El almacenamiento energético: Factor clave para la autosuficiencia en las islas

Introducción: el aumento del almacenamiento en baterías en sistemas energéticos

Hasta hace unos años, la mayoría de baterías para aplicaciones “portables“ eran no recargables y desempeñaban un papel muy secundario en la vida de la mayoría de la gente: coches teledirigidos, linternas de camping, balanzas de cocina… Aunque las baterías de plomo-ácido recargables existen desde mediados del siglo XIX, su baja densidad energética (o gran peso en relación a la cantidad de energía almacenada), ha limitado tradicionalmente sus campos de aplicación. Aun con ello, hasta el año 2000, las baterías de plomo-ácido dominaban el mercado de baterías, sobre todo debido a su uso generalizado como baterías de arranque de automóviles, o a su despliegue estacionario en sistemas de suministro de energía en zonas remotas (por ejemplo, para antenas de telecomunicaciones o aplicaciones off-grid). En los últimos años, las tecnologías de almacenamiento de energía electroquímica han experimentado una increíble (r)evolución técnica, que ha permitido un enorme aumento de las densidades de potencia y energía, una mayor vida útil y ciclabilidad, y la minimización de problemas de seguridad, allanando así el camino para su aplicación en nuevos campos.

Hoy en día, es habitual que la gente compruebe, antes de salir de casa cada mañana, si el teléfono móvil, la tableta o el ordenador portátil están cargados… pero pronto, muy probablemente, formará parte de la rutina diaria también el comprobar si el coche está cargado. Es evidente que las baterías han sido un motor esencial para la revolución de las tecnologías de la información (TIC) y se están convirtiendo en un elemento clave para el cambio de paradigma en el sector del transporte, que se mueve hacia la movilidad eléctrica. Es un claro indicativo de su importancia que el Premio Nobel de Química haya sido concedido recientemente (2019) a los investigadores que inventaron las primeras baterías de iones de litio en la década de 1990 (J. Goodenough, M.S. Whittingham, A. Yoshino).

El reciente impulso a la movilidad eléctrica y la ferviente evolución de las baterías es algo conocido por la mayoría de gente. Sin embargo, lo que no todo el mundo sabe es que los sistemas de almacenamiento de energía a gran escala han empezado a desempeñar también un papel muy relevante en los sistemas eléctricos en la última década. Las baterías son un elemento clave para impulsar la transición energética, esenciales para gestionar la generación de energía renovable, que es, inherentemente, muy variable. Aunque las baterías, y otras tecnologías de almacenamiento de energía, todavía se enfrentan en la mayoría de países a retos normativos y legales para poder ser integradas en la estructura tradicional del sistema eléctrico (generación, transporte, distribución y consumo), ya se han desplegado un gran número de sistemas de acumulación a escala de red en toda Europa. Estos sistemas contribuyen, entre otras cosas, a la estabilidad de la frecuencia de la red (a un valor nominal de 50Hz), equilibrando en todo momento los pequeños desequilibrios entre el volumen de generación de energía y el consumo momentáneo de la misma.

¿Qué razones hay para convertirse en “prosumidor” en instalaciones fotovoltaicas con acumulación?

El consumo de energía en edificios residenciales representa casi el 40% del consumo final total, por lo que su gestión es fundamental en las políticas energéticas de la UE. Así pues, la nueva Directiva europea sobre eficiencia energética de los edificios (EPBD) exige que el parque inmobiliario tenga un «balance energético casi nulo» (nZEB), y es condición obligatoria para los edificios de nueva construcción a partir de diciembre de 2020. La energía fotovoltaica integrada en el edificio es, sin duda, la fuente renovable más competitiva actualmente para la generación energética local, y las baterías son la mejor opción para aliviar, localmente, los problemas asociados al desajuste entre el ciclo solar (que tiene un pico de generación pronunciado al mediodía) y el perfil típico de consumo de energía diario (que suele parecerse a un contorno de “camello“, con picos matutinos y vespertinos).

Fig 1: El trilema energético: las tres variables que no pueden pensarse de forma independiente. Este índice es utilizado por el Consejo Mundial de la Energía para evaluar la calidad o salud del sistema energético de un país o región. Imagen reimpresa y editada del informe “World Energy Trilemma Index, World Energy Council, 2020”[1].

En la siguiente tabla, tratamos de resumir brevemente la contribución que los sistemas de almacenamiento en baterías pueden aportar en el ámbito residencial a cada uno de los tres aspectos del famoso Trilema Energético (véase la Fig. 1).

Seguridad energética – Mayor seguridad en el suministro energético gracias a la mejora de la autarquía, y menor tensión en la red Para el cliente o usuario Aunque la tasa de autosuficiencia (o autarquía energética) de los hogares con energía fotovoltaica está limitada a un 30-40%, puede aumentar fácilmente hasta un 60-70% con la adopción de un sistema de almacenamiento en baterías del tamaño adecuado. Además, los sistemas de almacenamiento de baterías pueden llegar a proporcionar funcionalidades de suministro de energía ininterrumpido (SAI) para mantener el suministro de energía en caso de fallos de la red. Para el sistema y la sociedad Por su rapidez de respuesta y grandes capacidades de potencia, las baterías son uno de los mejores candidatos para dar estabilidad al sistema eléctrico. Así, las baterías pueden sustituir la inercia de rotación que tradicionalmente proporcionaban los grandes grupos de generación eléctrica rotativos (como las centrales de carbón). Esta inercia es esencial para mantener una frecuencia de red estable.
Equidad energética – Las baterías para una mayor descentralización de los sistemas de energía y una mayor participación pública (democracia energética) Para el cliente o usuario El precio medio de la electricidad para consumidores domésticos es de 21,3 ct€/kWh en 2020[2]. Los precios de las baterías han caído más de un 85% desde 2010, lo que ha permitido que las tecnologías de autoconsumo (fotovoltaica + baterías) sean competitivas en cuanto a costes. Ahora, pueden llegar a ofrecer energía a un coste más barato que el de la red pública (alcanzando la llamada “paridad de red”). El autoconsumo permite al una alta participación e implicación, tanto privada como comunitaria, en la transición energética (contribuyendo así a la democracia energética). Para el sistema y la sociedad Al añadir baterías a instalaciones fotovoltaicas, se suaviza la interacción del consumidor con la red, reduciendo tanto los picos de consumo como los picos de exceso de generación (lo que se conoce como peak shaving). Esto puede reducir la tensión de la red y, en última instancia, evitar la necesidad de su ampliación. Así bien, las baterías pueden contribuir a la reducción de costes globales, optimizando el funcionamiento de la red, y facilitando el acceso a la energía de los sectores de la sociedad más vulnerables. Además, el aumento de la competitividad de las tecnologías de autoconsumo y alta autosuficiencia es especialmente relevante para las regiones que tienen altos costes de generación de energía o de transporte de la misma, como las islas o las regiones rurales remotas.
Sostenibilidad medioambiental: las baterías permiten integrar una mayor proporción de fuentes de energía renovable Para el cliente o usuario Añadir un sistema de baterías a un edificio (privado o público) para aumentar el autoconsumo, puede, en la mayoría de los países europeos y dependiendo del mix energético, reducir significativamente la media de emisiones de la energía consumida. Las emisiones asociadas al almacenamiento en baterías se sitúan en unos 50g de CO2 equivalente por kWh de energía almacenada, mientras que la energía generada por la fotovoltaica tiene una huella asociada de unos 30g de CO2eq/kWh. En comparación, la energía procedente de fuentes de residuos (biomasa) tiene unas emisiones asociadas de unos 100g de CO2eq/kWh, y la energía procedente de centrales de gas o carbón más de 250g de CO2eq/kWh y 350g de CO2eq/kWh[3] respectivamente. Para el sistema y la sociedad Los sistemas de almacenamiento energético aportan una gran flexibilidad al sistema eléctrico, ya que pueden acumular la energía durante un determinado periodo de tiempo para igualar y equilibrar la generada y la demandada. Estas tecnologías son un componente indispensable para las redes eléctricas actuales, en las que hay una alta proporción de fuentes renovables variables, ya que colaboran a adecuar la oferta y la demanda de energía en todo momento. Las baterías constituyen una de las mejores alternativas para satisfacer gran parte de estas necesidades (para desplazamientos de energía, desde milisegundos hasta días). Otras tecnologías de almacenamiento, por ejemplo, P2G (power-to-gas, en que se convierte energía eléctrica en hidrógeno o, por síntesis posterior, en metano o en líquidos portadores de energía), podrían ser más competitivas para el almacenamiento estacional de grandes volúmenes de energía.

Como se puede ver, los sistemas de almacenamiento en baterías, combinados con las instalaciones fotovoltaicas, tienen un impacto positivo en cada uno de los vértices del trilema.

¿Cuál es el papel del almacenamiento en baterías en el proyecto REACT?

Los sistemas de almacenamiento son un elemento clave dentro del proyecto de investigación REACT del programa Horizonte 2020 de la UE y, por ello, se instalarán baterías en la mayoría de los inmuebles de los participantes involucrados en las islas piloto: La Graciosa, España; Inis Mór, Irlanda; y San Pietro, Italia.

El principal campo de innovación investigado por el consorcio REACT, en relación con las tecnologías de almacenamiento de baterías, se basa en la integración de éstas dentro de una plataforma central de TIC (digitalización), que las sitúa como elemento clave en cuanto a las capacidades de gestión activa de la demanda de cada piloto de REACT.

Gracias a los esfuerzos realizados por los socios del consorcio, se implementarán los canales de comunicación y las interfaces necesarias para optimizar las capacidades de monitorización y control inteligente, que permitirán analizar y mejorar el rendimiento de las baterías de cada instalación.

La integración de varios sistemas de baterías en la plataforma TIC de REACT se basa en el conocido framework de gestión de energía de código abierto OpenMUC[4], o en las API (interfaces de programación de aplicaciones) de productos existentes (por ejemplo, la API de MIDAC), y proporcionará capacidades de control de vanguardia desde la plataforma central de TIC, para la coordinación de todos los sistemas de almacenamiento de energía.

La integración de los equipos con la plataforma de REACT permite a los participantes el uso de sus servicios de back-end, incluyendo, por ejemplo, previsiones meteorológicas, de generación de energía o de consumo. Con estas previsiones, se puede programar el control de las baterías y así optimizar su utilización. A modo de ejemplo, en la Fig. 2, se puede observar que, gracias al uso de previsiones precisas, la energía máxima de exportación (como ejemplo) puede disminuirse de forma significativa.

Fig. 2: Gráfico de balance energético tipo para un día de junio en un hogar. A la izquierda, se muestran los perfiles de potencia de generación y consumo. A la derecha, se muestra el balance de potencia de exportación neta resultante (Ppv – Pload) bajo dos estrategias de control diferentes sobre la batería. Para este ejemplo, se ha supuesto una potencia fotovoltaica de 4,5kWp y una batería de 4,5kWh.

Paralelamente, la agregación de todas las baterías dentro de una plataforma común permite a las empresas de servicios energéticos (EDEs) que operan la infraestructura de TIC proporcionar servicios de red a los operadores de los sistemas de distribución y transmisión (por ejemplo, la regulación primaria), lo que puede sumarse a los beneficios del autoconsumo y ofrecer otras fuentes de ingresos a los clientes finales.

Por último (pero no por ello menos importante), REACT pretende comparar el rendimiento de varias tecnologías, como la de iones de litio, la de plomo-ácido y la de iones de sodio, junto con otras tecnologías de almacenamiento de energía (P2G para el almacenamiento estacional), con el fin de proporcionar a las comunidades insulares los conocimientos técnicos adecuados sobre las tecnologías de almacenamiento de energía que deberían seguir desplegándose para mejorar la autosuficiencia energética de las islas de una manera eficiente y eficaz.

ANEXO: datos claves para la adquisición de un sistema de acumulación

Si los argumentos que hemos expuesto hasta ahora te han convencido, y consideras instalar un sistema de baterías (¿incluso unirte a la plataforma REACT?), lee esta breve guía en que hemos recopilado una serie de datos que consideramos que deberías tener en cuenta.

¿Cuáles son las baterías más comunes?   Las tecnologías más comunes para el almacenamiento de energía en el ámbito residencial en Europa, son las baterías de iones de litio (suponen más del 80% de las instalaciones recientes), así como las de plomo y las de flujo redox. Las baterías de iones de litio siguen mejorando significativamente en cuanto a rendimiento, seguridad y rentabilidad, y, probablemente, serán la opción tecnológica dominante durante la próxima década. No obstante, ya existen otras tecnologías novedosas, por ejemplo, con electrolitos basados en agua salada (materiales más respetuosos con el medio ambiente y la tierra) que pueden convertirse en un competidor directo de las anteriores en términos de rendimiento y costes en un futuro próximo.
¿Qué componentes principales tiene una batería?   Un sistema de almacenamiento está conformado principalmente por un pack de baterías (formado por módulos que contienen células electroquímicas recargables), y un convertidor de energía (que incluye un cargador de baterías y un inversor), que permite la transformación de la corriente continua (CC) en corriente alterna (CA). Otros componentes son elementos eléctricos como fusibles y contadores de energía, además de varios equipos opcionales.
¿Cómo están conectados los equipos?   Los sistemas de baterías suelen conectarse al cuadro eléctrico principal del edificio, igual que los sistemas fotovoltaicos, lo que debe ser realizado por técnicos cualificados. En cuanto a la topología del sistema (la conexión entre el sistema fotovoltaico y las baterías), las principales opciones son (i) acoplada a la CC, o (ii) acoplada a la CA. Las topologías acopladas a la CC se recomiendan en el caso de la instalación simultánea de la fotovoltaica y las baterías, mientras que las acopladas a la CA se prefieren para las instalaciones de sistemas de baterías que se reajustan o se añaden a sistemas fotovoltaicos ya existentes.
¿Cuál es el tamaño apropiado de la instalación? Aunque se recomienda encarecidamente una evaluación profesional para cada caso, ya que el dimensionamiento correcto de los sistemas de baterías e instalaciones fotovoltaicas depende en gran medida de las condiciones regionales y nacionales, y de los aspectos técnicos particulares de cada edificio, se puede hacer una estimación del tamaño para mejorar el autoconsumo. En primer lugar, el tamaño de la instalación fotovoltaica (kWp) puede seleccionarse para alcanzar un rendimiento (producción) de electricidad similar al consumo de energía por año, alcanzando así un equilibrio energético cero con dicha capacidad fotovoltaica; el almacenamiento en baterías con una capacidad similar (kWh) al tamaño fotovoltaico seleccionado (aproximadamente 1kWh por kWp) es una buena estimación para un dimensionamiento correcto.
¿Cuánto espacio ocupa un sistema de baterías? Los sistemas de baterías residenciales normalmente no ocupan un volumen mayor que el de un lavavajillas, y pueden montarse en el suelo (generalmente, en el interior) o colgarse en una pared.
¿Cuánto cuesta un sistema de acumulación? A partir de 2020, y en función de la tecnología y el tamaño, se puede conseguir un coste “llave en mano” de unos 1.000 euros/kWh para un sistema de almacenamiento residencial típico, con una capacidad de entre 5 y 10kWh.

[1] https://www.worldenergy.org/assets/downloads/World_Energy_Trilemma_Index_2020_-_REPORT.pdf

[2] https://ec.europa.eu/eurostat/statistics-explained/images/2/2d/Development_of_electricity_prices_for_household_consumers%2C_EU-27%2C_2008-2020_%28EUR_per_kWh%29_v4.png

[3] Associated emission factors according to the latest values published by the Covenant of Mayors for Climate and Energy initiative (CoM). https://ec.europa.eu/jrc/en/publication/covenant-mayors-climate-and-energy-default-emission-factors-local-emission-inventories-version-2017

[4] www.openmuc.org

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