La energía es el principal motor de las sociedades modernas. De hecho, la capacidad de crecimiento de un país está ligada a su capacidad de generar la energía que consume. El consumo de energía no es constante durante todo el tiempo, es por eso que, para satisfacer la demanda de energía de un país, este debe contar con una capacidad instalada mayor que la máxima demanda de energía. Otra alternativa a este problema es generar energía constante y poder almacenarla para usarla en el momento de mayor demanda. Tal vez esta segunda alternativa es más eficiente, sin embargo, cómo se almacena la energía y qué tipo de energía se debe almacenar, representa un reto tecnológico a vencer.

Cuando el hombre aprendió a evaluar su entorno y a medir y conocer los elementos de la naturaleza, observó que la materia tiene energía y que la energía no se crea ni se destruye, simplemente se transforma. Así logró medir la energía que se encuentra en movimiento (energía cinética), o la energía que se encuentra en reposo (energía potencial). James Prescott Joule, un físico británico nacido en 1818, estudió los diversos tipos de energía y su transformación. La medida de energía lleva su nombre, la cual es el Joule y se define como la cantidad de trabajo realizado por una fuerza constante de un Newton en un metro de longitud (Joule = Fuerza x Distancia = N-m).

Los trabajos de Joule lograron establecer la equivalencia entre energía térmica y mecánica. Actualmente se conoce que 1 Joule equivale a 0.239 calorías. También, con base en sus trabajos sobre energía eléctrica, ahora se conoce que 1 Watt x hora (W-h) equivale a 3,600 Joules. A partir de estas equivalencias, es posible asegurar que el almacenamiento de energía se puede dar en diversas formas y que todas pueden ser transformadas en energía eléctrica.

Han transcurrido casi 219 años desde que, después de varios años de investigación experimental, Alejandro Volta dirigió una carta a la Royal Society londinense, fechada el 12 de marzo de 1800, para notificarle sobre su invento de lo que ahora conocemos como la pila voltaica. Sin embargo, desde la antigüedad, el hombre ya almacenaba energía en presas aun sin saber que esta energía podía transformarse en una energía en común para todos, la energía eléctrica. Actualmente, la mayoría de las fuentes de energía producen energía mecánica, y esta a su vez se transforma en energía eléctrica.

Las tecnologías de almacenamiento de energía aplicadas a las redes eléctricas de transmisión y distribución están cobrando relevancia debido a la creciente integración de las energías renovables en las redes eléctricas. La generación de energía a partir de fuentes renovables como la eólica y solar, depende de las condiciones aleatorias del clima. Esto produce oscilaciones en el sistema eléctrico, las cuales pueden afectar la confiabilidad operativa de la red eléctrica. El almacenamiento de energía es una de las alternativas para mitigar este problema y mantener un sistema eléctrico robusto y confiable.

Un Sistema de Almacenamiento de Energía (SAE) se define como aquel sistema o dispositivo empleado para almacenar energía para su uso posterior, ya sea a corto o largo plazo, de forma intensiva o de forma mantenida en el tiempo. Dichos sistemas se diferencian en función del tipo de mecanismo o proceso que permite almacenar y liberar la energía. Una instalación para el almacenamiento de energía se compone de un medio de almacenamiento, un sistema de conversión de energía y los sistemas auxiliares.

Los usos potenciales de los SAE en los mercados y sistemas eléctricos, así como en las redes de transmisión y distribución, se han identificado en diversas partes del mundo. Las barreras encontradas para su aplicación en el Sistema Eléctrico Nacional en México se encuentran particularmente en las bases de mercado, la normatividad de los SAE, la madurez de algunas tecnologías para su implementación en los sistemas eléctricos, los precios del mercado para nuevos servicios conexos, tarifas para venta de recursos distribuidos y reglas de operación de pequeños mercados eléctricos (llamados mercados transactivos).

Con el objetivo de profundizar sobre diversos aspectos del almacenamiento de energía que permitan su aprovechamiento en el Sistema Eléctrico Nacional, el Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL), con el patrocinio de la Secretaría de Energía (SENER) y el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT), organizó el Taller para la definición de las "Prioridades Nacionales de Investigación, Desarrollo Tecnológico y Formación de Recursos Humanos para el Sector Energía", en materia de almacenamiento de energía en la red eléctrica. Este evento se realizó los días 14 al 17 de noviembre de 2017, en Cuernavaca, Morelos.

Previo a la realización del taller, el INEEL seleccionó los temas que se abordarían durante el evento. Se identificaron los expertos, los observadores y los representantes de las partes interesadas para cada uno de los temas seleccionados. Cada tema fue abordado por una mesa de trabajo. El INEEL en conjunto con los líderes de cada mesa, desarrolló el material preparatorio, incluyendo la descripción del tema, los antecedentes, la prospectiva tecnológica correspondiente y las preguntas guía para los panelistas.

En el taller participaron 114 expertos provenientes de 8 países y 44 instituciones, entre las que se contaron universidades, centros de investigación, empresas, así como representantes de organismos públicos. Los expertos parparticipantes se integraron a las diversas mesas de trabajo, en las cuales se generaron paneles de discusión y se identificaron oportunidades de investigación y desarrollo tecnológico.

Los temas que se abordaron en las 8 mesas de trabajo son:

1. El valor y los beneficios del almacenamiento de energía.
2. Tecnologías de almacenamiento térmico.
3. Tecnologías de almacenamiento electroquímico y químico.
4. Tecnologías de almacenamiento eléctrico.
5. Tecnologías de almacenamiento mecánico.
6. Estándares, certificación, marco regulatorio y políticas públicas.
7. Experiencias de la aplicación de sistemas de almacenamiento.
8. Utilidad de proyectos demostrativos.

Posterior a las sesiones del taller se realizó una sesión con los líderes de mesa, así como los escritores y vocales de las mismas. Se analizaron en su conjunto todas las oportunidades de investigación y desarrollo tecnológico identificadas en cada una de las mesas. Como resultado de este análisis, se propusieron cinco Prioridades Nacionales y diversas líneas de acción para cada una de ellas.

a) Completar las Reglas del Mercado Eléctrico a fin de que se logre el pleno aprovechamiento del valor económico del almacenamiento de energía.

Las líneas de acción que contribuyen a la atención de esta prioridad son las siguientes:

 Valorar la conveniencia de incluir un nuevo Servicio Conexo de Regulación Rápida de Frecuencia en el Mercado Mayorista, que algunas tecnologías de almacenamiento pueden ofrecer y, en su caso, desarrollar la reglamentación para que esté disponible cuando la operación del sistema interconectado requiera mayor flexibilidad operativa.
 Ampliar la metodología para la determinación de la Tecnología de Generación de Referencia, considerando la opción tecnológica que combina la capacidad de almacenamiento de energía y la capacidad de generación, para explorar la posibilidad de reducir el Precio Neto de Potencia del Mercado para Balance de Potencia.
 Adaptar las metodologías de planeación de la Red Nacional de Transmisión y de las Redes Generales de Distribución, considerando las opciones tecnológicas de almacenamiento de energía como activos de las redes eléctricas.
 Desarrollar una metodología para la proyección de precios de Productos y Servicios del Mercado Eléctrico Mayorista a mediano y largo plazo.

b) Elaborar la regulación y la normativa para la prueba, certificación e interconexión de los SAE.

Para atender esta prioridad nacional se proponen las siguientes líneas de acción:

 Elaborar la normativa para la instalación de los SAE.
 Elaborar la normativa para la prueba y certificación de equipos y SAE.
 Elaborar la normativa que aborde la seguridad de los SAE.

c) Impulsar la investigación aplicada y el desarrollo tecnológico de dispositivos y SAE.

Las líneas de acción para atender esta prioridad nacional son las siguientes:

 Desarrollar sistemas de baterías de iones metálicos y metal-aire.
 Desarrollar químicas de electrolitos de bajo costo y materiales de apilamiento para baterías de flujo.
 Desarrollar super capacitores sustentables.
 Desarrollar dispositivos de almacenamiento de energía basados en super capacitores con enfoque a la integración de energía renovable.

d) Formar recursos humanos especializados en las diversas tecnologías de almacenamiento de energía.

Para atender esta prioridad nacional se proponen las siguientes líneas de acción:

 Establecer un centro de conocimiento focalizado en SAE.
 Formación de redes temáticas de colaboración y formación de recursos humanos especializados en diversas tecnologías de almacenamiento de energía.
 Equipar un laboratorio para la simulación y evaluación de SAE.

e) Difundir la viabilidad técnico-económica de proyectos de almacenamiento en aplicaciones relevantes poco conocidas en México, que faciliten su aceptación en el sector eléctrico.

Se proponen las siguientes líneas de acción para atender esta prioridad nacional:

 Estudio de viabilidad técnico-económica de un proyecto demostrativo de almacenamiento de energía por aíre comprimido (CAES) en un sitio minero.
 Estudio de viabilidad técnico-económica de proyecto demostrativo de almacenamiento para abatir problemas de Congestión en la Red Nacional de Transmisión.
 Estudio de viabilidad técnico-económica de proyecto demostrativo de almacenamiento para lograr el incremento de capacidad en alimentadores de distribución.
 Estudio de viabilidad técnico-económica de proyecto demostrativo de almacenamiento para proporcionar simultáneamente servicios conexos de control de voltaje y arranque negro.
 Desarrollar una metodología para determinar el valor económico del almacenamiento de energía por bombeo hídrico en el contexto del Mercado Eléctrico, considerando todos los productos y servicios conexos que esa tecnología puede ofrecer.

Más que una brecha tecnológica, por su incipiente desarrollo en México y su poco avance en el resto del mundo, el almacenamiento de energía eléctrica es un nicho tecnológico que ofrece una serie de oportunidades que pueden concretarse en proyectos, enfocados en la formación de los recursos humanos, la investigación, el desarrollo tecnológico y la innovación. Los SAE también pueden convertirse en una gran oportunidad para desarrollar una industria de alto valor en el país.

Todas y cada una de las oportunidades de investigación, desarrollo tecnológico e innovación que se acaban de esbozar, requieren de un marco normativo y regulatorio que permita su debida aplicación y apropiado aprovechamiento en la Red Nacional de Transmisión y las Redes Generales de Distribución. Estas oportunidades no solo atañen al sector energético, también a la industria nacional y a las instituciones de investigación interesadas en el desarrollo de tecnología y formación de recursos humanos en el tema del almacenamiento de energía eléctrica. En ese tenor, las oportunidades de investigación, desarrollo e innovación identificadas señalan que las tareas pendientes deben enfocarse en la elaboración de normas para los equipos y sistemas de almacenamiento de energía y su interconexión con la red eléctrica; en el desarrollo de un marco regulatorio que, además de brindar certidumbre y claridad para desarrollar modelos de negocio en los temas de almacenamiento de energía, también incluya la carga controlable distribuida y la carga de vehículos eléctricos. Asimismo, otra tarea pendiente es la creación de un ente para la prueba y certificación de equipo de interconexión para la generación distribuida.

Conforme a los resultados de este taller sobre sistemas de almacenamiento de energía para aplicaciones en la red eléctrica, convocado por el INEEL, los proyectos basados en estos sistemas permiten:

 Incrementar la penetración de energía renovable.
 Mejorar la respuesta a la frecuencia en la red eléctrica.
 Diferir la construcción de activos en las redes de transmisión y distribución.
 Proporcionar resiliencia a la red eléctrica a través de microrredes.

Por su parte, los proyectos demostrativos pueden acelerar la adopción de nuevas tecnologías, ya que producen información valiosa para las partes interesadas y permiten identificar aspectos de la regulación y normatividad que merecen atención, facilitando en el futuro tomar decisiones mejor informadas en cuanto a la inversión en esas tecnologías. Los proyectos demostrativos de interés para México tendrían que estar alineados directamente con aquellas aplicaciones que pudieran aportar un gran valor al sistema en términos de los requerimientos de confiabilidad establecidos en el código de red y las bases del mercado eléctrico mayorista.

Dada las particularidades del Sistema Eléctrico Nacional, estos proyectos deberán definirse en función de los problemas existentes o previstos relacionados con la operación y planeación de la Red Nacional de Transmisión y de las Redes Generales de Distribución, así como con el desempeño del mercado eléctrico. Es de suma importancia considerar en estos proyectos la participación de diversas entidades públicas y privadas, tales como CENACE, CRE, SENER, instituciones académicas, centros de investigación, tecnólogos, consultores y empresarios independientes, entre otros.

Por:
José Gerardo Montoya Tena, gmontoya@ineel.mx
Francisco Javier González Quiñones, fjgq@ineel.mx
Samuel Salinas Sánchez, ssalinas@ineel.mx