Tipos de sistemas de almacenamiento de energía: de los embalses a las baterías del futuro

Al sur de la isla de Gran Canaria llueve poco. Bajo la protección del Pico de las Nieves, el municipio de San Bartolomé de Tirajana, se extiende entre cientos de barrancos secos. Allí, rodeados de playas y salinas, se encuentran el pasado y el futuro energético de las Canarias. La central térmica del Barranco de Tirajana, una de las 20 más contaminantes de España, y dos proyectos pioneros: una gran planta fotovoltaica con almacenamiento en baterías y un sistema de captura de dióxido de carbono (CO2) con microalgas.

La central de energía solar, que será construida por Enel Green Power España, la filial de energía renovable de Endesa, y estará operativa en 2026, tendrá una potencia instalada de 9,3 megavatios (MW) y será capaz de producir la energía que consumen, de media, 3.000 hogares. Además, también podrá suministrar electricidad por la noche o en los pocos días en los que el sol no brille sobre el Barranco de Tirajana. Esto es posible gracias a que contará con una capacidad de almacenamiento en baterías de 10,37 megavatios hora (MWh).

“La producción de energía con fuentes renovables es intermitente, lo que hace que no se pueda ajustar la producción a la demanda horaria de energía”, explica Javier Sánchez Prieto, director del Máster Universitario en Energías Renovables de la Universidad Internacional de La Rioja (UNIR). “Pero si las instalaciones cuentan con sistemas de almacenamiento, se podrá absorber el excedente de energía que se esté produciendo en periodos de baja demanda para usarlo en los periodos de alta demanda. Si no se consigue esta capacidad de producción continua de las instalaciones renovables, no se van a poder sustituir las centrales térmicas o nucleares”.

Diferentes sistemas de acumulación de energía

Los sistemas de almacenamiento a gran escala, integrados en la red eléctrica,  deben jugar un papel decisivo en la transición hacia una economía descarbonizada y un sistema energético que evite las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI). De acuerdo con la Agencia Internacional de la Energía (AIE), en la actualidad la capacidad de almacenamiento de energía a nivel mundial es de 188 gigavatios (GW). La mayoría está en centrales hidroeléctricas reversibles (160 GW) y grandes plantas de baterías (28 GW). Pero esta no es la única forma de guardar electricidad. Estos son los tipos de almacenamiento que existen:

1. Almacenamiento mecánico de energía

El almacenamiento mecánico de energía es el sistema más antiguo que existe. Su funcionamiento es sencillo: cuando se produce más energía de la que hace falta, esta se aplica en un sistema en el que se acumulan energía cinética y/o potencial. Cuando es necesario porque la demanda es alta, esta se libera. La tecnología más habitual es la de las centrales hidroeléctricas reversibles, compuestas de dos embalses de agua situados a diferentes alturas. En momentos de baja demanda y elevada producción, la energía sobrante se usa para bombear agua hasta el embalse que está más alto. Cuando la demanda aumenta, el agua de este último se libera –de manera que baja al embalse situado más abajo sin que el agua se pierda –, generando energía.

Las también llamadas centrales de bombeo son, hoy por hoy, el sistema de almacenamiento a gran escala más habitual en el mundo. De acuerdo con la AIE, la capacidad instalada total de almacenamiento en centrales reversibles alcanzó los 160 GW en 2021, el 90 % del almacenamiento total de electricidad a nivel global. "El bombeo hidráulico permite un volumen de almacenamiento muy grande y emplea una tecnología muy eficiente en la que la conversión de energía del agua a electricidad es del orden del 80-90 %", señala Sánchez Prieto. “Su gran contra es que necesita una infraestructura de gran envergadura y coste elevado y no se puede construir en cualquier lugar”.

Además de las centrales reversibles, existen sistemas de almacenamiento mecánico por aire comprimido, las baterías inerciales y las tecnologías de almacenamiento por gravedad, una de las que más miradas han atraído en los últimos años. Este sistema es similar al bombeo hidráulico, pero en lugar almacenar energía elevando agua, eleva un bloque de gran tamaño que deja caer cuando se necesita liberar la energía. No está tan limitada a nivel geográfico como las centrales reversibles, pero también necesita de grandes infraestructuras.

2. Almacenamiento térmico de energía

El almacenamiento de energía térmica, ya sea en forma de frío o de calor, está poco desarrollado a gran escala pero es uno de los más prometedores. Según la Agencia Internacional de las Energías Renovables, el mercado global de sistemas de almacenamiento térmico podría triplicarse en los próximos años, alcanzando los 800 GWh de capacidad de generación para 2030 y atrayendo entre 13.000 y 28.000 millones de dólares de inversión. Estos sistemas pueden almacenar energía térmica de tres maneras diferentes:

• Calor sensible. Están basados en la variación de la energía interna de un material cuando cambia su temperatura. A grandes rasgos, acumulan la electricidad en forma de calor en materiales de alta densidad energética, como las sales fundidas. Un ejemplo son las centrales termosolares, también llamadas centrales de concentración solar.
• Calor latente. En este caso, la energía se transforma en calor o frío para provocar un cambio de estado en el material, de líquido a sólido (congelando agua, por ejemplo) o de líquido a gas. Este sistema es ampliamente utilizado para almacenar frío en forma de hielo, pero sus usos como almacenamiento energético no están muy desarrollados.
• Sistemas termoquímicos. Estos sistemas se encuentran todavía en una fase muy temprana de desarrollo. En las tecnologías de almacenamiento termoquímico entran en juego las reacciones químicas reversibles, capaces de generar o liberar calor en función del proceso que se aplique.

3. Almacenamiento químico de energía

Los sistemas de almacenamiento químico buscan guardar la energía en forma de enlaces químicos. Lo habitual es usar el excedente de energía para fabricar compuestos que luego se utilizan  cuando existe demanda. Estos compuestos, que funcionan como vectores energéticos, van desde los combustibles alternativos y los sintéticos hasta el amoniaco o el hidrógeno. En los últimos años, muchas miradas han estado puestas en el hidrógeno verde, hidrógeno generado con los excedentes de la producción de energía renovable.

El hidrógeno es un gas muy utilizado a nivel industrial: de acuerdo con la AIE, en 2022 se usaron 95 millones de toneladas en todo el mundo, pero solo un 1% fue producido mediante energías renovables. La agencia señala que, por ahora, muchos países tienen planes para potenciar la producción de hidrógeno verde, pero el futuro sigue siendo incierto, sobre todo, como alternativa de almacenamiento para producción eléctrica a gran escala.

4. Almacenamiento electroquímico de energía

Cuando pensamos en almacenar energía, lo primero que se viene a la cabeza es una pila o una batería como las que tenemos en el ‘smartphone’. A gran escala, los Sistemas de Almacenamiento de Energía en Baterías (BESS, por sus siglas en inglés), como el que se está construyendo en el Barranco de Tirajana, son una de las alternativas más prometedoras en la transición energética. Según la AIE, entre 2021 y 2022 la capacidad total de almacenamiento en baterías aumentó un 75 %, de 11 a 28 GW.  Y será necesario incrementarla hasta los 970 GW en 2030 en línea con los objetivos de descarbonización.

Tipos de baterías electroquímicas

Las diferentes tecnologías de baterías utilizan sistemas de almacenamiento electroquímico. Cuando se les aplica electricidad, se produce una reacción química que acumula energía. Cuando es necesario, el mismo dispositivo desencadena una reacción que libera electricidad. Hoy por hoy, existen multitud de tecnologías en uso y en desarrollo:

• Baterías de ion de litio. También conocidas como baterías Li-Ion, contienen dos electrodos: uno con carga positiva y hecho de litio y otro con carga negativa y hecho, generalmente, de grafito. Cuando los electrones fluyen del primero (el ánodo) al segundo (el cátodo) se produce electricidad y la batería se descarga. En el proceso de carga, el flujo de electrones viaja en sentido opuesto.
• Baterías de ion de sodio. Su funcionamiento es casi idéntico al de las baterías de ion de litio, pero sustituyendo este material por sodio. Su gran ventaja es que el sodio es abundante en la naturaleza, pero presentan por ahora una densidad energética demasiado baja como para integrarse en los Sistemas de Almacenamiento de Energía en Baterías.
• Baterías de ion de magnesio. Este tipo de baterías se está investigando como sustituto para las de ion de litio, ya que tienen mayor densidad energética y son más estables. Sin embargo, los electrodos de magnesio son, por ahora, difíciles de producir.
• Baterías redox de vanadio. Emplean iones de vanadio en diferentes estados de oxidación para almacenar la energía química. Aunque existen desde hace tiempo, su desarrollo ha sido bastante limitado. Sin embargo, en la actualidad hay varios proyectos en marcha para integrar estas tecnologías en los sistemas BESS.
• Baterías de yoduro de zinc. Desarrolladas en 2015, son una de las tecnologías más recientes y prometedoras, dado su elevado potencial para almacenamiento de energía a gran escala.
• Baterías de flujo orgánico acuoso. También de desarrollo reciente, este tipo de baterías utilizan moléculas orgánicas muy estables para producir la reacción electroquímica. Aunque no se usan todavía a gran escala, sus grandes ventajas son sus bajos costes y la sostenibilidad de sus materiales.

“La gran ventaja de las baterías eléctricas es que son modulares y transportables”, explica el experto de la UNIR. “Sin embargo, requieren de materiales de construcción específicos que pueden llegar a ser difíciles de encontrar, el escalado a grandes tamaños es difícil todavía y la eficiencia aún tiene que mejorar”.

¿Cuál es el sistema de almacenamiento de energía más eficiente?

Hoy por hoy, el sistema de almacenamiento de energía en baterías más eficiente es el basado en baterías de ion de litio. Son las más usadas en los grandes BESS como el Vistra Moss Landing Energy Storage Facility de California (Estados Unidos) que tiene una capacidad de almacenamiento de 400 MW y alcanzará los 750 MW una vez se haya completado el proyecto de expansión que está actualmente en desarrollo.

Sin embargo, atendiendo a los números, las centrales hidroeléctricas reversibles siguen siendo la opción más utilizada. “La tecnología de almacenamiento más eficiente, más madura y con más desarrollo a día de hoy es el bombeo hidráulico”, concluye Javier Sánchez Prieto. “De hecho esta es, de lejos, la tecnología de almacenamiento con más capacidad instalada a nivel mundial”.