La revolución energética requiere nuevos sistemas de almacenamiento eléctrico
El mundo está cada vez más conectado. Los expertos prevén que la generación de electricidad en todo el mundo aumentará en dos tercios de aquí a 2030. El aumento de la población mundial y la electrificación de regiones previamente infradesarrolladas no son los únicos factores que están provocando este incremento de la demanda. Se espera que las redes eléctricas del mundo industrializado suministren cada vez más energía. La electromovilidad es una de las grandes cuestiones que está impulsando esta tendencia. El gobierno alemán se ha fijado un objetivo de 6 millones de coches eléctricos circulando por las carreteras alemanas para 2030.
El problema es que la electricidad es una forma temporal de energía. Cuando se genera electricidad, debe existir la correspondiente demanda en la red. Si se genera demasiada electricidad, aumenta la frecuencia de línea. Las variaciones de frecuencia pueden provocar importantes cortes de suministro. El incremento del uso de las energías renovables, como la energía solar y eólica, no hace complica aún más la resolución de este problema. Esto se vio claramente la primavera pasada, cuando se produjeron amenazas de cortes en Alemania Oriental. Los aerogeneradores de Alemania Oriental, movidos por fuertes vientos, generaron hasta 12 gigavatios de electricidad que se enviaron a la red. Sin embargo, la demanda regional sólo representa una fracción de ese nivel.
En 2006, la elevada producción de electricidad de los aerogeneradores europeos provocó una reacción en cadena que tuvo serias consecuencias. La noche del 4 de noviembre soplaba un viento muy fuerte en el norte de Alemania. Poco después de las 22 h, se cortó una línea eléctrica aérea situada encima del río Ems por motivos de seguridad mientras se botaba un barco de cruceros. Al mismo tiempo, la línea eléctrica transportaba 10 GW de electricidad de generación eólica a Europa meridional y occidental. Para estabilizar la frecuencia de línea, se cortó de manera provisional parte de la red en Alemania Oriental, Bélgica el Norte y sur de Francia, el norte de Italia y España. Algunas zonas de España se vieron afectadas por un apagón que de hasta dos horas.
La energía renovable también está teniendo un efecto notable en los mercados de energía eléctrica. A veces, se recompensa económicamente a los clientes por utilizar el exceso de electricidad de generación eólica entrada la noche. La energía solar también forma parte de la ecuación. En la radiante tarde del 16 de julio de 2011, el precio de la electricidad a mitad del día en la bolsa de electricidad EEX cayó al mismo nivel que la económica tasa nocturna. Este descenso del precio se debió a la elevada cantidad de energía fotovoltaica existente en la red. Hoy día los sistemas fotovoltaicos alemanes suministran a la red hasta 13 GW de electricidad (el equivalente a 10 centrales nucleares) cuando existen buenas condiciones meteorológicas. Pero eso no es todo: la proporción de las energías renovables en el mix de generación de energía eléctrica sigue aumentando. La catástrofe de Fukushima en particular ha hecho que se adopte un nuevo planteamiento en algunos países industrializados (sobre todo en Alemania). Como consecuencia, podemos esperar que se produzca una expansión masiva de la generación de energía eólica, fotovoltaica y solar.
Actualmente, lograr un equilibrio entre la oferta y la demanda es toda una hazaña. Es preciso adoptar un nuevo enfoque del problema. Algunas de las opciones son:
• Ampliar aún más la red para mejorar la distribución del exceso de electricidad
• Gestionar la demanda utilizando redes inteligentes, por ejemplo encendiendo automáticamente las cargas de usuario para compensar el exceso de oferta
• Utilizar sistemas de almacenamiento de energía para gestionar el exceso o el déficit de oferta
La ampliación de la red es la opción más barata, y también la más rápida. Sin embargo, cada vez es mayor la oposición pública a nuevas líneas por tierra en los países altamente industrializados. Las redes inteligentes, en las que por ejemplo las lavadoras se encienden automáticamente en mitad de la noche si existe un exceso de electricidad de generación eólica, aún se encuentran en su etapa inicial, y lo mismo ocurre con el almacenamiento de energía.
Para obtener una imagen más clara de las distintas tecnologías de almacenamiento que existen, resulta útil distinguir entre estabilización de red y almacenamiento de electricidad local. Los sistemas de almacenamiento térmico, sobre todo los que utilizan el calor de proceso en las industrias química, de pasta y papel y otras industrias de proceso, están cobrando cada vez más importancia.
La electricidad puede convertirse en energía química, potencial, cinética o electromagnética. Cada una tiene sus pros y sus contras. Los supercondensadores tienen una baja densidad energética, pero pueden suministrar electricidad con mucha rapidez para estabilizar la red y compensar las fluctuaciones. Otras tecnologías se emplean para almacenar energía eléctrica durante distintos periodos de tiempo.
Almacenamiento eléctrico en la red: del bombeo de agua a la mega batería
El bombeo de agua de un embalse a otro situado a una cota superior es hoy día la forma de almacenamiento eléctrico en la red más extendida. A veces, cuando existe electricidad barata, se bombean grandes cantidades de agua desde una altitud menor a un depósito ubicado a una altitud superior. En los periodos en los que hay picos de demanda, el agua vuelve a fluir hacia alturas inferiores, haciendo que las turbinas y generadores generen electricidad. Las 33 centrales hidroeléctricas de bombeo de Alemania tienen una capacidad de generación de 6,7 GW y pueden almacenar aproximadamente 40 GWh de energía, en comparación con Estados Unidos, que tiene una capacidad hidroeléctrica bombeada máxima de 21,5 GW.
El CAES (almacenamiento de la energía del aire comprimido) está basado en un enfoque similar. El aire comprimido se almacena en cavernas subterráneas. Las turbinas de gas vuelven a transformar la energía en electricidad en los periodos de picos de demanda. Sólo existen dos sistemas de este tipo en todo el mundo: uno en Huntdorf, Alemania (290 MW) y el otro en McIntosh, Alabama, EE UU (110 MW). Ambas centrales han estado suministrando energía a la red durante varios años. RWE, General Electric, Züblin y DLR se ha unido en torno a un proyecto para mejorar la eficiencia de esta tecnología mediante el uso de calor de compresión. Se espera que la planta de almacenamiento de aire comprimido de Stassfurt (RWE, DLR) empiece a funcionar en 2013. La planta de 90 MW tendrá una capacidad de almacenamiento de 360 megavatios hora. La turbina de gas del proyecto Adele (almacenamiento adiabático de aire comprimido para la generación de electricidad) en Strassfurt funciona sin combustión. El calor generado al comprimir el aire se almacena y se recupera cuando el aire se expande. Esta técnica mejora la eficiencia general desde aproximadamente el 55% a algo más del 70%.
La razón por la que actualmente se utilizan pocos sistemas de almacenamiento eléctrico en la red es sobre todo de índole económica. Las plantas de combustión a carbono o a gas y las centrales nucleares tienen un funcionamiento más barato. “La hidrolectricidad bombeada y el CAES sólo son comercialmente viables si la diferencia entre las tarifas nocturnas y las horas punta es de al menos 3 ct/kWh”, explicó el profesor Dirk Uwe Sauer de la Universidad RWTH Aachen. Sauer señaló que la ampliación de la red siempre resulta más barata que el almacenamiento eléctrico en la red.
Sin embargo, a largo plazo, tendremos que desarrollar y utilizar las tecnologías de almacenamiento. A diferencia de la generación de energía convencional, la energía eólica y solar no siempre están disponibles. La proporción entre energía fluctuante (eólica y solar) y energía previsible (centrales eléctricas convencionales) es actualmente de 1:5. Sin embargo, el Ministerio de Medio Ambiente alemán prevé que la proporción será de aproximadamente 1:1 para 2030. Asimismo, las tecnologías de almacenamiento (tanto para la energía eléctrica como térmica) son fundamentales para lograr un uso eficiente de la energía en las industrias de generación de energía y de procesos.
Teniendo esto presente, en la primavera de 2011 el Ministerio de Economía y Medio Ambiente alemán decidió destinar 200 millones de euros a la investigación sobre tecnologías de almacenamiento de energía durante los próximos años con el fin de acelerar el ritmo de desarrollo. Otros países como China y EE UU también están prestando apoyo financiero a la investigación de tecnologías de almacenamiento. Se han destinado 158 millones de dólares a las tecnologías de almacenamiento de energía como parte del paquete de estímulos del gobierno estadounidense. La US Energy Storage Association calcula que estos fondos generarán cerca de 780 millones de dólares de inversiones en tecnologías de almacenamiento. Además del almacenamiento eléctrico en la red, el programa también incluye soluciones descentralizadas en tecnologías de electromovilidad y de baterías.
En conclusión
La revolución energética está sobre la mesa política. Ahora es preciso encontrar soluciones técnicas adecuadas que compensen las fluctuaciones en la oferta de electricidad procedente de fuentes renovables. Estas soluciones deben idearse en el seno de la industria de procesos, la industria química, y, la medición y el control técnico. En Achema 2012, los proveedores de energía innovadores y el almacenamiento de energía serán cuestiones clave. Los expositores y científicos presentarán nuevas soluciones más allá de las exposiciones especiales.
