Sistemas de almacenamiento de energía eléctrica

2000/10/01 Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Energia berriztagarriak

Hoy en día nos resultaría difícil vivir sin energía eléctrica. Al usarse tanto se puede pensar que la tecnología está enormemente desarrollada y lo está, ya que hace tiempo se utilizan turbinas muy eficientes para transformarse en energía eléctrica. Sin embargo, todavía tiene algunos "problemas", sobre todo en lo que se refiere al transporte (en el que se pierde energía) y al almacenamiento (ya que no es muy fácil almacenar energía eléctrica). En el artículo nos referiremos a las herramientas de almacenamiento de energía eléctrica: los acumuladores. En el número anterior se mencionan los acumuladores tipo hoja más recientes, pero en esta ocasión se presentan las características generales de los tres tipos de acumuladores.

En general, se considera que la energía eléctrica debe utilizarse en el mismo momento en que se produce. O que se cree en el mismo momento de su utilización. Por ello, las grandes centrales eléctricas, sean de un tipo u otro, deben tener en cuenta el uso puntero de energía eléctrica a lo largo del día y de un día para otro. Sin embargo, como se ha comentado en la introducción, existen acumuladores de energía.

La de los acumuladores es un campo relativamente amplio, quizá no, pero podríamos decir que es un área en expansión, ya que a medida que avanzan las tecnologías, la eficiencia de los acumuladores está aumentando. Existen ya varios modelos y tipos en el mercado (ver gráfico 1). No se utilizan en lugares donde se requiere una gran cantidad de energía, pero son muy útiles en algunas situaciones. Por ejemplo, para almacenar energía excedente en sistemas aislados o para satisfacer demandas de potencia punta. Estos sistemas o acumuladores de almacenamiento de energía se pueden clasificar en tres grupos: 1) acumuladores electromecánicos (EMB) o sistemas Flywheel, 2) acumuladores electroquímicos (de Pb-ácido, de níquel, Ni-Cd, NiMH, de litio...) y 3) acumuladores laminares o ultracondensadores.

Acumuladores electromecánicos

También llamados sistemas flywheel. Utilizan energía cinética. Son sistemas de pequeña masa pero de alta velocidad (ver figura 1). La energía obtenida se expresa mediante la fórmula E = 1/2 J W2, donde J es la inercia del rotor (= m.R2) y W es la velocidad angular. Los componentes o partes de estos acumuladores son el rotor, los cojinetes, el motor/generador, la electrónica de potencia y control y la estructura de generación de vacío. La función de los rotores es almacenar energía cinética. Pueden ser de un solo anillo o de varios anillos, que a su vez son de acero o de fibra de carbono. Estos últimos son más resistentes y ligeros, y el fallo del rotor reduce los daños. Pueden alcanzar velocidades de 1.400-2.000 m/s y generar una energía específica superior a 700 Wh/Kg. El motor es el que transforma la energía cinética en eléctrica o viceversa. Los más utilizados son los que generan un campo magnético continuo, entre los que se encuentran los de ordenación Halbach. En esta ordenación los imanes se disponen alternativamente en distintas direcciones para crear un campo magnético continuo. El aparato electrónico del acumulador adapta la tensión y controla el funcionamiento del rotor y del motor. El inversor inversor es el que presenta la mayor parte de las dificultades, ya que puede tener problemas a la hora de aumentar mucho la velocidad. La carga del rotor la soportan los cojinetes. Pueden ser mecánicos (de acero, cerámicos o híbridos), neumáticos o magnéticos. Los cojinetes magnéticos activos requieren de un sistema de control y ya se comercializan (han realizado prototipos de 60.000 r.p.m.). Los pasivos, sin embargo, se encuentran en fase experimental, no requieren sistemas de control debido a su estabilidad natural y las materias son hiperconductores. Asimismo, el rotor se encuentra en vacío dentro de un envoltorio. De esta forma se reduce la influencia de la fricción y, además, el resto de componentes del acumulador podrían estar protegidos en caso de deterioro o rotura del rotor.

Estos acumuladores mecánicos se utilizan principalmente en vehículos (eléctricos o mixtos y locomotoras), sistemas de suministro de energía ininterrumpida (UPS), para introducir energía de alta calidad en la red eléctrica, satélites y cargadores rápidos.

Acumuladores electroquímicos

Son los acumuladores más habituales. Existen varios tipos, pero en general pueden agruparse en cuatro grupos: de plomo ácido (Pb-ácido), de níquel (Ni), de litio (Li) y de metal-aire. La esencia de todos es la misma: metidos en un electrolito que puede ser líquido o sólido, pero separados, hay un electrodo positivo y negativo; al poner en contacto ambos electrodos, los electrones pasan de un lado a otro generando corriente eléctrica. Aunque no todas las vamos a exponer, en el diagrama de Ragonne se puede ver la energía y las potencias específicas de la mayoría de los acumuladores electroquímicos.

Los más utilizados son los de pb-ácido y los de tecnología más desarrollada. De los que usan níquel, la tecnología más desarrollada es la de Ni-Cd, pero ahora están sustituyendo a NiMH por acumuladores (níquel-metalhidrato), ya que el cadmio es muy contaminante.

Los de metal aire utilizan como ánodo el zinc (Zn), el hierro (Fe), el aluminio (Al) y el litio (Li) y el cátodo es oxígeno del aire, por lo que sólo cambia el ánodo de recarga.

Por el momento, como ya se ha indicado, son los de plomo los que más se utilizan y los que más se van a utilizar a corto plazo, y no se sabe cuál será el sustituto en el futuro. Parece ser de NiMH, Li-ion y Li-polímero los que pueden ser sustitutos.

Ultracondensadores

También se denominan acumuladores tipo página. Almacenan energía almacenando cargas eléctricas, cientos de veces más que los condensadores convencionales. También pueden dar picos de energía muy grandes.

Existen dos tipos: dos capas y varias. Las de dos capas tienen dos electrodos y electrolito y la carga se acumula en la superficie comprendida entre el electrodo y el electrolito. La energía almacenada depende del electrodo: los de óxidos metálicos tienen una gran capacidad específica y una superficie baja, mientras que los de carbono tienen una baja capacidad específica y una gran superficie. También están probando los ultracondensadores que van a tener mezclados ambos. Varias capas presentan capas muy finas y material dieléctrico intercalado. Son tan finos acumuladores que el control de la estructura es atómico.

La tecnología de los ultracondensadores es muy nueva, pero se cree que será de gran importancia en el futuro. Para más información en el número de septiembre de 2000.