1. Crecimiento en el interés por el almacenamiento de la energía.

La electricidad tiene el inconveniente de que no se puede almacenar por ello la producción y la demanda deben de ser iguales. Para que no se produzcan sobrecargas o apagones el problema se ha solucionado de manera tradicional, usando tecnologías que hacen que la producción o generación de energía sea rápida y al igual que su puesta en marcha, de manera poco frecuente se suele realizar el almacenamiento por bombeo de agua. Debido a la evolución de la generación de energía estas tecnologías se han quedado desfasadas.

A partir de aquí cobra importancia la capacidad para separar la generación y demanda a través del almacenamiento energético. Se permite entonces generar electricidad solo cuando existen recursos renovables y consumirlos en el momento en que se necesiten.

Existen momentos en el día donde se produce un gran aumento en el consumo de la electricidad, al principio de la mañana y al principio de la noche. Si se pudiera almacenar la suficiente capacidad energética durante las horas en que la demanda es mínima, esta podría ser utilizada en aquellas horas del día o de la noche donde el consumo es mayor.

Ventajas de la acumulación de energía:

• Es un apoyo para los SAI (Sistemas de Alimentación Ininterrumpida) como torres de telecomunicaciones, sistemas de regadío, data centers, catenarias de ferrocarriles etc.
• Permite la unión entre el sistema energético con otros sistemas de energía, por ejemplo generación de energía térmica y sistema de energía del transporte.
• Mejora la gestión en las redes eléctricas de generación distribuida con grandes potencias.

2. Formas de acumulación de energía.

Como la energía eléctrica no es posible acumularla, se deberá almacenar transformándola en otra forma de energía. Cuando la energía eléctrica vuelva a ser demandada, el mismo sistema volverá a transformarla en electricidad. Las tecnologías que se dedican a la acumulación de energía se dividen en los siguientes grupos:

• Tecnologías mecánicas. Basadas en utilizar diferentes formas de energía mecánica:
  • Bombeo de agua: cuando hay poca demanda la central hidroeléctrica bombea agua para acumularla en el reservatorio situado en la parte superior. Se realizaran así descargas de agua de forma controlada para aprovechar la energía potencial del agua. El rendimiento de esta tecnología es del 65%.
  • Volantes de inercia: el almacenamiento se lleva a cabo conservando la energía cinética que produce un disco metálico. Al aplicar un par motor comienza a girar este disco y cuando se le aplica un par resistente se detiene convirtiendo la energía almacenada en corriente continua. La energía obtenida será mayor cuanto más velocidad e inercia se cree en ese freno. El rendimiento de esta tecnología es del 90%.
  • Aire comprimido (CAES): los grupos compresores son utilizados en momentos de baja demanda, comprimen el aire y lo introducen en una formación geológica subterránea. Se utilizará aire comprimido en momentos de gran demanda, a través de turbinas de combustión que la transformaran en electricidad. El rendimiento de esta tecnología es del 75%.
• Tecnologías electroquímicas. Basadas en transformar de manera directa, la energía que se contiene en mezclas químicas, en energía eléctrica y al contrario. Es una reacción a la reducción y oxidación en el que las mezclas químicas cambian electrones que son trasportados por un circuito a través del cual se produce la electricidad. Los electrolizadores, las baterías y las pilas de combustibles con tecnologías electroquímicas.
• Tecnologías con hidrógeno. El hidrógeno es un combustible que tiene una gran capacidad para producir y distribuir calor, localizado en dosis muy pequeñas de manera natural. Si se aporta energía eléctrica se puede producir el hidrógeno a través del hidrocarburo y  el agua. Este procedimiento se denomina electrólisis realizado en aparatos de procedimientos electroquímicos. Si se dan picos de demanda, para transformar en electricidad la energía retenida en las moléculas de hidrógeno, serán necesarios turbinas y motores de combustión o pilas de combustible que son los aparatos donde se almacena la energía. El hidrógeno se utiliza en el transporte como combustible, por ello es de gran utilidad en el sector energético. El rendimiento de esta tecnología es del 40%.
• Otras tecnologías. Hay otras tecnologías menos meditadas, que están todavía en fase de investigación y desarrollo, como los sistemas de almacenamiento de energía magnética de superconducción (SMES) o los supercondensadores, que generan grandes potencias en espacios de tiempos muy cortos.

3. Tecnologías electroquímicas.

Estas tecnología están basadas en reacciones redox (reducción-oxidación) que transforman el contenido de energía de los compuestos químicos implicados en  electricidad. Los electrones que se oxidan en una molécula deben pasar por un circuito eléctrico antes de ser reducidos por otra molécula. A través del electrolito se permite un intercambio de electrones por medio de un circuito eléctrico, separando las áreas donde concurren las dos reacciones.

La oxidación se produce en el ánodo perdiendo un electrón, y la reducción se produce en el cátodo ganando un electrón. Por tanto se oxida el hidrógeno y se ceden electrones que se mueven por la carga eléctrica llegando al otro electrodo, el oxígeno los capta, reduciéndose y mezclándose con el hidrógeno oxidado facilitando el agua.

Puede ocurrir el caso contrario a lo anterior al provocar la reducción de una especie por medio de un generador de energía que induce el movimiento de electrones en el circuito.

Las siguientes son aplicaciones tecnológicas fundadas en la electroquímica:

• Baterías de flujo. En estas baterías el electrolito recorre las celdas de la batería por medio de un bombeo realizado por depósitos de acumulación. No es un sistema cerrado ya que el electrolito se introduce y se extrae de las celdas de la batería de forma continua. Estas baterías posibilitan crear baterías personalizadas, el número de celdas nos dará la potencia nominal de la batería y el tamaño de los depósitos de acumulación nos dará la capacidad de almacenaje de energía.

Un ejemplo de tecnologías de acumulación con aplicaciones estacionarias son las batería VRB o de vanadio. Las propiedades de esta batería son perfectas para las aplicaciones estacionarias y son las siguientes:

• El diseño de la potencia autónoma y la capacidad energética se ajusta a cada una de las características del proyecto. La capacidad para la descarga en grandes periodos de tiempo se puede incrementar por el almacenaje del electrolito en tanques.
• Las pérdidas por autodescarga son mínimas, y ello porque se mantienen almacenados los electrolitos en tanques individuales.
• Gran capacidad para responder en la carga y descarga, ofrecen el doble de su potencia nominal en periodos muy pequeños de tiempo. Complementan a energías renovables y ayudan a mejorar la calidad en el suministro.

Esta batería utiliza para los electrodos  la oxidación y reducción de iones de vanadio:

• Electrodo positivo, reducción en descarga, par V4+/V5+ en formato de VO2+/VO2+.
• Electrodo negativo, oxidación en descarga, par V2+/V3+.

Los iones de vanadio se disuelven en solución ácida y se recogen los electrones creados en grafito por los electrodos. Por medio de una membrana de intercambio protónico se realiza la separación de los electrodos.

Los problemas más importantes son que se necesitan grandes espacios para aceptar todo el sistema ya que las densidades energéticas son muy bajas.

• Baterías tradicionales. Son dispositivos cerrados, donde sus componentes químico pueden ser regenerados por medio de la reacción redox inversa, durante la carga se utiliza un determinado voltaje. Las baterías que existen son:
  • Baterías de Sodio-Azufre: por sodio están formados los electrodos de estas baterías. Entre estos hay un electrolito formado por b-alúmina que lleva hasta el cátodo los iones Na+ creados en la interfaz ánodo-electrolito, cuando reacciona con el azufre se reduce y se forma Na₂S_5.

Se produce la reacción contraria al cargarlo. Se trabaja a temperaturas que están por encima de los 200ºC. Trabajando en corriente continua, el rendimiento de carga y descarga será superior al 86%.

Los acumuladores de energía eléctrica son aplicaciones de esta tecnología. Se desarrolla para gestionar la red eléctrica y para la incorporación de la energía eólica.

• Baterías de Plomo-Ácido: entre el plomo de los electrodos y el ácido sulfúrico se dan reacciones redox, actuando en la batería como un electrolito. En la carga y descarga su rendimiento se sitúa entre un 70% y 80% en corriente continua.

Es una de las tecnologías más primitivas, pero no está en desuso, utilizándola en diversas aplicaciones como métodos de alimentación ininterrumpidos, automoción y energías renovables de producción central. Estas baterías tienen el inconveniente de que son poco flexibles, porque en el momento en el que se realiza el diseño se plantean problemas a la hora de saber si son adecuadas para dar grandes potencias en tiempo reducido.

• Baterías de Ión-Litio: están formadas por un electrodo de litio y un electrodo de grafito. El electrolito está compuesto por sal de litio que es disuelta por un componente orgánico. En el momento de la carga el litio se oxida, dejando libre electrones y iones Li+ que se mueven en el circuito eléctrico y en el electrolito terminando en el electrodo de grafito, provocando una reacción en el carbono reduciéndose y formando el CLix. En corriente continua el rendimiento que se obtiene es más o menos un 90% en la carga y descarga.

Un ejemplo de estas baterías es la batería LiCoO2, utilizada en portátiles, reproductores de música y móviles.

• Baterías de Sodio-níquel- Cloro: son baterías que mejoran las baterías de sodio-azufre. Los electrodos están compuestos por níquel-cloruro de níquel y sodio-cloruro de sodio, más un electrolito que realiza una separación para conducir los iones Na+. En el tiempo que se produce la carga el cloruro de sodio se reduce a sodio fundido, a su vez se oxida el níquel convirtiéndose en cloruro de níquel. Lo contrario se produce en la descarga. La temperatura de estas baterías alcanza los 250ºC.
• Baterías de Metal-Aire: formadas por un electrodo de aire y otro metálico. El metal se oxida en la descarga y se reduce el oxígeno del aire.

Para concluir, saber que el almacenamiento de energía se necesita para responder de manera efectiva a los retos planteados por la gestión de las energías renovables y más sostenibles. Aunque su uso todavía no está generalizado, tanto su desarrollo como su investigación son prometedores.