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El desarrollo de la generación distribuida y el incremento de la integración de energías renovables en el sistema eléctrico, provoca grandes intermitencias y fluctuaciones referente al equilibrio entre demanda y generación. Al no ser regulable la capacidad de generación, supeditada a las condiciones climatológicas, pueden producirse desvíos instantáneos. La generación puede ser superior a la demanda y viceversa durante algunos periodos. Para ello, la forma más eficiente de operar es el almacenamiento de energía para cubrir los excesos de demanda en los periodos pico. Por tanto, los sistemas de almacenamiento de energía permiten:
- Reestructurar el mercado eléctrico.
- Mejorar la calidad de suministro.
- Permitir la generación distribuida.
- Facilitar la operación a través de la integración de energías renovables.
Sin embargo, dicha operativa entraña dos grandes dificultades. En primer lugar, la alta complejidad que conlleva el almacenamiento de la energía eléctrica y su coste, muy elevado, por la falta de tecnologías extendidas que lleven a cabo dicha operación. En esta batalla, la delantera la llevan las baterías eléctricas. Sin embargo, existen otras formas alternativas de almacenamiento de la energía que son complementarias y aplicables a cualquier tipo de sistema eléctrico. A lo largo de este tema, se describirán las tipologías de baterías, así como sus ventajas y desventajas y las formas alternativas de almacenamiento aplicables a las grandes centrales eléctricas.
Tipos de baterías
De acuerdo con la definición proporcionada por la Federación de Energía de la Comunidad de Madrid, a partir de la información publicada en la normativa estatal vigente, las baterías son sistemas recargables donde se produce un almacenamiento de energía eléctrica en forma de energía química, generándose iones cargados eléctricamente durante el periodo de carga y empleando los iones para crear un flujo de electrones durante la descarga.
La capacidad energética de las baterías puede variar, ya que viene marcada tanto por la potencia como el tiempo que transcurra al inyectar dicha potencia. Todas las baterías eléctricas se definen a partir de un conjunto de parámetros que marcan la distinción entre los distintos dispositivos y modelos. Dichos parámetros son:
- Tensión de la batería. Marca la diferencia de potencial disponible en la batería. Suele estar entre 1 y 4 V. Para lograr un mayor potencial, se agrupan en serie.
- Intensidad de la batería. Marca la carga eléctrica que puede ceder durante un periodo prolongado de tiempo. Puede ser regulable, aplicándose baterías en paralelo.
- Capacidad de carga. Marca la cantidad de energía acumulable en la batería. Indica la intensidad que puede proporcionar durante un tiempo determinado. A través de la capacidad de la carga y de la tensión, se obtiene la potencia.
- Carga eléctrica. Es una forma de representar la capacidad de la batería de proporcionar una determinada intensidad durante un tiempo.
- Resistencia. Representa la intensidad que puede ceder la batería en función de la tensión.
- Masa.
- Profundidad de descarga. Porcentaje utilizable de la energía almacenada.
- Rendimiento. Mide las pérdidas de energía entre la carga y la descarga.
- Constante de carga/descarga. Marca la intensidad nominal recomendable por parte de los fabricantes para mantener, lo máximo posible, la durabilidad de la batería.
Diferentes clase de baterías
Considerando dichas características, uno de los elementos diferenciadores que permite establecer distintos tipos es la composición del electrolito. A partir de dicha consideración, los tipos más frecuentes son:
Baterías de Plomo-ácido
De forma genérica. Se tratan de sistemas muy eficientes en la actualidad (rendimiento de conversión superior al 95%) pero una durabilidad bastante limitada. Este tipo, a su vez, se subdividen en dos bloques principales: – Húmedas (electrolito líquido). Requieren un alto nivel de mantenimiento ante la aparición de posibles fugas, así como la necesidad de controlar y supervisar la densidad de la composición electrolítica.
No obstante, presentan un amplio número de ciclos operativos respecto a una profundidad de descarga alta, en comparativa con otros sistemas
- Sellado. El electrolito es una disolución de gel. Respecto a las húmedas, el mantenimiento requerido es inferior, no se producen fugas o posibles escapes de gases inflamables, no disminuye la densidad notablemente y el coste operativo es inferior, a pesar del alto coste de inversión que conlleva.
Baterías de Níquel-Cadmio
Se caracterizan, principalmente, por el gran número de ciclos de cargas-descarga. Dicha durabilidad se traslada a una menor eficiencia, en torno al 70%, bastante inferior al resto, pero con una vida útil estimada de entre 10 y 15 años. También destaca su rápida respuesta y la capacidad de operar a altas temperaturas, haciéndola idónea en determinadas regiones de condiciones climatológicas extremas.
Dichas ventajas las hacen idóneas para dar cobertura a picos de tensión, así como en centrales solares. Sin embargo, presentan algunas desventajas, tales como pérdida de la durabilidad por la aplicación de ciclos de carga y descarga muy rápida, no funcionan correctamente en situaciones de estrés continuo, y, por último, ante inactividad de la batería la pérdida de la carga es mayor que las baterías de plomo-ácido.
Baterías de NaS
Se caracterizan por disponer de una densidad energética considerablemente alta. Adicionalmente, poseen un gran potencial para convertirse en un medio de almacenamiento energético rentable, modular y portátil, con ciclos de carga y descarga largos. Esto implica una capacidad de descarga muy rápida e intensiva. Plantean una vida útil estimada de 15 años con hasta 2500 ciclos de carga y descarga a un rendimiento cercano al 90%.
Estas características las convierten en uno de los tipos más adecuados en aplicaciones de gestión de la energía. No obstante, presentan unas temperaturas elevadas de operación, por lo que requieren climatización y aislamiento para mantener condiciones óptimas de operación.
Baterías de Ion-Litio
Tienen una densidad energética superior al resto de las mayorías baterías recargables. Opera en niveles de tensión algo mayores, lo que les permite disponer de una tasa de auto descarga muy bajas con rendimientos en cuanto al ciclo de carga y descarga cercano al 100%. La vida útil se estima en unos 6-10 años, con un total de 2000 ciclos de descarga.
Ventajas y desventajas de las baterías
De forma genérica, acorde a la información proporcionada para los distintos tipos de baterías, las ventajas y desventajas principales según el tipo son las siguientes:
- Batería Plomo-ácido:
- Ventajas:
- Bajo coste de inversión.
- Tecnología estable.
- Descarga profunda y rápida.
- Funciona correctamente bajo temperaturas extremas.
- Alta tensión en las celdas de la batería.
- Elementos reutilizables.
- Desventajas:
- Baja densidad.
- La baja potencia específica por volumen.
- Baja durabilidad.
- Mantenimiento recurrente y frecuente.
- Dificultad en el tratamiento posterior por su composición y liberación de residuos.
- Ventajas:
- Batería Níquel-Cadmio:
- Ventajas:
- Alta durabilidad y vida útil.
- Facilidad para soportar estrés eléctrico y térmico (altas temperaturas, sobretensiones, cortocircuitos, etc.).
- Bajo coste de inversión.
- Alta densidad de energía.
- Alta capacidad de descarga rápida.
- Desventajas:
- Fluctúan mucho sus características técnicas en función de la temperatura.
- Fugas en modo stand-by (presenta efecto memoria).
- Problemas medioambientales, al igual que en el caso de las de plomo-ácido.
- Ventajas:
- Baterías NaS:
- Ventajas:
- Alta durabilidad y vida útil.
- Mantiene la capacidad pese a no ser utilizada durante largos periodos.
- Alta densidad de energía.
- Desventajas:
- Baja eficiencia.
- Requiere climatización.
- Alto coste de inversión.
- Ventajas:
- Baterías Ion-Litio:
- Ventajas:
- No requieren mucho mantenimiento.
- Alta durabilidad y vida útil.
- Admite condiciones climatológicas extremas.
- Mantiene la capacidad pese a no ser utilizada durante largos periodos de tiempo.
- Carga rápida.
- Alta densidad de energía.
- Desventajas:
- Coste de inversión moderado-alto.
- Necesita un circuito propio que proteja las baterías en caso de anomalía eléctrica.
- No puede operar a altas temperaturas.
- Pérdida de capacidad con el tiempo.
- Daños irreversibles si se incumple la profundidad de descarga.
- Ventajas:
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