Cómo solucionar el problema del almacenamiento de las energías renovables

Cuando el sol brilla y el viento sopla, las centrales solares y eólicas de Alemania funcionan a pleno rendimiento. Durante nueve días de julio de 2023, las energías renovables produjeron más del 70 % de la electricidad generada en el país; hay momentos en que incluso es necesario apagar las turbinas eólicas para evitar sobrecargar la red.

Pero otros días, las nubes reducen la energía solar a un parpadeo y las turbinas eólicas languidecen. Durante casi una semana en enero de 2023, la generación de energía renovable cayó a menos del 30 % del total del país, y las plantas alimentadas con gas, petróleo y carbón se pusieron en marcha para compensar la escasez de energía.

Los alemanes llaman a estos períodos Dunkelflauten, palabra que significa “calma oscura”, y pueden durar una semana o más. Son una gran preocupación para sitios afectados por este letargo, como Alemania y partes de Estados Unidos, ya que los países impulsan cada vez más el desarrollo de la energía renovable. La energía solar y eólica combinadas contribuyen con el 40 % de la generación total de energía en Alemania y el 15 % en EE. UU. y, desde diciembre de 2024, ambos países tienen como objetivo lograr que, en 2035, el 100 % de su suministro energético provenga de energía limpia.

El reto: cómo evitar los apagones sin recurrir a combustibles fósiles, que son confiables pero que aumentan la temperatura del planeta.

Resolver el problema de la variabilidad de la energía solar y eólica requiere repensar cómo suministrar energía a nuestro mundo, pasando de una red en la que las centrales de combustibles fósiles se encienden y apagan en función de las necesidades energéticas, a una que convierta las fuentes de energía fluctuantes en un suministro de energía continuo. La solución está, por supuesto, en almacenar energía cuando es abundante para que esté disponible para su uso durante los períodos de escasez.

Pero los dispositivos de almacenamiento de electricidad, cada vez más populares en la actualidad —las baterías de iones de litio— solo son costo-eficientes para compensar las fluctuaciones diarias del sol y el viento, no para los períodos de calma oscura de varios días. Y un método que lleva décadas almacenando electricidad mediante el bombeo de agua cuesta arriba y recuperando la energía cuando fluye de vuelta hacia abajo a través de un generador de turbina normalmente solo funciona en terrenos montañosos. Cuantas más plantas solares y eólicas se instalen en el mundo para que las redes dejen de depender de los combustibles fósiles, con más urgencia se necesitará madurar las tecnologías rentables que puedan cubrir muchos lugares y almacenar energía durante al menos ocho horas y hasta semanas seguidas.

Los ingenieros en diferentes partes del planeta están ocupados desarrollando esas tecnologías —desde nuevos tipos de baterías hasta sistemas que aprovechan la presión del aire, ruedas giratorias, calor o compuestos químicos como el hidrógeno—. No está claro cuál terminará siendo la ganadora.

“La parte creativa… está sucediendo ahora”, dice Eric Hittinger, experto en políticas y mercados energéticos del Instituto de Tecnología de Rochester, quien fue coautor de un análisis publicado en 2020 en el Annual Review of Environment and Resources sobre los beneficios y los costos de los sistemas de almacenamiento de energía. “Mucho de esto se irá reduciendo a medida que los candidatos favoritos comiencen a aparecer”.

Encontrar soluciones viables de almacenamiento ayudará a determinar el curso general de la transición energética en los muchos países que se esfuerzan por reducir las emisiones de carbono en las próximas décadas, así como a determinar los costos de adoptar energías renovables —una cuestión muy debatida entre los expertos—. Algunas predicciones implican que la eliminación gradual de los combustibles fósiles de la red invariablemente ahorrará dinero, gracias a la disminución de los costos de los paneles solares y las turbinas eólicas, pero esas proyecciones no incluyen los costos de almacenamiento de energía.

Otros expertos subrayan la necesidad de hacer algo más que construir nuevos sistemas de almacenamiento, como ajustar la demanda eléctrica de la humanidad. En general, “tenemos que pensar mucho en cómo diseñamos la red del futuro”, dice la científica de materiales e ingeniera Shirley Meng, de la Universidad de Chicago.

Reinventando la batería

Los dispositivos de almacenamiento de electricidad que están creciendo más rápidamente en la actualidad —tanto para redes eléctricas como para vehículos eléctricos, teléfonos y computadoras portátiles— son las baterías de iones de litio. En los últimos años se han implementado de manera masiva en todo el mundo para ayudar a equilibrar la oferta y la demanda de electricidad y, más recientemente, para compensar las fluctuaciones diarias de la energía solar y eólica. Una de las instalaciones de almacenamiento de baterías en red más grandes del mundo, en el condado de Monterrey, en California, alcanzó su capacidad máxima en 2023 en una instalación con una planta alimentada con gas natural. Ahora puede almacenar 3.000 megavatios-hora y es capaz de proporcionar 750 megavatios —suficiente para abastecer a más de 600.000 hogares cada hora durante hasta cuatro horas—.

Las baterías de iones de litio convierten la energía eléctrica en energía química usando electricidad para alimentar reacciones químicas en la superficie de dos electrodos que contienen litio, almacenando y liberando energía. El litio se convirtió en el material de elección porque almacena mucha energía en relación con su peso. Pero las baterías tienen defectos, incluido el riesgo de incendio, la necesidad de aire acondicionado en climas cálidos y un suministro mundial finito de litio.

Meng explica que las baterías de iones de litio no son adecuadas para un almacenamiento de larga duración. A pesar de la monumental caída de precios en los últimos años, siguen siendo costosas debido a su diseño y al precio de la minería y la extracción de litio y otros metales. El costo de la batería supera los 100 dólares por kilovatio-hora —lo que significa que un contenedor de batería que suministre un megavatio (suficiente para unos 800 hogares) cada hora durante cinco horas costaría al menos 500.000 dólares—. Proporcionar electricidad durante más tiempo pronto se volvería económicamente inviable, dice Meng. “Creo que de cuatro a ocho horas es realmente un punto óptimo para equilibrar el costo y el rendimiento”, dice.

Para períodos más largos, “queremos un almacenamiento de energía que cueste una décima parte de lo que cuesta hoy —o tal vez, si pudiéramos, una centésima parte”, dice Hittinger—. “Si no puedes hacerlo extremadamente barato, entonces no tienes un producto”.

Una forma de reducir los costos es cambiar a ingredientes más baratos. Varias empresas en Estados Unidos, Europa y Asia están trabajando para comercializar baterías de iones de sodio que reemplacen el litio por sodio, que es más abundante y más barato de extraer y purificar. También se están desarrollando diferentes arquitecturas de baterías —como las baterías de “flujo redox”, en las que las reacciones químicas no tienen lugar en las superficies de los electrodos, sino en dos tanques llenos de líquido que actúan como electrodos—. Con este tipo de diseño se puede ampliar la capacidad aumentando el tamaño del tanque y la cantidad de electrolitos, lo que es mucho más barato que aumentar el costoso material de los electrodos de las baterías de iones de litio. Las baterías de flujo redox podrían suministrar electricidad durante días o semanas, dice Meng.

Mientras tanto, la empresa estadounidense Form Energy acaba de abrir una fábrica en Virginia Occidental para fabricar baterías de “hierro-aire”. Estas baterías aprovechan la energía que se libera cuando el hierro reacciona con el aire y el agua para formar hidróxido de hierro. “Recargar la batería consiste en oxidar y desoxidar el hierro”, afirma William Woodford, director técnico de Form Energy.

Como el hierro y el aire son baratos, estas baterías son económicas. El inconveniente de las baterías de hierro-aire y de flujo redox es que devuelven hasta un 60 % menos de energía de la que se les introduce, en parte porque se descargan gradualmente sin que se les aplique corriente. Meng cree que ambos tipos de baterías aún tienen que resolver estos problemas y demostrar su fiabilidad y rentabilidad. Pero la pérdida de eficiencia de las baterías de hierro-aire podría solucionarse haciéndolas más grandes. Y como las baterías de larga duración suministran energía en momentos en que la energía solar y eólica es escasa y más costosa, “hay más tolerancia para un poco de pérdida”, dice Woodford.

Ruedas giratorias y aire comprimido

Otros ingenieros están explorando métodos de almacenamiento mecánico. Uno de ellos es el volante de inercia, que emplea el mismo principio que hace que la rueda de una bicicleta siga girando una vez que se puso en movimiento. La tecnología del volante de inercia utiliza electricidad para hacer girar grandes discos de acero y sistemas de cojinetes magnéticos para reducir la fricción que provocan las desaceleraciones, explica el experto en ingeniería eléctrica Seth Sanders, de la Universidad de California, en Berkeley. “La energía se puede almacenar durante un tiempo realmente considerable”, señala.

La empresa de Sanders, Amber Kinetics, produce volantes de inercia que pueden girar durante semanas, pero que resultan más rentables si se utilizan al menos a diario. Cuando se necesita energía, un motor generador convierte la energía del movimiento en electricidad. Como los volantes pueden pasar rápidamente de cargarse a descargarse, son ideales para cubrir cambios bruscos en la disponibilidad de energía, como al atardecer o durante períodos nublados.

Cada volante puede almacenar 32 kilovatios-hora de energía, cerca de la demanda eléctrica diaria de un hogar estadounidense promedio. Eso es poco para aplicaciones de red, pero los volantes ya se están implementando en muchas comunidades, a menudo para equilibrar las fluctuaciones en la energía renovable. Una empresa de servicios públicos municipal en Massachusetts, por ejemplo, ha instalado 16 volantes junto a una planta solar; suministran energía durante más de cuatro horas, absorbiendo electricidad durante los períodos de baja demanda y descargándola durante los picos de demanda, detalla Sanders.

Otro tipo de instalación mecánica almacena electricidad utilizándola para comprimir aire y luego lo almacena en cavernas. “Cuando la red lo necesita, se libera ese aire en una turbina de aire y se genera electricidad nuevamente”, explica Jon Norman, presidente de la empresa canadiense Hydrostor, especializada en el almacenamiento de aire comprimido. “Es como una gigantesca batería de aire subterránea”.

Estos sistemas suelen requerir grutas naturales, pero Hydrostor excava cavidades en la roca dura. En comparación con las baterías o los volantes de inercia, se trata de grandes proyectos de infraestructura con largos procesos de obtención de permisos y construcción. Pero una vez superados esos obstáculos, su capacidad se puede ampliar lentamente excavando las cavernas a más profundidad, con un costo adicional bastante bajo, dice Norman.

En 2019, Hydrostor puso en marcha la primera instalación comercial de almacenamiento de aire comprimido, en Goderich, Ontario, que almacena alrededor de 10 megavatios hora —suficiente para abastecer a unas 2.100 viviendas durante más de cinco horas—. La empresa prevé crear varias instalaciones mucho más grandes en California y está construyendo una instalación de 200 megavatios en la ciudad australiana de Broken Hill que puede suministrar energía durante hasta ocho horas para cubrir la escasez de energía solar y eólica.

Almacenar energía en forma de calor y gas

Alrededor del mundo hay esfuerzos en marcha para aprovechar el exceso de electricidad renovable usándolo para calentar agua u otros materiales que almacenen calor. Esto puede proporcionar calor respetuoso con el ambiente para edificios o procesos industriales, dice Katja Esche, de la Asociación Alemana de Almacenamiento de Energía.

El calor también se puede utilizar para almacenar energía, aunque esa tecnología todavía está en desarrollo. El experto en sistemas y almacenamiento de energía Zhiwei Ma, de la Universidad de Durham, en el Reino Unido, probó recientemente un sistema de almacenamiento de energía térmica por bombeo. En este caso, el principal proceso de almacenamiento de energía ocurre cuando se usa electricidad para comprimir un gas, como el argón, a una alta presión, calentándolo; la electricidad se genera cuando se permite que el gas se expanda a través de un generador de turbina. Algunos expertos son escépticos ante estos sistemas de almacenamiento térmico, porque suministran hasta un 60 % menos de electricidad de la que almacenan —pero Ma es optimista y cree que, con más investigaciones, estos sistemas podrían ayudar a cubrir las necesidades diarias de almacenamiento—.

Para un almacenamiento de aún mayor duración —semanas—, muchos expertos apuestan por el gas hidrógeno. El hidrógeno existe de forma natural en la atmósfera, pero también se puede producir usando electricidad para dividir la molécula de agua en oxígeno e hidrógeno. El hidrógeno se almacena en tanques presurizados y, cuando reacciona con el oxígeno en una pila de combustible o una turbina, se genera electricidad.

El hidrógeno y sus derivados ya se están explorando como combustible para barcos, aviones y procesos industriales. Para el almacenamiento de larga duración, “parece plausible que esa sea la tecnología elegida”, dice el experto en energía Wolf-Peter Schill, del Instituto Alemán de Investigación Económica, que fue coautor de una revisión de 2021 sobre la economía del almacenamiento de energía en el Annual Review of Resource Economics.

La empresa energética alemana Enertrag está construyendo una instalación que utiliza hidrógeno de ambas formas. El excedente de energía de la planta solar y eólica de 700 megavatios que la empresa tiene cerca de Berlín se emplea para producir gas hidrógeno, que se vende a varias industrias. En el futuro, alrededor del 10 % de ese hidrógeno se almacenará “como medida de emergencia” para usar durante las semanas sin sol ni viento, dice el ingeniero mecánico Tobias Bischof-Niemz, que está en el consejo directivo de Enertrag.

La idea de utilizar hidrógeno para almacenar electricidad tiene muchos críticos. Al igual que ocurre con el calor, hasta dos tercios de la energía se pierden durante la reconversión en electricidad. Y almacenar grandes cantidades de hidrógeno durante semanas no es barato, aunque Enertrag prevé reducir los costos almacenándolo en cavernas naturales en lugar de los cilindros de acero presurizados habituales.

Pero Bischof-Niemz sostiene que estos gastos no importan mucho si el hidrógeno se produce a partir de energía barata que de otro modo se desperdiciaría. Y, agrega, el almacenamiento de hidrógeno se usaría solo durante los períodos de Dunkelflauten. “Como solo hay dos o tres semanas al año que son tan caras, funciona de manera económica”, opina.

Una cuestión de costos

Hay muchos otros esfuerzos para desarrollar métodos de almacenamiento de mayor duración. El costo es clave para todos, independientemente de cuánto paguen los gobiernos o las empresas de servicios públicos (estas últimas suelen trasladar esos costos a los consumidores). Todos los nuevos sistemas deberán demostrar que son significativamente más baratos que las baterías de iones de litio, afirma el experto en energía Dirk Uwe Sauer, de la Universidad RWTH de Aachen, en Alemania. Según él, ha visto muchas tecnologías estancadas en la fase de demostración porque no hay una justificación comercial para ellas.

Los desarrolladores, por su parte, sostienen que algunos sistemas se están acercando al de las baterías de iones de litio cuando se utilizan para almacenar energía durante ocho horas o más, y que los costos se reducirán sustancialmente para otros cuando se fabriquen en grandes volúmenes. Tal vez muchas tecnologías podrían, en última instancia, competir con las baterías de iones de litio, pero llegar a ese punto, dice Sauer, “es extremadamente difícil”.

El desafío para los desarrolladores es que el mercado de tecnologías de larga duración recién está comenzando a tomar forma. Muchos países, como Estados Unidos, están en las primeras etapas de su transición energética y aún dependen en gran medida de los combustibles fósiles. La mayoría de las regiones aún tienen centrales alimentadas con combustibles fósiles para cubrir períodos de letargo de varios días.

De hecho, Hittinger estima que la necesidad económica real de almacenamiento de larga duración solo surgirá cuando la energía solar y eólica representen el 80 % de la generación total de energía. Ahora, a menudo puede resultar más barato para las empresas de servicios públicos construir plantas de gas ­—combustibles fósiles, todavía— para garantizar la confiabilidad de la red.

Una manera importante de hacer que las tecnologías de almacenamiento sean más económicas es un impuesto al carbono sobre los combustibles fósiles, dice la investigadora de sistemas energéticos Anne Liu, de Aurora Energy Research. En países europeos como Suiza, las empresas de servicios públicos pagan hasta 130 dólares por tonelada métrica de carbono emitida. En tanto, los operadores de red de California han impulsado el desarrollo del almacenamiento al exigir a las empresas de servicios públicos que garanticen una cobertura energética adecuada y ayudar a cubrir el costo.

Los incentivos de mercado también pueden ayudar. En el mercado energético de Texas, donde los precios de la electricidad fluctúan mucho, los consumidores de electricidad están ahorrando cientos de millones de dólares en la construcción de baterías de iones de litio, a pesar de sus costos, porque pueden almacenar energía cuando es barata y venderla con ganancias cuando escasea. “Una vez que esos mercados de energía tengan incentivos, las baterías de mayor duración serán más viables”, dice Liu.

Pero incluso cuando existen incentivos, sigue existiendo la pregunta de quién pagará la factura del almacenamiento de energía, que no se tiene en cuenta en muchas proyecciones de costos para la transición de la red hacia un sistema que deje de utilizar combustibles fósiles. “No creo que se haya dedicado suficiente tiempo a estudiar cuánto van a costar estas vías de descarbonización”, dice Gabe Murtaugh, director de mercados y tecnología de Long Duration Energy Storage Council, una organización sin fines de lucro.

Sin intervenciones, estima Murtaugh, los clientes de California, por ejemplo, podrían acabar viendo cómo sus facturas de servicios públicos se triplican. “Pensar en cómo los gobiernos estatales y federales podrían ayudar a pagar parte de esto”, dice Murtaugh, “va a ser muy importante”.

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Ahorro de costos y recursos

Las consideraciones de costos están llevando a los expertos a pensar también en maneras de reducir la necesidad de almacenamiento. Una posibilidad para fortalecer la red es construir formas de energía renovable disponibles de manera más consistente, como las tecnologías geotérmicas que extraen energía del calor de la Tierra. Otra es conectar la red en regiones más grandes —como en todo Estados Unidos o Europa— para equilibrar las fluctuaciones locales en la energía solar y eólica. Asegurar que las tecnologías de almacenamiento duren el mayor tiempo posible puede ayudar a ahorrar costos y recursos.

También puede ser útil hacer un uso más inteligente de la electricidad que consumimos de la red, dice Seth Mullendore, presidente de Clean Energy Group, una organización sin fines de lucro con sede en Vermont. ¿Qué pasaría si, en vez de cargar los autos eléctricos al llegar a casa después del trabajo, los cargáramos al mediodía cuando el sol está brillando? ¿Y si ajustáramos la calefacción y la refrigeración de los edificios para que la mayor parte del consumo ocurra durante los períodos de viento?

La organización sin fines de lucro de Mullendore recientemente ayudó a diseñar un programa en Massachusetts en el que los clientes de electricidad podrían inscribirse para recibir un pago si se ajustaban a las indicaciones de sus compañías eléctricas de usar menos energía —por ejemplo, apagando el aire acondicionado o retrasando la carga de los autos eléctricos—. En una red inteligente del futuro, esos ajustes podrían ser más generalizados y completamente automáticos, al tiempo que permitirían a los consumidores anularlos si fuera necesario. Los gobiernos podrían fomentar programas recompensando a las compañías eléctricas por diseñar redes más eficientes, dice Mullendore. “Es mucho menos costoso que la gente no use energía que construir más infraestructura para distribuir más energía”.

Se necesitará una reflexión cuidadosa y un esfuerzo mundial por parte de ingenieros, empresas y responsables de políticas para adaptar la red global a un futuro alimentado por energía solar y eólica. Las redes del mañana pueden estar repletas de baterías de iones de litio o de iones de sodio para las necesidades energéticas de corto plazo y de variedades más nuevas para el almacenamiento a largo plazo. Puede haber muchos más volantes de inercia, mientras que las cavernas subterráneas pueden estar repletas de aire comprimido o de hidrógeno para sobrevivir al temido Dunkelflauten. Las redes pueden tener formas inteligentes e integradas de ajustar la demanda y aprovechar al máximo el exceso de energía, en lugar de desperdiciarlo.

“La red”, dice Meng, “es probablemente la máquina más complicada que se haya construido jamás”.

Artículo traducido por Daniela Hirschfeld