La capacidad del ser humano para analizar su entorno le permitió observar que existe una fuerza en la naturaleza o en los seres vivos, mediante la cual les es posible realizar un trabajo. Descubrió que podía obtener calor al quemar la madera y que podía usar la energía de animales o de la naturaleza para realizar tareas de manera más rápida, con menor esfuerzo y con mejores resultados.

Con el conocimiento anterior, el ingenio humano desarrolló algunas máquinas con las que aprovechaba la fuerza hidráulica, la fuerza del viento o la fuerza de gravedad. Sin embargo, todas estas energías debía consumirlas en el mismo sitio que se generaban y en el estado que se encontraban. Con el descubrimiento de la electricidad, fue posible transformar la energía de varias fuentes en una en común, la cual puede utilizarse para diversos fines y transmitirse a otras regiones.

Actualmente, el desarrollo de un país está ligado a su consumo de energía. Prácticamente todos los satisfactores y procesos industriales como la iluminación, el calentamiento, la refrigeración, el transporte de personas y mercancías, la obtención de alimento y su preparación, el funcionamiento de las fábricas, etc. dependen de la capacidad de energía con que cuente un país.

Aun cuando los derivados del petróleo siguen siendo la principal fuente de energía, la electricidad ocupa el segundo lugar con más del 20% en el consumo energético nacional. Es por ello que la transmisión de la energía eléctrica sigue siendo el principal medio de transporte energético desde los centros de generación hasta los grandes centros de consumo.

Un obstáculo importante es que la energía eléctrica que se genera debe ser transportada y consumida en el mismo instante, pues, hasta hace algún tiempo, no existía forma de almacenarla. Se buscó mitigar esta desventaja almacenando los insumos para generar energía, como el agua en presas y el gas o combustóleo en almacenes. Sin embargo, esta solución no es suficiente debido a que en el momento de mayor demanda, la capacidad de los generadores podría verse rebasada, sin importar cuantos insumos se tengan almacenados para generar energía eléctrica.

Con la llegada de la energía renovable (como la solar y eólica, principalmente), un nuevo problema se sumó al sector. Si bien estas fuentes de energía son limpias, renovables, abonan a la diversificación de la matriz energética y reducen la contaminación que producen los petrolíferos, por su propia naturaleza son intermitentes y no pueden generar energía todo el tiempo. Esto dificulta, tanto el proceso de planeación de la generación, como el mantener el balance entre la energía generada y consumida.

Ante esta problemática surge nuevamente la capacidad del ingenio humano para romper paradigmas, con la propuesta del desarrollo de Sistemas de Almacenamiento de Energía (SAE), que permitan, entre otras, las siguientes aplicaciones:

 Arbitraje de energía.
 Integración de energía renovable variable.
 Servicios conexos.
 Suministro en punta.
 Diferir inversiones para el incremento de la capacidad de la red.
 Aliviar el congestionamiento en horas específicas.
 Incrementar la integración de la generación distribuida a la red eléctrica.

El uso del almacenamiento de energía no es nuevo. La primera red eléctrica de corriente directa desarrollada por Edison incorporó baterías plomo-ácido para la regulación de potencia. Actualmente es posible hablar de las siguientes tecnologías para el almacenamiento de energía en redes eléctricas.

 Almacenamiento térmico.
 Almacenamiento electroquímico y químico.
 Almacenamiento eléctrico.
 Almacenamiento mecánico.

El sistema de almacenamiento térmico abarca una variedad de tecnologías que almacenan la energía calorífica en recipientes aislados utilizando diferentes métodos. Uno de estos métodos es la utilización de materiales con cambio de fase para el almacenamiento de energía como calor latente. Estos materiales con cambio de fase cuentan con la capacidad de almacenar o liberar grandes cantidades de energía como calor latente durante la fusión y la solidificación.

Otro grupo de sistemas de almacenamiento de energía térmica utiliza las sales fundidas como componentes clave en las centrales de concentración solar. Las plantas termosolares integran sistemas de almacenamiento térmico con sales fundidas, con los sistemas Fresnel, sistemas de concentración con torre central, los sistemas de discos parabólicos y los sistemas de canal parabólico.

El Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL) ha realizado investigaciones sobre el diseño, desarrollo y aplicaciones de prototipos de sistemas termosolares, principalmente de tipo canal parabólico para la generación de calor de proceso industrial y platos parabólicos para generación de electricidad. El objetivo es dotar a la industria nacional de una alternativa energética adicional que se integre en sus esquemas de generación de calor de proceso industrial.

Los SAE electroquímicos son los primeros que se construyeron en el mundo. Se basan en el intercambio de electrones de un elemento llamado cátodo a otro llamado ánodo.

Las baterías de plomo-ácido son las más conocidas, aunque su ciclo de vida las limita para SAE de potencia. Las baterías a base de níquel fueron ampliamente usadas como baterías recargables.

Las baterías de iones de litio están desplazando a las anteriores debido a diversas ventajas, tales como su alta densidad energética (75-200 Wh/kg) y una vida útil relativamente larga (al menos de 3,000 ciclos). En años recientes esta tecnología de batería es la que mayormente se ha instalado en aplicaciones de almacenamiento de energía interconectada a la red.

En las baterías de sales fundidas se utiliza sodio fundido como su ánodo y sodio-azufre (NaS) o haluro de sodiometal (ZEBRA) en su cátodo. La batería NaS es la más utilizada comercialmente en aplicaciones de almacenamiento de energía interconectados a la red por su alta densidad de energía (151-170 kWh/m³) y un número de ciclos mayor a 2,500 a profundidades de descarga mayores al 90%. Sus principales desventajas son el alto costo de operación y las temperaturas de operación entre los 250-350 °C.

Las baterías de flujo almacenan la energía en una o más especies de iones disueltos en electrolitos líquidos. Estos electrolitos se almacenan externamente en tanques y se bombean a través de celdas, que convierten la energía química directamente en electricidad y viceversa. Las baterías de flujo se pueden clasificar en dos grupos: baterías de flujo Redox y baterías de flujo híbridas. El INEEL está desarrollando una batería de flujo de 20 kW del tipo Redox, buscando reducir el costo y hacerla más eficiente y confiable.

Especial mención merecen las celdas de hidrógeno, el cual es un elemento que puede producirse a partir de diversas fuentes. Su contenido de energía por unidad de masa (33.3 kWh/kg H₂) es aproximadamente tres veces mayor que la de la mayoría de los combustibles convencionales. El contenido de energía del hidrógeno es más alto por unidad de masa de cualquier combustible conocido y su capacidad de almacenamiento está determinada por el tamaño de su recipiente. La amplia experiencia del INEEL en la temática de celdas de hidrógeno, lo identifican como líder nacional en el desarrollo de esta tecnología.

Los SAE eléctricos almacenan directamente la energía eléctrica recibida de la red. Básicamente consisten en los llamados supercapacitores. Sus ventajas son la carga rápida, el gran número de ciclos de carga y descarga, y amplio rango de temperaturas de operación.

Aun cuando el uso de supercapacitores aporta valor en aplicaciones "detrás del medidor", esta tecnología no puede operar de manera autónoma, sino que debe formar parte de SAE híbridos. Se considera que los supercapacitores son un complemento importante para los SAE con baterías y volantes de inercia. Su uso incrementará la vida útil y confiabilidad de equipos en estos tipos de almacenamiento.

Los SAE mecánicos almacenan energía potencial o cinética que después es convertida en electricidad. El volante de inercia es un dispositivo en continuo movimiento, accionado por una máquina eléctrica (motor-generador eléctrico) que realiza el intercambio de energía eléctrica a energía cinética y viceversa. El volante y la máquina eléctrica tienen un eje de rotación común, por lo que el control de la máquina eléctrica permite controlar al volante de inercia.

Otro SAE mecánico es la compresión de un gas (generalmente aire) a altas presiones. El aire comprimido se almacena en estructuras subterráneas (p ej., cavernas, mantos acuíferos o minas abandonadas) o en un sistema sobre la superficie de tanques o tuberías. Para generar electricidad, el aire se mezcla con un combustible (p. ej. gas natural), se quema y se expande a través de una turbina de gas convencional que mueve un generador.

El rebombeo hídrico es una tecnología madura. Su principal desventaja es que no existe una metodología adecuada para determinar el valor económico del almacenamiento de energía por rebombeo hídrico en el contexto del Mercado Eléctrico, considerando todos los productos y servicios conexos que esa tecnología puede ofrecer.

Aunque los costos de los SAE son aún altos, la tendencia a la baja resulta promisoria. Los nichos de mayor valor son aquellos en los cuales una inversión de bajo monto permite diferir otra de mucho mayor costo. Otro nicho es el del arbitraje de precios de energía, donde se generarían utilidades comprando energía eléctrica para cargar las baterías cuando los precios son bajos y reinyectándola a la red cuando los precios son altos.

Una de las fortalezas de los SAE es la de permitir un control rápido y preciso de las inyecciones de potencia a la red eléctrica para: regular la frecuencia, aportar reserva de generación y lograr la regulación de tensión en sitios críticos.

Estudios preliminares indican la viabilidad económica del uso de dichos sistemas en aplicaciones específicas en México. Adicionalmente, los SAE son un facilitador para la integración de energías renovables con la finalidad de cumplir las metas y políticas energéticas nacionales de largo plazo. Sin duda, en este contexto nacional, el INEEL tiene un papel muy importante en el desarrollo y aplicación de algunas tecnologías y metodologías que permitan el adecuado aprovechamiento de los SAE en las redes eléctricas.

Autores:
José Luis Silva Farías, jlsilva@ineel.mx
José Gerardo Montoya Tena, gmontoya@ineel.mx