Un estribillo que se repite a menudo:el sol no siempre brilla, y el viento no siempre sopla, a veces se ve como un impedimento para la energía renovable. Pero también es un impulso para descubrir las mejores formas de almacenar esa energía hasta que se necesite.

La disminución de los costos en las tecnologías disponibles ha impulsado el interés en el almacenamiento de energía como nunca antes. El precio de las baterías de iones de litio ha caído aproximadamente un 80% en los últimos cinco años, permitiendo la integración del almacenamiento en sistemas de energía solar. Hoy dia, casi el 18% de toda la electricidad producida en los Estados Unidos proviene de fuentes de energía renovables, como la energía hidroeléctrica y la eólica, una cifra que se prevé que aumente. Y a medida que comunidades y estados enteros avanzan hacia porcentajes más altos de energía renovable, no hay duda de que el almacenamiento jugará un papel importante.

En comparación con el mismo período del año anterior, Estados Unidos experimentó un aumento del 93% en la cantidad de almacenamiento implementado en el tercer trimestre de 2019. Para 2024, se espera que ese número supere los 5,4 gigavatios, según un pronóstico de la firma de investigación de mercado Wood Mackenzie Power &Renewables. Se pronostica que el valor de mercado aumentará de $ 720 millones en la actualidad a $ 5,1 mil millones en 2024. Impulsar ese crecimiento es un mayor enfoque en agregar fuentes de energía renovable a la red del país.

Solo en la última década la adopción generalizada de fuentes de energía renovable se ha convertido en una posibilidad económica, dijo Paul Denholm, analista principal de energía en el Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL). Se unió a NREL hace 15 años y, en el momento, él y otros analistas estaban ocupados trazando un camino hacia el 20% del suministro de energía del país proveniente de fuentes renovables. Ahora, están apuntando mucho más alto.

"El costo decreciente de la energía eólica y solar y ahora las baterías hace concebible considerar 100% renovables, " él dijo.

El estudio de futuros de electricidad renovable de NREL estimó que se necesitarían 120 gigavatios de almacenamiento en todo el territorio continental de los Estados Unidos para 2050, cuando el escenario imaginaba un futuro donde el 80% de la electricidad provendría de recursos renovables. El país tiene actualmente 22 gigavatios de almacenamiento de energía hidroeléctrica bombeada, y otro gigavatio en baterías.

La implementación del almacenamiento es imprescindible en Hawái

Hawai, que debe importar todos sus combustibles fósiles y, como resultado, paga un alto precio por la electricidad, está experimentando con el almacenamiento de baterías para alcanzar sus objetivos energéticos. El estado apunta a un 100% de energía limpia para 2045, utilizando tanto energía renovable como eficiencia energética mejorada. La Corporación AES, con sede en Virginia, ha instalado el sistema de almacenamiento solar más grande del mundo en el extremo sur de Kauai.

Se emparejaron paneles solares capaces de producir 28 megavatios de electricidad con 18, 304 módulos de batería de iones de litio. Las baterías se cargan durante el día y entregan energía temprano en la mañana y en la noche cuando los paneles solares no generan electricidad.

El sistema almacena suficiente energía para satisfacer las necesidades de electricidad durante cuatro horas y elimina la necesidad de 3,7 millones de galones de combustible al año. según la Cooperativa de servicios públicos de la isla de Kauai, que proporciona energía a la isla. Kauai ahora genera alrededor del 55% de su energía a través de sistemas fotovoltaicos (PV).

Los investigadores de NREL probaron qué tan bien funcionaría este sistema de almacenamiento fotovoltaico instalando y evaluando una versión reducida en su Flatirons Campus.

"Puedes ver simulaciones y puedes ver algunos gráficos. No es nada tan convincente como ver un dispositivo del tamaño de una utilidad en funcionamiento, "dijo Przemek Koralewicz, investigador principal del proyecto de pruebas. "Esto te da mucha confianza".

Una segunda planta AES PV-plus-storage ahora en construcción en la base de la Marina en Kauai proporcionará electricidad a los clientes según sea necesario, pero también servirá como una microrred aislada para los militares en caso de que se interrumpa la energía. Cuando la nueva planta entre en funcionamiento el próximo año, Aproximadamente el 60% de la electricidad en Kauai provendrá de energías renovables.

"Estas dos plantas de AES pueden suministrar la mitad de energía para toda la isla, "Dijo Koralewicz." Durante la noche, pueden proporcionar plena potencia, en ciertos escenarios. Por eso es importante probarlo. AES no quiere que sea inestable o tenga problemas ".

El almacenamiento de la batería proporciona una forma de mantener estable la red, permitiendo un equilibrio instantáneo entre oferta y demanda. El almacenamiento también está preparado para reemplazar la generación de energía convencional durante los picos de demanda. eliminando la necesidad de plantas adicionales, pero las limitaciones dificultan el uso de baterías. Una central eléctrica puede permanecer operativa durante décadas, pero una batería debe reemplazarse después de aproximadamente una docena de años. Las baterías también tienen una capacidad limitada, lo que significa que normalmente solo pueden almacenar suficiente energía para proporcionar energía durante cuatro horas.

El costo de almacenamiento no es fácil de cuantificar

Determinar el costo del almacenamiento sigue siendo difícil. Una métrica de uso frecuente llamada costo nivelado de energía (LCOE) permite comparar el costo de generar electricidad por diferentes medios. Pero el LCOE solo es preciso cuando las diferentes tecnologías brindan los mismos servicios.

Un grupo de investigadores de NREL, incluyendo a David Feldman y Robert Margolis, desarrolló un LCOE para almacenamiento solar plus. "Como todos los LCOE, tiene sus limitaciones de uso, ", Dijo Feldman." Uno de los desafíos, particularmente para almacenamiento, es que hay tantos casos de uso diferentes que el costo no significa mucho a menos que defina el valor que aporta el sistema ".

El uso del almacenamiento puede ahorrarle dinero a la empresa de servicios públicos al reducir la necesidad de generar electricidad y evitar los costos de transmisión.

Un artículo escrito por NREL publicado el año pasado en El diario de la electricidad encontró que la energía solar más almacenamiento redujo los costos de servicios públicos para edificios comerciales en más de la mitad de las 17 ciudades examinadas, en algunos casos hasta en un 24%. Usar baterías para almacenamiento, las propiedades pudieron compensar las tarifas de una empresa de servicios públicos que requieren que los usuarios paguen más durante los momentos de máxima demanda.

Plantas de energía en su punto máximo, alimentado por gas natural y encendido para ayudar a satisfacer la demanda máxima, encuentra comparaciones de costos con baterías capaces de almacenar cuatro horas de energía. Por esa duración, la balanza se inclina a favor de las baterías. Más allá de las cuatro horas, aunque, la batería se vuelve más cara.

"La razón por la que tenemos tantas plantas en picos es el aire acondicionado, ", dijo Denholm." Ahí es cuando usamos la mayor cantidad de electricidad. Una cosa que puede hacer es en lugar de construir un montón de plantas de energía que solo funcionan 100 horas al año cuando hace mucho calor, puedes almacenar energía fría en forma de hielo o algo así. Hacer hielo a las 4 de la mañana y luego, cuando hace calor a media tarde, puede liberar esa energía almacenada en frío y enfriar su casa o su edificio ".

Las tecnologías abarcan una amplia gama

"Hay un malentendido. El almacenamiento a menudo se considera como almacenamiento electroquímico o almacenamiento de baterías, "dijo Adarsh ​​Nagarajan, el gerente de grupo de Diseño y Planificación de Sistemas de Energía en NREL y quien trabaja extensamente en la integración de energías renovables en la red. "El almacenamiento va más allá de las baterías. Va más allá de la electroquímica. Es mucho más amplio".

La base de datos de almacenamiento de energía global del Departamento de Energía (DOE) cuenta con casi 700 proyectos de almacenamiento anunciados, Operacional, o en construcción en los Estados Unidos que dependen de una miríada de tecnologías. Además de las baterías, los métodos de almacenamiento incluyen hielo, energía hidroeléctrica bombeada, calor, agua helada, y electroquímica. Aún se están desarrollando otras tecnologías.

"No hay un ganador, ", Dijo Nagarajan." Todos deben trabajar juntos para lograr un objetivo determinado, que es la estabilidad y la resistencia de la red y para satisfacer las necesidades de los clientes ".

Pero incluso con tantas formas de almacenar energía ya disponibles, Constantemente se proponen tecnologías nuevas o mejoradas. Los investigadores de NREL desarrollaron una técnica para inyectar gas natural en pozos agotados, patentó un método para almacenar hidrógeno presurizado dentro de turbinas eólicas especialmente diseñadas, y mejoró el diseño de las baterías de iones de litio para que duren más.

Han surgido claros favoritos entre las tecnologías de almacenamiento que ya se utilizan. El Informe PDF de caracterización de costos y tecnología de almacenamiento de energía del DOE calculó que entre las tecnologías de baterías, Las baterías de iones de litio brindan la mejor opción para el almacenamiento de cuatro horas en términos de costo, rendimiento, y madurez de la tecnología. Para un lapso más largo, La energía hidroeléctrica de almacenamiento por bombeo y el almacenamiento de energía con aire comprimido se consideran las mejores opciones. Entre esos dos La energía hidroeléctrica de almacenamiento por bombeo es la tecnología más madura y representó el 98 por ciento del almacenamiento de energía en todo el mundo implementado en 2018.

Agua más comúnmente utilizada en almacenamiento

La energía hidroeléctrica de almacenamiento por bombeo es la columna vertebral de la capacidad de almacenamiento de la nación. Históricamente, se utilizó para incorporar grandes, generación inflexible en el sistema eléctrico. En la actualidad, El almacenamiento por bombeo se utiliza para ayudar a integrar grandes cantidades de energía renovable en la red. sirviendo como una tecnología habilitadora que mejora la confiabilidad y reduce los costos. La energía hidroeléctrica de almacenamiento por bombeo se basa en dos reservorios ubicados a diferentes alturas. La electricidad que se genera pero que no se necesita de inmediato se utiliza para bombear agua desde el depósito inferior al superior. Cuando se necesita energía, el agua almacenada se libera para fluir cuesta abajo y alimentar una turbina.

"Uno de los verdaderos desafíos a los que se enfrenta la hidroeléctrica es que la construcción de una planta puede llevar de ocho a 10 años, "dijo Greg Stark, el gerente técnico de energía hidroeléctrica de NREL, así como el líder de integración de la red de energía hidráulica del laboratorio. "Dada toda la incertidumbre en los mercados de energía, la gente duda en invertir en un proyecto de 10 años ".

Para ayudar a abordar estas preocupaciones sobre el tiempo de comercialización, el DOE ha instituido el Desafío de puesta en servicio FAST. Tessa Greco, El nuevo gerente de proyectos innovadores de energía hidráulica de NREL, lidera la competencia para la Oficina de Tecnologías de Energía Hidráulica del departamento, con el objetivo de reducir el tiempo de ejecución del proyecto a la mitad y al mismo tiempo reducir los costos y riesgos asociados con la puesta en línea del almacenamiento por bombeo. La Comisión Federal de Regulación de Energía también ha reconocido estos desafíos y ha ordenado que las decisiones sobre licencias para proyectos de almacenamiento por bombeo de circuito cerrado se tomen dentro de dos años. Hasta aquí, este tipo de sistema, que no está conectado a una masa de agua existente y, por lo tanto, reduce las preocupaciones ambientales, aún no se ha construido en los Estados Unidos.

Varios proyectos están en proceso, incluido el proyecto Gordon Butte en Montana. El sistema Gordon Butte, que ha sido permitido y se espera que comience la construcción este año, utilizará dos depósitos artificiales y tres turbinas para proporcionar 400 MW de capacidad y 8,5 horas de almacenamiento. Históricamente, el almacenamiento por bombeo ha requerido un diseño único y una estrategia de construcción para cada nuevo proyecto; sin embargo, el proyecto Gordon Butte presenta un modelo replicable, lo que podría ahorrar dinero a los desarrolladores potenciales.

"El almacenamiento por bombeo realmente funciona por sí solo cuando se necesitan grandes cantidades de energía durante un período de tiempo prolongado, "Dijo Stark." Parte de eso se debe a que el costo incremental para aumentar la duración del almacenamiento por bombeo es simplemente construir un depósito más grande. Siguen siendo las mismas turbinas y otra infraestructura, mientras que con el almacenamiento de batería, por ejemplo, si quieres una mayor duración, tienes que comprar más baterías ".

El almacenamiento estacional requiere un estudio cuidadoso

El almacenamiento de energía a largo plazo se define aproximadamente como de 10 a 100 horas. Todo lo que supere eso se considera estacional. El viento sopla más en primavera por lo tanto, poder capturar esa energía hasta que pueda usarse cuando sea necesario en el verano crea oportunidades de investigación. Hidrógeno, energía hidroeléctrica, y el aire comprimido son las tecnologías más viables para almacenar energía durante períodos prolongados, según Omar Guerra y Josh Eichman, investigadores de NREL que estudian el valor de las tecnologías de almacenamiento de energía estacional.

Trabajando en asociación con Southern California Gas Company, NREL instaló un biorreactor para probar la tecnología power-to-gas como una forma de almacenar energía renovable. El proyecto, por primera vez en los Estados Unidos, se basa en microorganismos que convierten el hidrógeno y el dióxido de carbono en metano. El metano se puede almacenar en la tubería de la empresa para su uso posterior.

La red de gasoductos de los Estados Unidos tiene una extensión de aproximadamente 3 millones de millas y ya se utiliza como vehículo de almacenamiento. "Está moviendo el gas, pero también es una forma de almacenarlo, "dijo Keith Wipke, gerente del programa de tecnologías de hidrógeno y pilas de combustible de NREL.

El hidrógeno se puede agregar al gasoducto de gas natural hasta aproximadamente un 10% o almacenarse por separado. Un método para almacenar hidrógeno que se ha propuesto, pero que aún no se ha adoptado ampliamente, es crear espacio dentro de las cavernas de sal. Dijo Wipke.

El almacenamiento de gas natural ayuda a protegerse contra las fluctuaciones de precios y a satisfacer las demandas estacionales. pero el costo del equipo ha estancado la adopción del almacenamiento de electricidad estacional. El almacenamiento de hidrógeno sigue siendo una tecnología emergente, pero a medida que la investigación conduce a mejoras, se espera que eventualmente sea el método más rentable para mantener y descargar al menos una semana de electricidad. Guerra dijo. Se prevé que la energía hidroeléctrica bombeada y el almacenamiento de aire comprimido de hasta dos días sean rentables con la generación de nueva electricidad.

"El almacenamiento de energía hidroeléctrica bombeada y de aire comprimido son tecnologías bien desarrolladas, por lo que no esperamos una disminución significativa en esos costos de capital, Guerra dijo. “Esos costos también pueden depender de la ubicación. En algunos lugares, es posible que tenga la oportunidad de desarrollar sistemas hidroeléctricos de bombeo de manera rentable. En otros lugares, puede tener la oportunidad de almacenar energía con aire comprimido ".

"Necesitamos reducir el costo de las tecnologías que tenemos hoy, y ciertamente algunas nuevas tecnologías que son mejores y más baratas serían buenas, "Dijo Wipke.

Zhiwen Ma está trabajando precisamente en eso. El investigador trabaja en el Grupo de Sistemas Térmicos de NREL y centra sus esfuerzos en concentrar la energía solar, o CSP. La tecnología utiliza una serie de espejos o lentes para concentrar la luz solar en un área pequeña, y la energía capturada se puede almacenar en sal fundida. Pero las sales son corrosivas por lo que se está investigando el recipiente de contención ideal. En lugar de sal, Mamá usa arena para almacenar el calor.

Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada del DOE-Energía, que financia ideas futuristas, ha otorgado a NREL $ 2.8 millones para investigar la viabilidad del sistema de almacenamiento de energía térmica de bajo costo de Ma. Cuando sea necesario, la arena calentada calentará un fluido que impulsa una turbina de gas conectada a un generador.

"Las principales ventajas sobre la sal fundida son el bajo costo y el rendimiento, "Ma dijo. La arena es una fracción del costo de la sal, pero se puede calentar a 1, 200 grados centígrados en comparación con 600 grados para la sal de nitrato u 800 grados para la sal de cloruro.

Con tantas opciones para almacenar energía, los investigadores están decididos a encontrar los mejores métodos. Después de todo, el sol no siempre brilla, y el viento no siempre sopla.