Sistemas de almacenamento de enerxía e a súa aplicación óptima en redes de distribución eléctrica

Os sistemas de almacenamento de enerxía en baterías, BES (Batteries Energy Storage), utilizan dispositivos onde se almacena enerxía en forma electroquímica para posteriormente xerar e fornecer enerxía.

As baterías, tamén denominadas en ocasións acumuladores ou pilas, están formadas, xeralmente, por dous eléctrodos, ánodo e cátodo (onde se producen as reaccións de oxidación e redución respectivamente) e un electrolito que é o medio por onde circulan os ións.

Existen unha ampla variedade de tecnoloxías de baterías para o almacenamento de enerxía: acedo-chumbo, sodio-axofre, níquel-ferro, níquel-cadmio, zinc-aire, aire-ferro, litio-polímero etc. Debido a esta diversidade, moitas das súas características poden variar considerablemente, pero en xeral presentan como vantaxes densidades de enerxía alta ou moi alta e requiren de moi pouco ou nulo mantemento. Do mesmo xeito, teñen como principais desvantaxes comúns a xestión e tratamento dos seus compoñentes, reactivos e/o produtos, os cales adoitan ser tóxicos, e o seu reducido ciclo de vida.

A batería de chumbo-acedo é o dispositivo de acumulación electroquímica que se usa con máis frecuencia no mercado en termos de enerxía. É unha tecnoloxía moi implantada e a máis madura de todos os sistemas de almacenamento por baterías, o seu descubrimento data de 1859.

A batería de chumbo acedo está formada por un eléctrodo de chumbo, Pb (ánodo) e un eléctrodo de dióxido de chumbo, PbO2 (cátodo), os cales se atopan separados por unha membrana illante e mergullados nun electrolito de disolución diluída de ácido sulfúrico, H2SO4.

Durante o ciclo de descarga, ambos eléctrodos transfórmanse en sulfato de chumbo (II), PbSO4, e regresan ao seu estado inicial durante o ciclo de carga. Existen dous tipos principais de baterías de chumbo acedo: as baterías húmidas ou asolagadas, que é o topoloxía máis común empregada, e as baterías seladas ou de válvula regulada, que actualmente se atopan en pleno desenvolvemento e investigación.

A característica principal nas baterías húmidas é que o electrolito atópase en estado líquido e prodúcese evaporación de auga, o que implica a necesidade de mantemento para repoñela, mentres que as baterías seladas caracterízanse por dispoñer dunha válvula que controla a liberación dos gases producidos, reducindo o mantemento. Estas últimas poden estar formadas de electrolito gelificado ou absorbido; de feito, outro tipo de clasificación posible é en función do estado do electrolito na batería: electrolito líquido, electrolito gelificado e electrolito absorbido. Nas baterías de electrolito absorbido o electrolito atópase en estado líquido, pero absorbido nun separador microporoso que illa os eléctrodos e que está composto por fibra de vidro. Este método reduce o volume de electrolito, xa que só se emprega o mínimo necesario para que se produza a reacción. As vantaxes deste tipo son o seu nulo ou case nulo mantemento, reducido espazo de ocupación e unha liberación de gases moi reducida. Os maiores inconvenientes é que son sensibles a variacións da temperatura ambiente e que só se logra o maior rendemento cando a carga realízase antes de que se alcance o 50% de descarga da batería.

As de electrolito xelificado conteñen un aditivo de sílice que actúa como desecante e consegue que o electrolito permaneza en estado sólido, en forma de xel. O uso deste tipo é óptimo cando se prevén elevadas profundidades de descarga e contornas con altas temperaturas, o que permite alongar a súa duración, pero son extremadamente sensibles ás sobrecargas que poden danar prematuramente a batería e, por tanto, reducir a súa vida útil. En xeral todos os tipos baterías de chumbo acedo teñen un baixo custo, 250-500 €/kWh, un ciclo de vida de 1000-1800 ciclos (aínda que depende en gran medida da profundidade de descarga) e un elevado rendemento, en torno ao 80%]. En función da temperatura de funcionamento do sistema, a vida das baterías pode variar desde 5 a 15 anos. De feito, unhas altas temperaturas de funcionamento, ata 45°C, poden mellorar o rendemento da batería en termos de maior capacidade, pero de igual modo reducir moito o tempo de vida do sistema. Grazas á súa baixa autodescarga diaria, que segundo é menor ao 0,1%, as pilas de chumbo acedo son idóneas para o almacenamento de enerxía durante longos períodos de tempo.

Desgraciadamente, o seu relativo curto tempo de vida e o seu mal rendemento ante variacións de temperatura ambiente fan destas baterías as súas principais desvantaxes. Outros inconvenientes asociados son a necesidade de mantemento periódico para repoñer auga (só para o caso a batería húmida de electrolito líquido) e a súa baixas enerxía específica, 180 W/kg e potencia, 30-50 Wh/kg, debidas á alta densidade intrínseca do chumbo. Ademais, mostran dificultades na entrega cíclica de potencia debido a estados de carga parcial e as sobrecargas ou diminución da súa tensión nominal, poden xerar a creación de cristais de sulfato de chumbo –fenómeno coñecido como sulfatación– que conduce a fallas prematuras impedindo a reversibilidade do proceso e, por tanto, deixando inservible a batería.

Este tipo de tecnoloxía é unha boa e habitual opción de almacenamento como apoio á regulación e á calidade da enerxía eléctrica, como sistema de alimentación ininterrompida, SAIs, e nalgunhas aplicacións de reserva rodante. Un exemplo de aplicación de BESS de chumbo acedo é a instalación de Metlakatla, Alaska) composta por baterías chumbo acedo de válvula regulada, que opera desde 1997 como control de frecuencia, e axuda a mellorar a calidade da enerxía da rede cunha potencia máxima de 1 MW e 1,4 MWh de enerxía. A instalación máis grande do mundo deste tipo está situada en California, EE.UU, que cunha capacidade de 40 MWh é capaz de funcionar durante 4 horas a unha potencia de 10 MW.

As baterías de sulfuro de sodio, NaS, son unha tecnoloxía con relativa madurez –as primeiras investigacións datan dos anos 60– que na actualidade conta con máis de 220 instalacións repartidas polo mundo, cunha potencia total de 316 MW e unha capacidade de case 2000 MWh. A batería NaS está formada por dous eléctrodos líquidos, o eléctrodo positivo de xofre, S, e o negativo de sodio, Na, separados por un electrolito sólido cerámico de beta-alúmina, β-A o2Ou3.

O electrolito de beta-alúmina só permite o fluxo de ións de sodio a través dela, para que o sodio poida combinarse co xofre e formar polisulfuros de sodio, Na2Sx. Este fluxo é o que corresponde á descarga da batería, mentres que durante a carga prodúcese o proceso inverso e o polisulfuro de sodio descomponse en ións sodio e xofre. Ambas as reaccións realízanse a elevadas temperaturas, 300-350 ºC, para que poida producirse a reacción electroquímica e así conseguir producir unha diferenza de potencial aproximada de 2 V. Unha alta densidade de enerxía, 151 kWh/m3 (aproximadamente 3 veces maior ás baterías de chumbo-acedo) e un rendemento moi alto do 85% que xunto cunha moi alta durabilidade son as súas principais vantaxes. Outras características importantes das baterías NaS é que presentan un ciclo de vida aproximado de 2500 ciclos, o seu mantemento é baixo, o seu autodescarga practicamente nula, e o 99% dos seus compoñentes son reciclables.

A principal desvantaxe é a necesidade de quentadores eléctricos, que son utilizados para chegar á temperatura de funcionamento inicial, e o seu mantemento durante os períodos de espera (en funcionamento a temperatura mantense por efecto Joule), e que reducen o rendemento. As propiedades das baterías NaS fan que sexan válidas para aplicacións de calidade da enerxía, fontes de alimentación de emerxencia e para estabilizar a enerxía procedente de fontes renovables intermitentes como instalacións eólicas ou fotovoltaicas. A instalación máis grande existente con tecnoloxía de NaS atópase en Aomori, Xapón e cunha potencia e capacidade de 34 MW/245 MWh, serve de apoio a un parque eólico.

As baterías de níquel-cadmio, NiCd, levan desenvolvendo desde 1950, polo que é unha tecnoloxía altamente implantada. Están compostas principalmente por dous eléctrodos de níquel e cadmio, un separador e un electrolito alcalino, normalmente hidróxido de potasio, KOH. O eléctrodo positivo está formado de hidróxido de níquel, Nin(OH)2, mentres que o eléctrodo negativo é de hidróxido de cadmio, Cd(OH)2, ambos atópanse laminados en forma de espiral e illados mediante unha membrana porosa separadora.

As baterías de níquel-cadmio son unha boa alternativa ás baterías de chumbo-acedo. Son máis robustas, e presentan unha vida útil maior en aplicacións estacionarias, ao redor de 2000-3500 ciclos, aínda que se debe ter presente que o ciclo de vida é moi variable xa que depende directamente da profundidade de descarga, DoD.

Entre as principais vantaxes das baterías de Nin-Cd pódense destacar a súa boa densidade de potencia e a súa alta densidade de enerxía, 50-75 Wh/kg; así como unha gran fiabilidade e moi baixas necesidades de mantemento. Ademais, poden inxectar á rede eléctrica a súa potencia nominal durante 2 h.

Outras vantaxes das baterías Nin-Cd, respecto das Pb-acedo, é que presentan unha maior vida útil é máis robustas, e non ven tan afectadas por variacións de temperatura; todo iso permítelles ser empregadas en múltiples aplicacións de almacenamento de alta potencia.

O principal inconveniente das baterías de Nin-Cd é a súa relativamente elevado custo, ao redor dos 800 €/kWh, o cal é debido ao seu caro proceso de fabricación e á necesidade de reciclaxe, o que provocou un reducido éxito no mercado. A obrigación de reciclaxe de polo menos o 75% dos seus compoñentes, imposta pola Unión Europea desde 2003, é motivada pola presenza de metais pesados nestas baterías, níquel e cadmio, e que son altamente tóxicos para o ser humano e o medioambiente.

Un exemplo de almacenamento por baterías Nin-Cd, para cubrir curtos tempos por falta de subministración eléctrica dos xeradores, é a planta instalada na cidade de Fairbanks, Alaska, a cal é capaz de proporcionar 27 MW de potencia nominal durante 15 minutos e 40 MW durante 7 minutos. Esta instalación é considerada unha “illa eléctrica”, sendo a de maior potencia con baterías Nin-Cd do mundo.

As primeiras baterías de litio datan da década dos 60, pero baseábanse en litio metálico e non eran recargables. A partir dos anos 80, coa incorporación do ánodo de grafito por Bell Labs, comeza o desenvolvemento das baterías de ión litio, pero non foi ata o ano 1990 cando as primeiras baterías de ión litio, producidas por Sony, puideron ser comercializadas. Dende entón, o campo da investigación fixo posible o seu desenvolvemento e evolución logrando grandes melloras.

As baterías de ión litio están constituídas por dous eléctrodos, nos cales o ánodo está formado por capas de carbono grafítico e o cátodo é un óxido metálico como o LiCoO2 ou o LiMnO2. Os eléctrodos atópanse mergullados nun electrolito formado, xeralmente, por unha substancia orgánica líquida, habitualmente carbonatos orgánicos, na que se atopan disoltas diversos sales de litio como o LiClO4 ou o LiPF6. Ao mesmo tempo, estes eléctrodos atópanse illados e separados por unha membrana porosa de polipropileno ou polietileno que permite a circulación dos ións de litio. Durante os períodos de carga, os ións de litio, Li+, flúen polo electrolito desde o eléctrodo positivo de LiCoO2 ao eléctrodo negativo de carbono grafítico; mentres que durante os ciclos de descarga da batería realízase idéntico proceso de maneira inversa.

As baterías de Li-ión caracterízanse pola súa alta densidade de enerxía, 170-300 kWh/m3, elevada enerxía específica, 75-200 Wh/kg e moi alta vida útil con ata 10.000 ciclos. A súa capacidade de carga e descarga é moi rápida, conseguindo alcanzar o 90% da potencia nominal en aproximadamente 200 ms. Estas propiedades fan delas unha óptima tecnoloxía para ser aplicadas en instalacións onde o peso e o tempo de resposta sexan cruciais.

As principais desvantaxes das baterías de ión de litio son que o seu ciclo de vida depende directamente da profundidade de descarga, o que implica que non sexan o tipo de batería máis adecuada en aplicacións onde sexa necesaria a súa descarga total. Doutra banda, e debido á súa alta fraxilidade, requírese dunha xestión e control continuos tanto da tensión como da temperatura de funcionamento, así como dos seus circuítos de protección. Tamén existen dúbidas en canto á seguridade e sobre o medio ambiente, debidas ao uso de electrolitos orgánicos inflamables na súa constitución. Con todo iso, a principal desvantaxe segue sendo o seu alto custo, que, a pesar dos intensos traballos de investigación existentes para diminuír os custos de fabricación, este segue sendo superior aos 500 €/kWh, na súa maioría derivados do prezo da embalaxe e das proteccións fronte a sobrecarga dos seus circuítos internos.

Existe un amplo campo de aplicacións para as baterías Li-ión, desde pequenas aplicacións de baixa potencia para dispositivos móbiles ata dispositivos de media potencia, como son os vehículos eléctricos, e mesmo para instalacións de alta potencia como almacenamento de enerxía estacionaria. Neste sentido, actualmente existe un enorme interese no desenvolvemento e mellora das baterías de ión litio e multitude de compañías dedican tempo e grandes recursos na súa investigación, co fin de desenvolver materiais innovadores que melloren as súas prestacións.

A empresa Saft é un claro exemplo dos avances en baterías de última xeración e pretende instalar, durante 2015, un almacenamento de enerxía BESS con baterías de ión-litio na illa de Kauai, no arquipélago de Hawai, EE. UU. O sistema constará de 8 contedores, cada un dos cales contén 4.060 pilas envasadas en 290 módulos. As oito unidades xuntas proporcionarán 6 MW e 4,6 MWh. Con esta instalación conseguirase enerxía para estabilizar a rede eléctrica, regular a voltaxe da rede de distribución, servir como reserva, proporcionar apoio de frecuencia durante a perda de xeración e mitigar as fluctuaciones intermitentes que se poden producir con fontes de enerxía renovables.