Almacenamiento de energía: mover energía a través del tiempo
Lo esencial del almacenamiento es que no existe una mejor tecnología, solo una mejor tecnología para una duración dada. Un aparato que entrega una potencia enorme durante dos segundos y otro que entrega una potencia modesta durante dos meses se llaman ambos almacenamiento y no tienen casi nada en común.
Por qué la duración es el principio ordenador
Un dispositivo de almacenamiento tiene dos características independientes. La potencia, en vatios, indica con qué rapidez puede entregar energía. La capacidad, en vatios-hora, cuánta guarda. Su cociente es la duración, y decide todo sobre para qué sirve el aparato.
En el extremo más corto, de milisegundos a segundos, la tarea es la estabilidad. Las redes funcionan a una frecuencia fija, y cualquier desajuste entre generación y demanda desvía esa frecuencia en una fracción de segundo. Los supercondensadores y los volantes de inercia responden casi al instante y se usan para mantener la frecuencia. Almacenan muy poca energía; no es su cometido.
En el rango de horas la tarea es el arbitraje y el recorte de puntas: absorber la producción solar del mediodía y soltarla por la tarde. Aquí el ion de litio ha ganado con claridad, y ahí va la mayor parte de la inversión mundial en almacenamiento nuevo.
De días a meses la tarea es el equilibrio estacional: cubrir una quincena de invierno sin viento y encapotada en una red que depende de la eólica y del sol. Aquí toda opción electroquímica se vuelve prohibitiva, porque el coste escala con la energía almacenada y el equipo permanece ocioso la mayor parte del año. Ese rango sigue siendo el problema abierto.
Las tecnologías y para qué sirve cada una
Las baterías de ion de litio almacenan energía moviendo iones de litio entre dos electrodos. Alcanzan rendimientos de ciclo del 85 al 95 por ciento, responden en milisegundos y han bajado de coste cerca de un 90 por ciento desde 2010, impulsadas por el vehículo eléctrico y no por la red, que heredó después esa escala de fabricación. Su límite es la duración: más allá de unas ocho horas la economía se deteriora, porque cada hora adicional exige proporcionalmente más celdas.
El bombeo hidráulico almacena energía como agua en altura, y su predominio pasa desapercibido por ser antiguo y poco vistoso. Representa más del 90 por ciento de la energía almacenada en redes del mundo, ofrece un rendimiento de ciclo del 70 al 85 por ciento y dura de 50 a 100 años. Su restricción es geográfica, como se describe en hidroeléctrica: dos embalses, un desnivel y un permiso para construir.
Las baterías de flujo separan potencia de capacidad almacenando electrolito líquido en depósitos externos. ¿Más energía? Depósitos mayores. Eso las hace atractivas para duraciones de ocho a doce horas, donde el ion de litio flaquea, aunque su densidad energética es pobre y la tecnología mucho menos madura.
El almacenamiento térmico suele pasarse por alto porque no devuelve electricidad. Las sales fundidas de las centrales termosolares, el agua caliente de las redes de calor y, cada vez más, la roca o la arena calentadas para calor de proceso industrial almacenan energía a un coste muy bajo por kilovatio-hora. Como cerca de la mitad de la demanda final de energía es calor y no electricidad, guardar calor como calor evita dos conversiones y sus pérdidas.
El aire comprimido, los sistemas gravitatorios que elevan masas sólidas y el hidrógeno como almacén químico ocupan cada uno su rincón. El rendimiento de ciclo del hidrógeno, del 30 al 40 por ciento, es pobre, pero es una de las pocas opciones capaces de conservar energía durante meses sin apenas pérdida.
El rendimiento de ciclo y lo que no dice
El rendimiento de ciclo es la fracción de energía que se recupera tras un ciclo completo de carga y descarga. El ion de litio ronda el 90 por ciento, el bombeo el 70-85, el aire comprimido el 40-70 y el hidrógeno el 30-40. Leída sola, esa ordenación sugiere que el hidrógeno es simplemente malo.
Es una lectura equivocada. El rendimiento importa en proporción a la frecuencia con que el equipo cicla y a lo cara que sea la energía de entrada. Una batería que cicla a diario pierde el 10 por ciento de mucha energía, 365 veces al año, así que el rendimiento domina su economía. Un almacén estacional que cicla una vez al año pierde el 65 por ciento de una cantidad comparativamente pequeña, una sola vez, y la energía que guardó era excedente que de otro modo se habría vertido y desperdiciado por completo.
La comparación pertinente para el almacenamiento de larga duración no es con una batería, sino con la alternativa de construir más generación o de hacer funcionar una central de gas durante esas dos semanas. Frente a esa referencia, un almacén ineficiente puede seguir siendo la respuesta más barata.
La autodescarga importa por la misma razón. Una celda de ion de litio pierde unos pocos puntos porcentuales al mes, lo que es irrelevante en un día y fatal en una estación. El bombeo pierde por evaporación. El hidrógeno en una caverna salina no pierde casi nada, que es precisamente por lo que se plantea para uso estacional pese a su rendimiento.
El rango sin resolver
Una red que funcione en gran medida con eólica y solar afronta un caso peor muy concreto: un periodo prolongado de poco viento y poco sol, en invierno, sobre una región amplia. El norte de Europa los vive con regularidad y pueden durar una semana o más. Cubrirlos exige almacenamiento medido en teravatios-hora, a una escala que ninguna flota de baterías se acerca a alcanzar.
Todos los candidatos consisten en aceptar un rendimiento pobre a cambio de capacidad barata. El hidrógeno en cavernas salinas es el más desarrollado: el medio de almacenamiento no cuesta casi nada una vez que la caverna existe, y la energía puede permanecer meses. Se están construyendo almacenes térmicos en roca o sales fundidas a escala industrial. El metano sintético fabricado con hidrógeno y dióxido de carbono capturado podría usar la red de gas existente sin cambios, al precio de otra etapa de conversión.
Hay una segunda respuesta que esquiva el problema en lugar de resolverlo, y es la razón de que almacenamiento y generación no puedan tratarse por separado. Una fuente que produzca de forma continua al margen del clima elimina de entrada buena parte de la demanda de almacenamiento, que es el papel estructural que ocupan, cada una desde su lado, la fisión nuclear, la geotermia y la investigación en energía ambiental disponible de forma continua.
En la práctica la respuesta será una cartera. Volantes de inercia para los milisegundos, ion de litio para las horas, bombeo y baterías de flujo para los días, algo químico o térmico para las semanas, y suficiente generación permanente como para que esas semanas sean raras. Ninguna tecnología cubre todo el rango, y la pregunta útil ante cualquier propuesta de almacenamiento es para qué parte del rango está pensada.
Preguntas frecuentes
¿Por qué no puede una sola tecnología servir para todo?
Porque potencia y capacidad son características separadas y las estructuras de coste difieren. Un volante entrega una potencia enorme durante segundos; una caverna de hidrógeno guarda energía durante meses pero solo devuelve un tercio. Optimizar para una duración hace que el aparato sea malo en las demás, y por eso las redes combinan varias tecnologías.
¿Qué es el rendimiento de ciclo?
La fracción de energía que se recupera tras almacenarla y volver a extraerla. El ion de litio devuelve cerca del 90 por ciento, el bombeo del 70 al 85 y el hidrógeno del 30 al 40. El rendimiento importa sobre todo en equipos que ciclan a menudo; para un almacén usado una vez al año con energía excedente que de otro modo se perdería, importa mucho menos.
¿De verdad el bombeo es mayor que todas las baterías?
Por energía almacenada sí, y con amplio margen. El bombeo representa más del 90 por ciento de la energía almacenada en redes del mundo, con capacidades de centenares de gigavatios-hora. Es antiguo, está condicionado por la geografía y resulta fácil de pasar por alto, pero sigue siendo el almacén dominante en todos los continentes con emplazamientos aptos.
¿Por qué es tan difícil el almacenamiento estacional?
Porque el coste de un almacén electroquímico escala con la energía que contiene, y un almacén estacional contiene mucha mientras cicla quizá una vez al año. Repartir la inversión entre un ciclo en lugar de 365 hunde la economía. Los candidatos viables -hidrógeno en cavernas, almacenes térmicos- son baratos por unidad de energía precisamente porque son ineficientes en otros aspectos.
¿Más generación renovable implica siempre más almacenamiento?
Hasta cierto punto. Cuotas moderadas de eólica y solar las absorbe la flexibilidad ya existente en la red. Por encima de aproximadamente el 50-60 por ciento, las necesidades de almacenamiento y de transporte crecen con fuerza, porque los periodos de desajuste se alargan. La generación que funciona al margen del clima reduce esa necesidad en lugar de aumentarla.
