El gran problema al que se enfrentan los sistemas de suministro energético es la dificultad de almacenar energía durante los periodos de baja demanda para, más tarde, poder utilizarla en los picos de demanda. Este problema es especialmente relevante en las energías renovables, exceptuando las centrales hidrahúlicas que disponen de sistema de bombeo. Para que las energías renovables constituyan una alternativa realista a las energías consumibles se deben superar los problemas de suministro energético y de almacenamiento. Como opciones tecnológicas para el almacenamiento del recurso eólico, la utilización del aire comprimido es el sistema que mejor se adapta a su variabilidad. Una de las grandes ventajas de almacenar energía mediante compresión de aire es la posibilidad de almacenar el aire comprimido durante largos periodos de tiempo, a diferencia de las baterías de plomo o de litio, que necesitan, en general, realizar descargas diarias o semanales. La curva de carga o de demanda de energía eléctrica en España tiene las siguientes características:
- Horas de menor consumo: noche y primeras horas de la madrugada. Estas horas son las denominadas horas valle.
- Puntos de consumo de mayor demanda a las 12.00, 16.00 y 20.00 horas. Estas horas son los denominados picos de demanda.
- En la curva de demanda semanal se denota que hay diferencia de consumo de un día laboral o festivo y que, además, los factores climatológicos producen una modificación en los hábitos de consumo de los usuarios, esto es, hay diferencias entre la curva de demanda en verano e invierno.
Debido a las variaciones de consumo horario diario anteriormente comentadas, la curva de demanda diaria tiene grandes diferencias entre los consumos en los picos de demanda y las horas valle. Por tanto, la eficiencia de la infraestructura eléctrica española no es la óptima, es decir, se puede mejorar tanto más se aplane la curva.
Una de las soluciones para aumentar la eficacia del sistema es la gestión de la demanda. Sin embargo, frente a la dificultad de conseguir todos los datos necesarios, en general, se suelen introducir nuevas demandas de manera que permitan suavizar la curva de demanda. En la España peninsular, se dan dos elementos muy importantes: la limitada capacidad de bombeo, que supone la alternativa óptima de almacenamiento nocturno, y las dificultades de colocar excedentes de generación en los sistemas eléctricos de los países vecinos. Ante esto, en España se apuesta por dos opciones:
Una de las soluciones para aumentar la eficacia del sistema es la gestión de la demanda. Sin embargo, frente a la dificultad de conseguir todos los datos necesarios, en general, se suelen introducir nuevas demandas de manera que permitan suavizar la curva de demanda. En la España peninsular, se dan dos elementos muy importantes: la limitada capacidad de bombeo, que supone la alternativa óptima de almacenamiento nocturno, y las dificultades de colocar excedentes de generación en los sistemas eléctricos de los países vecinos. Ante esto, en España se apuesta por dos opciones:
- La apuesta por los vehículos eléctricos es, por tanto, una alternativa con un claro potencial. Es importante tener en cuenta que el incremento de la demanda con vehículos eléctricos obligará a una mayor contribución e integración por parte de las renovables, lo que una vez más redunda en la necesidad de dotar de una mayor flexibilidad la operación del sistema con esta y otras soluciones. Los vehículos eléctricos permitirán, inicialmente, incorporar nuevas cargas en horas de baja demanda y, posteriormente, modular cargas en diferentes periodos.
- Otra opción para suavizar la curva de demanda y aumentar la eficacia del sistema es la utilización de sistemas de almacenamiento de energía. Pueden trabajar de la misma manera que el coche eléctrico, es decir, pueden cargarse en horas nocturnas (horas valle) y generar parte de la energía almacenada entre las 14.00 y las 22.00 horas
El gran problema al que se enfrentan los sistemas de suministro energético es la dificultad (y el coste económico) de almacenar energía durante los periodos de baja demanda para poder utilizarla durante los picos de demanda. Esto es particularmente relevante desde el punto de vista de las energías renovables, si se pretende que constituyan una alternativa realista a las energías consumibles. En efecto, es muy difícil que la producción de energía se adecue perfectamente a la necesidad o demanda por parte de los consumidores. Por tanto, es importantísimo poder almacenar el excedente de energía eléctrico producido. En general, en la actualidad, se utilizan baterías de plomo para realizar esta tarea.
El caso eólico es fiel reflejo de las anteriores reflexiones. Cuando se utiliza el viento (recurso limpio, autóctono e inagotable) como fuente primaria de energía, si bien no existen costos de combustibles y se tiene un bajo impacto ambiental, se presenta el problema de la aleatoriedad de este recurso. La generación eólica no se considera segura (tiene un carácter no gestionable) en el momento de realizar los cálculos de planificación de la operación del sistema de potencia. Justo antes de la instalación de parques eólicos, se realizan estudios estadísticos para determinar valores medios de velocidad y dirección principal del viento. Estos valores medios son útiles para determinar la viabilidad del proyecto y, posteriormente, para realizar la planificación de la operación del sistema a largo plazo. Sin embargo, para la planificación de la operación a corto plazo, estos valores no pueden ser utilizados. Una determinación de valores medios en muy corto
plazo, dado la elevada tasa de variación del viento no garantizaría tampoco la disponibilidad del recurso. Anexamente a este problema, se presenta la problemática de la incapacidad de almacenar y transportar esta fuente de energía en las situaciones de desequilibrio entre oferta y demanda. Esta energía se suele desaprovechar y se presenta como una de las mayores preocupaciones de las asociaciones del sector y del gestor del sistema.
Como una de las soluciones a la imprevisibilidad de la energía generada por medios de unidades eólicas se presenta la utilización de medios de almacenamiento de energía o ESS (energy storage
systems). En el contexto del mercado eléctrico, los principales objetivos del almacenamiento de energía son:
El caso eólico es fiel reflejo de las anteriores reflexiones. Cuando se utiliza el viento (recurso limpio, autóctono e inagotable) como fuente primaria de energía, si bien no existen costos de combustibles y se tiene un bajo impacto ambiental, se presenta el problema de la aleatoriedad de este recurso. La generación eólica no se considera segura (tiene un carácter no gestionable) en el momento de realizar los cálculos de planificación de la operación del sistema de potencia. Justo antes de la instalación de parques eólicos, se realizan estudios estadísticos para determinar valores medios de velocidad y dirección principal del viento. Estos valores medios son útiles para determinar la viabilidad del proyecto y, posteriormente, para realizar la planificación de la operación del sistema a largo plazo. Sin embargo, para la planificación de la operación a corto plazo, estos valores no pueden ser utilizados. Una determinación de valores medios en muy corto
plazo, dado la elevada tasa de variación del viento no garantizaría tampoco la disponibilidad del recurso. Anexamente a este problema, se presenta la problemática de la incapacidad de almacenar y transportar esta fuente de energía en las situaciones de desequilibrio entre oferta y demanda. Esta energía se suele desaprovechar y se presenta como una de las mayores preocupaciones de las asociaciones del sector y del gestor del sistema.
Como una de las soluciones a la imprevisibilidad de la energía generada por medios de unidades eólicas se presenta la utilización de medios de almacenamiento de energía o ESS (energy storage
systems). En el contexto del mercado eléctrico, los principales objetivos del almacenamiento de energía son:
- Aumentar la eficiencia de los sistemas eléctricos, al reducir la necesidad de centrales de generación de respaldo.
- Aumentar la confiabilidad de los sistemas eléctricos, al evitar los costos de interrupción del suministro.
- Aumentar la disponibilidad de fuentes renovables (solar, eólica).
- Aumentar el factor de utilización en las plantas de generación renovables.
Otra razón que justifica el almacenamiento de energía generada mediante energía eólica es la no coincidencia de la máxima demanda con la máxima generación de eólica, es decir, las horas pico de demanda no son las mismas que las horas pico de generación, tal como se observa en la figura.
Las técnicas de almacenamiento de energía pueden ser clasificadas en función de diferentes criterios:
Las técnicas de almacenamiento de energía pueden ser clasificadas en función de diferentes criterios:
- Del tipo de aplicación: permanente o portable.
- Duración del almacenamiento: cortos o largos periodos.
- La potencia máxima demandada.
Por tanto, es necesario analizar las características fundamentales de los sistemas de almacenamiento con el objeto de establecer criterios para seleccionar la mejor tecnología. La elección del tipo de almacenamiento se basa en los siguientes criterios: tiempo de almacenamiento, potencia disponible, grado de descarga, tiempo de descarga, localización, ciclos de vida útil, rendimiento, autonomía, costes, densidad de energía volumétrica (kJ/m3).
Para conseguir el almacenamiento de energía eléctrica de forma eficaz la energía eléctrica debe ser almacenada como otra forma de energía y cuando se demande, se volverá a transformar en energía eléctrica.
CENTRALES DE BOMBEO
Su principio de funcionamiento es bien conocido: durante los periodos en los que la demanda es baja, estas centrales utilizan la electricidad sobrante para bombear el agua desde el depósito inferior hacia el depósito superior. Cuando la demanda es muy elevada, el agua sale del depósito superior y activa las turbinas para generar energía eléctrica en horas pico. Las centrales de bombeo hidroeléctricas tienen grado de eficacia de entre el 65% y el 80%. En general, se puede afirmar que, considerando el rendimiento del ciclo, se necesitan 4 MWh para generar tres. Proyecto hidroeólica "El Hierro".
PILAS DE COMBUSTIBLE DE HIDRÓGENO
Las pilas de combustible son un medio de restablecer la energía gastada para producir hidrógeno mediante electrólisis del agua. La oxidación-reducción entre el hidrógeno y el oxígeno es una reacción simple que se produce dentro de una estructura formada por dos electrodos (ánodo-cátodo) separados por un electrolito.
BATERÍAS
Es un sistema bien conocido por todos; el almacenamiento químico se lleva a cabo a través de acumuladores. Estos sistemas tienen la doble finalidad de almacenar y liberar electricidad alternando fases de carga y descarga. Estos acumuladores pueden transformar la energía química generada mediante reacciones electroquímicas en energía eléctrica y viceversa, sin emisiones contaminantes y ruidos y, además, requiere poco mantenimiento.
VOLANTE DE INERCIA
Los acumuladores de energía mediante volante de inercia están compuestos de un volante de inercia acoplado (normalmente con bridas magnéticas) al eje de un generador.
SUPERCONDENSADORES
El almacenamiento de energía en supercondensadores se realiza en forma de campo eléctrico entre dos electrodos. Es el mismo principio que los condensadores excepto que el material aislante es reemplazado por un electrolito conductor. La energía obtenida es superior a la obtenida en condensadores (aproximadamente, en 15 Wh/kg). Del mismo modo, su coste también es más elevado, pero tiene una mejor capacidad de descarga debido al lento desplazamiento de los iones en el electrolito.
AIRE COMPRIMIDO (CAES)
Este sistema de almacenamiento se lleva a cabo a alta presión (40-70 bares) y a temperaturas cercanas a la ambiente. Esto conlleva depósitos con menor volumen. Un gran número de estudios realizados han concluido que el aire debe ser comprimido y almacenado en el subsuelo y en tuberías altamente presurizadas (20-100 bares). Una planta de generación de energía con una turbina de gas utiliza dos tercios de la potencia disponible para comprimir el aire de la combustión. Mediante este sistema, se consigue separar el proceso en varias fases para utilizar la energía para comprimir el aire (durante horas valle horas de almacenamiento) y, posteriormente, se produce, durante las horas pico (de demanda), tres veces la potencia para el mismo consumo de combustible expandiendo el aire en una cámara de combustión antes de introducir el aire en las turbinas. El calor residual se recupera del humo y se usa para calentar el aire. La densidad de energía para este tipo de sistemas está alrededor de 12 kW/m3 y el rendimiento estimado se sitúa en torno al 70%.
Por último, en la siguiente figura se pueden analizar los diferentes tipos de almacenamiento de energía y para que potencias y tiempos se recomienda el uso de cada una.
Los sistemas de almacenamiento de energía mediante compresión de aire CAES son la principal solución para las energías renovables. Para estas energías, el tiempo de almacenamiento necesario puede ser de horas, días o incluso meses y estos sistemas permiten esta aplicabilidad. Además, es una tecnología madura y en la actualidad existen varios proyectos en marcha: Huntorf (Alemania), McIntosh (EE UU). Las esperanzas están puestas en el Iowa Storage Energy Park (Iowa, EE UU), un proyecto estadounidense en marcha que cuenta con el respaldo tecnológico de Sandia National Laboratories. Con la energía proporcionada por los aerogeneradores, se comprimirá y guardará aire en un acuífero situado a 1.000 metros de profundidad en el centro del estado de Iowa, usado hasta ahora para atesorar gas natural. Se espera que en 2011 el futuro parque eólico, cuya construcción costará unos 130 millones de euros, suministre 270 MW 16 horas al día. En esta instalación, cuando no se necesita generar electricidad, el aire se almacena en una formación geológica subterránea profunda para su uso posterior en la generación de electricidad. La electricidad que produce se puede utilizar cuando sea necesario, especialmente durante las horas pico de alta demanda. Este proceso utiliza menos
combustible que una instalación convencional de combustión de la turbina. Ver demostración del proyecto.
A pesar de todo esto, el aire comprimido tiene algunos inconvenientes que hacen que su uso sea limitado. Por ejemplo:
Extracto del artículo de Manuel Ramírez Velasco.
Para conseguir el almacenamiento de energía eléctrica de forma eficaz la energía eléctrica debe ser almacenada como otra forma de energía y cuando se demande, se volverá a transformar en energía eléctrica.
CENTRALES DE BOMBEO
Su principio de funcionamiento es bien conocido: durante los periodos en los que la demanda es baja, estas centrales utilizan la electricidad sobrante para bombear el agua desde el depósito inferior hacia el depósito superior. Cuando la demanda es muy elevada, el agua sale del depósito superior y activa las turbinas para generar energía eléctrica en horas pico. Las centrales de bombeo hidroeléctricas tienen grado de eficacia de entre el 65% y el 80%. En general, se puede afirmar que, considerando el rendimiento del ciclo, se necesitan 4 MWh para generar tres. Proyecto hidroeólica "El Hierro".
PILAS DE COMBUSTIBLE DE HIDRÓGENO
Las pilas de combustible son un medio de restablecer la energía gastada para producir hidrógeno mediante electrólisis del agua. La oxidación-reducción entre el hidrógeno y el oxígeno es una reacción simple que se produce dentro de una estructura formada por dos electrodos (ánodo-cátodo) separados por un electrolito.
BATERÍAS
Es un sistema bien conocido por todos; el almacenamiento químico se lleva a cabo a través de acumuladores. Estos sistemas tienen la doble finalidad de almacenar y liberar electricidad alternando fases de carga y descarga. Estos acumuladores pueden transformar la energía química generada mediante reacciones electroquímicas en energía eléctrica y viceversa, sin emisiones contaminantes y ruidos y, además, requiere poco mantenimiento.
VOLANTE DE INERCIA
Los acumuladores de energía mediante volante de inercia están compuestos de un volante de inercia acoplado (normalmente con bridas magnéticas) al eje de un generador.
SUPERCONDENSADORES
El almacenamiento de energía en supercondensadores se realiza en forma de campo eléctrico entre dos electrodos. Es el mismo principio que los condensadores excepto que el material aislante es reemplazado por un electrolito conductor. La energía obtenida es superior a la obtenida en condensadores (aproximadamente, en 15 Wh/kg). Del mismo modo, su coste también es más elevado, pero tiene una mejor capacidad de descarga debido al lento desplazamiento de los iones en el electrolito.
AIRE COMPRIMIDO (CAES)
Este sistema de almacenamiento se lleva a cabo a alta presión (40-70 bares) y a temperaturas cercanas a la ambiente. Esto conlleva depósitos con menor volumen. Un gran número de estudios realizados han concluido que el aire debe ser comprimido y almacenado en el subsuelo y en tuberías altamente presurizadas (20-100 bares). Una planta de generación de energía con una turbina de gas utiliza dos tercios de la potencia disponible para comprimir el aire de la combustión. Mediante este sistema, se consigue separar el proceso en varias fases para utilizar la energía para comprimir el aire (durante horas valle horas de almacenamiento) y, posteriormente, se produce, durante las horas pico (de demanda), tres veces la potencia para el mismo consumo de combustible expandiendo el aire en una cámara de combustión antes de introducir el aire en las turbinas. El calor residual se recupera del humo y se usa para calentar el aire. La densidad de energía para este tipo de sistemas está alrededor de 12 kW/m3 y el rendimiento estimado se sitúa en torno al 70%.
Por último, en la siguiente figura se pueden analizar los diferentes tipos de almacenamiento de energía y para que potencias y tiempos se recomienda el uso de cada una.
Los sistemas de almacenamiento de energía mediante compresión de aire CAES son la principal solución para las energías renovables. Para estas energías, el tiempo de almacenamiento necesario puede ser de horas, días o incluso meses y estos sistemas permiten esta aplicabilidad. Además, es una tecnología madura y en la actualidad existen varios proyectos en marcha: Huntorf (Alemania), McIntosh (EE UU). Las esperanzas están puestas en el Iowa Storage Energy Park (Iowa, EE UU), un proyecto estadounidense en marcha que cuenta con el respaldo tecnológico de Sandia National Laboratories. Con la energía proporcionada por los aerogeneradores, se comprimirá y guardará aire en un acuífero situado a 1.000 metros de profundidad en el centro del estado de Iowa, usado hasta ahora para atesorar gas natural. Se espera que en 2011 el futuro parque eólico, cuya construcción costará unos 130 millones de euros, suministre 270 MW 16 horas al día. En esta instalación, cuando no se necesita generar electricidad, el aire se almacena en una formación geológica subterránea profunda para su uso posterior en la generación de electricidad. La electricidad que produce se puede utilizar cuando sea necesario, especialmente durante las horas pico de alta demanda. Este proceso utiliza menos
combustible que una instalación convencional de combustión de la turbina. Ver demostración del proyecto.
A pesar de todo esto, el aire comprimido tiene algunos inconvenientes que hacen que su uso sea limitado. Por ejemplo:
- Tienen unos requisitos de ubicación muy restrictivos, ya que deben ser grandes extensiones de terreno y, además, hay que disponer de cuevas para almacenar el aire comprimido.
- Elevado tiempo de respuesta: se puede hablar de minutos, incluso horas, es decir, tienen poca flexibilidad ante una demanda.
- Problemas de fugas y fricción debido a la naturaleza gaseosa del aire.
- Moderado rendimiento (alrededor del 70%).
- Las ratios de presión y de eficiencia en los sistemas de conversión neumáticos son bajos.
Extracto del artículo de Manuel Ramírez Velasco.
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