Conocimiento sobre almacenamiento de energía | ¿Cuáles son los diferentes tipos de tecnologías de almacenamiento de energía?

Con la creciente proporción de energía renovable Con fuentes como la energía eólica y solar, el suministro eléctrico ya no es tan estable ni controlable como el de la energía térmica tradicional. Durante el pico de generación de energía solar durante el día, la oferta puede superar la demanda, mientras que por la noche, cuando la energía eólica disminuye drásticamente, la oferta puede ser insuficiente.

El almacenamiento de energía actúa como un "gestor de energía" en este contexto. Estos sistemas de almacenamiento son como un grupo de "bancos de energía" con diferentes funciones: algunos destacan en el almacenamiento de electricidad, otros se especializan en el almacenamiento térmico, algunos pueden soportar largos periodos de espera y otros pueden generar picos de energía instantáneos.

Actualmente, la tecnología global de almacenamiento de energía ha formado un patrón de desarrollo diversificado, que incluye principalmente almacenamiento de energía física, almacenamiento de energía electroquímica, almacenamiento de energía electromagnética, almacenamiento de energía térmica, almacenamiento de energía de hidrógeno y tecnologías emergentes, cada una desempeñando un papel en diferentes escenarios con sus ventajas únicas.

Almacenamiento físico de energía: El "veterano" que confía en la "transformación espacial" para almacenar energía

El almacenamiento físico de energía fue el primer método de almacenamiento de energía que se aplicó a gran escala. Su objetivo principal es lograr... sistema de almacenamiento de energía a través de movimientos mecánicos o cambios de ubicación.

Entre ellas, la hidroeléctrica de bombeo se considera la "hermana mayor", representando más del 90% de la capacidad instalada mundial. Su principio es simple: durante las horas valle de demanda eléctrica, el excedente de electricidad se utiliza para bombear agua desde un embalse inferior a uno superior, en una posición más alta, convirtiendo la energía eléctrica en energía potencial gravitacional del agua; durante la demanda máxima, el agua se libera para impulsar turbinas que generan electricidad, convirtiendo la energía potencial de nuevo en energía eléctrica.

Esta tecnología es actualmente la más económica. solución de almacenamiento de energía a gran escala , pero sus desventajas incluyen la dependencia de las condiciones geográficas (requiere un terreno con diferencias de elevación) y un período de construcción relativamente largo (normalmente 5 a 10 años).

Otro tipo de almacenamiento físico de energía es el almacenamiento de aire comprimido. El aire se comprime mediante un motor eléctrico y se almacena en cavernas subterráneas o grandes tanques. Durante los picos de demanda, el aire comprimido se libera para impulsar turbinas que generan electricidad.

Las primeras tecnologías tenían una menor eficiencia porque no recuperaban el calor generado durante la compresión, pero el recientemente desarrollado "Almacenamiento de energía de aire comprimido adiabático avanzado" (A-CAES) recupera el calor de la compresión, aumentando la eficiencia a más del 70%.

Además, el almacenamiento de energía mediante volante de inercia adopta un enfoque ligero, convirtiendo la energía eléctrica en energía cinética de un volante de inercia giratorio de alta velocidad. Su velocidad de respuesta es de tan solo milisegundos y su ciclo de vida puede alcanzar millones de ciclos. Se utiliza comúnmente en escenarios con altos requisitos de energía instantánea, como sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI) en centros de datos y frenado regenerativo en el transporte ferroviario.

Almacenamiento de energía electroquímica: una estrella emergente, portátil y eficiente

El almacenamiento de energía electroquímica convierte la energía eléctrica en energía química mediante reacciones químicas. En los últimos años, gracias a la reducción de costes y los avances tecnológicos, se ha convertido en el campo de mayor crecimiento.

Las baterías de iones de litio son actualmente el pilar absoluto y representan más del 90% nuevas instalaciones de almacenamiento de energía Dependiendo del material del cátodo, se dividen en baterías de fosfato de hierro y litio (LFP) y baterías ternarias de litio (NCM). Las primeras ofrecen alta seguridad y bajo costo, y se dirigen principalmente a los mercados de almacenamiento de energía y vehículos comerciales; las segundas presentan mayor densidad energética y se utilizan principalmente en vehículos eléctricos de alta gama. Sin embargo, las baterías de litio aún enfrentan desafíos como la escasez de recursos (litio, cobalto, etc.) y riesgos de seguridad (como la fuga térmica).

Las baterías de flujo, por otro lado, constituyen una reserva potencial para el almacenamiento de energía a largo plazo. Su diseño desacopla la capacidad de la potencia al almacenar el electrolito en un tanque externo. Añadir tanques aumenta el tiempo de almacenamiento de energía, lo que las hace especialmente adecuadas para situaciones que requieren suministro eléctrico continuo durante varias horas.

Las baterías de flujo redox de vanadio (VRFB) tienen una vida útil de más de 25 años, más de 10 000 ciclos y un electrolito reutilizable. La central de almacenamiento de energía VRFB Jimsar de Three Gorges Energy, de 200 MW/1 GWh, se ha convertido en la mayor del mundo, impulsando la comercialización del almacenamiento de energía de larga duración.

Además, las baterías de iones de sodio están en auge debido a sus abundantes recursos de sodio (420 veces superiores a los del litio) y su bajo coste. Empresas como CATL y EVE Energy han optado por entrar en este mercado y se espera que, en el futuro, sustituyan algunas baterías de litio en vehículos eléctricos de baja velocidad y sistemas de alimentación de emergencia domésticos.

Almacenamiento de energía electromagnética: El «flash» con respuesta de milisegundos

El almacenamiento de energía electromagnética utiliza campos eléctricos o magnéticos para almacenar energía. Se caracteriza por velocidades de carga y descarga extremadamente rápidas (en milisegundos) y una densidad de potencia ultraalta, pero con una densidad energética relativamente baja.

Los supercondensadores almacenan energía a través de la doble capa eléctrica en la interfaz electrodo-electrolito, lo que les confiere una vida útil casi infinita. Se utilizan comúnmente para la recuperación de energía de frenado en trenes de alta velocidad y el soporte de voltaje instantáneo en redes inteligentes. El almacenamiento de energía magnética superconductora (SMES), por otro lado, almacena la energía del campo magnético mediante bobinas superconductoras, alcanzando eficiencias superiores al 95 %. Sin embargo, requiere operar a temperaturas extremadamente bajas, de hasta -269 °C, lo que resulta en mayores costos. Actualmente, se utiliza principalmente en investigación de laboratorio y en equipos industriales de alta precisión.

Almacenamiento de energía térmica: el «banco de energía» invisible

El almacenamiento de energía térmica almacena energía térmica a través de cambios de temperatura o transiciones de fase en un medio, a menudo combinado con la generación de energía solar térmica y la utilización de calor residual industrial.

El almacenamiento de calor sensible es el más común: absorbe calor a través de medios como agua, sales fundidas y roca, lo almacena tras el aumento de temperatura y libera energía cuando esta desciende durante la liberación de calor. El almacenamiento de calor latente utiliza materiales de cambio de fase (como parafina y sales fundidas) para absorber o liberar grandes cantidades de calor durante las transiciones de fase sólido-líquido, manteniendo una temperatura relativamente constante. Puede utilizarse para regular la temperatura ambiente en paredes de edificios y disipar el calor de dispositivos electrónicos. El almacenamiento termoquímico almacena calor mediante reacciones químicas reversibles (como la reacción del óxido de calcio con agua), con una eficiencia teórica superior al 80 %. Sin embargo, aún se encuentra en fase de investigación de laboratorio y a escala piloto, y aún no ha alcanzado una aplicación comercial a gran escala.

Almacenamiento de hidrógeno: ¿la “solución definitiva” para el almacenamiento de energía transestacional?

El almacenamiento de hidrógeno se considera la solución definitiva para solucionar las fluctuaciones estacionales de las energías renovables. Su enfoque consiste en aprovechar el excedente de electricidad durante las horas valle para electrolizar el agua y producir hidrógeno verde, que se almacena en tanques de alta presión o cavernas subterráneas de sal. Cuando es necesario, puede utilizarse para generar electricidad mediante pilas de combustible o directamente en los sectores industrial y del transporte.

Las mayores ventajas del almacenamiento de hidrógeno son las cero emisiones de carbono, el almacenamiento a largo plazo (meses o incluso años) y la capacidad de acoplar múltiples redes energéticas, como electricidad, calor y combustible.

Sin embargo, los actuales cuellos de botella tecnológicos son evidentes: la eficiencia de producción de hidrógeno a partir de la electrólisis del agua es de aproximadamente el 70%, la eficiencia de generación de energía de las pilas de combustible es de alrededor del 50% y la eficiencia general es de sólo el 30%-40%; las condiciones de almacenamiento del hidrógeno líquido y los costes de transporte también son elevados.

Tecnologías emergentes: gravedad, aire y más posibilidades

Además de las tecnologías maduras mencionadas anteriormente, direcciones emergentes como el almacenamiento de energía por gravedad y el almacenamiento de energía por aire líquido están ganando terreno rápidamente.

El almacenamiento de energía por gravedad utiliza un motor eléctrico para elevar objetos pesados (como bloques de hormigón o grava) a una posición elevada, liberando así el peso para impulsar un generador cuando se necesita electricidad. El almacenamiento de energía por aire líquido enfría el aire a aproximadamente -196 grados Celsius y lo licúa, impulsando una turbina para generar electricidad al expandirse. El proyecto de demostración de almacenamiento de energía por aire líquido de 60.000 kW/600.000 kWh de la provincia de Qinghai, ubicado en la ciudad de Golmud, prefectura de Haixi, provincia de Qinghai, se encuentra actualmente en su fase final de puesta en marcha y constituye el mayor proyecto de demostración de almacenamiento de energía por aire líquido del mundo.

El futuro: colaboración multitecnológica para construir una Internet energética

Las diferentes tecnologías de almacenamiento de energía tienen sus propias ventajas y desventajas, y en el futuro puede surgir un patrón de "división del trabajo y la cooperación": el almacenamiento hidroeléctrico bombeado y las baterías de litio son adecuados para la reducción de picos de la red (4 a 8 horas); las baterías de flujo, el aire comprimido y el almacenamiento de hidrógeno se centran en el almacenamiento de energía a largo plazo (>8 horas); los supercondensadores y los volantes de inercia son responsables del soporte de energía instantánea; y el almacenamiento de energía térmica está profundamente acoplado con la generación de energía renovable.

Según la Agencia Internacional de Energías Renovables, la capacidad mundial de almacenamiento de energía alcanzará los 230 gigavatios en 2030, y el almacenamiento de energía a largo plazo mostrará el crecimiento más rápido.

Con la iteración tecnológica y la reducción de costos, las futuras redes de almacenamiento de energía pueden colaborar eficientemente como una red neuronal, haciendo realidad en última instancia la visión de cero carbono de "generación, red, carga y almacenamiento" integrados.