Sistemas de almacenamiento de energía y su aplicación óptima en redes de distribución eléctrica

Los sistemas de almacenamiento de energía en baterías, BES (Batteries Energy Storage), utilizan dispositivos donde se almacena energía en forma electroquímica para posteriormente generar y suministrar energía

Las baterías, también denominadas en ocasiones acumuladores o pilas, están formadas, generalmente, por dos electrodos, ánodo y cátodo (donde se producen las reacciones de oxidación y reducción respectivamente) y un electrolito que es el medio por donde circulan los iones.

Existen una amplia variedad de tecnologías de baterías para el almacenamiento de energía: ácido-plomo, sodio-azufre, níquel-hierro, níquel-cadmio, zinc-aire, airehierro, litio-polímero, etc. Debido a esta diversidad, muchas de sus características pueden variar considerablemente, pero en general presentan como ventajas densidades de energía alta o muy alta y requieren de muy poco o nulo mantenimiento. Del mismo modo, tienen como principales desventajas comunes la gestión y tratamiento de sus componentes, reactivos y/o productos, los cuales suelen ser tóxicos, y su reducido ciclo de vida.

La batería de plomo-ácido es el dispositivo de acumulación electroquímica que se usa con más frecuencia en el mercado en términos de energía. Es una tecnología muy implantada y la más madura de todos los sistemas de almacenamiento por baterías, su descubrimiento data de 1859.

La batería de plomo ácido está formada por un electrodo de plomo, Pb (ánodo) y un electrodo de dióxido de plomo, PbO2 (cátodo), los cuales se encuentran separados por una membrana aislante y sumergidos en un electrolito de disolución diluida de ácido sulfúrico, H2SO4.

Durante el ciclo de descarga, ambos electrodos se transforman en sulfato de plomo (II), PbSO4, y regresan a su estado inicial durante el ciclo de carga. Existen dos tipos principales de baterías de plomo ácido: las baterías húmedas o inundadas, que es la topología más común empleada, y las baterías selladas o de válvula regulada, que actualmente se encuentran en pleno desarrollo e investigación.

La característica principal en las baterías húmedas es que el electrolito se encuentra en estado líquido y se produce evaporación de agua, lo que implica la necesidad de mantenimiento para reponerla, mientras que las baterías selladas se caracterizan por disponer de una válvula que controla la liberación de los gases producidos, reduciendo el mantenimiento. Estas últimas pueden estar formadas de electrolito gelificado o absorbido; de hecho, otro tipo de clasificación posible es en función del estado del electrolito en la batería: electrolito líquido, electrolito gelificado y electrolito absorbido. En las baterías de electrolito absorbido el electrolito se encuentra en estado líquido, pero absorbido en un separador microporoso que aísla los electrodos y que está compuesto por fibra de vidrio. Este método reduce el volumen de electrolito, ya que sólo se emplea el mínimo necesario para que se produzca la reacción. Las ventajas de este tipo son su nulo o casi nulo mantenimiento, reducido espacio de ocupación y una liberación de gases muy reducida. Los mayores inconvenientes es que son sensibles a variaciones de la temperatura ambiente y que sólo se logra el mayor rendimiento cuando la carga se realiza antes de que se alcance el 50% de descarga de la batería.

Las de electrolito gelificado contienen un aditivo de sílice que actúa como desecante y consigue que el electrolito permanezca en estado sólido, en forma de gel. El uso de este tipo es óptimo cuando se prevén elevadas rofundidades de descarga y entornos con altas temperaturas, lo que permite alargar su duración, pero son extremadamente sensibles a las sobrecargas que pueden dañar prematuramente la batería y, por tanto, reducir su vida útil. En general todos los tipos baterías de plomo ácido tienen un bajo coste, 250-500 €/kWh, un ciclo de vida de 1000-1800 ciclos (aunque depende en gran medida de la profundidad de descarga) y un elevado rendimiento, en torno al 80%]. En función de la temperatura de funcionamiento del sistema, la vida de las baterías puede variar desde 5 a 15 años. De hecho, unas altas temperaturas de funcionamiento, hasta 45°C, pueden mejorar el rendimiento de la batería en términos de mayor capacidad, pero de igual modo reducir mucho el tiempo de vida del sistema.  Gracias a su baja autodescarga diaria, que según es menor al 0,1%, las pilas de plomo ácido son idóneas para el almacenamiento de energía durante largos períodos de tiempo.

Desgraciadamente, su relativo corto tiempo de vida y su mal rendimiento ante variaciones de temperatura ambiente hacen de estas baterías sus principales desventajas. Otros inconvenientes asociados son la necesidad de mantenimiento periódico para reponer agua (sólo para el caso la batería húmeda de electrolito líquido) y sus bajas energía específica, 180 W/kg y potencia, 30-50 Wh/kg, debidas a la alta densidad intrínseca del plomo. Además, muestran dificultades en la entrega cíclica de potencia debido a estados de carga parcial y las sobrecargas o disminución de su tensión nominal, pueden generar la creación de cristales de sulfato de plomo –fenómeno conocido como sulfatación– que conduce a fallas prematuras impidiendo la reversibilidad del proceso y, por tanto, dejando
inservible la batería.

Este tipo de tecnología es una buena y habitual opción de almacenamiento como apoyo a la regulación y a la calidad de la energía eléctrica, como sistema de alimentación ininterrumpida, SAIs, y en algunas aplicaciones de reserva rodante. Un ejemplo de aplicación de BESS de plomo ácido es la instalación de Metlakatla, Alaska) compuesta por baterías plomo ácido de válvula regulada, que opera desde 1997 como control de frecuencia, y ayuda a mejorar la calidad de la energía de la red con una potencia máxima de 1 MW y 1,4 MWh de energía. La instalación más grande del mundo de este tipo está situada en California, EE.UU, que con una capacidad de 40 MWh es capaz de funcionar durante 4 horas a una potencia de 10 MW.

Las baterías de sulfuro de sodio, NaS, son una tecnología con relativa madurez –las primeras investigaciones datan de los años 60– que en la actualidad cuenta con más de 220 instalaciones repartidas por el mundo, con una potencia total de 316 MW y una capacidad de casi 2000 MWh.  La batería NaS está formada por dos electrodos líquidos, el electrodo positivo de azufre, S, y el negativo de sodio, Na, separados por un electrolito sólido cerámico de beta-alúmina, β-Al2O3.

El electrolito de beta-alúmina sólo permite el flujo de iones de sodio a través de ella, para que el sodio pueda combinarse con el azufre y formar polisulfuros de sodio, Na2Sx. Este flujo es el que corresponde a la descarga de la batería, mientras que durante la carga se produce el proceso inverso y el polisulfuro de sodio se descompone en iones sodio y azufre. Ambas reacciones se realizan a elevadas temperaturas, 300-350 ºC, para que pueda producirse la reacción electroquímica y así conseguir producir una diferencia de potencial aproximada de 2 V. Una alta densidad de energía, 151 kWh/m3 (aproximadamente 3 veces mayor a las baterías de plomo-ácido) y un rendimiento muy alto del 85% que junto con una muy alta durabilidad son sus principales ventajas. Otras características importantes de las baterías NaS es que presentan un ciclo de vida aproximado de 2500 ciclos, su mantenimiento es bajo, su autodescarga prácticamente nula, y el 99% de sus componentes son reciclables.

La principal desventaja es la necesidad de calentadores eléctricos, que son utilizados para llegar a la temperatura de funcionamiento inicial, y su mantenimiento durante los períodos de espera (en funcionamiento la temperatura se mantiene por efecto Joule), y que reducen el rendimiento. Las propiedades de las baterías NaS hacen que sean válidas para aplicaciones de calidad de la energía, fuentes de alimentación de emergencia y para estabilizar la energía procedente de fuentes renovables intermitentes como instalaciones eólicas o fotovoltaicas. La instalación más grande existente con tecnología de NaS se encuentra en Aomori, Japón y con una potencia y capacidad de 34 MW/245 MWh, sirve de apoyo a un parque eólico.

Las baterías de níquel-cadmio, NiCd, se llevan desarrollando desde 1950, por lo que es una tecnología altamente implantada y las convierte, junto con las baterías. Están compuestas principalmente por dos electrodos de níquel y cadmio, un separador y un electrolito alcalino, normalmente hidróxido de potasio, KOH. El electrodo positivo está formado de hidróxido de níquel, Ni(OH)2, mientras que el electrodo negativo es de hidróxido de cadmio, Cd(OH)2,
ambos se encuentran laminados en forma de espiral y aislados mediante una membrana porosa separadora.

Las baterías de níquel-cadmio son una buena alternativa a las baterías de plomo-ácido. Son más robustas, y presentan una vida útil mayor en aplicaciones estacionarias, alrededor de 2000-3500 ciclos, aunque se debe tener presente que el ciclo de vida es muy variable ya que depende directamente de la profundidad de descarga, DoD.

Entre las principales ventajas de las baterías de Ni-Cd se pueden destacar su buena densidad de potencia y su alta densidad de energía, 50-75 Wh/kg; así como una gran fiabilidad y muy bajas necesidades de mantenimiento. Además, pueden inyectar a la red eléctrica su potencia nominal durante 2 h.

Otras ventajas de las baterías Ni-Cd, respecto de las Pb-ácido, es que presentan una mayor vida útil es más robustas, y no se ven tan afectadas por variaciones de temperatura; todo ello les permite ser empleadas en múltiples aplicaciones de almacenamiento de alta potencia.

El principal inconveniente de las baterías de Ni-Cd es su relativamente elevado coste, en torno a los 800 €/kWh, el cual es debido a su caro proceso de fabricación y a la necesidad de reciclaje, lo que ha provocado un reducido éxito en el mercado. La obligación de reciclaje de al menos el 75% de sus componentes, impuesta por la Unión Europea desde 2003, es motivada por la presencia de metales pesados en estas baterías, níquel y cadmio, y que son altamente tóxicos para el ser humano y el medioambiente.

Un ejemplo de almacenamiento por baterías Ni-Cd, para cubrir cortos tiempos por falta de suministro eléctrico de los generadores, es la planta instalada en la ciudad de Fairbanks, Alaska, la cual es capaz de proporcionar 27 MW de potencia nominal durante 15 minutos] y 40 MW durante 7 minutos. Esta instalación es considerada una “isla eléctrica”, siendo la de mayor potencia con baterías Ni-Cd del mundo.

Las primeras baterías de litio datan de la década de los 60, pero se basaban en litio metálico y no eran recargables. A partir de los años 80, con la incorporación del ánodo de grafito por Bell Labs, comienza el desarrollo de las baterías de ión litio, pero no fue hasta el año 1990 cuando las primeras baterías de ión litio, producidas por Sony, pudieron ser comercializadas. Desde entonces, el campo de la investigación ha hecho posible su desarrollo y evolución logrando grandes mejoras.

Las baterías de ión litio están constituidas por dos electrodos, en los cuales el ánodo está formado por capas de carbono grafítico y el cátodo es un óxido metálico como el LiCoO2 o el LiMnO2. Los electrodos se encuentran sumergidos en un electrolito formado, generalmente, por una sustancia orgánica líquida, habitualmente carbonatos orgánicos, en la que se encuentran disueltas diversas sales de litio como el LiClO4 o el LiPF6. Al mismo tiempo, estos electrodos se encuentran aislados y separados por una membrana porosa de polipropileno o
polietileno que permite la circulación de los iones de litio. Durante los períodos de carga, los iones de litio, Li+, fluyen por el electrolito desde el electrodo positivo de LiCoO2 al electrodo negativo de carbono grafítico; mientras que durante los ciclos de descarga de la batería se realiza idéntico proceso de manera inversa.

Las baterías de Li-ion se caracterizan por su alta densidad de energía, 170-300 kWh/m3, elevada energía específica, 75-200 Wh/kg y muy alta vida útil con hasta 10.000 ciclos. Su capacidad de carga y descarga es muy rápida, consiguiendo alcanzar el 90% de la potencia nominal en aproximadamente 200 ms. Estas propiedades hacen de ellas una óptima tecnología para ser aplicadas en instalaciones donde el peso y el tiempo de respuesta sean cruciales.

Las principales desventajas de las baterías de ión de litio son que su ciclo de vida depende directamente de la profundidad de descarga, lo que implica que no sean el tipo de batería más adecuada en aplicaciones donde sea necesaria su descarga total. Por otro lado, y debido a su alta fragilidad, se requiere de una gestión y control continuos tanto de la tensión como de la temperatura de funcionamiento, así como de sus circuitos de protección. También existen dudas en cuanto a la seguridad y sobre el medio ambiente, debidas al uso de electrolitos orgánicos inflamables en su constitución. Con todo ello, la principal desventaja sigue siendo su alto coste, que, a pesar de los intensos trabajos de investigación existentes para disminuir los costes de fabricación, éste sigue siendo superior a los 500 €/kWh, en su mayoría derivados del precio del embalaje y de las protecciones frente a sobrecarga de sus circuitos internos.

Existe un amplio campo de aplicaciones para las baterías Li-ion, desde pequeñas aplicaciones de baja potencia para dispositivos móviles hasta dispositivos de media potencia, como son los vehículos eléctricos, e incluso para instalaciones de alta potencia como almacenamiento de energía estacionaria.
En este sentido, actualmente existe un enorme interés en el desarrollo y mejora de las baterías de ión litio y multitud de compañías dedican tiempo y grandes recursos en su investigación, con el fin de desarrollar materiales innovadores que mejoren sus prestaciones.

La empresa Saft es un claro ejemplo de los avances en baterías de última generación y pretende instalar, durante 2015, un almacenamiento de energía BESS con baterías de ión-litio en la isla de Kauai, en el archipiélago de Hawai, EE. UU. El sistema constará de 8 contenedores, cada uno de los cuales contiene 4.060 pilas envasadas en 290 módulos. Las ocho unidades juntas proporcionarán 6 MW y 4,6 MWh. Con esta instalación se conseguirá energía para estabilizar la red eléctrica, regular el voltaje de la red de distribución, servir como reserva, proporcionar apoyo de frecuencia durante la pérdida de generación y mitigar las fluctuaciones intermitentes que se pueden producir con fuentes de energía renovables.