Tipos de almacenamiento de energía: ¿cuáles existen?

Los sistemas de almacenamiento de energía se convierten en un elemento clave para aprovechar al máximo energías procedentes de fuentes naturales como el sol. “La producción de energía con fuentes renovables es intermitente, lo que hace que no se pueda ajustar la producción a la demanda horaria de energía”, explica Javier Sánchez Prieto, director del Máster Universitario en Energías Renovables de la Universidad Internacional de La Rioja (UNIR). “Pero si las instalaciones cuentan con sistemas de almacenamiento, se podrá absorber el excedente de energía que se esté produciendo en periodos de baja demanda para usarlo en los periodos de alta demanda. Si no se consigue esta capacidad de producción continua de las instalaciones renovables, no se van a poder sustituir las centrales térmicas o nucleares”.

Almacenamiento energético: tecnologías y funcionamiento

Los sistemas de almacenamiento a gran escala, integrados en la red eléctrica,  deben jugar un papel decisivo en la transición hacia una economía descarbonizada y un sistema energético que evite las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI). De acuerdo con la Agencia Internacional de la Energía (AIE), la capacidad de almacenamiento de energía en el sector eléctrico a nivel mundial superó los 180 GW al cierre de 2023. Aunque las centrales hidroeléctricas reversibles (bombeo) siguen siendo la tecnología predominante, el crecimiento está liderado por las baterías a gran escala, cuya capacidad instalada se duplicó en solo un año hasta alcanzar aproximadamente los 85 GW en 2023. Pero esta no es la única forma de guardar electricidad. Estos son los tipos de almacenamiento que existen:

• Almacenamiento mecánico de energía.
• Almacenamiento térmico de energía.
• Almacenamiento químico de energía.
• Almacenamiento electroquímico de energía.

Almacenamiento mecánico de energía: bombeo hidráulico y alternativas

El almacenamiento mecánico de energía es el sistema más antiguo que existe. Su funcionamiento es sencillo: cuando se produce más energía de la que hace falta, esta se aplica en un sistema en el que se acumulan energía cinética y/o potencial. Cuando es necesario porque la demanda es alta, esta se libera. La tecnología más habitual es la de las centrales hidroeléctricas reversibles, compuestas de dos embalses de agua situados a diferentes alturas. En momentos de baja demanda y elevada producción, la energía sobrante se usa para bombear agua hasta el embalse que está más alto. Cuando la demanda aumenta, el agua de este último se libera –de manera que baja al embalse situado más abajo sin que el agua se pierda –, generando energía.

Las también llamadas centrales de bombeo son, hoy por hoy, el sistema de almacenamiento a gran escala más habitual en el mundo. Según la AIE, la capacidad de almacenamiento en centrales hidroeléctricas reversibles alcanzó aproximadamente los 161 GW a finales de 2023. Si bien esta tecnología sigue siendo la mayor reserva de energía del mundo, su cuota sobre el almacenamiento total de electricidad a nivel global ha descendido hasta situarse en torno al 65%, debido al rápido despliegue de las baterías a gran escala.

"El bombeo hidráulico permite un volumen de almacenamiento muy grande y emplea una tecnología muy eficiente en la que la conversión de energía del agua a electricidad es del orden del 80-90 %", señala Sánchez Prieto. “Su gran contra es que necesita una infraestructura de gran envergadura y coste elevado y no se puede construir en cualquier lugar”.

Además de las centrales reversibles, existen sistemas de almacenamiento mecánico por aire comprimido, las baterías inerciales y las tecnologías de almacenamiento por gravedad, una de las que más miradas han atraído en los últimos años. Este sistema es similar al bombeo hidráulico, pero en lugar almacenar energía elevando agua, eleva un bloque de gran tamaño que deja caer cuando se necesita liberar la energía. No está tan limitada a nivel geográfico como las centrales reversibles, pero también necesita de grandes infraestructuras.

Almacenamiento térmico de energía: cómo funciona y aplicaciones

El almacenamiento de energía térmica, ya sea en forma de frío o de calor, está poco desarrollado a gran escala pero es uno de los más prometedores. Según un informe de la Agencia Internacional de las Energías Renovables (IRENA), el mercado global de almacenamiento de energía térmica (TES) está en camino de experimentar un crecimiento masivo, con una proyección de capacidad instalada que podría alcanzar entre 800 GWh y 2.000 GWh para 2030. Este despliegue requerirá inversiones estimadas de hasta 28.000 millones de dólares.

Estos sistemas pueden almacenar energía térmica de tres maneras diferentes:

• Calor sensible. Están basados en la variación de la energía interna de un material cuando cambia su temperatura. A grandes rasgos, acumulan la electricidad en forma de calor en materiales de alta densidad energética, como las sales fundidas. Un ejemplo son las centrales termosolares, también llamadas centrales de concentración solar.
• Calor latente. En este caso, la energía se transforma en calor o frío para provocar un cambio de estado en el material, de líquido a sólido (congelando agua, por ejemplo) o de líquido a gas. Este sistema es ampliamente utilizado para almacenar frío en forma de hielo, pero sus usos como almacenamiento energético no están muy desarrollados.
• Sistemas termoquímicos. Estos sistemas se encuentran todavía en una fase muy temprana de desarrollo. En las tecnologías de almacenamiento termoquímico entran en juego las reacciones químicas reversibles, capaces de generar o liberar calor en función del proceso que se aplique.

Almacenamiento químico de energía: hidrógeno y combustibles sintéticos

Los sistemas de almacenamiento químico buscan guardar la energía en forma de enlaces químicos. Lo habitual es usar el excedente de energía para fabricar compuestos que luego se utilizan cuando existe demanda. Estos compuestos, que funcionan como vectores energéticos, van desde los combustibles alternativos y los sintéticos hasta el amoniaco o el hidrógeno. En los últimos años, muchas miradas han estado puestas en el hidrógeno verde, generado con los excedentes de la producción de energía renovable.

El hidrógeno es un gas muy utilizado a nivel industrial. De acuerdo con la Agencia Internacional de la Energía (AIE), su demanda mundial alcanzó los 97 millones de toneladas (Mt) en 2023. A pesar de este crecimiento, la producción de hidrógeno de bajas emisiones (incluyendo el generado con renovables y el uso de captura de carbono) apenas representó el 1% del total, manteniéndose el gas natural y el carbón como las fuentes predominantes

Almacenamiento electroquímico: baterías y sistemas BESS

Cuando pensamos en almacenar energía, lo primero que se viene a la cabeza es una pila o una batería como las que tenemos en el ‘smartphone’. A gran escala, los Sistemas de Almacenamiento de Energía en Baterías (BESS, por sus siglas en inglés), como el que se está construyendo en el Barranco de Tirajana, son una de las alternativas más prometedoras en la transición energética. Según la Agencia Internacional de la Energía (AIE), la capacidad total de almacenamiento en baterías en el sector eléctrico experimentó un crecimiento sin precedentes, duplicándose en 2023 hasta alcanzar los 85 GW. La AIE estima que será necesario incrementar esta capacidad hasta los 1.200 GW al final de la década para cumplir con los objetivos climáticos globales,

Tipos de baterías electroquímicas

Las diferentes tecnologías de baterías utilizan sistemas de almacenamiento electroquímico. Cuando se les aplica electricidad, se produce una reacción química que acumula energía. Cuando es necesario, el mismo dispositivo desencadena una reacción que libera electricidad. En la actualidad, existen multitud de tecnologías en uso y en desarrollo:

• Baterías de ion de litio. También conocidas como baterías Li-Ion, contienen dos electrodos: uno con carga positiva y hecho de litio y otro con carga negativa y hecho, generalmente, de grafito. Cuando los electrones fluyen del primero (el ánodo) al segundo (el cátodo) se produce electricidad y la batería se descarga. En el proceso de carga, el flujo de electrones viaja en sentido opuesto.
• Baterías de ion de sodio. Su funcionamiento es casi idéntico al de las baterías de ion de litio, pero sustituyendo este material por sodio. Su gran ventaja es que el sodio es abundante en la naturaleza, pero presentan por ahora una densidad energética demasiado baja como para integrarse en los Sistemas de Almacenamiento de Energía en Baterías.
• Baterías de ion de magnesio. Este tipo de baterías se está investigando como sustituto para las de ion de litio, ya que tienen mayor densidad energética y son más estables. Sin embargo, los electrodos de magnesio son, por ahora, difíciles de producir.
• Baterías redox de vanadio. Emplean iones de vanadio en diferentes estados de oxidación para almacenar la energía química. Aunque existen desde hace tiempo, su desarrollo ha sido bastante limitado. Sin embargo, en la actualidad hay varios proyectos en marcha para integrar estas tecnologías en los sistemas BESS.
• Baterías de yoduro de zinc. Desarrolladas en 2015, son una de las tecnologías más recientes y prometedoras, dado su elevado potencial para almacenamiento de energía a gran escala.
• Baterías de flujo orgánico acuoso. También de desarrollo reciente, este tipo de baterías utilizan moléculas orgánicas muy estables para producir la reacción electroquímica. Aunque no se usan todavía a gran escala, sus grandes ventajas son sus bajos costes y la sostenibilidad de sus materiales.

“La gran ventaja de las baterías eléctricas es que son modulares y transportables”, explica el experto de la UNIR. “Sin embargo, requieren de materiales de construcción específicos que pueden llegar a ser difíciles de encontrar, el escalado a grandes tamaños es difícil todavía y la eficiencia aún tiene que mejorar”.

¿Cuál es el sistema de almacenamiento de energía más eficiente?

El sistema de almacenamiento de energía en baterías más eficiente es el basado en baterías de ion de litio. Son las más usadas en los grandes BESS como el Vistra Moss Landing Energy Storage Facility de California (Estados Unidos) que tiene una capacidad de almacenamiento de 400 MW y alcanzará los 750 MW una vez se haya completado el proyecto de expansión que está actualmente en desarrollo.

Sin embargo, atendiendo a los números, las centrales hidroeléctricas reversibles siguen siendo la opción más utilizada. “La tecnología de almacenamiento más eficiente, más madura y con más desarrollo a día de hoy es el bombeo hidráulico”, concluye Javier Sánchez Prieto. “De hecho esta es, de lejos, la tecnología de almacenamiento con más capacidad instalada a nivel mundial”.