Como combinación de fuentes de energía que alimentan a los hogares hambrientos de energía, las empresas y la industria vienen a incorporar más energías renovables como la eólica y la solar, la sociedad se enfrenta a un ajuste de cuentas sobre dónde dirigirse cuando el viento y el sol se apagan. ¿Qué se necesitará para que las fuentes más ecológicas no solo se unan a los combustibles fósiles en la red eléctrica estadounidense, pero eventualmente para desplazarlos?

En febrero de 2019, Los Ángeles anunció planes para eliminar gradualmente tres plantas de energía de gas natural para 2029 y reemplazarlas con una combinación de energía renovable y almacenamiento de baterías. Unos meses antes, la empresa de servicios públicos de California Pacific Gas &Electric obtuvo la aprobación regulatoria para planes similares. Esperaba reemplazar un trío de plantas de gas natural con sistemas de almacenamiento de baterías a escala industrial, incluido un proyecto de 730 megavatios-hora que será diseñado y construido por la compañía de automóviles eléctricos Tesla Motors. Para comparacion, las dos pequeñas plantas programadas para su retiro en el plan de PG&E pueden generar hasta 47.6 megavatios de electricidad cuando sea necesario, mientras que una planta de gas natural más grande en el proyecto puede producir hasta 606 megavatios.

La idea detrás de ambos planes es que la naturaleza caprichosa de la energía del sol y el viento crea un problema para los operadores que necesitan hacer coincidir la cantidad de suministro de energía en todo momento con la cantidad de demanda. Las tecnologías de almacenamiento, incluidas las baterías, ofrecen una forma de mantener el equilibrio entre la oferta y la demanda extrayendo electricidad de la red cuando las energías renovables son abundantes y devolviéndola cuando la demanda aumenta o la producción de las energías renovables es insuficiente.

Tanto el plan de Los Ángeles como el de PG&E tienen algunos factores inusuales. Pero aun así, pueden ofrecer vislumbres de un futuro en el que el almacenamiento de baterías a gran escala ayude a facilitar el camino para el tipo de combinación de energía que demanda un número creciente de estados. California ordenó el año pasado que toda su electricidad provenga de fuentes de emisión cero para 2045. Y la legislación sobre electricidad limpia está sobre la mesa este año en estados como Minnesota, Nuevo Mexico, Nueva York, y el estado de Washington. En California, Los reguladores también exigen que PG&E y las otras dos empresas de servicios públicos de propiedad de inversores adquieran al menos 1,3 gigavatios de capacidad de almacenamiento de energía para la red del estado para 2020.

Sin embargo, las baterías se enfrentan a importantes obstáculos si pretenden ayudar a las energías renovables a desplazar a los combustibles fósiles. Aquí, Simona Onori, profesor asistente de ingeniería de recursos energéticos en la Escuela de la Tierra, Ciencias de la energía y el medio ambiente (Stanford Earth), y Frank Wolak, quien dirige el Programa de Energía y Desarrollo Sostenible del Instituto Freeman Spogli, discutir algunas de las promesas y escollos de la implementación de baterías para el almacenamiento en la red, así como alternativas viables.

Desde el punto de vista del desempeño, ¿Qué tipos de baterías se adaptan mejor al trabajo de proporcionar almacenamiento de energía para la red?

Simona Onori:en comparación con otras tecnologías de baterías, Las baterías de iones de litio son livianas y compactas con una gran capacidad de almacenamiento para su tamaño. Son más resistentes a los daños causados ​​por descargas excesivas y temperaturas extremas. tienen una vida útil más larga y pueden ciclar más veces sin una pérdida significativa de capacidad. Los sistemas de almacenamiento de energía de iones de litio requieren poco mantenimiento y pocas piezas de repuesto, y las baterías tienen una estructura modular que se presta a aplicaciones a gran escala en la red.

Mirando hacia el futuro, Las mejoras en las baterías redox o de flujo las convierten en una opción cada vez más prometedora para aplicaciones estacionarias. Una tecnología de almacenamiento de energía eléctrica conocida como supercondensadores o condensadores de doble capa también puede proporcionar grandes beneficios para la red. especialmente si se usa en una configuración híbrida con otros dispositivos como baterías de iones de litio. Con esta configuración, se utilizarían supercondensadores para regular la frecuencia, gracias a sus rápidos tiempos de respuesta, mientras que las baterías proporcionarían energía cuando la demanda alcanzara su punto máximo. La viabilidad de esta solución aún no se ha explorado por completo, pero es algo que estamos investigando en nuestro laboratorio.

¿Cuánto se sabe sobre cómo las baterías de iones de litio soportarán el estrés y las demandas de almacenamiento para la red?

Onori:El rendimiento y la vida útil de cualquier batería dependerá estrictamente de cómo se utilice. Cuanto más se tensiona una batería, bajo temperaturas extremas, por ejemplo, peor funcionará y más corta será su vida. Necesitan un sistema de gestión de batería robusto que los mantenga funcionando dentro de su punto óptimo de temperatura.

Los factores de estrés de la batería generalmente se resumen en lo que llamamos ciclo de trabajo. Tenemos un conocimiento muy sólido sobre los ciclos de trabajo en automóviles, pero no se sabe mucho sobre los ciclos de trabajo de la batería para la red, principalmente debido a la falta de datos de campo. A medida que se utilizan más y más baterías en aplicaciones de red, Se recopilarán más datos que eventualmente puedan ayudar a construir modelos precisos.

¿Cuáles son las alternativas más viables a las baterías a la hora de almacenar energía para la red?

Frank Wolak:Históricamente, la forma más rentable de almacenamiento a escala de red ha sido una instalación hidroeléctrica de almacenamiento por bombeo, donde el agua se bombea cuesta arriba cuando los precios son bajos y luego se ejecuta cuesta abajo a través de una turbina para producir electricidad cuando los precios son altos.

Las preocupaciones de los grupos ambientalistas y la falta de fuentes de ingresos confiables han impedido que se desarrollen nuevas unidades de almacenamiento por bombeo en muchos sitios atractivos de California. Además, porque el almacenamiento por bombeo se basa en determinadas características geográficas, como embalses que están cerca en distancia pero muy separados en elevación, no necesariamente se puede ubicar donde podría ser más útil para mantener un suministro confiable de electricidad.

¿Puede el almacenamiento de baterías ofrecer una alternativa más barata a las centrales eléctricas de gas?

Wolak:Las inversiones en almacenamiento tienen una pendiente empinada que escalar en relación con las unidades de generación de gas natural existentes, que a menudo producen electricidad a un precio de mercado superior al costo marginal de producción de la unidad de generación, que proporciona ingresos netos para recuperar el costo fijo de estas unidades de generación.

La economía del almacenamiento podría cambiar en el futuro a favor de las baterías, pero la mejor esperanza para el almacenamiento a corto plazo es un alto precio de las emisiones de gases de efecto invernadero que encarece la operación de plantas de gas natural cuando no se dispone de energía renovable.

El almacenamiento de energía no es la única forma de lidiar con las caídas en la producción de energía renovable. ¿Cuáles son algunas alternativas prometedoras?

Wolak:Podríamos cambiar el uso de energía a períodos con una producción significativa de energía renovable. En la forma estándar de estos programas, los participantes deciden cuánta electricidad consumirán cada hora en función de los precios minoristas que varían junto con el precio mayorista por hora.

En California, es más común que los proveedores vendan reducciones de demanda. Bajo estos esquemas, si los participantes pueden reducir su demanda por debajo de una determinada línea de base, una empresa de servicios públicos les pagará esa reducción a la misma tarifa que si estuvieran suministrando energía adicional.