La clave de la energía renovable

Sistemas de almacenamiento de energía: clave para usar energía renovable

Bill Schweber de Mouser Electronics. Editado por Jon Gabay

Fuente de la imagen: malp/Stock.Adobe.com

La demanda de energía renovable nunca había sido tan fuerte, especialmente dado el cambio climático y las tensiones geopolíticas. La presión para eliminar los combustibles fósiles ha tenido una aceptación relativamente generalizada.

Un indicador es una inversión global en energías renovables. Cuando el precio de los combustibles fósiles aumenta, las inversiones en energías renovables se elevan. Una vez que el precio del combustible fósil desciende, la energía renovable se vuelve menos rentable, y la inversión decrece. Para cumplir con los objetivos climáticos y de sostenibilidad, se necesitan mejores tecnologías de energía renovable, y es necesario convertir en una realidad la implementación acelerada de las energías renovables.

Las energías renovables clave no son siempre confiables. El viento y el sol son intermitentes, lo que significa que sistemas de mayor tamaño necesitan que la energía se dirija a paneles de almacenamiento de energía. Es necesario el establecimiento de sistemas de almacenamiento de energía (ESS) local y distribuida. En la actualidad, los bancos de baterías usan baterías de litio, que presentan sus propios problemas ambientales. Afortunadamente, se vislumbran en el horizonte soluciones de baterías de costo más bajo, más limpias y de mayor densidad energética. Pero, por ahora, se necesita desarrollar infraestructura que pueda administrar generación descentralizada, transmisión, almacenamiento y suministro a los clientes.

Las opciones de ESS abarcan una amplia gama

Como se ha señalado, la disponibilidad de una fuente de energía renovable básica solo es parte de un problema energético mucho más grande. Un sistema completo necesita una fuente de energía, almacenamiento y líneas de transmisión (Imagen 1). Cuando se construye un sistema práctico y completo basado en energía renovable, una preocupación importante es cómo implementar ese almacenamiento temporal de energía.

Imagen 1: Un ESS completamente conectado a la red requiere mucho más que solo el subsistema de almacenamiento de energía; también necesita una fuente de energía y líneas de transmisión. (Fuente: Saft/Total Energies)

La necesidad de almacenamiento de energía se aplica a instalaciones móviles y fijas, y las opciones prácticas varían en función del tamaño y la configuración del sistema. A medida que la aplicación final crece o que ya no se requiere que sea móvil, la lista preliminar de posibilidades se amplía (Imagen 2).

Imagen 2: Aunque existen muchas opciones aparentes para el almacenamiento de energía, su viabilidad varía en función de la localización y la capacidad. (Fuente: Mouser Electronics)

Se están analizando diversas ideas de almacenamiento de energía (Imagen 3), entre ellas, el bombeo de agua a una gran altura para posteriormente dejarlo fluir en un generador hidroeléctrico. Con el mismo enfoque, se puede usar un motor eléctrico para levantar un peso grande y extraer energía cuando se necesite permitiendo que descienda. Esta técnica puede generar grandes cantidades de potencia por periodos breves. Otro método es usar un volante para almacenar momento angular. Su implementación y mantenimiento son costosos, y tienen pérdidas de eficiencia, tanto en el suministro de energía para almacenamiento como en la obtención de energía para su uso.

 
Imagen 3: Los esquemas de almacenamiento de energía presentan una amplia gama de capacidades de potencia y energía. (Fuente: Elsevier/Science Direct)

También se han examinado técnicas termoeléctricas, como la tecnología de sales fundidas, en la que las sales se calientan al grado en que se funden. La energía térmica (calor) puede también extraerse y utilizarse para generar electricidad. Esta puede ser una forma viable de almacenar energía térmica para calentamiento de agua. Pero calentar las sales a una temperatura suficientemente alta y con suficiente calor acumulado para impulsar una turbina de vapor durante un tiempo prolongado no es una tarea sencilla.

El almacenamiento de aire comprimido es otra posibilidad. Los tanques fuertes y los compresores almacenan aire a presiones muy altas. El aire en movimiento se encauza y se convierte en electricidad, lo que crea un generador limpio. Implementar esto a gran escala podría ser costoso, y nuevamente, los sistemas mecánicos tienen pérdidas y mantenimiento.

El uso de energías renovables intermitentes, como el viento y el sol, para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno podría ofrecer una buena alternativa si puede hacerse de forma más eficiente que la hidrólisis estándar. Materiales de revestimiento experimentales han mostrado ser promisorios para eliminar la necesidad del costoso platino utilizado en los métodos actuales. Y ha habido incluso reactores biológicos que hidrolizan el agua. El beneficio de la separación de hidrógeno es que puede usarse como combustible para automóviles y puede crear energía directamente usando celdas de combustible.

El sistema electricidad a electricidad es una opción muy atractiva

El almacenamiento eléctrico es más atractivo, puesto que es potencialmente el más eficiente. Las fuentes de alimentación conmutadas son altamente eficientes; de esta forma, la energía proviene en forma de electricidad, los mejores métodos son las baterías y el almacenamiento en supercapacitores con técnicas de suministro de alta potencia.

Afortunadamente, la industria de la electrónica ha desarrollado nuevas tecnologías de potencia, como diodos de banda ancha de onsemi, MOSFET y conductores. Estos dispositivos usan la tecnología de carburo de silicio (SiC) exclusiva de la empresa, que puede resistir mucha más presión sin fallar.

La tecnología de banda ancha permite a los diodos de alta potencia soportar tensión inversa de pico repetitivo (VRRM) de 1700 V con solo una corriente inversa de 80 nA. La configuración Schottky tiene solo una caída de tensión directa de 1.5 V a 25 A. Otros miembros de la familia pueden conducir hasta 100 A con baja pérdida y calor, y hasta picos de corriente de 882 A. Estas especificaciones son necesarias para conectar paneles de alto voltaje y alta tensión en un cargador de batería local de gran tamaño o un inversor conectado a la red de alta potencia.

Además, la tecnología SIC da lugar a altas velocidades de conmutación y también se usa para crear MOSFET de baja pérdida con una capacidad de carga de corriente de hasta 46 A. La resistente capacidad de voltaje inverso de 900 V ayuda a soportar picos y ruido de conmutación, y esta tecnología reduce la interferencia electromagnética (EMI) a la vez que suministra la mayor densidad energética y el tamaño más compacto.

Por ejemplo, el MOSFET de EliteSIC NTHL060N090SC1 tiene una resistencia de drenaje-fuente de solo 84 miliohmios a 46 A y puede disipar hasta 221 W. Como elemento de conmutación, puede soportar hasta 900 voltios inversos. Un controlador de puerta complementario como el NCP51705MNTXG facilita la interfaz con los MOSFET de EliteSiC y aprovecha los tiempos rápidos de auge y declive de la tecnología. Este controlador puede generar hasta un control de puerta de 6 A con rápidos retardos de encendido y apagado de 50 ns. El pequeño QFN24 puede disipar 2.9 W y consume solo 12 mA.

Lo que hace a esta tecnología tan interesante de inmediato es la capacidad de los módulos de potencia, como los módulos IGBT NXH100B120H3Q0STG, que pueden manejar hasta 80 kW y 100 A (Imagen 4). Estos módulos tienen diodos de derivación integrados, diodos elevadores y protectores, y amortiguadores IGBT (Imagen 5).

Imagen 4: Los módulos de potencia de doble elevación NXH100B120H3Q0 de onsemi simplifican el diseño, la implementación y el mantenimiento de sistemas de alta potencia, energía renovable, alta potencia y corriente elevada. (Fuente: Mouser Electronics)

Imagen 5: Los módulos de potencia SIC de onsemi son ideales para inversores solares, fuentes de alimentación ininterrumpidas y sistemas de medición y almacenamiento de energía, y están disponibles ahora y listos para usar. (Fuente: onsemi)

Las baterías toman la delantera

Las baterías recargables ofrecen muchos factores favorables. Requieren muy poca preparación del lugar y no tienen piezas móviles, una vez instaladas y en funcionamiento, prácticamente no necesitan mantenimiento. Aun cuando las celdas clásicas de ácido-plomo son en un 90 % completamente recicladas, las químicas de litio frecuentemente son la opción elegida. Las químicas de litio ofrecen una mayor densidad energética por peso. Como cualquier tecnología de baterías, las baterías de litio pueden aumentarse conforme a las necesidades, en series para voltajes mayores o en paralelo para corrientes más altas. Si se diseñan correctamente, las celdas individuales pueden reemplazarse sin interrumpir el resto de la instalación.

Las baterías requieren muy poca preparación del sitio y no tienen piezas móviles. Una vez instaladas y en operación, prácticamente no necesitan mantenimiento. Una razón clave por la que las unidades de batería de litio se están adoptando para el consumo de energía de servicios públicos es la popularidad cada vez mayor de los vehículos eléctricos (EV). A medida que la demanda de baterías de litio crece (para EV y para dispositivos de consumo), el aumento de la minería de alto volumen, la fabricación, el ensamblado y el uso de fuentes de alimentación de alta densidad energética reduce las barreras del proceso de producción.

Nuevamente, la industria de la electrónica ha enfrentado estos retos con chips pequeños y económicos para gestión de baterías que cargan y miden la energía de forma segura. Estos dispositivos también pueden proteger el resto de la instalación de la batería en caso de fallas en celdas individuales.

Otra opción es crear un sistema fijo con baterías usadas de bajo costo que han sido recuperadas de vehículos viejos o destrozados, que pueden ofrecer una enorme capacidad. Generalmente, se considera que las baterías están "agotadas" y que ya no son aptas para uso en sus aplicaciones originales cuando su capacidad de almacenamiento se reduce al 80 % del valor original. Aún queda una importante capacidad para instalaciones fijas en donde se pueden reusar y reciclar las celdas usadas (Imagen 6).

Imagen 6: El crecimiento de los vehículos eléctricos está también obteniendo potencia a través de las baterías "reutilizables" de estos vehículos. (Fuente: Circular Energy Storage Research and Consulting)

Al combinar los vehículos y las redes de servicios públicos, existe el potencial de vincular un vehículo eléctrico a la red durante apagones. Con el equipo electrónico y la infraestructura distribuida apropiados, los vehículos pueden ahora sustituir a las subestaciones por periodos cortos.

¿En la red o no?

Como se mencionó, un ESS basado en baterías puede ser autónomo solo para uso local o puede estar conectado a la red. Las topologías que se usan actualmente permiten insertos y caídas de energía en un entorno descentralizado.

Un algoritmo sofisticado del ESS puede equilibrar la distribución del flujo de energía para lograr una combinación de la mayor disponibilidad y el menor costo operativo. Es decir, cuando la fuente está disponible y los costos de energía son los más bajos, el sistema usa la red para cargar las baterías. A su vez, cuando los costos de la red son altos o cuando las fuentes renovables no están disponibles o son insuficientes, el sistema usa las baterías.

Diseños más avanzados de ESS permiten beneficios adicionales y reducción general de costos regresando la energía a la red cuando las baterías están cargadas y ya no se necesita de la red, ya que la fuente renovable puede suministrar la energía requerida. Usan un ESS con unidad de energía bidireccional, que dirige de forma transparente el flujo de energía desde donde está disponible hasta donde se necesita o puede ser almacenada.

Si la energía está disponible de fuentes distribuidas, los establecimientos y hogares pueden recibir energía como si existiera un sistema de alimentación ininterrumpida (UPS). El usuario final nunca experimentará una interrupción (a menos que ocurra un daño físico en la red). Podrían presentarse interrupciones menores, pero pueden usarse los sistemas UPS locales para mantener el funcionamiento de dispositivos críticos, como equipos médicos, hasta que la instalación recupere la energía de la red.

La estandarización de las tecnologías de elementos constituyentes ha avanzado ahora en desempeño y los costos han bajado a un nivel que permite que estos sistemas en línea ahora estén disponibles para uso residencial, como el sistema PWRcell de Generac (Imagen 7).

Imagen 7: Nuevos sistemas residenciales, como el Generac PWRcell, integran a la perfección la red eléctrica, la energía de células solares y el almacenamiento basado en baterías; y también pueden incorporar un generador opcional (no se muestra). (Fuente: Generac Power Systems, Inc.)

Conclusión

Los sistemas de almacenamiento de energía son un elemento esencial del mecanismo de distribución y suministro de energía que depende de forma parcial o completa de una fuente intermitente o impredecible. Los usuarios tienen muchas opciones para suministrar ese almacenamiento, cada una con ventajas y desventajas en cuanto al desempeño crítico eléctrico, mecánico y físico, así como en los parámetros de instalación. El almacenamiento de energía en baterías se recomienda debido a su disponibilidad, modularidad, escalabilidad, densidad energética, manejo y operación libre de ruido.