Ciencia al descubierto
Innovaciones del INEEL frente a los retos de integración de fuentes de energía renovable
Resumen
El crecimiento de la demanda eléctrica en México proyectado por el Programa de Desarrollo del Sistema Eléctrico Nacional (PRODESEN) 2024-2038 y la incorporación masiva de fuentes de energía renovable, como la solar y la eólica, presentan desafíos técnicos debido a su condición variable en el tiempo y el desfasamiento entre las horas de máxima producción y las horas de mayor consumo de energía. Una solución a estos problemas está en la integración de sistemas de almacenamiento de energía a gran escala, que permitan sincronizar la generación con la demanda y optimizar el uso de la infraestructura eléctrica. Este artículo analiza diversas tecnologías de almacenamiento desarrolladas en el Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL), tales como los sistemas de hidrógeno, las baterías de flujo de compuestos orgánicos y las baterías de electrodiálisis, y destaca su importancia para aportar de manera muy importante en las estrategias de transición hacia un sistema eléctrico más limpio, estable y eficiente.
Principales retos
De acuerdo con el PRODESEN 2024-2038 de la Secretaría de Energía (SENER), la demanda de energía eléctrica en México crecerá a un ritmo de 2.6% anual a lo largo de los próximos 14 años, se proyecta que para el 2038 el 35% de la capacidad instalada estará conformada por sistemas fotovoltaicos y eólicos. La integración de fuentes de energía renovable, como la solar y la eólica, plantea el reto de que el recurso primario (radiación solar o viento), no está disponible de manera constante durante todo el día, es decir, que son fuentes variables en el tiempo o incluso intermitentes. Los sistemas fotovoltaicos sólo pueden producir energía durante el día y la presencia de nubes disminuye la cantidad de energía generada. Por otro lado, los sistemas eólicos sólo generan electricidad mientras la velocidad del viento se encuentre dentro del rango operativo de las turbinas; vientos por debajo del límite de las turbinas no podrán generar energía, mientras que vientos demasiado fuertes obligan a detenerlas para evitar daños.
La intermitencia de las fuentes de energía eólica y fotovoltaica hace necesario contar con sistemas de respaldo basados en tecnologías convencionales para los momentos en los que, por razones climatológicas, estas fuentes no logren producir la energía requerida por los consumidores. Un reto adicional asociado a los sistemas fotovoltaicos es el desfasamiento entre el pico de producción, que en general ocurre alrededor de las 13:00 horas, y el pico de demanda de energía eléctrica, que se presenta entre las 17:00 y las 22:00 horas; es decir, que el recurso solar está disponible cuando no se utiliza tanto la energía eléctrica (muy cerca del mediodía) y ya no está disponible cuando los consumidores requieren la energía (primeras horas de la noche). Este desajuste impone dificultades para generar energía eléctrica a partir de fuentes renovables en las horas de mayor demanda, lo que complica la integración eficiente de estas tecnologías a la red eléctrica. Finalmente, uno de los obstáculos para la implementación de energías renovables a gran escala es el congestionamiento de las líneas eléctricas; conforme aumente la capacidad instalada de fuentes de energía intermitentes, el riesgo de congestión hace necesario detener la producción; esto no sólo representa un desperdicio de recursos, sino que también pone en evidencia la necesidad de soluciones más flexibles y ajustables para la gestión de la energía.
Alternativas de solución
Una forma de enfrentar los retos mencionados es mediante la implementación de sistemas de almacenamiento de energía a gran escala. Almacenar energía durante los picos de producción permitirá inyectarla a la red en horarios de alta demanda, evitará problemas de congestión de las redes y permitirá sincronizar la generación de energía limpia con los picos de demanda; incluso, los sistemas de almacenamiento permitirán contar con energía limpia las 24 horas del día, aún en horas en las que no brille el sol y no sople el viento. Ver Figura 1.
Figura 1. Modulación de la demanda de energía con sistemas de almacenamiento.
Además de ayudar a la integración de fuentes de energía
renovable intermitentes, los sistemas de almacenamiento
de energía también pueden ayudar a mitigar los efectos de
las interrupciones y las variaciones de voltaje y frecuencia
del suministro eléctrico, ya que cuentan con energía de
reserva que puede ser inyectada al sistema eléctrico de
manera muy efectiva, también pueden reducir la factura
eléctrica de grandes consumidores a través de estrategias
de administración de la energía como el rasurado de picos
(peak shaving), la nivelación de carga (load leveling) y el
desperdicio (curtailment) por falta de infraestructura de
transmisión. La Figura 2 muestra gráficamente estos tres
conceptos.
Algunos ejemplos de sistemas de almacenamiento
de energía son los sistemas de rebombeo de agua,
de aire comprimido, volantes de inercia, sistemas de
almacenamiento térmico, baterías de iones de litio, baterías
de flujo y sistemas de hidrógeno. Cada uno de estos
sistemas presenta ventajas y desventajas que varían según
factores como la escala, la ubicación y las necesidades
específicas del sistema eléctrico.
En el INEEL se desarrollan tecnologías de almacenamiento
de energía a gran escala: sistemas de producción de
hidrógeno mediante electrólisis, celdas de combustible
de hidrógeno, baterías de flujo de compuestos orgánicos y
baterías de flujo de electrodiálisis.
Figura 2. Gestión de la energía a partir de fuentes renovables.
Sistemas de hidrógeno
De las cuatro tecnologías de almacenamiento desarrolladas en el INEEL, los sistemas de hidrógeno son los más compactos, con una densidad de potencia de entre 5 y 10 kW/litro. Suelen operar a eficiencia de ciclo completo del 40 al 50%. Estos sistemas producen hidrógeno a partir del agua mediante electrolizadores, lo almacenan en tanques y después lo utilizan en celdas de combustible, las cuales transforman la energía química del hidrógeno en electricidad de manera silenciosa y eficiente. Estos sistemas permiten almacenar grandes cantidades de energía consumiendo únicamente energía de fuentes renovables y agua. Cuando se requieren más de 24 horas de operación en modo de descarga, los sistemas de hidrógeno son de los más competitivos.
Baterías de flujo
Las baterías de flujo de compuestos orgánicos permiten
almacenar energía en soluciones acuosas de compuestos
orgánicos, capaces de recibir y donar electrones a través de
reacciones de oxidación-reducción (REDOX). Estas baterías
tienen la ventaja de requerir tanques de almacenamiento
de bajo costo, ya que no son tanques a presión, como en
el caso del hidrógeno. Para ambientes urbanos donde el
espacio es limitado y en zonas donde no se considere
viable usar hidrógeno, las baterías de flujo de compuestos
orgánicos son una solución de bajo costo para almacenar
energía por muchas horas, incluso varios días.
La tercera tecnología desarrollada en el INEEL para
almacenar energía a gran escala y por muchas horas
es la de baterías de flujo de electrodiálisis, las cuales
también almacenan energía en tanques con electrolitos
líquidos. En este caso los electrolitos que se requieren son
principalmente tres: una solución salina, como el cloruro
de sodio (NaCl) al 6 % en peso, una solución de un ácido
diluido como el ácido clorhídrico (HCl) al 4% en peso y
una solución de una sustancia alcalina como el hidróxido
de sodio (NaOH) al 4 % en peso; se trata de electrolitos
de bajo costo, no contaminantes y no peligrosos. Para
almacenar energía en sitios remotos con microrredes
conectadas a sistemas fotovoltaicos o eólicos, las baterías
de electrodiálisis son una opción de bajo costo.
Las cuatro tecnologías de almacenamiento están listas
para su escalamiento en potencia y para su transferencia
tecnológica hacia la producción en serie. Para ello, el INEEL
está trabajando en la creación de alianzas con los sectores
público y privado, con el objetivo de desplegar estas
tecnologías en México.
Conclusiones
La integración masiva de fuentes de energía renovable en México requiere superar los retos asociados a su intermitencia y a la infraestructura eléctrica actual. Los sistemas de almacenamiento de energía electroquímicos emergen como una solución clave para garantizar un suministro continuo y eficiente de energía limpia, incluso en momentos en los que no hay sol ni viento. Tecnologías desarrolladas en el INEEL, como los sistemas de hidrógeno y las baterías de flujo de compuestos orgánicos y las de electrodiálisis, ofrecen soluciones innovadoras y adaptadas a diferentes contextos. Estas tecnologías no sólo permitirán una mayor penetración de fuentes de energía renovable, sino que también fortalecerán la estabilidad de la red eléctrica y promoverán un futuro energético más sustentable para el país.
Autores:
Tatiana Romero Castañon, tromero@ineel.mx
Leonardo De Silva Muñoz, leonardo.desilva@ineel.mx
Norma A. Beltrán Zarza, nbeltran@ineel.mx
J. Roberto Flores Hernández, jrflores@ineel.mx
Mario Díaz Guillén, mario.diaz@ineel.mx