Creo que en un artículo anterior ya os había hablado de Jorge, esa persona tan especial que propone desafíos a mi cerebro mientras tortura mi cuerpo. Pues esta semana lo ha vuelto a hacer. Esta vez mostrándome un artículo del National Geographic sobre un sistema de almacenamiento eléctrico a base de esferas huecas de hormigón sumergidas en el mar, cuando mi corazón aún está en pleno proceso de recuperación de la normalidad después de estar por encima de 140 pulsaciones por minuto tras cinco interminables minutos en la «elíptica». Juro que no recuerdo muy bien qué fue lo que le contesté, pero me imagino que sería una de esas respuestas convencionales que los ingenieros utilizamos cada vez que alguien descubre uno de los múltiples procedimientos para bombear dinero de las arcas públicas a las privadas.
—Creo que es importante conseguir un sistema de almacenamiento de la energía realmente eficaz —apunta no falto de razón—.
—¡Y ecológico! ¡No olvidemos lo ecológico! —añado yo con bastante mala baba.
Así que hoy, aprovechando que hace unos días se ha marchado de vacaciones por esas tierras terriblemente exóticas donde no falta ni la Coca Cola ni los Mac Donald y admiten American Express como medio de pago en las tiendas más escondidas en el bosque tropical, intentaré ponerme en claro a mí mismo la situación actual de los sistemas de almacenaje de energía para responder lo más documentadamente posible a sus dudas —y las mías— sobre las ventajas e inconvenientes de esas tecnologías de almacenamiento de energía.
Supongo que no cometo una falta grave si explico una vez más a mis sufridos lectores, lo que he dado en llamar la “Teoría de las dos dislocaciones”. Según este original postulado, la energía nunca está donde se la necesita ni cuando se la necesita. Ejemplo famoso de la dislocación espacial es el caso de las cataratas del Niágara y la ciudad de Búfalo que dio origen a una de las batallas más decisivas de la conocida como «Guerra de las corrientes», mientras que para ilustrar la dislocación temporal elegiremos la subida del importe del recibo “de la luz” como resultado de la necesidad de sacarnos el frío de encima en el invierno y la de dormir por las noches en el verano.
Si bien la primera de estas dos dislocaciones dio como resultado el triunfo de la energía eléctrica como forma altamente transportable, la segunda, que debería de haber hecho prevalecer la forma más almacenable de esta energía —la corriente continua CC— sobre la menos almacenable —la corriente alterna CA— no tuvo el mismo resultado, y al final la CA acabó imponiéndose en el sistema eléctrico sobre la continua. ¿Un error? Está claro que no; más bien una opción que cumple mejor las necesidades concretas de la mayoría. ¿Por qué los automóviles tenían en el muy reciente pasado una dínamo —es decir una máquina de CC— como generador para alimentar los diversos consumidores y cargar las baterías y desde hace unos cuantos años utilizan alternadores, máquinas que generan CA que después hay que convertir en continua para cargar las baterías? Alguna razón lógica habrá…
Pero volvamos al tema: el almacenamiento de energía. Interesante, pero nada nuevo, por cierto. La humanidad ha buscado almacenar energía de diversas formas a lo largo de la historia, mucho antes de intentar hacerlo con la electricidad. Sin ir más lejos los neveros o «pozos de nieve» de los castillos que aseguraban la conservación de alimentos, las propias técnicas de construcción que hoy llamaríamos bioclimáticas, y los botijos, pasando por las represas y embalses para regadío, suministro de agua potable, batanes y molinos. Veamos cuales son las técnicas actuales y algunas de las que parecen tener más futuro.
¿Qué tiene de especial el almacenamiento de energía eléctrica?
Fundamentalmente que la práctica totalidad de sistemas industriales de almacenamiento de energía eléctrica necesitan de un doble proceso de transformación a una forma de energía almacenable. De hecho, tal como veremos más adelante, solamente existen dos sistemas, ambos muy limitados en cuanto a su aplicación. Todo el resto necesita añadir al paso previo de la generación de energía eléctrica, la transformación de esta energía en otra forma, sea esta energía potencial, cinética, química, etc., en la que ser guardada para, tras un nuevo proceso de transformación en eléctrica, poder ser usada en nuestros dispositivos.
La necesidad de encontrar un sistema de almacenaje con todas las ventajas y ninguno de los inconvenientes, es crucial para aquellas centrales que como la solar, la eólica y la hidráulica de agua fluyente, necesitan aprovechar la oportunidad de generar cuando el recurso —aire, luz solar, agua fluyente, …— está disponible y no cuando existe la demanda. Recordemos que el sistema eléctrico debe estar en equilibrio constante, y que por mucho que yo pudiera generar no podré hacerlo si no hay demanda: la cantidad de electricidad generada debe ser igual a la cantidad demandada en cada momento. Así que Alguien, en el uso de sus atribuciones legales y de salvaguarda del sistema, me dará la orden de reducción o detención de la producción de mi central generadora, a pesar de que en ese momento luzca un sol esplendoroso o el viento sople con una adecuada velocidad y constancia.
Y los sistemas de almacenamiento de energía eléctrica son la mejor forma de solucionar esto que la gente del oficio se empeña en denominar «curtailment«[1] porque al poder almacenar el excedente de energía en momentos de alta producción y baja demanda, y liberarla cuando la demanda es alta o la producción renovable es baja, se reduce significativamente la necesidad de realizar una reducción forzada de la producción.
Breve repaso de las principales tecnologías de almacenamiento de energía eléctrica
Comencemos pues este necesariamente breve repaso de tecnologías de almacenamiento de energía eléctrica precisamente por aquellas dos tecnologías que citábamos que no necesitan de un doble proceso de transformación: el almacenamiento en forma de campo eléctrico y en forma de campo magnético.
1. Condensadores y Supercondensadores
Los condensadores almacenan energía en forma de un campo eléctrico. Al aplicar una diferencia de potencial continua —un voltaje— a unas placas conductoras separadas por un material dieléctrico —es decir aislante, no conductor de la electricidad— las cargas eléctricas se irán acumulando en las placas del condensador. La energía acumulada en este campo eléctrico puede ser recuperada posteriormente.
Las principales ventajas de este sistema, además de que la energía se almacena directamente como carga eléctrica, sin conversiones, lo que le otorga una altísima eficiencia, son su respuesta extremadamente rápida, del orden de los milisegundos a segundos y su vida útil prácticamente ilimitada.
Mientras que sus principales inconvenientes son su baja densidad energética, lo que limita su utilización industrial a aplicaciones que requieren ráfagas rápidas de potencia, como la estabilización de la red eléctrica ante fluctuaciones muy breves o el frenado regenerativo en vehículos pesados o trenes, ya que no son adecuados para el almacenamiento de energía a largo plazo (horas o días).
2. Superconductores Magnéticos
Los Sistemas de Almacenamiento de Energía Superconductora Magnética (SMES) almacenan energía en forma de campo magnético, campo que es creado por una corriente continua que fluye en una bobina superconductora. Una vez que la bobina se ha cargado, la corriente se mantiene fluyendo (casi) indefinidamente dado que en un estado superconductor, a temperaturas cercanas al cero absoluto, la resistencia de un conductor es prácticamente igual a cero.
La principal ventaja del sistema es sin duda su capacidad de respuesta prácticamente instantánea, que lo hace ideal para la regulación de frecuencia y el control de estabilidad en la red.
El sistema presenta también unas pérdidas muy reducidas en conjunto. Insignificantes en la propia bobina y algo más elevadas en el sistema de refrigeración y en los convertidores, pero de nuevo nos encontramos con el mismo problema que en el sistema anterior: muy baja densidad energética que restringe su uso a aplicaciones de potencia instantánea y no de energía mantenida a lo largo de un tiempo considerable. Para completar el panorama son sistemas muy caros de construir y complicados de implementar a escala industrial porque necesitan sistemas de enfriamiento complejos y caros para mantener los materiales en su estado superconductor.
Resumiendo rápidamente: los sistemas que no requieren una transformación fundamental de la energía eléctrica a otra forma, condensadores, supercondensadores y los sistemas SMES, que en la teoría son tan atractivos, presentan en la práctica una serie de problemas si no imposibles muy complicados de solventar, por lo que para el almacenamiento a gran escala y de larga duración las tecnologías que implican una transformación de energía como las más viables y extendidas debido a su mayor densidad energética y menor coste por unidad de energía almacenada.
3. Bombeo hidroeléctrico
¡Algo tendrá el agua cuando la bendicen! El almacenamiento por bombeo hidroeléctrico es el sistema de almacenamiento a gran escala más utilizado en el mundo, representando casi el 85% de la capacidad de almacenamiento global. A diferencia de las centrales hidráulicas convencionales, tiene un segundo embalse donde se almacena el agua ya turbinada del embalse a mayor altura. Cuando hay un excedente de capacidad de producción de energía en el Sistema, bien sea por baja demanda o por alta capacidad de producción de las centrales no gestionables, fotovoltaica, eólica, …, se utiliza esa energía para invertir el flujo habitual del agua del depósito de más cota al de menor cota, bombeando el agua desde el embalse inferior al superior. La energía eléctrica se almacena entonces en el embalse superior como energía potencial gravitatoria del agua. Cuando la situación se invierte y sube la demanda o baja la capacidad de producción la central hidráulica está en disposición de volver a turbinar el agua del embalse superior al inferior recuperando para el Sistema buena parte de la energía eléctrica empleada en el proceso.
Este sistema puede almacenar grandes cantidades de energía durante largos períodos de tiempo y tiene una muy larga vida útil, con un adecuado mantenimiento pueden durar más de cien años. Además, son sistemas de respuesta bastante rápida que puede pasar de bombear a generar en cuestión de minutos, lo que la hace ideal para servicios de equilibrio de red. Y como no todo iban a ser ventajas, podemos apuntar que necesitan una topografía muy específica para su instalación, su construcción requiere una fuerte inversión y pueden afectar de forma importante a los ecosistemas locales.
4. Baterías
El almacenamiento de energía en baterías, BESS para los anglófilos, es una de las tecnologías de más rápido crecimiento. Las baterías almacenan energía eléctrica en forma de energía química. En el proceso de carga la energía eléctrica se convierte en energía química que se almacena en la batería. Durante la descarga, parte de esta energía química se convierte de nuevo en eléctrica. El paso de uno a otro estado, de absorber a inyectar energía en pocos milisegundos es una de sus principales ventajas.
La solución “baterías” es un buen ejemplo de modularidad y escalabilidad, lo que permite su implantación bien en pequeñas unidades distribuidas justo aguas arriba del inversor de la central fotovoltaica como en grandes concentraciones de red.
Por el contrario, tienen un elevadísimo costo social de fabricación, al depender de recursos escasos como el litio y el cobalto. Además, los procesos de reciclaje al final de su vida útil con tan complejos y demandantes de agua y energía que con demasiada frecuencia se desechan sin más al ser el valor de los materiales recuperados muy inferior al costo de su reciclaje. Las unidades presentan un riesgo evidente de incendio o sobrecalentamiento y tienen un número finito de ciclos de carga y descarga antes de que su capacidad se degrade como bien sabemos los usuarios de teléfonos móviles, y en opinión de muchos expertos la instalación masiva de baterías funcionará en tanto esta sea financiada en todo o en parte por el dinero de todos y abandonada tras demostrarse su baja rentabilidad.
5. Volantes de inercia
El almacenamiento de energía en volantes de inercia es un método de almacenamiento mecánico que convierte la energía eléctrica en energía cinética rotacional que se almacena en un volante de inercia convencional o más recientemente en fibra de carbono levitando magnéticamente en vacío para reducir la fricción y maximizar la eficiencia. Su función principal es la de mejorar la estabilidad de red ante la incorporación masiva de energía procedente de fuentes intermitentes y no gestionables, como la eólica y la solar, al compensar rápidamente sus fluctuaciones.
Es un sistema muy sencillo, y de una larga vida útil, muy adecuada para aplicaciones que requieran una respuesta extremadamente rápida y una alta frecuencia de ciclos de carga/descarga, como la regulación de frecuencia.
6. Energía térmica
Metemos un poco “con calzador” el almacenamiento de electricidad en forma de energía térmica cuando en realidad es mucho más práctico utilizar este calor —o su ausencia— sin transformación en electricidad, directamente para aplicaciones de calefacción o de enfriamiento. La excepción son las plantas termosolares en las que la energía del sol, a diferencia de las plantas fotovoltaicas que convierten la luz solar directamente en electricidad, la concentran sobre un fluido termo-portador que utilizaremos para generar vapor; vapor que luego moverá una turbina conectada a un generador. Estas sales fundidas sirven como almacén de calor lo que nos permitirá seguir produciendo energía eléctrica incluso en las horas nocturnas o incluso de un día para otro o de forma estacional. Su principal problema como sistema de almacenamiento reside en los aislamientos térmicos lo que limita bastante el tiempo efectivo de almacenamiento.
7. Otros sistemas en desarrollo
Dejando a un lado el almacenamiento en forma de biomasa y combustibles citaremos brevemente:
—Aire comprimido: Durante los periodos de excedente de energía, se utiliza electricidad para comprimir aire y almacenarlo en cavernas subterráneas o depósitos. Cuando se necesita energía, el aire comprimido se libera, se calienta y se expande a través de una turbina para generar electricidad. El almacenamiento en aire comprimido es una tecnología madura y con un gran potencial teórico; pero lo cierto es que pese a los muchos años transcurridos desde los primeros ensayos no acaba de arrancar. Algunas publicaciones se hacen eco de un resurgimiento del interés por esta tecnología y los avances significativos que se están desarrollando, pero de momento las cifras no acompañan.
—Esferas marinas: El sistema de almacenaje eléctrico en esferas marinas se basa principalmente en la energía potencial gravitatoria ejercida sobre grandes esferas huecas de hormigón al ser sumergidas y ancladas al lecho marino a profundidades considerables. Las esferas se llenan y se vacían de agua del mar a través de una turbina reversible. Las esferas se “cargan” cuando hay un excedente de generación eléctrica en la red, accionando las turbinas reversibles que, funcionando como bombas, expulsan el agua del interior de las esferas, creando una presión interna muy baja dentro de ellas. La inmensa presión hidrostática del agua circundante a esas profundidades es la que «carga» la esfera, almacenando una gran cantidad de energía potencial. Cuando aumenta la demanda en la red, ordenamos el paso a la situación de descarga: se abren las válvulas que mantenían la baja presión interior y se permite que el flujo de agua a alta presión entre en la esfera a través de la turbina; el motor pasa a funcionar como generador y la energía almacenada se devuelve a la red.
—Minas de pozo vertical: La idea principal del almacenamiento de Energía por Gravedad en Pozos Verticales (UGES) es aprovechar la infraestructura existente de minas abandonadas (pozos, galerías y excavaciones subterráneas) para almacenar energía potencial gravitatoria.
—Torres de EPG: Variante del anterior utilizando torres sobre el suelo que subían y bajaban bloques de cemento. También están explorando soluciones subterráneas o combinadas.
«¿Cantabas, amiga? Pues si cantaste en verano, ¡baila ahora en invierno!»
Y al final, ¿qué rábanos tiene que ver este repaso de los distintos sistemas de almacenaje con la fábula de Samaniego? Pues debo confesar que no lo sé. Aunque lo más probable es que en el origen del título no haya más que la necesidad de darle al archivo algún nombre fácil de recordar, también es posible que lo de almacenar para los malos momentos esté en el origen de la coincidencia con el título de la fábula.
Fábula por otra parte bien repulsiva donde las haya, con una hormiga falta de empatía, insolidaria, individualista, y que, en su moral utilitarista, olvida quién le amenizó las largas jornadas de trabajo. Cruel hasta el extremo de negarse a ayudar a aquella parte de la sociedad que está en una situación de extrema necesidad y sufrimiento, mostrando una indiferencia total y argumentando que “mejor que hubieran seguido su ejemplo”, olvidando que no solo el trabajo material es valioso, que la alegría y el ocio, la cultura y el arte, también son elementos fundamentales para la calidad de vida y la salud mental de una sociedad.
Nota:
[1] Para desgracia de los ingenieros españoles el inglés es capaz de condensar un concepto complejo o una acción en un solo término, mientras que el castellano recurre a expresiones más descriptivas. Es una característica que le permite inventar constantemente términos difícilmente sustituibles por una única palabra castellana. El término “curtailment” es un buen ejemplo. «To curtail» significa limitar o reducir, y al añadir el sufijo «-ment», se convierte directamente en el sustantivo que describe la acción y el resultado de esa limitación: «curtailment». La mejor traducción al castellano de este término en el contexto energético es “reducción forzada de la producción”, cosa que, como es evidente, no vamos a decir nadie.
En algunas revistas que militan en la promoción de las energías eólica y fotovoltaica se prefiere el término «vertido» para dar una idea al lector poco informado de desperdicio, de evacuación de energía que no se puede aprovechar, cuando lo que se “desperdicia” es el aprovechamiento del recurso presente que no se puede transformar en dinero por falta de comprador de esa energía.
