar con cuidado. Desarrollar baterías cada vez más verdes es por tanto, uno de los retos a los que se enfrenta el sector.



De acuerdo con Luis Marquina, presidente de la Asociación Nacional de Pilas, Baterías y Almacenamiento Energético (AEPIBAL) de España, también es de vital importancia crear un cuerpo regulatorio que abarque desde las unidades de producción a gran escala a la hibridación o el almacenamiento distribuido y su organización en comunidades energéticas, agregadores de demanda o prosumidores. Igualmente, hay que configurar un ecosistema financiero que permita que el almacenamiento sea un modelo de negocio rentable, cualquiera que sea su modalidad.

La necesidad de evolucionar tecnológicamente, en un proceso de mejora de la eficiencia de las baterías, identificando las mejores soluciones para cada aplicación mientras se acomete en paralelo una bajada de costes, es otro imperativo. En este sentido, la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económicos (OCDE) prevé que a partir del año 2025 comenzará a llegar una nueva generación de baterías híbridas muy competitivas. Por ejemplo, gracias a la combinación de las actuales de ion-litio con nuevas nuevas tecnologías recargables (el centro vasco CIC energiGUNE ya trabaja en ellas) como vía para abaratar costes y desarrollar soluciones específicas para determinadas aplicaciones.


Los electrolitos sólidos irán adquiriendo también cada más relevancia. Algo más tarde, en torno a 2030, según la OCDE se llegará a una nueva etapa en la que coexistirán diferentes tecnologías,  como metal-aire, litio-azufre, flujo redox… que, a su vez, estarán especializados en diferentes segmentos del almacenamiento: estacionario, movilidad, portabilidad…

Se abre, por tanto, todo un abanico de oportunidades que, en palabras de Luis Marquina, "hay que aprovechar para apoyar, estimular, robustecer y consolidar definitivamente un tejido industrial local en España, ampliando la cadena de valor desde la gestión de las materias primas esenciales a la economía circular o segunda vida con residuos cero". 




Sistemas ya disponibles
Mecánicos. 
En este grupo se incluyen, entre otros sistemas, las centrales hidráulicas de bombeo y los volantes de inercia. 
- Las plantas de bombeo elevan agua desde un depósito inferior a uno a mayor altura. Durante los periodos de alta demanda, el agua almacenada en el embalse superior se libera mediante turbinas hacia un depósito inferior para producir electricidad, mientras que en periodos de baja demanda el agua se bombea de vuelta al embalse superior y se almacena de nuevo. Actualmente supone más del 90% de la potencia de almacenamiento instalada a nivel europeo
- Volantes de inercia. Estos dispositivos cuentan con un disco de inercia que gira acoplado a una máquina eléctrica, que opera como motor o como generador y que se conecta, en consecuencia, a la red eléctrica o a la carga, almacenando energía cinética durante la carga. En la descarga, la energía mecánica almacenada es transformada en energía eléctrica y devuelta a la red. Es una tecnología utilizada en la industria.


Electroquímicos 
Las baterías clásicas son la opción más utilizada, pero también empiezan a hacerse hueco las de flujo redox.

• Las baterías clásicas contienen dos o más celdas electroquímicas que utilizan reacciones químicas para crear un flujo de electrones en un circuito externo, es decir, corriente eléctrica. Presentan densidades de potencia muy atractivas y la eficiencia de su ciclo está en rangos del 60-70%, por lo cual esta tecnología se encuentra ya ampliamente extendida. Además, permite una gran variedad de materiales (litio, sodio, plomoníquel, metal aire…).

• Baterías de flujo redox. Emplean reactivos que al entrar en contacto se transforman en otro compuesto, produciendo energía eléctrica. Esta tecnología presenta una amplia variedad de combinaciones de electrolitos, algunos de ellos todavía en investigación. Comercialmente destacan las baterías de vanadio (VRB), de gran rapidez de respuesta de carga/descarga, y las de Zinc-Bromo (Zn-Br).



Químicos. 
Los sistemas de almacenamiento químico se basan en la transformación de energía eléctrica en energía de enlaces químicos de determinadas moléculas, para ser extraída cuando sea requerida, o bien para emplear estas moléculas en procesos industriales. Se utilizan para ello el hidrógeno, el amoníaco, el metanol o los combustibles sintéticos. (Ver reportaje sobre el hidrógeno en la página….)



Térmicos. 
El almacenamiento de energía térmica, en forma de frío o calor, permite aprovechar los vertidos de energía eléctrica para producir calor o frío para su uso posterior en múltiples aplicaciones (industriales y domésticas. Además, tiene un gran potencial de hibridación con otras tecnologías, como la bomba de calor con tanques de almacenamiento, ya sea en forma de almacenamiento de agua caliente o con tanques de cambio de fase. El almacenamiento en sales fundidas utilizado en la céntrales termosolares es otro ejemplo de almacenamiento térmico.

Eléctricos. 
Dentro de esta categoría se encuentran, por ejemplo, los supercondensadores y los imanes superconductores. 

• Supercondensadores, Almacenan la carga eléctrica en una doble capa eléctrica en la interfaz entre un electrodo de carbón y un líquido electrolito. Se trata de un mecanismo altamente reversible, lo cual permite su carga y descarga a elevados ratios de potencia, pero su densidad energética es más baja que la de las baterías. Sus prestaciones se verían multiplicadas si se combinan con baterías de ion-litio.
• Imanes superconductores (SMES). Almacenan la energía en campos magnéticos generados por una corriente eléctrica en bobinas superconductoras. Estos sistemas necesitan temperaturas criogénicas para su funcionamiento, permitiendo el almacenamiento de energía con mínimas pérdidas eléctricas, así como una entrega rápida y muy eficiente de potencias elevadas. Su principal inconveniente, el alto coste de la infraestructura criogénica, se está mitigando gracias a la mejora en el rango de las temperaturas de operación.


Este reportaje se ha publicado en el número de febrero de Energías Renovables en papel. Aquí puedes descargar gratis la revista en PDF


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