Almacenamiento de energía: baterías vs. térmica

La producción y empleo de energías generadas de manera sostenible se ha convertido en una necesidad durante las últimas décadas. El uso exponencial de electricidad (tanto en su capacidad industrial y comercial, como residencial), ha obligado a recurrir a fuentes que aprovechen los recursos naturales e inagotables, como la luz solar o el viento, y no emitan gases de efecto invernadero a la atmósfera para cubrir la demanda.

Sin embargo, esta transición energética ha estado marcada por la disponibilidad de dichos recursos naturales. Es decir, sin esos rayos de sol o sin la fuerza del viento, continuando con el ejemplo, disponibles las 24 horas del día, la producción se paraba. Esto ha planteado un reto sobre el que todo el sector energético se ha volcado para garantizar el mejor suministro: el almacenamiento energético.

La creciente necesidad de almacenar energía

Actualmente la dependencia energética es significativa en todo el mundo. Cualquier corte de electricidad o problema en el suministro, especialmente si es prolongado en el tiempo, tiene consecuencia directa en la economía y en la vida de las personas. Para garantizar un funcionamiento normal en infraestructuras críticas, industria, espacios comerciales y viviendas y oficinas, hay que crear estrategias capaces de proveer dicha energía.

Tal es la importancia de contar con este almacenamiento y conocer con exactitud la disponibilidad energética actual que la Unión Europea ha puesto en marcha un proyecto para monitorizarlo en tiempo real: el Inventario Europeo de Almacenamiento Energético (European Energy Storage Inventory en inglés).

Esta iniciativa pone en manifiesto la necesidad de contar con sistemas inteligentes y que reporten información en tiempo real. De esta manera, se puede controlar y regular el mix energético, pero también conocer su capacidad en caso en los que la red falle. Actualmente, las tecnologías más extendidas son la electroquímica, en forma de baterías; la mecánica, con los sistemas de bombeo de agua, de aire comprimido y de volantes de inercia; y van avanzando otros como el almacenamiento térmico y el almacenamiento químico.

El desarrollo de nuevos métodos de almacenamiento de energía eléctrica es crucial para conseguir esa resiliencia del sistema energético mundial. Del mismo modo, buscar la eficiencia y trabajar en soluciones más escalables para las tecnologías actuales también está en la hoja de ruta del sector.

Maximización del potencial de las energías renovables

La Agencia Internacional de Energía (IEA según sus siglas en inglés) prevé que la capacidad de almacenamiento instalado se expanda notablemente durante los próximos años, superando los 270 GW en 2026. Por su parte, la Comisión Europea ha vaticinado a través de diferentes estudios dos hitos importantes en el almacenamiento de energías renovables: 200 GW para 2030 y alcanzar los 600 GW para el año 2050.

Con estos objetivos en el horizonte, el mercado se esfuerza por encontrar alternativas al sistema de conservación de energía mayoritario: el almacenamiento por bombeo hidroeléctrico. Este formato, a pesar de ser una alternativa que permite guardar energía que se libera durante varios días, no solo cubriendo las necesidades de unas cuantas horas, tiene limitaciones por la compleja infraestructura que conlleva y la dependencia geográfica de grandes masas de agua.

Aquí entran en juego otros modelos y tecnologías. Uno de los métodos más comunes son las baterías, especialmente las de ion de litio, que se han popularizado por la versatilidad de sus usos, cuyas aplicaciones comprenden desde dispositivos electrónicos o coches eléctricos, a sistemas más amplios y complejos que abastecen grandes instalaciones con una alta demanda de energía. La densidad energética que son capaces de acumular, unido a las materias primas con las que se fabrican (además de las baterías de ion de litio, existen las de sodio-azufre, plomo o vanadio), y su modularidad las convierten en unas grandes candidatas.

Por su parte, el almacenamiento térmico, que funciona con diferentes materiales como las sales fundidas, la arena o el hielo, por ejemplo, destaca porque es capaz de almacenar grandes cantidades de energía calorífica. Y aunque hay tecnologías que permiten la conversión de calor en electricidad, su uso más eficiente está en la conservación y posterior aprovechamiento de dicho calor.

Sistemas de almacenamiento de energía con baterías (BESS): energía flexible a demanda

A continuación, conocerás de manera más detallada dos de estos métodos de conservación de la energía producida por fuentes renovables. Comenzamos por el almacenamiento de energía eléctrica en baterías. 

Los Sistemas de Almacenamiento de Energía en Baterías (BESS, por sus siglas en inglés) son una tecnología que ya está ayudando en la optimización de las energías renovables. Como bien indica su nombre, se trata de un sistema que se compone de diferentes elementos, más allá de la batería, para cumplir con su función principal: almacenar energía y liberarla de manera rápida y en forma de electricidad a la red para su consumo.

Por tanto, en los sistemas BESS entran en juego tanto el hardware como el software para poder controlar de manera inteligente todo el proceso.

• Baterías: son la base de todo este sistema, el punto en el que se conserva toda la energía y puede ser de dos tipos:
  • generalmente utilizan tecnología de ion de litio por su fiabilidad, buen rendimiento y coste competitivo,
  • pero también pueden construirse con baterías de flujo, que son fácilmente reciclables, seguras y con una duración aproximada de 20 años.
• Sistema de gestión de baterías (BMS): controla el estado de carga y descarga, además de supervisar aspectos como la temperatura y el ciclo de vida.
• Sistema de conversión de potencia (PCS): transforma la energía almacenada (corriente continua) en la forma que utiliza la red (corriente alterna).
• Sistema de gestión energética (EMS): coordina todos estos componentes, determina cuándo almacenar y cuándo liberar energía, y asegura que todo funcione de manera segura y eficiente.
   

Ventajas del almacenamiento en baterías

Más allá de poder conservar el excedente de la energía producida a partir de fuentes renovables e integrarla de manera eficiente en el grid, utilizar baterías tiene algunas ventajas particulares que la convierten en una alternativa fuerte para la transición que se está llevando a cabo.

• Capacidad de actuar como islas energéticas. Algunas baterías están conectadas a sistemas de producción energética como solar o eólica, pero otras, las conocidas como stand-alone, pueden operar al margen. Así pueden proporcionar energía de manera independiente.
• Flexibilidad y modularidad. La propia naturaleza de este sistema facilita una modularidad y una flexibilidad en el emplazamiento de dicha infraestructura que no poseen otras opciones.
• Arranque autógeno. A pesar de que no se haya avanzado en la durabilidad de la energía almacenada, una de sus ventajas competitivas es la inmediata disposición como fuente de energía ante cualquier incidencia sin necesidad de un impulso externo.
• Gran capacidad de almacenaje en un espacio reducido. Son fáciles de adaptar a distintos entornos.

Principales aplicaciones de las baterías BESS

Para comprender mejor los usos habituales de los BESS, es útil segmentarlos por aplicaciones en el mercado y energía almacenable. De esta manera, se diferencian claramente los principales usos de esta tecnología:

• Aplicaciones FTM (front-of-the-meter), que suelen superar los 10 MWh y están asociadas a las instalaciones de servicios públicos como las plantas de producción de energías verdes o infraestructuras críticas.
• Aplicaciones BTM (behind-the-meter) en C&I. En el sector industrial cuentan con sistemas de entre 10 MWh y 30 kWh, según las necesidades de cada instalación.
• Aplicaciones BTM para residencial, que suelen ser inferiores a los 30 kWh para almacenar la energía generada por las instalaciones fotovoltaicas destinadas al autoconsumo o para alimentar infraestructuras de carga de vehículos eléctricos, por ejemplo.

Además, este tipo de baterías pueden integrarse dentro de microrredes de distribución y para proveer de energía a entornos más remotos y de difícil acceso.
 

Aplicaciones de las baterías BESS [PDF]

Almacenamiento de energía térmica: comprensión de sus fundamentos

Una opción que está creciendo en el mercado es el almacenamiento de energía térmica (TES). Se trata de una tecnología que cuenta con siglos de antigüedad, siendo el almacenamiento de frío en hielo o incluso el brasero o el calentador de agua ejemplos cotidianos de su aplicación. Sin embargo, para aplicarlo a gran escala y ajustarlo a las necesidades energéticas actuales ha sido necesario un arduo trabajo de investigación y de desarrollo que siguen en marcha. Ahora, permite guardar la energía geotérmica, solar, el calor residual industrial o de baja calidad, para generar electricidad, y regular la temperatura (calefacción, refrigeración...) a través de sistemas más complejos que pueden operar en proyectos de gran envergadura.

Tipos de almacenamiento de energía térmica

Aunque las aplicaciones de este tipo de almacenamiento tienen siglos de antigüedad, siempre se ha aprovechado para liberar el mismo tipo de energía que contenía: el calor o el frío. La complejidad a la hora de implementarlo, especialmente en grandes proyectos, es cuando en lugar de buscar el aprovechamiento de ese calor residual se necesita transformarlo en electricidad. Es en este punto en el que la tecnología necesita más tiempo e inversión para madurar adecuadamente. No obstante, los avances se van sucediendo y ya existen varios tipos de almacenamiento de energía térmica:

• Almacenamiento de calor sensible (SCS): conserva calor en materias como el agua o las sales fundidas, muy utilizadas en plantas termosolares. Aquí, es el cambio de temperatura en dichos materiales lo que refleja la cantidad de energía que se encuentra almacenada.
• Almacenamiento de calor latente (LHS): utilizan materiales que absorben y liberan la energía mediante un cambio de fase, por ejemplo de sólido a líquido. 
• Almacenamiento de calor termoquímico (TCHS): su funcionamiento se basa en reacciones químicas reversibles que almacenan o liberan calor.

Aunque también podemos dividirlos en función de la temperatura de funcionamiento:

• Bajas: desde temperaturas bajo cero hasta los 100 ºC aproximadamente. Un ejemplo representativo de este tipo son los acuíferos para almacenar agua caliente.
• Media: alrededor de los 300 ºC.
• Altas: almacenan hasta los 1000 ºC. Los tanques de sales fundidas, por ejemplo las que contienen una mezcla de nitrato de sodio y potasio, cuyo rango de funcionamiento habitual se encuentra entre 285-565 ºC.

Materiales empleados en el almacenamiento térmico

El agua es una de las materias primas empleadas desde hace más tiempo para el almacenamiento térmico (tanto en frío como en caliente). Sin embargo, las sales fundidas son uno de los materiales más comunes para su aplicación a gran escala, gracias a su disponibilidad y su facilidad para ser reciclados. 

También existen proyectos en los que se emplean arena, piedras, hormigón o cerámica por sus propiedades para absorber y liberar el calor. Y la investigación para el uso de materiales termoquímicos también está en alza, ya que se prevé que puedan multiplicar por 10 las densidades energéticas según el CIC EnergiGUNE.

Ventajas del almacenamiento térmico

Recurrir a este tipo de almacenamiento tiene muchas ventajas a la hora de extender el uso de la energía generada de manera sostenible. Y aunque no es una tecnología tan extendida como las baterías o el almacenamiento mecánico, el mercado está invirtiendo en su desarrollo porque:

• Como todos los sistemas de almacenamiento de energía, reduce la dependencia de combustibles fósiles y contribuye a un mejor rendimiento y estabilidad de la red eléctrica.
• Reduce costes operativos para la industria. Al aprovechar el calor residual y reutilizarlo se abaratan los gastos destinados a energía.
• Permiten almacenar energía durante periodos largos de tiempo.
• Es versátil. Puede almacenar la energía en forma de calor para usarla posteriormente o convertirla en electricidad.
• Altamente escalable y adaptable, especialmente en proyectos de gran envergadura.
• La inversión inicial es elevada, pero el coste operativo es bajo, especialmente cuando se usan sales fundidas o almacenamiento latente.

Principales usos del almacenamiento térmico

Dada la implementación todavía inmadura de esta tecnología, los usos todavía no están extendidos masivamente. No obstante, el más habitual a la hora de conservar la producción de energías renovables es para almacenar el calor producido en centrales termosolares, especialmente mediante el uso de sales fundidas.

Los almacenamientos sensibles con agua se pueden usar como sistemas de calefacción para edificios, viviendas y zonas residenciales, y como agua caliente sanitaria. Este es el uso más extendido de esta tecnología porque la eficiencia para suministrar el calor de nuevo es muy alta, más que si se emplease una batería.

Aunque no se aplica para almacenar el excedente de energías renovables, existen aplicaciones de este tipo de tecnología para el aislamiento de edificios, lo que contribuye a la regulación de la temperatura en interiores y su consiguiente ahorro energético.

Mirado a través de los ojos de la optimización, lo más conveniente es emplear el almacenamiento térmico para usar y liberar calor. Y esto es así porque la tecnología actual no ha logrado prevenir que se pierda la mayor parte de la energía conservada, ya que solamente convierte de manera eficiente entre el 30-40% de esa energía calorífica en electricidad.

Baterías vs. almacenamiento térmico: un análisis comparativo

Aunque son dos tecnologías cuyas ventajas son similares, sus aplicaciones pueden variar. Por un lado, encontramos las baterías o sistemas BESS, más avanzados tecnológicamente y con un uso más extendido en el sector de las energías renovables, sin embargo su uso tiene limitaciones. Los costes de mantenimiento, la capacidad máxima de almacenaje o su ciclo de vida, unidos a la complejidad de fabricación y reciclado de las baterías está condicionando su crecimiento.

Por otro lado, el almacenamiento térmico es muy prometedor para almacenar energía calorífica, pero el mercado no está suficientemente maduro. Sin embargo muestra un gran potencial debido a su escalabilidad, modularidad, bajo mantenimiento y durabilidad.

La distinción fundamental: electricidad vs. calor

La principal diferencia entre estos dos tipos de almacenamiento reside en el tipo de energía que pueden almacenar. No así en la que pueden liberar, que en ambos casos existe la posibilidad de que sea energía eléctrica.

En el caso de los BESS, su gestión se limita exclusivamente al almacenamiento, conservación y liberación de energía eléctrica. Por tanto, la principal característica que se debe tener en cuenta a la hora de incorporarlo a un proyecto es esta.

Por su parte, el almacenamiento de energía térmica aprovecha el calor para poder conservar y, posteriormente, producir calor o electricidad según se necesite. Esta característica es la que dictará su uso en proyectos de ahorro y aprovechamiento energético. Aquí, la eficiencia ofrecida es muy distinta: la conversión en electricidad ronda el 30-40%, sin embargo, cuando se libera ese frío o calor almacenados en esa misma forma su aprovechamiento es casi total. 

Idoneidad para diferentes necesidades: cuándo optar por cada solución

Calentar un edificio, almacenar el excedente de energía solar producida en un día soleado, aprovechar el calor generado en una fábrica, cargar un coche eléctrico... Hay miles de casos de uso y cada uno de ellos tienen unas necesidades particulares. Es aquí cuando cobran importancia las características particulares de cada opción de almacenamiento energético.

Si buscas rapidez e independencia
Las baterías permiten una respuesta rápida ante cualquier necesidad energética y pueden funcionar sin estar conectadas a ningún otro sistema. Su universalidad hace que sean modulares y puedan ser instaladas en diversos entornos.

Si necesitas almacenar energía calorífica
La única opción disponible es un almacenamiento de energía térmica, que permite captar ese calor y almacenarlo para usarlo más adelante o transformarlo en energía eléctrica.

Si necesitas que sea escalable, pero de manera económica
Los almacenamientos térmicos son fácilmente escalables y flexibles porque pueden aumentar su capacidad añadiendo la materia prima elegida de manera económica. Por su parte, aumentar la capacidad de una batería ya instalada puede resultar más costoso.

Si necesitas eficiencia
Las baterías son más eficientes a la hora de usar la energía eléctrica. En el caso de la energía térmica, se pierde un 60-70% de energía durante la conversión de calor a electricidad. No obstante, si lo que necesitas es almacenar y liberar calor, lo mejor es optar por un almacenamiento térmico.

Si tienes un proyecto industrial grande
Ambas opciones son posibles. Hay baterías que almacenan grandes cantidades de energía en distintas plantas eólicas y fotovoltaicas, del mismo modo que el almacenamiento térmico por sales fundidas o sistemas de calor latente o termoquímico. En el caso de las últimas, pueden almacenar grandes cantidades de energía y liberarla durante más tiempo, que sumado a la escalabilidad, las convierten en una opción muy atractiva desde el punto de vista económico. Sin embargo, las baterías podrán ofrecer una corriente ininterrumpida.

El futuro del almacenamiento energético: hacia un enfoque sinérgico
La tecnología avanza cada día estudiando diferentes posibilidades para optimizar la adopción de las energías renovables y aumentar su penetración en el mix energético. Pero esta inversión en investigación y desarrollo no se realiza para consolidar una única tecnología, todas ellas tienen cabida en el presente y el futuro del consumo energético.

Gracias a una buena comprensión de las características y vulnerabilidades de cada una, será más fácil elegir las más adecuadas para cada proyecto. De esta manera se creará un escenario en el que la convivencia no solo es posible, sino necesaria para lograr la transición energética. Un enfoque sinérgico a la hora de elegir el mejor almacenamiento energético es la única manera de dar pasos firmes hacia un futuro más sostenible.