Desarrollar los grandes sistemas de baterías será clave para aumentar las energías renovables

Con el aumento de la actividad industrial, el consumo y el nivel de confort han dado lugar a niveles desorbitados de contaminación. Gran parte de ella la causan las emisiones procedentes de la industria, en la que las tecnologías de generación eléctricas convencionales tiene un papel importante, aunque desde hace unas décadas el boom de las renovables pretende frenar el avance de esta situación.

Sin embargo, las limitaciones propias de la tecnología renovable hacen imposible llegar a porcentajes completamente renovables en la actualidad o el futuro próximo. Hablamos de cuestiones tales como la disponibilidad de energía o la aportación de servicios de regulación, sin los que no se puede garantizar el adecuado suministro de electricidad.

Los grandes sistemas de almacenamiento energético se presentan como una prometedora solución a muchas de estas cuestiones, pero aún queda mucho por andar en este campo. Veamos a continuación cuáles son los principales retos a los que nos enfrentamos.

No siempre sopla el viento ni hace el mismo Sol

El consumo energético es, por su naturaleza, variable. Si bien hay unos patrones de consumo en cierta medida predecibles, en nuestro día a día hacemos uso de la energía procedente de la red sin ningún tipo de restricción horaria o planificación impuesta.

Conjuntamente, el operador del sistema eléctrico verá cómo los consumos procedentes de industria y hogares tendrán una distribución con valles y picos. Los picos se producen en las horas punta, coincidentes con las de mayor actividad en empresas y hogares, y los valles se darán fundamentalmente durante la noche.

Para ajustarnos a esta demanda variable será necesario disponer de sistemas gestionables, que son capaces de reaccionar de manera instantánea a los excesos o defectos de carga. Y como el viento no sopla de manera constante y al sol hay veces que lo tapan las nubes, tenemos en esta variabilidad uno de los principales condicionantes que han tenido las renovables desde sus orígenes.

Sabemos que la generación y el consumo deben estar en constante equilibrio para mantener los niveles de frecuencia. Teniendo en cuenta los patrones variables de consumo, necesitamos depender de un suministro energético controlable. Es en este punto en el que el almacenamiento energético tiene uno de sus papeles más importantes para ayudar a la integración renovable, ya que puede conseguir convertir una fuente no gestionable como la eólica o la solar en una fuente gestionable.

Hemos contactado con Dr. Elías Jesús Medina Domínguez, experto en integración de energías renovables en sistemas eléctricos, para hablar acerca de estos asuntos. “Dado el funcionamiento de los sistemas eléctricos, que requieren una generación estable y controlable de la energía que se produce en ellos, esta variación de la producción de energía eléctrica puede representar una barrera técnica para la integración de las energías renovables en los sistemas eléctricos”, nos cuenta.

Inicialmente, con la instalación de los primeros parques eólicos y las primeras fotovoltaicas conectadas a la red, las fluctuaciones del recurso renovable apenas afectaban a los parámetros de los sistemas eléctricos. Sin embargo, a medida que va aumentando el porcentaje de penetración renovable ya se comienzan a apreciar los efectos.

Hablando de cifras, Elías nos cuenta que “la experiencia en Europa muestra que el límite se encuentra en un 20 % de penetración eólica, a partir del cual es necesario tomar medidas adicionales”. Algo similar ocurre en el caso de la energía solar inyectada en el sistema eléctrico, aunque aún está lejos de acercarse a los porcentajes de generación eólica.

Por otra parte, cabe mencionar que la energía hidroeléctrica sí que es equiparable a las convencionales en gestionabilidad y aportación de servicios de regulación.

Esto se debe a que disponen de una reserva de agua que podrán turbinar cuando sea preciso para accionar generadores eléctricos síncronos (como los que operan en las centrales convencionales). Se trata de una de las grandes bazas con las que cuentan algunos de los sistemas eléctricos con alta integración renovable, como es el caso de Uruguay o España. Pero la creación de centrales hidroeléctricas depende de condiciones orográficas muy específicas y también tiene un alto impacto ambiental que debe ser considerado.

¿Qué sistemas de almacenamiento tenemos para solucionar esta situación?

Ahora bien, ¿qué pasa con la entrada en escena de los sistemas de almacenamiento energético? El Dr. Medina nos cuenta que con sistemas basados en baterías o centrales hidroeléctricas reversibles “se puede adsorber la energía proveniente de fuentes renovables y ceder esa energía posteriormente cuando sea más adecuado para el sistema eléctrico. De este modo”, asegura, “los sistemas eléctricos reciben una energía más estable generada por las fuentes renovables”.

Hay diversas tecnologías de almacenamiento energético a gran escala y cada una tiene un papel clave a la hora de cubrir distintas necesidades. Según el campo de aplicación encontramos tres casos generales: almacenamiento para la mejora de la calidad del suministro, almacenamiento de emergencia y almacenamiento para la gestión de la red.

En el primer caso, por ejemplo, la calidad del suministro eléctrico se puede mejorar con sistemas que cedan la energía acumulada en cuestión de segundos. Este es el caso de los supercondensadores que, con hasta un 95% de eficiencia y apenas un 5% de pérdidas por autodescarga diaria, son capaces de almacenar una densidad de energía inusualmente elevada.

Por otra parte, el almacenamiento de emergencia está pensado para aportar energía activándose en cuestión de minutos y permaneciendo en operación para asegurar la continuidad del suministro. Este es el caso, por ejemplo, de sistemas cinéticos como volantes de inercia acoplados a generadores, que permiten un almacenamiento de energía a corto plazo con rendimientos de hasta el 85%.

Sin embargo, al ser sistemas mecánicos, esta cifra cae hasta un 40% tras apenas un día de almacenamiento debido a las pérdidas por fricción. La energía cinética que almacenan está pensada para ser devuelta a través de generadores como apoyo ante cambios bruscos en la demanda eléctrica.

Pero, sin duda, el principal punto de mira del sector está puesto en sistemas que permitan el almacenamiento prolongado de grandes cantidades de energía y sean capaces de cederla de manera paulatina para dar apoyo a la propia gestión de la red. Este es el tipo de almacenamiento energético que permitiría recoger la energía renovable para posteriormente emplearla de forma gestionable. Hablamos de centrales hidroeléctricas reversibles, centrales de aire comprimido o, lo que está en boca de todos, grandes sistemas de baterías.

Dentro de las baterías tenemos varios tipos, aunque las más populares son las Plomo-ácido, las baterías basadas en Níquel y las baterías de Litio. Además, desde hace unos años están avanzando rápidamente en la carrera las baterías de flujo, diseñadas específicamente para aplicaciones de gran capacidad energética. Están pensadas para operación a largo plazo, con un servicio de hasta 10.000 ciclos al 75% de profundidad de descarga. Hay cuatro diseños principales de baterías de flujo, que varían en función de sus componentes, siendo la basada en vanadio la que llega a una mayor eficiencia con una cifra del 85%.

Las baterías no solo sirven para almacenar energía

Pero, además de utilizar las baterías para poder almacenar grandes cantidades de energía, pueden también servirnos de ayuda a la hora de complementar algunas de las debilidades de las energías renovables. “Al contar con moderna electrónica de potencia pueden proporcionar servicios de regulación, especialmente necesarios en sistemas eléctricos con alta penetración de energías renovables”, nos cuenta Elías al respecto.

“Básicamente, los servicios de regulación que podrían proporcionar los sistemas de almacenamiento constituidos por baterías son los de control potencia-frecuencia y control de la tensión”. En el caso del control de tensión, los generadores son capaces de controlar las variaciones de este parámetro gracias a la aportación o consumo de potencia reactiva (que es la asociada a los campos magnéticos).

Por otra parte está el control potencia-frecuencia, en el que será necesario adecuar la generación de potencia activa para mantener los niveles de frecuencia del sistema eléctrico dentro de los márgenes dictados por el operador del sistema. En el caso de los países con influencia europea, sus sistemas eléctricos trabajarán en torno a los 50 Hz de frecuencia, mientras que este valor estará en torno a los 60 Hz en países con influencia estadounidense.

Se trata de servicios fundamentales para que el suministro energético pueda asegurar unos estándares de calidad. Sin embargo, en la carrera por el aumento de renovables nada es, por sí solo, suficiente. Muchos factores y retos tecnológicos intervienen en la consecución de este objetivo y únicamente con un esfuerzo coordinado se conseguirán dar los pasos necesarios.

En paralelo al desarrollo de las baterías para sistemas de potencia y su participación en este tipo de servicios de regulación, también desde la propia industria de generadores renovables se plantean soluciones. Este es el caso de fabricantes de aerogeneradores e inversores fotovoltaicos, que llevan presentando al mercado sistemas con los que se aumentan las capacidades de control.

Por ejemplo, nos cuenta Elías que “existen aerogeneradores capaces de proporcionar cierto control de la potencia que generan así como también son capaces de realizar un control de la tensión en su punto de conexión a la red eléctrica”.

De esta manera, desde la propia generación podría contribuirse a la aportación de estos servicios auxiliares, en cierta medida, además del apoyo que puedan darse desde grandes sistemas de baterías en otros puntos de la red. Pero no acaba aquí, sino que “también están siendo dotados de la capacidad de recibir instrucciones de control por parte de las compañías encargadas de controlar el sistema eléctrico”.

Predicción, regulación y almacenamiento: los retos a abordar

De esta manera, con los distintos sistemas de regulación desde los propios generadores y, con apoyo de baterías, se pretende maximizar la participación de las energías renovables en las necesidades del sistema eléctrico.

Además, con la progresiva instalación de grandes sistemas de almacenamiento se podrán reservar los excedentes que no puedan ser inyectados a la red, con lo que evitaremos tener máquinas paradas aun teniendo disponibilidad de recurso. Pero, como bien apuntaba el Dr. Medina, se trata de una tecnología en desarrollo a la que aún se continúan añadiendo nuevas capacidades.

Si bien el aumento de energías renovables en nuestros sistemas eléctricos debería ser la meta a seguir en este sector, ya hemos visto que se tienen que mantener los criterios fundamentales de estabilidad y calidad de la energía. Además, es fundamental garantizar un coste razonable de los sistemas eléctricos y es precisamente este punto en el que flaquea el estado actual de las baterías a gran escala. Los sistemas de almacenamiento energético en baterías son aún muy costosos y tienen una vida útil reducida.

Pero falta hablar de un concepto fundamental para completar las áreas claves de actuación en la búsqueda de la maximización renovable: la capacidad de predicción del recurso. Se están desarrollando herramientas de predicción que, cuenta Elías, “permiten determinar qué potencial renovable se tendrá en un futuro inmediato. Esto nos revelará la cantidad de energía eléctrica generada por fuentes renovables de la que podremos disponer”.

Un aspecto clave, sin duda, a tener en cuenta en la operación del sistema eléctrico. “Contar con esa información permitiría realizar una mejor gestión del sistema eléctrico con generación renovable, pudiendo integrarse y gestionarse mejor”.

Además, mirando al futuro también comienza a trabajarse en la gestión activa de la demanda. Si bien tradicionalmente la generación se ha ajustado a las variaciones del consumo, ahora encontramos que hay generación gestionable y generación no gestionable. Ciertos consumos que puedan activarse y desactivarse de manera controlada, como por ejemplo ocurre con desaladoras, podrán adaptarse a la generación variable de las renovables.

De esta manera podríamos también aprovechar esos excedentes de generación con consumos que sí puedan adaptarse a la disponibilidad del recurso renovable, coexistiendo sectores en los que quien se adapta es la carga y otros en los que la carga será la que determine la adaptación del suministro. Esto, además, tendrá un impacto positivo a la hora de repartir la respuesta ante congestiones en la red entre generación y consumo.

Predicción, regulación y almacenamiento. En esas tres ideas se resumen las necesidades a cubrir para, progresivamente, conseguir disponer de sistemas eléctricos cada vez más limpios. Y aunque el camino parezca estar claro basándonos en estos conceptos, se trata de una carrera de fondo en la que los condicionantes de la técnica y el coste de los dispositivos hacen que ese ideal 100% renovable esté más lejos de lo que deseamos.

Imágenes | Hornsdale Power Reserve, Red Eléctrica de España