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Energía solar directa: fuera de la red sin baterías.

Tue, 06 Feb 2024 00:00:00 +0000

Imagen: una computadora portátil funcionando con energía solar directa. Foto: Marie Verdeil.

Las instalaciones solares convencionales no cuestionan nuestra dependencia de los combustibles fósiles y del estilo de vida derrochador de energía que resulta de ello. Tanto los paneles solares en los techos como las granjas solares a gran escala nos suministran toda la energía que queremos, incluso cuando el sol no está brillando. Esto se debe a que estos sistemas utilizan la red eléctrica central, que funciona en gran medida con combustibles fósiles, como una especie de batería para hacer frente a las escaseces de energía.

Aunque los paneles solares conectados a la red pueden reducir el consumo de combustibles fósiles en las plantas de energía térmica, estos ahorros se ven al menos parcialmente compensados por los combustibles fósiles adicionales necesarios para construir y mantener lo que es esencialmente una infraestructura energética dual. La combinación de energía solar y eólica puede aumentar aún más la proporción de energía renovable en la red eléctrica, pero esto requiere un mayor desarrollo de infraestructura. Además de la energía, esto también demanda una gran cantidad de dinero y tiempo.

Reemplazar las centrales eléctricas que funcionan con combustibles fósiles con almacenamiento de energía, de manera que la electricidad excedente generada en días soleados pueda almacenarse para cuando no haya sol o sea insuficiente, se encuentra con el mismo problema. El almacenamiento de energía, ya sea integrado en una red eléctrica o ubicado en hogares individuales (sistemas fuera de la red), es muy costoso y intensivo en carbono para construir y mantener.

Instalación solar autónoma

La producción de paneles solares obviamente implica costos en dinero y energía. Sin embargo, los costos financieros y energéticos de la infraestructura de respaldo asociada son muchas veces mayores. Para las instalaciones solares conectadas a la red, estos costos son muy difíciles de calcular con precisión, pero para las instalaciones solares autónomas (sin conexión a la red y con su propio almacenamiento de energía), es mucho más fácil. Como ejemplo, tomaré la pequeña instalación solar autónoma que alimenta mi sala de estar en Barcelona.

Este sistema consta de dos paneles solares de 50 W en el balcón, una batería de plomo-ácido de 100 Ah y un controlador de carga de 10 A. La energía generada se utiliza para la iluminación, el sistema de música y cargar computadoras portátiles y otros dispositivos electrónicos, entre otras cosas. La inversión financiera inicial fue de 340 euros: 120 euros para los paneles solares, 170 euros para la batería y 50 euros para el controlador de carga.

Pero mientras que se espera que los paneles solares duren 30 años y el controlador de carga alrededor de 10 años, tengo que reemplazar la batería de plomo en promedio cada tres a cinco años. ¹ A lo largo de una vida útil de 30 años, los costos ascienden a 120 euros para los paneles solares, 150 euros para los controladores de carga y, en el mejor de los casos, 1,020 euros para las baterías. Las baterías (y los controladores de carga asociados) representan aproximadamente el 90% de los costos totales durante toda la vida útil.

El almacenamiento de energía también domina la “energía incrustada” de la planta (y las emisiones de carbono resultantes). La producción de mi batería de plomo-ácido consumió 1,200 megajulios (MJ) de energía. ² A lo largo de una vida útil de 30 años (seis baterías como máximo), eso equivale a 7,200 MJ. Los tres controladores de carga suman otros 360 MJ durante una vida útil de 30 años, lo que lleva el consumo total de energía del sistema de batería a 7,560 MJ. ³ En contraste, la producción de los paneles solares cuesta solo 2,275 MJ de un total de 9,835 MJ. ⁴ Conclusión: más del 75% del consumo total de energía fósil se debe al almacenamiento de energía.

Imagen: A la derecha en el balcón se encuentran los dos paneles solares de 50 W que alimentan la sala de estar de mi apartamento. Junto a ellos está el panel solar de 30 W que hace funcionar este sitio web. Foto: Marie Verdeil.

Imagen: La estructura para los paneles solares, construida con madera reciclada. Foto: Kris De Decker.

Imagen: La batería de plomo-ácido de 100 Ah que alimenta la sala de estar después del atardecer. Foto: Kris De Decker.

Otros tipos de baterías no cambiarían significativamente esta conclusión. Para un sistema fuera de la red comparable con baterías de ion de litio, el almacenamiento de energía representaría aproximadamente el 95% del costo total durante toda la vida útil (casi el doble que un sistema con baterías de plomo-ácido). Suponiendo una vida útil optimista (10 años) e incluyendo controladores de carga, el almacenamiento de energía de litio representa alrededor del 70% de la energía invertida en un sistema de red solar. ⁵ ⁶ Para las baterías de níquel-hierro, el almacenamiento de energía representaría el 85% del costo total durante toda la vida útil (no hay datos de costo de energía). ⁷

La escala y la ubicación de la instalación solar tampoco hacen ninguna diferencia. Un sistema más grande necesita más paneles solares, pero también baterías más grandes y controladores de carga más caros y potentes. Las proporciones siguen siendo las mismas. ⁸ El único factor que podría dar a los paneles solares una parte ligeramente mayor del costo total son las estructuras en las que están montados. No lo tengo en cuenta porque los construí yo mismo con madera reciclada. Sin embargo, si los paneles solares están montados en un techo, una solución de bricolaje es menos evidente. Pero incluso en ese caso, el costo del almacenamiento de energía sigue siendo, con mucho, la consideración más importante.

Energía solar directa: mucho más barata y sostenible

A diferencia de los combustibles fósiles, el sol y el viento no están disponibles a pedido. El problema con nuestro enfoque hacia la energía renovable es que insistimos en que la energía siempre debe estar disponible infinitamente, independientemente del clima, las estaciones o la hora del día. Coincidir la demanda de energía con la oferta, como se hacía en el pasado - llevaría a reducciones dramáticas en el costo y en el uso de los combustibles fósiles.

Por ejemplo, si omitiera el almacenamiento de baterías de mi instalación solar, mi sistema se volvería aproximadamente 10 veces más barato: 120 euros en lugar de 1,290 euros durante toda su vida útil de 30 años. Alternativamente, podría gastar 1,290 euros solo en paneles solares, lo que me daría un sistema solar de 1,075 vatios. Eso es diez veces la capacidad de la configuración con baterías, más de lo que cabría en el balcón.

Sin la batería y el controlador de carga, el costo energético de la instalación también disminuye de 9,835 MJ a 2,275 MJ. En otras palabras, podría generar al menos cuatro veces más energía solar con la misma inversión en combustibles fósiles.

¿Cómo puede ser práctica la energía solar directa?

Todo bien, pero el sol no brilla después del atardecer y la cantidad de energía solar varía a lo largo del día y del año. Entonces, ¿cómo puede ser práctico el uso de paneles solares sin baterías (o sin otra infraestructura de respaldo en el caso de instalaciones conectadas a la red)?

Para responder a esa pregunta, observamos a un pionero de la “energía solar directa”: la Living Energy Farm. Esta comunidad de educación ambiental en el estado de Virginia, Estados Unidos, está completamente “fuera de la red” gracias a la energía solar, pero solo el 10% de la energía solar generada pasa a través de una batería de níquel-hierro. Sin embargo, los paneles solares proporcionan energía para varias viviendas, una cocina comunitaria, un taller de metal y una granja. ⁹ ¹⁰

Imagen: energía solar directa en la Living Energy Farm.

La instalación solar ha estado en funcionamiento desde 2011 y consta de sistemas separados con una potencia máxima total de 1,400 vatios. ¹¹ En comparación, la potencia máxima promedio de una instalación solar residencial en el Reino Unido y en los Estados Unidos, para un hogar, es de 4,000 vatios y 6,500 vatios, respectivamente. Al igual que en mi apartamento, en la Living Energy Farm se utiliza la energía de manera frugal, pero el hecho de que apenas se utilicen baterías tiene otras razones.

Algunos electrodomésticos solo se utilizan durante el día

Una primera razón es evidente: algunos electrodomésticos y máquinas eléctricas solo se utilizan durante el día. Esto es cierto, por ejemplo, para todas las máquinas en el taller de metal, incluyendo una sierra de banda, un compresor, una amoladora, una sierra circular, un torno, una fresadora y una taladradora. También se aplica a maquinaria agrícola como un molino de granos y una bomba de pozo profundo. Conectadas directamente a los paneles solares, estas máquinas ofrecen todas las capacidades de la tecnología moderna alimentada por la red, con la excepción de que solo pueden utilizarse durante el día. ¹⁰

En una escala mucho más pequeña, he utilizado energía solar directa para una plancha, una pistola de pegamento y una bomba de riego (para el balcón) en casa. Otros ejemplos de electrodomésticos y máquinas que podrían utilizarse sólo durante el día incluyen aspiradoras, máquinas de coser, lavadoras, consolas de juegos, cortadoras láser e impresoras 3D. No es tan difícil imaginar una sociedad moderna donde actividades como aspirar y realizar tareas de bricolaje solo ocurran durante el día. Ciertamente, no es un retorno a la Edad Media.

Imagen: varias herramientas de taller en la Living Energy Farm, la mayoría de ellas funcionando con energía solar directa. Imagen: Alexis Zeigler.

Image: Metal lathe running on direct solar power, Living Energy Farm. Image: Alexis Zeigler.

Imagen: Soldadura con energía solar directa. Foto: Marie Verdeil. [Ver el vídeo](https://www.youtube.com/watch?v=qozZCJU4IOc).

Además, no todos los electrodomésticos requieren atención constante. Las lavadoras o lavavajillas que se activan automáticamente cuando brilla el sol a menudo se citan como ejemplos de aplicaciones en una “red eléctrica inteligente”. Pero ese enfoque depende de una infraestructura extensa de transmisión eléctrica, redes de comunicación y electrodomésticos llenos de electrónica.

En cambio, en un enfoque descentralizado de energía solar directa, la inteligencia la proporciona el sol y la rotación del planeta. Una lavadora o lavavajillas alimentados directamente por energía solar pueden cargarse completamente y encenderse por la noche. La máquina luego se inicia “automáticamente” por la mañana. Incluso puede utilizar temporizadores (electrónicos o mecánicos) para hacer funcionar diferentes electrodomésticos uno tras otro.

Si las nubes representan un límite adicional para una instalación solar directa, y en qué medida, depende del tamaño de los paneles solares. Duplicar el área de los paneles solares garantiza suficiente energía solar durante una cobertura de nubes moderada, mientras que la instalación sigue siendo mucho más barata y sostenible que un sistema con baterías u otra infraestructura de respaldo.

Un área aún mayor de paneles solares podría proporcionar suficiente energía incluso durante una cobertura de nubes densa, pero aumentar el tamaño del sistema diez veces vuelve a llevar el costo al nivel de un sistema autónomo con baterías. Cuadruplicar el área hace que el sistema vuelva a depender igualmente de los combustibles fósiles.

Muchos electrodomésticos ya tienen baterías

La energía solar directa no excluye el uso de electrodomésticos eléctricos después del atardecer. Como se mencionó, la Living Energy Farm tiene un modesto sistema de baterías que proporciona energía para luces, ventiladores y dispositivos electrónicos después del atardecer, entre otras cosas. ¹⁰ Además, muchos electrodomésticos modernos ya tienen almacenamiento de energía incorporado. Esto es válido para todo tipo de vehículos eléctricos, la mayoría de los gadgets electrónicos y electrodomésticos más antiguos con baterías AA.

Consecuentemente, estos tipos de dispositivos pueden cargarse con energía solar directa durante el día y luego utilizarse durante varias horas después del atardecer gracias a la batería incorporada. Combinado con un banco de energía de ion de litio, un panel solar directo también puede permitir cargar dispositivos USB después del atardecer. Esta estrategia incluso puede funcionar para la iluminación, ya que existen muchas lámparas a batería que se pueden usar como linternas modernas, colgadas en diferentes partes de habitaciones y edificios.

Imagen: Un teléfono móvil funcionando con energía solar directa. Foto: Marie Verdeil.

Por supuesto, externalizar el almacenamiento de energía química en el dispositivo no es la opción más sostenible. La producción de baterías de ion de litio requiere combustibles fósiles y (a diferencia de las baterías de plomo-ácido) no se reciclan. La mejor solución, por supuesto, es reducir el uso de dispositivos eléctricos. Pero cargarlos con energía solar directa es mucho más sostenible y eficiente que a través de otras baterías o una red eléctrica alimentada con combustibles fósiles. Si usamos dispositivos de alta tecnología, preferiblemente de la manera más inteligente posible.

Almacenamiento de energía no eléctrico

Una tercera razón por la cual la energía solar directa es más práctica de lo que parece inicialmente es que algunos electrodomésticos pueden utilizarse después del atardecer gracias al almacenamiento de energía térmica. Esto es mucho más barato y sostenible que el almacenamiento de energía eléctrica. El almacenamiento de energía térmica ya está bastante establecido para sistemas de calefacción de espacios y agua, que almacenan agua calentada por el sol en un calentador aislado o (solo para calefacción de espacios) en el envolvente del edificio. No sorprende que la Living Energy Farm tenga tales sistemas, y la energía solar térmica también proporciona agua caliente en mi apartamento.

Sin embargo, el mismo enfoque también funciona para dos electrodomésticos importantes que necesitan funcionar después del atardecer y también consumen mucha electricidad: la nevera y la cocina. En lugar de almacenar electricidad de un panel solar en una batería para luego alimentar una nevera o cocina después del atardecer, estos electrodomésticos en la Living Energy Farm utilizan aislamiento térmico. Esto mantiene el calor dentro (en el caso de la cocina) o fuera (en el caso de la nevera) cuando no hay suministro de energía. El aislamiento térmico también garantiza una eficiencia energética muy alta, lo que significa que cada uno de estos electrodomésticos puede funcionar con un panel solar de solo 100-200 vatios.

Una nevera alimentada directamente por energía solar

Es perfectamente posible conectar una nevera o congelador convencional directamente a un panel solar, pero dicho electrodoméstico se calentaría muy rápidamente por la noche. Incluso las neveras con las etiquetas de eficiencia energética más altas tienen un grosor de aislamiento relativamente limitado (generalmente 2.5 cm). Sin embargo, si ese grosor de aislamiento se aumenta a aproximadamente 12.5 cm, el consumo de energía de una nevera se reduce en un factor de cuatro. ¹² ¹³ La capacidad de enfriamiento pasivo de una nevera se puede aumentar aún más agregando masa térmica en forma de un tanque de agua dentro del electrodoméstico. Durante el día, el panel solar enfría el agua o la convierte en hielo. Por la noche, este agua fría o hielo retrasa el calentamiento de la nevera. ¹⁴

Una nevera alimentada directamente por energía solar también se abre en la parte superior, no en la parte frontal. El aire frío es pesado, y de esa manera se pierde mucha menos energía cuando alguien abre la puerta. Todas estas elecciones de diseño se suman a una eficiencia energética espectacular. Un estudio de neveras solares directas en regiones muy soleadas (Texas y Nuevo México, EE. UU.) mostró que mantenían su capacidad de enfriamiento durante 6 o 7 días sin suministro de energía. Las unidades operaban durante todo el año con paneles solares de solo 80W a 120W. ¹⁵ La Living Energy Farm alimenta su nevera solar con un panel de 200W. ¹⁰

Imagen: El Sundanzer DDR165. Una nevera diseñada específicamente para funcionar con energía solar directa. Foto: Sundanzer.

A diferencia del calentamiento solar, la refrigeración solar está optimizada para las variaciones estacionales en la radiación solar. La refrigeración requiere más energía en verano, cuando hay más energía solar. La nevera mencionada en Nuevo México registró un consumo de electricidad de 406 vatios-hora por día en verano y solo 230 vatios-hora en invierno. ¹⁶ Además, la tecnología se puede utilizar en toda la cadena de frío, de la cual la nevera doméstica es solo una pequeña (pero esencial) parte. Otra aplicación es la refrigeración del aire, aunque esto está menos investigado y es más desafiante. ¹⁷

Una cocina eléctrica solar directa

En principio, una cocina convencional también se puede conectar directamente a un panel solar, pero al igual que con una nevera convencional, no es muy práctico. Solo se puede cocinar durante el día, y hay que instalar muchos paneles solares. Una sola placa caliente necesita 1,000 vatios de potencia eléctrica. Una cocina eléctrica solar resuelve estos problemas al llenar la placa con aislamiento térmico. La tecnología es básicamente una combinación de una placa de cocina eléctrica y una caja de heno.

Imagen: Prueba de una cocina eléctrica solar. Foto: Universidad Estatal Politécnica de California (Cal Poly).

Gracias al aislamiento térmico, una cocina eléctrica solar acumula lentamente calor durante el día, que luego se puede utilizar para cocinar después del atardecer. De esta manera, puede ser suficiente un suministro de energía mucho menor para alcanzar altas temperaturas. Piensa en ello como “cargar” tu cocina, no con electricidad, sino con calor.

Investigadores de la Universidad Estatal Politécnica de California (Cal Poly) en EE. UU. construyeron la primera cocina eléctrica solar en 2015. Su dispositivo de 12 voltios, que desde entonces ha sido mejorado, solo necesita un panel solar de 100W para funcionar. Hierve un litro de agua en una hora. Con un día completo de luz solar, puede cocinar casi 5 kg de frijoles, arroz, guisos o papas. ¹⁸

Cocinar después del atardecer es posible utilizando una olla con un fondo mucho más grueso (5-10 kg). El equipo de investigación de Cal Poly logró llevar la temperatura de ese almacenamiento sólido de calor a 250°C en cinco horas con un panel solar de 100W. Luego pudieron hervir un litro de agua en tres segundos después del atardecer. En otra prueba, saltearon 1 kg de verduras en dos minutos. La configuración ideal consta de dos ollas: una con almacenamiento de calor y otra sin él. Así, una cocina eléctrica solar puede cocinar tanto lentamente como rápidamente, según la hora del día y el plato. ¹⁹

Imagen: El principio de una cocina eléctrica solar con almacenamiento sólido de calor. Dibujo: Universidad Estatal Politécnica de California (Cal Poly).

¿Térmico o eléctrico?

Al igual que los sistemas de calefacción solar de agua y espacio, la cocina y la refrigeración pueden funcionar tanto con electricidad, a través de paneles fotovoltaicos (PV), como con colectores solares térmicos. Sin embargo, mientras que la calefacción solar de agua y espacio es más rentable y eficiente en términos energéticos sin electricidad, para la refrigeración y la cocción solares sucede lo contrario.

La calefacción de espacios y agua requiere diferencias de temperatura relativamente pequeñas, que pueden proporcionar colectores solares térmicos de bajo costo hechos de placas de vidrio y tuberías de agua. En cambio, la refrigeración y la cocción requieren diferencias de temperatura mayores, lo que implica colectores solares más sofisticados (tubos al vacío o parabólicos) que son más caros que los paneles fotovoltaicos. ²⁰ ²¹

La única excepción es una cocina solar simple, una caja aislada con una tapa de vidrio, pero no puede alcanzar temperaturas tan altas. Además, una cocina eléctrica solar tiene algunas ventajas adicionales. Con un aparato no eléctrico, debes cocinar afuera, lo cual es menos práctico pero también menos eficiente, especialmente en invierno: una cocina solar térmica perderá más calor en el entorno. Una cocina eléctrica solar también es más eficiente en energía porque está aislada por todos lados. También funciona mejor en días nublados y se puede usar después del atardecer. En la Living Energy Farm, la cocina solar parabólica solo se utiliza en condiciones óptimas, con sol pleno y altas temperaturas exteriores.

¿Cuáles son los desafíos técnicos?

Aunque la Living Energy Farm está poniendo en práctica todas estas aplicaciones de energía solar directa, hay algunos desafíos técnicos para aquellos que quieran seguir el mismo camino. Casi toda nuestra tecnología moderna está diseñada para funcionar con un suministro de energía estable e ininterrumpido. No tiene que ser así, pero por ahora, la energía solar directa suele requerir ciertas modificaciones. Un sistema solar directo es mucho más fácil de construir que un sistema autónomo con baterías, pero a menudo requiere modificaciones en el lado del electrodoméstico.

Algunos dispositivos se pueden conectar directamente a un panel solar: basta con conectar los contactos positivos y negativos del panel solar y el dispositivo. Por ejemplo, las máquinas con un motor de corriente continua (DC) toleran grandes fluctuaciones en el suministro de energía. El taller de metal y la maquinaria agrícola en la Living Energy Farm funcionan de esta manera. Si las nubes bloquean el sol, la carga eléctrica combinada puede ser mayor que el suministro de energía de los paneles solares, pero esto no detiene las máquinas. Todos los motores se ralentizarán porque comparten la energía disponible, pero todos continúan haciendo un trabajo útil. ¹⁰ ²²

Lo mismo se aplica a todos los electrodomésticos que funcionan sobre la base de elementos calefactores resistivos, como hervidores, placas calientes o sistemas de calefacción eléctrica. Funcionan independientemente de la potencia o voltaje, simplemente más lentos o más rápidos. Una nevera alimentada directamente por energía solar opera preferiblemente con un compresor de corriente continua variable, que puede ajustar su velocidad según la producción variable de energía solar. ¹⁰ ²³

Muchos otros dispositivos necesitan una entrada de voltaje específica y estable, que generalmente no coincide con lo que produce el panel solar. Esto se puede solucionar colocando un convertidor de corriente continua a corriente continua (un convertidor “buck” o “boost”) entre el panel solar y el dispositivo. Este es un pequeño módulo electrónico que convierte el voltaje fluctuante de un panel solar en un voltaje de salida constante para un dispositivo de bajo voltaje (5V, 12V o superior). ²⁴

Imagen: Experimentos con energía solar directa. Foto: Marie Verdeil.

Si utilizas un inversor además de esto, incluso los electrodomésticos de corriente alterna pueden funcionar directamente con un panel solar. ²⁵ Los convertidores de corriente continua a corriente continua son esenciales para todos los electrodomésticos que contienen componentes electrónicos. Esto es válido para muchos electrodomésticos hoy en día, incluidos aquellos, como lavadoras o cafeteras, que hasta hace poco funcionaban sin electrónica. Esto te ofrece a menudo dos opciones para hacer funcionar tales electrodomésticos con energía solar directa. Puedes instalar un convertidor de corriente continua a corriente continua o modificar el electrodoméstico eludiendo la electrónica.

Manuales de bricolaje y dispositivos comerciales

La mayoría de las aplicaciones de energía solar directa funcionan a bajo voltaje, por lo que puedes hacerlo de forma segura por ti mismo. Low-tech Magazine publicará pronto un manual al respecto. Sin embargo, la Living Energy Farm utiliza corriente continua con voltajes más altos para varias aplicaciones. Ejemplos son las herramientas de la máquina en el taller de metal (90V) y algunas cocinas solares eléctricas potentes (48V, 180V). No es buena idea construir estos sistemas por ti mismo a menos que cuentes con la ayuda de un electricista calificado, ya que estos voltajes pueden provocar accidentes fatales.

Quienes deseen construir sus propias cocinas solares eléctricas (de bajo voltaje) encontrarán manuales completos tanto en Living Energy Farm como en Cal Poly. ²⁶ Los dispositivos se pueden fabricar con materiales simples. El material de aislamiento debe ser ignífugo. Ejemplos de materiales son lana de roca, fibra de vidrio, lana natural o arcilla.

Se pueden utilizar diferentes tecnologías para los elementos calefactores, pero incrustar alambres de nichrome en cemento es la opción más sencilla. Estos cables se pueden obtener de varios electrodomésticos como tostadoras, hornos y placas calientes. En principio, los cables calefactores se pueden sujetar directamente a la olla, pero es más práctico hacer un “nido” calefactado en el que se pueda colocar una olla.

Imagen: Inspirada en el trabajo de Cal Poly, Living Energy Farm también desarrolló varias cocinas solares eléctricas, una de las cuales [ofrecen a la venta a través de su sitio web](https://livingenergylights.com/product/roxy-solar-electric-oven/). El horno Roxy se puede utilizar como placa caliente u horno, por ejemplo, para hornear pan. La puerta también permanece cerrada cuando se utiliza como placa caliente. Esta cocina solar no tiene almacenamiento de energía.

Imagen: El horno Roxy sin la puerta y con el aislamiento de lana de vidrio visible. El dispositivo, fabricado en el taller de metal con energía solar directa, funciona con 48V y requiere un panel solar de 200 a 500 vatios. Living Energy Farm también ofrece el refrigerador solar Sunstar [a la venta en línea](https://livingenergylights.com/product/sunstar-direct-drive-8-cuft-chest-style-refrigerator-freezer/).

¿Desperdicia energía la energía solar directa?

La sostenibilidad de una instalación solar depende no solo de la energía requerida para producir y mantener la infraestructura, sino también de la energía producida por los paneles solares durante su vida útil. Algunas personas argumentarán que el uso directo de la energía solar es inferior a las instalaciones solares convencionales conectadas a la red o alimentadas por baterías en este aspecto.

Después de todo, la aspiradora, la lavadora y el taladro no se utilizan todos los días, y si no hay ningún electrodoméstico conectado, entonces un panel solar no producirá energía. En consecuencia, la cantidad de electricidad producida por el panel disminuirá a lo largo de su vida útil, mientras que la energía necesaria para fabricar el panel permanece igual. Esto hace que la energía de un panel solar directo sea más intensiva en carbono.

Sin embargo, dado que el almacenamiento de energía en baterías (o la alternativa conectada a la red) representa una gran proporción de la energía total invertida, un panel solar independiente puede desperdiciar bastante energía antes de volverse menos sostenible que su contraparte con almacenamiento de batería o conexión a la red.

Además, el uso directo de la energía solar evita las pérdidas de carga y descarga causadas por las baterías, o las pérdidas de energía en la infraestructura de transmisión para los sistemas conectados a la red. Ambos deben ser compensados con paneles solares adicionales. Además, los paneles solares conectados a baterías o a la red también desperdician energía, como consecuencia de la gran diferencia en la producción de energía entre el verano y el invierno.

Maximizando la energía solar directa con servicios colectivos

Sin embargo, es importante maximizar la producción de energía de un panel solar directo. En ese contexto, es útil regresar por un momento al sistema de ejemplo original ubicado en mi balcón. La energía solar directa podría ser una buena adición a este sistema, especialmente para el refrigerador y la cocina. Fue por estos electrodomésticos que concluí en 2016 que era imposible desconectar completamente mi piso de la red.

Sin embargo, Living Energy Farm demuestra que se podría hacer: hay espacio para otros 200 vatios de paneles solares (4 x 50W) en el balcón, suficientes para alimentar tanto un refrigerador como una cocina con aislamiento térmico. No se necesitaría capacidad adicional de batería.

Para otros electrodomésticos, sin embargo, la energía solar directa no sería de mucha utilidad en mi caso. No sería muy eficiente instalar un panel solar adicional para la lavadora o el taladro, ya que solo se utilizan ocasionalmente. Esto parece favorecer a una red eléctrica “inteligente”, porque de esa manera muchos hogares pueden utilizar la misma energía solar: siempre hay alguien que necesita lavar la ropa o taladrar un agujero.

Sin embargo, una red inteligente de este tipo requiere mucha infraestructura, incluso si la energía solar directa se utilizara a esa escala. Puede que no requiera baterías o combustibles fósiles como respaldo, pero sí necesita infraestructura de transmisión y comunicación.

Imagen: Un tocadiscos con energía solar directa. Foto: Marie Verdeil. [Ver el video](https://www.youtube.com/watch?v=_LjSigJv0-0).

La Living Energy Farm demuestra una solución alternativa: la organización comunal de tareas domésticas y trabajo. En lugar de una red eléctrica comunal distribuyendo energía a muchos hogares individuales, podemos establecer servicios colectivos con producción de energía descentralizada.

En el taller comunal de la Living Energy Farm, la energía solar directa se puede utilizar de manera mucho más eficiente que en un taller individual que solo se utiliza ocasionalmente. Una lavandería colectiva en cada calle también utilizaría la energía solar directa de manera mucho más eficiente. Además, ahorramos mucha energía al construir electrodomésticos de esta manera y ganamos mucho espacio.

¿Energía eólica directa?

Esta estrategia se vuelve aún más importante si elegimos no la energía solar directa, sino la energía eólica directa, o una combinación de ambas. La Living Energy Farm se encuentra en una región soleada, pero el mismo enfoque también podría funcionar en lugares ventosos.

Sin embargo, hay una diferencia importante entre la energía solar y la energía eólica. La eficiencia de un panel solar no depende de su tamaño, lo que hace que la energía solar sea ideal para la producción descentralizada de energía. En cambio, la eficiencia de un aerogenerador aumenta más que proporcionalmente a medida que aumenta el diámetro del rotor. Mucho mejor que un aerogenerador por hogar, por lo tanto, es un aerogenerador algo más grande para una comunidad de hogares, por ejemplo, para alimentar una lavandería o taller colectivo.

La vida útil de las baterías de plomo-ácido depende de muchos factores. Si se descargan demasiado profundamente o no se cargan completamente regularmente, la vida útil puede ser inferior a tres años. Por otro lado, una batería de plomo-ácido que apenas se utiliza o no se descarga en absoluto puede durar mucho más de cinco años. Sin embargo, la literatura académica establece una expectativa de vida de tres a cinco años, y esta también ha sido mi experiencia con las baterías que he utilizado desde 2016. Consulte, por ejemplo, “Optimal Sizing and Life Cycle Assessment of Residential Photovoltaic Energy Systems With Battery Storage”, A. Celik, en “Progress in Photovoltaics: Research and Applications”, 2008, y “Energy pay-back time of photovoltaic energy systems: present status and prospects”, E.A. Alsema, en “Proceedings of the 2nd World Conference and Exhibition on photovoltaics solar energy conversion”, julio de 1998. ↩︎
La fabricación de una batería de plomo-ácido (basada en gran medida en materiales reciclados) requiere aproximadamente 1 MJ de energía por vatio-hora de capacidad de almacenamiento. Mi batería de 100 amperios-hora equivale a una capacidad de almacenamiento de 1,200 vatios-hora, y así la energía incorporada es de 1,200 MJ. A lo largo de una vida útil de 30 años, necesitaría seis de estas baterías como máximo, lo que suma un total de 7,200 MJ. Fuente: “Energy Analysis of Batteries in Photovoltaic systems. Part one (Performance and energy requirements)” y “Part two (Energy Return Factors and Overall Battery Efficiencies)” (PDF). Energy Conversion and Management 46, 2005. ↩︎
No se ha investigado mucho sobre la energía incorporada de los controladores de carga. Los datos más relevantes que encontré indican un valor de 1 MJ por vatio de potencia máxima: Kim, Bunthern, et al. “Life cycle assessment for a solar energy system based on reuse components for developing countries.” Journal of cleaner production 208 (2019): 1459-1468. Para una capacidad de 120W (mi controlador de carga tiene una capacidad máxima de 10A x 12V = 120W), esto equivale a 120 MJ. Para la vida útil estimada, encontré valores de 7 y 12.5 años: misma referencia que anteriormente mencioné, así como Kim, Bunthern, et al. “Second life of power supply unit as charge controller in PV system and environmental benefit assessment.” IECON 2016-42nd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. IEEE, 2016. Por lo tanto, hice el cálculo con una vida útil estimada de 10 años. ↩︎
Nawaz, I., and G. N. Tiwari. “Embodied energy analysis of photovoltaic (PV) system based on macro-and micro-level.” Energy Policy 34.17 (2006): 3144-3152. Según esta fuente ampliamente citada, se necesitan 3,500 MJ para producir 1 m2 de panel solar. Mis dos paneles solares juntos miden 0.65 m2, lo que representa un costo total de energía de 2,275 MJ. Una revisión bibliográfica más reciente sitúa el costo energético de la producción de diferentes tipos de paneles solares entre 1,034 y 5,150 MJ/m2. Los estudios más recientes sobre paneles solares de silicio en esta revisión sitúan el costo energético en alrededor de 1,000 MJ/m2, mucho más bajo que la cifra que estoy utilizando. Consultar: Ludin, Norasikin Ahmad, et al. “Prospects of life cycle assessment of renewable energy from solar photovoltaic technologies: A review.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 96 (2018): 11-28. ↩︎
Las baterías de iones de litio son mucho más caras que las baterías de plomo-ácido, pero a diferencia de estas últimas, pueden descargarse más profundamente (hasta el 15% de su capacidad total) y tienen una vida útil más larga (de 7 a 10 años). En consecuencia, se necesitan menos y más pequeñas baterías. Teniendo en cuenta estos factores, el costo de por vida de la batería es de 750 euros, en comparación con los 1,020 euros de las baterías de plomo-ácido. Por otro lado, las baterías de iones de litio requieren un controlador de carga más sofisticado y más caro: un controlador de carga de 10A cuesta entre 200 y 600 euros, según la calidad. Suponiendo un precio de 400 euros para el controlador de carga y una vida útil de 10 años tanto para la batería como para el controlador de carga, el almacenamiento de batería representa el 95% del costo total de por vida (un total de 2,070 euros, mucho más que el costo total del sistema con baterías de plomo-ácido). Fuentes: https://www.lithiumion-batteries.com/products/product/12v-50ah-lithium-ion-battery & https://www.lithiumion-batteries.com/products/12v-lithium-ion-battery-chargers/ ↩︎
Aunque la producción de una batería de iones de litio consume más energía que la producción de una batería de plomo-ácido (1.4-1.9 MJ/Wh frente a 1 MJ/Wh), esto se compensa con una vida útil más larga y una mayor capacidad de descarga. El costo energético de las baterías de iones de litio durante una vida útil de 30 años es de aproximadamente 3,000 MJ, significativamente menos que un sistema de baterías de plomo-ácido comparable. En cambio, el controlador de carga contiene electrónica más compleja. Desafortunadamente, no hay datos disponibles sobre el costo energético de dicho controlador de carga. Por lo tanto, no queda más remedio que estimar el costo energético en función del costo financiero, que es de cuatro a doce veces más caro que un controlador de carga para una batería de plomo-ácido. Suponiendo un costo cuatro veces más alto, la energía incrustada del controlador de carga aumenta a 480 MJ, o 1,440 MJ durante un período de 30 años. El costo total de energía para el sistema es entonces de 6,685 MJ, menos que un sistema comparable con baterías de plomo-ácido. De esto, casi el 70% se atribuye al almacenamiento de la batería. ↩︎
Las baterías de níquel-hierro son incluso más grandes y más pesadas que las baterías de plomo-ácido y requieren un mantenimiento regular. Pero pueden descargarse completamente y tienen una vida útil muy larga (20 años). Además, se pueden utilizar con los mismos controladores de carga que las baterías de plomo-ácido. El costo de por vida durante 30 años para la batería es de 750 euros, más barato que las seis baterías de plomo-ácido de capacidad similar. El costo total de por vida para un sistema de batería de níquel-hierro con paneles solares de 100 W es de 1,020 euros, de los cuales el 85% se destina al almacenamiento de energía. Lamentablemente, las baterías de níquel-hierro son difíciles de encontrar, especialmente los modelos más pequeños. Fuentes: https://beyondoilsolar.com/product/nickel-iron-battery-industrial-series/ & https://beyondoilsolar.com/product-category/batteries/nickel-iron/ ↩︎
De hecho, el precio de los paneles solares en una instalación solar algo más grande sería proporcionalmente aún menor. Esto se debe a que los paneles solares con tamaños pequeños (como 50W) son proporcionalmente más caros por vatio de capacidad pico que los paneles solares con tamaños más convencionales (a partir de 250W en adelante). Más o menos lo mismo se aplica al costo energético. ↩︎
https://livingenergyfarm.org ↩︎
Alexis Zeigler, fundador de Living Energy Farm, escribió un libro sobre el proyecto, que está disponible en línea en su totalidad: Empowering Communities. A Practical Guide to Energy Self Sufficiency and Stopping Climate Change. Tambien se puede comprar en formato impreso. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Dado que la energía solar directa no requiere un controlador de carga para cada sistema por separado, dividir un sistema solar no implica costos adicionales ni consumo de energía. ↩︎
La investigación muestra que duplicar el grosor del aislamiento de 2.5 cm (aislamiento estándar) a 5 cm reduce el consumo anual de electricidad de un refrigerador (capacidad de 50 litros) de 250 a 125 kilovatios-hora.¹³ Con un grosor de aislamiento de 10 a 12.5 cm, el consumo de electricidad se reduce a la mitad nuevamente, llegando a alrededor de 60 kilovatios-hora por año. Un aislamiento aún más grueso produce una reducción más pequeña en el consumo de electricidad y ya no resulta atractivo debido a que el aislamiento adicional también aumenta el costo y el tamaño del refrigerador. El estudio se refiere a un refrigerador con energía solar que funciona gracias a un inversor y una batería, siendo menos eficiente en términos de energía que un refrigerador solar directo. ↩︎
Gupta, B. L., Mayank Bhatnagar, and Jyotirmay Mathur. “Optimum sizing of PV panel, battery capacity and insulation thickness for a photovoltaic operated domestic refrigerator.” Sustainable Energy Technologies and Assessments 7 (2014): 55-67. ↩︎ ↩︎
Esta masa térmica puede ser literalmente un recipiente de agua colocado dentro del refrigerador o algunas botellas de agua para beber. Pero el agua también se puede almacenar en depósitos a lo largo del costado del electrodoméstico, detrás de un revestimiento interno que las mantiene en su lugar y las oculta a la vista. El agua tiene una mayor densidad de almacenamiento de calor que el aire, lo que ayuda a mantener la temperatura estable por más tiempo. ↩︎
Ewert, M., et al. “Photovoltaic direct drive, battery-free solar refrigerator field test results.” Proceedings of the solar conference. American solar energy society; American institute of architects, 2002. ↩︎ ↩︎
Esta ventaja sólo se aplica si el refrigerador se instala en una habitación no climatizada. La moderna costumbre de colocar un refrigerador en una cocina climatizada cuando la temperatura exterior en invierno es igual o inferior a la del refrigerador es evidentemente absurdamente derrochadora. Sin embargo, esta ventaja tampoco es válida en países tropicales, donde las temperaturas son altas durante todo el año. ↩︎
El uso de energía solar directa para la refrigeración de espacios no se ha analizado tan exhaustivamente como en el caso de los refrigeradores domésticos. Consulta: Luerssen, Christoph, et al.“Life cycle cost analysis (LCCA) of PV-powered cooling systems with thermal energy and battery storage for off-grid applications.” Applied energy 273 (2020): 115145. Además, es poco probable lograr ahorros de energía igualmente significativos. Un refrigerador siempre está aislado, pero en el caso de una habitación o edificio enfriado por aire, esto no es necesariamente así. Además, un refrigerador se coloca en una habitación donde hay una temperatura estable. Un edificio está sujeto a mayores fluctuaciones de temperatura y también puede ser calentado por radiación solar directa. Por lo tanto, la refrigeración solar directa del aire es mucho más complicada. Consulta: Qi, Ronghui, Lin Lu y Yu Huang. “Parameter analysis and optimisation of the energy and economic performance of solar-assisted liquid desiccant cooling system under different climate conditions.” Energy conversion and management 106 (2015): 1387-1395. ↩︎
Solar Electric Cooking, Pete Schwartz, Cal Poly Physics. Consulta this PowerPoint del mismo autor. ↩︎
Insulated Solar Electric Cooker with Solid Thermal Storage, Andrew McCombs et al., 2022. See also this video. ↩︎
Consulta: Ferreira, Carlos Infante, and Dong-Seon Kim. “Techno-economic review of solar cooling technologies based on location-specific data.” International Journal of Refrigeration 39 (2014): 23-37. ///// Riffat, James, et al. “Development and testing of a PCM enhanced domestic refrigerator with use of miniature DC compressor for weak/off grid locations.” International Journal of Green Energy 19.10 (2022): 1118-1131. ///// Du, Wenping, et al. “Dynamic energy efficiency characteristics analysis of a distributed solar photovoltaic direct-drive solar cold storage.” Building and Environment 206 (2021): 108324. ///// Alsagri, Ali Sulaiman. “Photovoltaic and photovoltaic thermal technologies for refrigeration purposes: an overview.” Arabian journal for science and engineering 47.7 (2022): 7911-7944. ↩︎
Debido a la falta de investigación, no está claro si lo mismo se aplica al consumo de energía incrustada. ↩︎
En ambos casos, sin embargo, es necesario omitir el interruptor del dispositivo, porque la electricidad de corriente continua (CC) produce más calor que la electricidad de corriente alterna (CA). En su lugar, un interruptor externo adecuado puede ayudar, pero al hacerlo, se evita el mecanismo de seguridad del dispositivo, lo cual obviamente representa un riesgo. ¹⁰ Una vez más, esto no tiene que ser así: es técnicamente posible fabricar dispositivos aptos para funcionar con energía solar directa. ↩︎
Un compresor de velocidad fija solo puede utilizar el 50% de la energía solar producida de forma útil, mientras que un compresor de velocidad variable utiliza aproximadamente el 75% de forma útil. ¹⁵ Se necesita un condensador para proporcionar al compresor un impulso de energía durante la fase de arranque. ↩︎
En lugar de un convertidor CC-CC, también puede instalar una pequeña “batería de reserva” y un controlador de carga. Al igual que un convertidor CC-CC, el controlador de carga garantizará un voltaje de salida estable. Además, la pequeña batería puede proporcionar un almacenamiento de energía limitado que puede ser útil para manejar picos cortos en el consumo de energía. Por ejemplo, algunos dispositivos tienen un pico de corriente cuando se cargan. La desventaja de una batería de reserva es que el costo y la energía incorporada aumentan, y los componentes adicionales pueden fallar. Un condensador es una tecnología alternativa para absorber picos de potencia. ↩︎
Sin embargo, el uso de dispositivos de corriente continua de bajo voltaje es mucho más eficiente energéticamente porque los paneles solares también producen corriente continua de bajo voltaje: https://qelnixcor.cloud/2016/04/slow-electricity-the-return-of-dc-power/ ↩︎
Insulated Solar Cooker Construction Manual, Living Energy Farm. Insulated solar electric cooker manual, Pete Schwartz, Cal Poly Physics. Roxy Oven Manual, Living Energy Farm. Video presentation manual solar electric cookers, Alexis Zeigler, Living Energy Farm. Video manual for making heating wires. Thermal heat storage: Insulated Solar Electric Cooker with Solid Thermal Storage, Andrew McCombs et al., 2022. Also see this video. ↩︎

Manteniendo Algunas Luces Encendidas: Redefiniendo la Seguridad Energética

Tue, 16 Jan 2024 00:00:00 +0000

Mantener un suministro constante de algo que es finito es imposible. Imagen: [Camilla MP](https://www.flickr.com/photos/dieknochenblume/8454004839/in/photolist-nJrNa3-z9St6d-vicpX8-bjNYMa-CNWajb-PKUbFu-8TqWZX-qzaoch-r3Gb3J-28jYUV3-p3gMD1-snwVj-2chyArN-4ehCVH-cWuLz-dT3Z78-pnFKK9-5qGDSP-hxU2d7-24uoKVs-f7CoCe-93ZqZQ-jPMVaK-T4yoN-4HiX59-97Kq68-23hFdSw-jE59uD-9aFpr7-68DbEo-NvymKZ-335BtT-8RtT65-a6Jut4-nt2zNy-qrkSGP-HPM9ee-bcdyA2-5Fy731-FGSpvq-eqKSpH-8jGFmq-qcFSw4-6USSog-dJEYby-jk3JQ2-7BMzWV-jetX2F-hLnHJy-5SHzAW).

A medida que una sociedad depende más de las fuentes de energía para su funcionamiento diario, se vuelve más vulnerable si se interrumpe el suministro de energía. Este hecho evidente se ignora en las estrategias actuales para lograr la seguridad energética, volviéndolas contraproducentes.

¿Qué es la Seguridad Energética?

¿Qué significa para una sociedad tener “seguridad energética”? Aunque existen más de cuarenta definiciones diferentes del concepto, todas comparten el criterio fundamental de que el suministro de energía siempre debe satisfacer la demanda de energía. Esto también implica que el suministro de energía debe ser constante, sin interrupciones en el servicio. ¹ ² ³ ⁴ Por ejemplo, la Agencia Internacional de Energía (AIE) define la seguridad energética como “la disponibilidad ininterrumpida de fuentes de energía a un precio asequible”, el Departamento de Energía y Cambio Climático de EE. UU. (DECC) define el concepto como “los riesgos de interrupción en el suministro de energía son bajos”, y la UE lo define como un “suministro estable y abundante de energía”. ⁵ ⁶ ⁷

Históricamente, la seguridad energética se lograba asegurando el acceso a bosques o turberas para la energía térmica y a fuentes de energía mecánica como humana, animal, eólica o hidráulica. Con la llegada de la Revolución Industrial, la seguridad energética pasó a depender del suministro de combustibles fósiles. Como concepto teórico, la seguridad energética está estrechamente relacionada con las crisis del petróleo de la década de 1970, cuando embargos y manipulaciones de precios limitaron el suministro de petróleo a las naciones occidentales. Como resultado, la mayoría de las sociedades industrializadas aún acumulan reservas de petróleo equivalentes a varios meses de consumo.

Aunque el petróleo sigue siendo tan vital para las economías industriales como lo era en la década de 1970, principalmente para el transporte y la agricultura, ahora se reconoce que la seguridad energética en las sociedades modernas también depende de otras infraestructuras, como las que suministran gas, electricidad e incluso datos. Además, estas infraestructuras están interconectándose cada vez más y dependen unas de otras. Por ejemplo, el gas es un combustible importante para la producción de energía, mientras que ahora se requiere que la red eléctrica opere los gasoductos. Las redes eléctricas son necesarias para ejecutar las redes de datos, y ahora las redes de datos son necesarias para ejecutar las redes eléctricas.

Las redes eléctricas son necesarias para operar las redes de datos, y las redes de datos son necesarias para operar las redes eléctricas.

Este artículo investiga el concepto de seguridad energética centrándose en la red eléctrica, que se ha vuelto tan vital para las sociedades industriales como el petróleo. Además, la electrificación se considera una forma de disminuir la dependencia de los combustibles fósiles, como los vehículos eléctricos, las bombas de calor y los aerogeneradores.

La “seguridad” o “confiabilidad” de una red eléctrica se puede medir con precisión mediante indicadores de continuidad como la “Probabilidad de Pérdida de Carga” (LOLP) y el “Índice de Duración Promedio de Interrupción del Sistema” (SAIDI). Utilizando estos indicadores, solo se puede concluir que las redes eléctricas en las sociedades industriales son muy seguras. Por ejemplo, en Alemania, la electricidad está disponible el 99,996% del tiempo, lo que corresponde a una interrupción del servicio de menos de media hora por cliente al año.⁸ Incluso los países con peor rendimiento en Europa (Letonia, Polonia, Lituania) tienen escasez de suministro de sólo ocho horas por cliente al año, lo que corresponde a una confiabilidad del 99,90%.⁸ La red eléctrica de EE. UU. se encuentra entre estos valores, con interrupciones de suministro de menos de cuatro horas por cliente al año (confiabilidad del 99,96%).⁹

¿Qué tan segura es una red eléctrica renovable?

En la operación actual de las infraestructuras, el paradigma es que los consumidores podrían y deberían tener acceso a tanta electricidad, gas, petróleo, datos o agua como deseen, en cualquier momento que lo deseen y durante el tiempo que lo deseen. El único requisito es que paguen la factura. Mirando al sector eléctrico, esta visión de la seguridad energética es bastante problemática, por varias razones. En primer lugar, la mayoría de las fuentes de energía de las que se produce electricidad son finitas, y mantener un suministro constante de algo finito es, por supuesto, imposible. A largo plazo, la estrategia para mantener la seguridad energética está destinada a fracasar. A corto plazo, puede alterar el clima y provocar conflictos armados.

La Agencia Internacional de Energía (AIE), creada tras la primera crisis del petróleo a principios de la década de 1970, fomenta el uso de fuentes de energía renovable para diversificar el suministro de energía y mejorar la seguridad energética a largo plazo. Un sistema de energía renovable no depende de importaciones extranjeras de energía ni es vulnerable a manipulaciones en los precios del combustible, que son las principales preocupaciones en una infraestructura energética basada en gran medida en los combustibles fósiles. Por supuesto, los paneles solares y las turbinas eólicas tienen vidas útiles limitadas y deben fabricarse, lo que también requiere recursos que podrían provenir del extranjero o que pueden agotarse. Pero, una vez instalados, los sistemas de energía renovable son “seguros” de una manera y por un período de tiempo que los combustibles fósiles (y la energía atómica) no lo son.

Las fuentes de energía renovable plantean desafíos fundamentales para la comprensión actual de la seguridad energética.

Además, la energía solar y eólica brinda mayor seguridad en cuanto a fallos físicos o sabotajes, aún más cuando la producción de energía renovable está descentralizada. Las plantas de energía renovable también tienen emisiones de CO2 más bajas, y los eventos climáticos extremos causados por el cambio climático representan un riesgo para la seguridad energética. Sin embargo, a pesar de todas estas ventajas, las fuentes de energía renovable plantean desafíos fundamentales para la comprensión actual de la seguridad energética. Lo más importante es que las fuentes de energía renovable con mayor potencial, como el sol y el viento, solo están disponibles intermitentemente, según el clima y las estaciones. Esto significa que la energía solar y eólica no cumplen con el criterio que todas las definiciones de seguridad energética consideran esencial: la necesidad de un suministro ininterrumpido e ilimitado de energía.

Imagen: [Eduard Bezembinder](https://www.flickr.com/photos/bezembinder/3560945758/in/photolist-6qEM7w-7urQui-iSeKZ-8VjqeD-dUgKQ-e4ybCy-eke2Zk-ekeCdc-eke4NV-qBE1z-6Dfw5n-68EJKh-ekk6Rs-qBE2V-NqkS-oWp8Du-psYQc1-pCDop-5JSFFH-9fr321-oguPbE-6pZ6MT-dZ9YLx-vhpHJb-3oeLdu-69J2h1-7hatWp-d26CpQ-27dVzAC-5BEpZz-sUBfz-7B8zeq-HkygG-bHhG5R-2UoYjD-bRCZnx-o1e2oL-4LcBmy-69vhwD-ekz9ec-bLqreV-5jtvAp-2GUCLK-GpCny7-s36gn-dy6aBU-8moRHP-8rrRxd-5BJJyC-8KdmGR).

La fiabilidad de una red eléctrica con un alto porcentaje de energía solar y eólica estaría significativamente por debajo de los estándares actuales de continuidad del servicio. ¹⁰ ¹¹ ¹² ¹³ ¹⁴ En una red eléctrica renovable de este tipo, el suministro de energía las 24 horas, los 7 días de la semana, solo se puede mantener a costos muy elevados, ya que requiere una infraestructura extensa para el almacenamiento de energía, la transmisión de energía y la capacidad de generación excedente. Esta infraestructura adicional corre el riesgo de hacer que una red eléctrica renovable sea insostenible, porque, por encima de un cierto umbral, la energía de los combustibles fósiles utilizada para construir, instalar y mantener esta infraestructura se vuelve más alta que la energía de los combustibles fósiles ahorrada por los paneles solares y las turbinas eólicas.

Las fuentes de energía renovable como el viento y el sol tienen ventajas que las definiciones actuales de seguridad energética no capturan

La intermitencia no es la única desventaja de las fuentes de energía renovable. Aunque muchos medios de comunicación y organizaciones medioambientales han pintado un panorama de la energía solar y eólica como fuentes abundantes de energía (“El sol entrega más energía a la Tierra en una hora de la que el mundo consume en un año”), la realidad es más compleja. El suministro “bruto” de energía solar (y eólica) es realmente enorme. Sin embargo, debido a su muy baja densidad de potencia, para convertir este suministro de energía en una forma útil, los paneles solares y las turbinas eólicas requieren magnitudes de espacio y materiales mucho mayores en comparación con las plantas de energía térmica, incluso si se incluye la extracción y distribución de combustibles. ¹⁵ Por lo tanto, una red eléctrica renovable no puede garantizar que los consumidores tengan acceso a tanta electricidad como deseen, incluso si las condiciones meteorológicas son óptimas.

¿Qué tan seguro es un sistema de energía fuera de la red?

Las políticas energéticas actuales relacionadas con la electricidad intentan conciliar tres objetivos: un suministro ininterrumpido e ilimitado de energía, la asequibilidad de los precios de la electricidad y la sostenibilidad ambiental. Una red eléctrica basada principalmente en combustibles fósiles y energía nuclear no puede lograr el objetivo de la sostenibilidad ambiental y solo puede alcanzar los otros objetivos siempre y cuando los proveedores extranjeros no corten los suministros o aumenten los precios de la energía (o mientras no se agoten las reservas nacionales o internacionales).

Sin embargo, una red eléctrica renovable tampoco puede conciliar estos tres objetivos. Para lograr un suministro ininterrumpido las 24 horas, los 7 días de la semana, la infraestructura debe ser sobredimensionada, lo que la hace cara e insostenible. Sin esa infraestructura, una red eléctrica renovable podría ser asequible y sostenible, pero nunca podría ofrecer un suministro ilimitado las 24/7. En consecuencia, si queremos una infraestructura de energía que sea asequible y sostenible, necesitamos redefinir el concepto de seguridad energética y cuestionar el criterio de un suministro de energía ilimitado e ininterrumpido.

Si miramos más allá de las típicas infraestructuras centralizadas a gran escala en las sociedades industriales, queda claro que no todos los sistemas de provisión ofrecen un suministro ilimitado de recursos. La microgeneración fuera de la red, la producción y almacenamiento local de electricidad mediante baterías y paneles solares fotovoltaicos o aerogeneradores, es un ejemplo. En principio, los sistemas fuera de la red pueden dimensionarse de manera que estén “siempre encendidos”. Esto se puede lograr siguiendo el “método del peor mes”, que sobredimensiona la capacidad de generación y almacenamiento para que el suministro pueda satisfacer la demanda incluso durante los días más cortos y oscuros del año.

Ajustar el suministro a la demanda en todo momento hace que un sistema fuera de la red sea muy costoso e insostenible, especialmente en climas con alta estacionalidad

Sin embargo, al igual que en una imaginaria red de energía renovable a gran escala, ajustar el suministro a la demanda en todo momento hace que un sistema fuera de la red sea muy costoso e insostenible, especialmente en climas con alta estacionalidad. ¹⁶ ¹⁷ ¹⁸ Por lo tanto, la mayoría de los sistemas fuera de la red se dimensionan según un método que busca un equilibrio entre confiabilidad, costo económico y sostenibilidad. El “método de dimensionamiento de la probabilidad de pérdida de carga” especifica un número de días al año en los que el suministro no coincide con la demanda. ¹⁹ ²⁰ ²¹ En otras palabras, el sistema se dimensiona no sólo según una demanda de energía proyectada, sino también según el presupuesto disponible y/o el espacio disponible.

Imagen: [Stephen Yang / The Solutions Project](https://www.flickr.com/photos/149368236@N06/33068752693/in/photolist-Sob15v-bBnpyx-keyKG-cuaVX3-nuP1zk-U2eVh7-cuaWEf-pskKMf-cuaswE-p27cJW-cu9SQu-cuaMky-mCLFCt-ajiCfB-4AFrsp-943usV-TyoqrN-pu9HK-erKVcJ-aYHgDT-7zrUXc-tQv77b-6xot6g-baF4gg-Xjymka-qHgAkg-ii2jys-9eD7tj-9fJDFi-Ge2Mn-guUowg-amvdKB-cvDZ15-79wfLn-c6XjSS-ddFjjF-9KYuQV-8Zp8z6-guV3wK-9P1nHp-q5c2cz-9RCRVu-cD8w4d-9YDNzC-7ehy1e-4obYkG-8tkNMS-cvDZru-4obYtN-23Aqhr).

Dimensionar un sistema de energía fuera de la red de esta manera genera reducciones significativas de costos, incluso si se reduce un poco la “confiabilidad”. Por ejemplo, un cálculo para una casa fuera de la red en España muestra que disminuir la confiabilidad del 99.75% al 99.00% produce una reducción del 60% en los costos, con beneficios similares para la sostenibilidad. El suministro se interrumpiría durante 87.6 horas al año, en comparación con las 22 horas en el sistema de mayor confiabilidad. ¹⁶

Según la comprensión actual de la seguridad energética, los sistemas de energía fuera de la red dimensionados de esta manera son un fracaso: el suministro de energía no siempre satisface la demanda de energía. Sin embargo, aquellos que viven fuera de la red no parecen quejarse de la falta de seguridad energética, al contrario. Hay una razón simple para esto: adaptan su demanda de energía a un suministro de energía limitado e intermitente.

En su libro de 2015 Off-the-Grid: Re-Assembling Domestic Life, Phillip Vannini y Jonathan Taggart documentaron sus viajes por Canadá para entrevistar a alrededor de 100 hogares fuera de la red. ²² Entre sus observaciones más importantes se encuentra que aquellos que viven fuera de la red de manera voluntaria utilizan menos electricidad en general y se adaptan rutinariamente a su demanda de energía según el clima y las estaciones.

Quienes viven fuera de la red de manera voluntaria utilizan menos electricidad en general y se adaptan rutinariamente a su demanda de energía según el clima y las estaciones.

Por ejemplo, las lavadoras, aspiradoras, herramientas eléctricas, tostadoras o consolas de videojuegos no se usan en absoluto o solo se utilizan durante períodos de abundante energía, cuando las baterías ya no pueden almacenar más carga. Si el cielo está nublado, quienes viven fuera de la red actúan de manera diferente para consumir menos energía y tener algo más para el día siguiente. Vannini y Taggart también observan que quienes viven fuera de la red de manera voluntaria parecen sentirse perfectamente satisfechos con niveles de iluminación o calefacción diferentes a los estándares que muchos en el mundo occidental han llegado a esperar. A menudo, esto se manifiesta en la concentración de actividades alrededor de fuentes de calor y luz más localizadas. ²²

Observaciones similares se pueden hacer en lugares donde las personas, de manera involuntaria, dependen de infraestructuras que no están siempre en funcionamiento. Si las redes centralizadas de agua, electricidad y datos están presentes en países menos industrializados, a menudo se caracterizan por interrupciones regulares e irregulares en el suministro. ²³ ²⁴ ²⁵ Sin embargo, a pesar de la muy baja confiabilidad de estas infraestructuras, según los indicadores comunes de continuidad, la vida continúa. Las rutinas diarias en los hogares se adaptan a las interrupciones de los sistemas de suministro, que se perciben como normales y una parte en gran medida aceptada de la vida. Por ejemplo, si la electricidad, el agua o Internet solo están disponibles durante ciertas horas del día, las tareas domésticas u otras actividades se planifican en consecuencia. Además, las personas utilizan menos energía en general: la infraestructura simplemente no permite un estilo de vida intensivo en recursos. ²³

Más confiable, ¿menos seguro?

La muy alta “confiabilidad” de las redes eléctricas en las sociedades industriales se justifica mediante el cálculo del “valor de la carga perdida” (VOLL), que compara la pérdida financiera debido a las escaseces de energía con los costos adicionales de inversión para evitar estas escaseces. ¹ ¹⁰ ²⁶ ²⁷ ²⁸ ²⁹ Sin embargo, el valor de la carga perdida depende en gran medida de cómo esté organizada la sociedad. Cuanto más dependa de la electricidad, mayores serán las pérdidas financieras debido a las escaseces de energía.

Las definiciones actuales de seguridad energética consideran que la oferta y la demanda no están relacionadas y se centran casi por completo en asegurar la oferta de energía. Sin embargo, las formas alternativas de infraestructuras energéticas, como las descritas anteriormente, demuestran que las personas se adaptan y ajustan sus expectativas a un suministro de energía limitado y no siempre disponible. En otras palabras, la seguridad energética se puede mejorar no solo aumentando la confiabilidad, sino también reduciendo la dependencia de la energía.

Imagen: Terminal de almacenamiento de gas natural. [Jason Woodhead](https://www.flickr.com/photos/woodhead/7150825737/in/photolist-bTTRmV-85JomL-jysSQn-fw7gTZ-5Jkm2T-eDueWy-ohYc4x-fFxZCm-eD8VG8-eDfhqy-8pCnxZ-qPTdqx-22WNtVf-fFybmb-fFxRVG-fFyhCf-mGNU1p-24mDPG2-8efS2s-fFguSX-nN4pMi-fFgpjT-6br69i-hVGdgU-9DSQQ5-cDwVt-EqVP-dp7vJX-fwmwQh-oHAfHH-fFy6QS-fFgvS8-aaCofJ-fFxW5L-agEkAL-eDfonE-fFgrrn-eD9m9a-PLLffy-fFggcX-fFgka6-nRdzs-fFgwFH-88JrU8-nN4epz-2atchc9-nN523B-24mDNL4-2atciAb-GFzRM).

La demanda y la oferta también están interconectadas y se influyen mutuamente en sistemas eléctricos 24/7, pero con el efecto opuesto. Al igual que las infraestructuras de energía “no confiables” fuera de la red fomentan estilos de vida menos dependientes de la electricidad, las infraestructuras “confiables” fomentan estilos de vida que dependen cada vez más de la electricidad.

Las sociedades industriales con redes eléctricas “confiables” son, de hecho, las más débiles y frágiles frente a las interrupciones en el suministro.

En su libro de 2018 Infrastructures and Practices: the Dynamics of Demand in Networked Societies, Olivier Coutard y Elizabeth Shove argumentan que un suministro de energía ilimitado e ininterrumpido ha permitido que las personas en las sociedades industriales adopten una multitud de tecnologías dependientes de la energía, como lavadoras, aires acondicionados, refrigeradores, puertas automáticas o acceso a Internet móvil las 24 horas del día, los 7 días de la semana, que se vuelven “normales” y centrales para la vida cotidiana. Al mismo tiempo, formas alternativas de hacer las cosas, como lavar la ropa a mano, almacenar alimentos sin electricidad, mantenerse fresco sin aire acondicionado o navegar y comunicarse sin teléfonos móviles, han desaparecido o están desapareciendo.

Como resultado, la seguridad energética es, de hecho, mayor en los sistemas de energía fuera de la red y en infraestructuras de energía central “no confiables”, mientras que las sociedades industriales son las más débiles y frágiles frente a las interrupciones en el suministro. Lo que generalmente se asume como una prueba de seguridad energética, un suministro de energía ilimitado e ininterrumpido, en realidad está volviendo a las sociedades industriales cada vez más vulnerables a las interrupciones en el suministro: las personas carecen cada vez más de las habilidades y la tecnología para funcionar sin un suministro continuo de energía.

Redefiniendo la seguridad energética

Para llegar a una definición más precisa de la seguridad energética, es necesario definir el concepto no en términos de commodities como kilovatios-hora de electricidad, sino en términos de servicios energéticos, prácticas sociales o necesidades básicas. ¹ Las personas no necesitan electricidad en sí misma. Lo que necesitan es almacenar alimentos, lavar la ropa, abrir y cerrar puertas, comunicarse entre sí, moverse de un lugar a otro, ver en la oscuridad, y así sucesivamente. Todas estas cosas se pueden lograr ya sea con o sin electricidad, y en el primer caso, con más o menos electricidad.

Definida de esta manera, la seguridad energética no se trata solo de asegurar el suministro de electricidad, sino también de mejorar la resiliencia de la sociedad, de manera que dependa menos de un suministro continuo de energía. Esto incluye la resiliencia de las personas (¿tienen las habilidades para hacer cosas sin electricidad?), la resiliencia de dispositivos y sistemas tecnológicos (¿pueden manejar un suministro intermitente de energía?), y la resiliencia de las instituciones (¿es legal operar una red eléctrica que no está siempre encendida?). Dependiendo de la resiliencia de la sociedad, una interrupción del suministro eléctrico puede o no conducir a una interrupción de los servicios energéticos o prácticas sociales.

Por ejemplo, aunque nuestro sistema de distribución de alimentos depende de una cadena de frío que requiere un suministro continuo de energía, existen muchas alternativas. Podríamos adaptar los refrigeradores a un suministro eléctrico irregular aislando mucho mejor, podríamos reintroducir bodegas frías (que mantienen los alimentos frescos sin electricidad), o podríamos volver a aprender métodos antiguos de almacenamiento de alimentos, como la fermentación. También podríamos mejorar las habilidades de las personas en términos de cocina fresca, cambiar a dietas basadas en ingredientes que no necesitan almacenamiento en frío y fomentar las compras diarias locales en lugar de viajes semanales a grandes supermercados.

Para mejorar la seguridad energética, debemos volver menos confiables las infraestructuras.

Si examinamos la seguridad energética de manera más integral, teniendo en cuenta tanto la oferta como la demanda, rápidamente queda claro que la seguridad energética en las sociedades industriales sigue deteriorándose. Seguimos delegando cada vez más tareas a máquinas, computadoras e infraestructuras a gran escala, aumentando así nuestra dependencia de la electricidad. Además, Internet se está volviendo tan esencial como la red eléctrica, y tendencias como la computación en la nube, el Internet de las cosas y los vehículos autónomos se basan en varias capas interconectadas de infraestructuras que operan de manera continua.

Imagen: Una línea eléctrica abandonada.[Miura Paulison](https://www.flickr.com/photos/paulisson_miura/10318768955/in/photolist-gHQovz-kCLi9r-82pqq6-f4539G-6i3Aih-5m5G9b-6RkZvr-6V6k85-2b9wdNP-4DvxJx-WfvmJT-5CGLgF-5C1ojh-eANWrM-kjDG4Z-9QKWz-DnnTH9-ntvKWL-82sxbf-UssMS3-deJRBD-d6qh1S-5C1ooU-tkcYLj-MpbqCB-84zF9u-5CM5d7-5CM51J-82ppX6-a1H2sr-Rd9o59-a1LEed-6W3He9-VCD56X-bg3vgT-5BW5CT-82sxDb-2b1hTxi-6hpZ1g-8d19tj-qm9Cy-cgpx3-gszM15-eANtbt-MpbCWK-98h2dj-7HyrGe-5md8aD-d9fLdq-2cyGoSv).

Porque la demanda y la oferta se influyen mutuamente, llegamos a una conclusión contraintuitiva: para mejorar la seguridad energética, necesitamos hacer que la red eléctrica sea menos confiable. Esto fomentaría la resiliencia y la sustitución, haciendo que las sociedades industriales sean menos vulnerables a las interrupciones en el suministro. Coutard y Shove argumentan que “tendría sentido prestar más atención a las oportunidades de innovación que surgen cuando los grandes sistemas de red se debilitan y abandonan, o cuando se vuelven menos confiables”. Añaden que las experiencias de quienes viven sin conexión a la red “brindan algunas ideas sobre los tipos de configuración en juego”. ³⁰

Argumentar a favor de un suministro eléctrico menos confiable seguramente generará controversia. De hecho, la frase “Mantener las luces encendidas” se utiliza a menudo para justificar reformas energéticas como la construcción de más plantas atómicas o mantenerlas en funcionamiento más allá de sus vidas útiles planificadas. Para lograr una seguridad energética real, “mantener las luces encendidas” debería ser reemplazado por frases como “mantener algunas de las luces encendidas”, “¿cuáles luces deberíamos apagar a continuación?” o “¿qué tiene de malo un poco más de oscuridad?”. ³¹ Obviamente, un suministro de energía menos confiable traería cambios fundamentales a las rutinas y tecnologías, ya sea en hogares, fábricas, sistemas de transporte o redes de comunicación – pero ese es precisamente el punto. Las formas de vida actuales en las sociedades industriales simplemente no son sostenibles.

Este artículo fue originalmente escrito para el Centro de Demanda del Reino Unido.

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Abandone las Baterías: Almacenamiento de Energía de Aire Comprimido Fuera de Red

Wed, 16 May 2018 00:00:00 +0000

¿Desconectarse de la red? Piense dos veces antes de invertir en un sistema de baterías. El almacenamiento de energía de aire comprimido es la alternativa sostenible y resistente a las baterías, con una vida útil mucho más larga, menores costos de ciclo de vida, simplicidad técnica y bajo mantenimiento. Diseñar un sistema de almacenamiento de energía de aire comprimido que combine una alta eficiencia con un reducido espacio de almacenamiento no se explica por sí mismo, pero un creciente número de investigadores muestran que se puede realizar.

El almacenamiento de energía de aire comprimido (CAES) se considera generalmente como una forma de almacenamiento de energía a gran escala, comparable a una planta hidroeléctrica bombeada. Tal planta de CAES comprime el aire y lo almacena en una caverna subterránea, recuperando la energía expandiendo (o descomprimiendo) el aire a través de una turbina que hace funcionar una turbina.

Desafortunadamente, las plantas de CAES a gran escala son muy ineficientes energéticamente. Comprimir y descomprimir el aire introduce pérdidas de energía, lo que resulta en una eficiencia eléctrica a eléctrica del solo 40-52%, en comparación con 70-85% para las plantas hidroeléctricas bombeadas, y del 70-90% para las baterías químicas.

La baja eficiencia se debe principalmente a que el aire se calienta durante la compresión. Este calor residual, que contiene una gran parte de la energía de entrada, se vierte a la atmósfera. Un problema relacionado es que el aire se enfría cuando se descomprime, lo que reduce la producción de electricidad y posiblemente congela el vapor de agua en el aire. Para evitar esto, las plantas CAES a gran escala calientan el aire antes de la expansión utilizando gas natural, lo que deteriora aún más la eficiencia del sistema y hace que el almacenamiento de energía renovable dependa de los combustibles fósiles.

¿Por qué CAES a pequeña escala?

En el artículo anterior, presentamos varias ideas, inspiradas en sistemas históricos, que podrían mejorar la eficiencia de las plantas CAES a gran escala. En este artículo, nos centramos en el pequeño pero creciente número de ingenieros e investigadores que piensan que el futuro no está en el almacenamiento de energía a gran escala de aire comprimido, sino en sistemas a pequeña escala o microsistemas, utilizando recipientes de almacenamiento artificiales en la superficie en lugar de depósitos subterráneos. Dichos sistemas podrían estar desconectados de la red o conectados a la red, ya sea operando solos o junto con un sistema de batería.

La razón principal para investigar el almacenamiento descentralizado de energía de aire comprimido es el simple hecho de que dicho sistema podría instalarse en cualquier lugar, al igual que las baterías químicas. CAES a gran escala, por otro lado, depende de una geología subterránea adecuada. Aunque hay más sitios potenciales para plantas de CAES a gran escala que para plantas hidroeléctricas a gran escala, encontrar cavernas de almacenamiento adecuadas no es tan fácil como se había supuesto.¹²³

Configuración experimental del sistema de almacenamiento de energía de aire comprimido a pequeña escala. Fuente: [^27]

En comparación con las baterías químicas, los sistemas micro CAES tienen algunas ventajas interesantes. Lo que es más importante, una red distribuida de sistemas de almacenamiento de energía de aire comprimido sería mucho más sostenible y ambientalmente amigable. Durante su vida útil, las baterías químicas almacenan solo de dos a diez veces la energía necesaria para su fabricación. ⁴ Los sistemas CAES a pequeña escala funcionan mucho mejor que eso, principalmente debido a que su vida útil mucho más larga.

En comparación con las baterías químicas, una red distribuida de sistemas de almacenamiento de energía de aire comprimido sería mucho más sostenible y ambientalmente amigable.

Además, no requieren materiales inusuales o tóxicos, y el hardware es fácilmente reciclable. El almacenamiento descentralizado de energía de aire comprimido no necesita líneas de producción de alta tecnología y puede ser fabricado, instalado y mantenido por empresas locales, a diferencia de un sistema de almacenamiento de energía basado en baterías químicas. Finalmente, el micro CAES no tiene autodescarga, es tolerante a una gama más amplia de entornos y promete ser más económico que las baterías químicas. ⁵

Figura 2. Gráfico de barras muestra la relación entre la energía eléctrica total almacenada durante la vida útil de la tecnología de almacenamiento y su energía primaria incorporada. Los valores más altos consumen menos energía.

Aunque se estima que el costo de inversión inicial es más alto que el de un sistema de baterías (alrededor de 10,000 dólares para una instalación residencial), y aunque el almacenamiento sobre el suelo aumenta los costos en comparación con el almacenamiento subterráneo (el recipiente de almacenamiento es bueno para aproximadamente la mitad del costo de inversión), un sistema de almacenamiento de energía de aire comprimido ofrece una cantidad casi infinita de ciclos de carga y descarga. Por otro lado, las baterías deben reemplazarse cada pocos años, lo que las hace más costosas a largo plazo. ⁵⁶

Desafío: limitar el tamaño de almacenamiento

Sin embargo, la CAES descentralizada también enfrenta importantes desafíos. El primero es la eficiencia del sistema, que es un problema que afecta a los sistemas de pequeña y gran escala por igual, y el segundo es el tamaño del recipiente de almacenamiento, que es especialmente problemático para los sistemas CAES de pequeña escala.

Ambas cuestiones hacen que los sistemas de CAES a pequeña escala no sean prácticos. El espacio suficiente para un gran recipiente de almacenamiento no siempre está disponible, y una baja eficiencia de almacenamiento requiere una mayor planta de energía solar fotovoltaica o eólica para compensar dicha pérdida, elevando los costos y disminuyendo la sostenibilidad del sistema.

Para empeorar las cosas, la eficiencia del sistema y el tamaño de almacenamiento están inversamente relacionados: mejorar un factor a menudo es a expensas del otro. El aumento de la presión de aire minimiza el tamaño de almacenamiento pero disminuye la eficiencia del sistema, mientras que el uso de una presión más baja hace que el sistema sea más eficiente en términos de energía pero da como resultado un mayor tamaño de almacenamiento. Algunos ejemplos ayudan a ilustrar el problema.

Tanques de almacenamiento de energía de aire comprimido. [Fuente](http://www.screwtypeaircompressors.com/sale-8108163-vertical-compressed-air-tank-natural-gas-tank-2000l-air-receiver-tank.html).

Una simulación para un CAES autónomo destinado a brindar energía a áreas rurales, conectado a un sistema de energía solar fotovoltaica y usado solo para iluminación, opera a una presión de aire relativamente baja (8 bar) y obtiene una eficiencia de ciclo completo AC-AC del 60% –– comparable a la eficiencia de las baterías de al plomo ⁷

Sin embargo, para almacenar 360 Wh de energía eléctrica potencial, el sistema requiere un depósito de almacenamiento de 18 m3, el tamaño de una habitación pequeña que mide 3x3x2 metros. Los autores señalan que “aunque el tamaño del tanque parece muy grande, todavía es razonable para las aplicaciones en las zonas rurales”.

La eficiencia del sistema y el tamaño de almacenamiento están inversamente relacionados: mejorar un factor a menudo es a expensas del otro.

Tal sistema puede ser beneficioso en este contexto, especialmente porque tiene una vida útil mucho más larga que las baterías químicas. Sin embargo, una configuración similar en un contexto urbano con un alto consumo de energía es obviamente problemático. En otro estudio, se calculó que se necesitaría un tanque de almacenamiento de aire de 65 m3 para almacenar 3 kWh de energía. Esto corresponde a un recipiente a presión de 13 metros de largo con un diámetro de 2,5 metros, mostrado a continuación. ⁸

Figura 28. Tamaño de un tanque que puede almacenar 3 kWh de energía.

Además, el uso promedio diario doméstico de electricidad en los países industrializados es mucho mayor. Por ejemplo, en el Reino Unido es ligeramente inferior a 13 kWh por día, en EE. UU. y Canadá es de más de 30 kWh. En este último caso, se requerirían diez de tales tanques a presión de aire para almacenar electricidad suficiente para un día de uso.

Los sistemas CAES de pequeña escala a altas presiones dan resultados opuestos. Por ejemplo, una configuración modelo para un uso eléctrico doméstico típico en Europa (6.400 kWh por año) opera a una presión de 200 bar (casi 4 veces mayor que la presión en plantas CAES de gran escala) y logra un volumen de almacenamiento de solo 0,55 m3, que es comparable a las baterías. Sin embargo, la eficiencia de electricidad a electricidad de esta configuración es solo del 11-17%, dependiendo del tamaño del sistema solar fotovoltaico. ⁹

Dos estrategias para hacer el sistema Micro CAES funcionante

Estos ejemplos parecen sugerir que el almacenamiento de energía de aire comprimido no tiene sentido como un sistema de almacenamiento de energía a pequeña escala, incluso con una reducción en la demanda de energía. Sin embargo, y quizás sorprendente para muchos, este no es el caso.

Los sistemas CAES a pequeña escala no pueden seguir el mismo enfoque que los sistemas CAES a gran escala. Estos últimos aumentan la capacidad de almacenamiento y la eficiencia general mediante varias etapas de refrigeración intermedia (intercooling) y varias etapas de expansión con recalentamiento. Este método implica componentes adicionales y aumenta la complejidad y el costo, lo cual lo rinde inmpráctico para los sistemas a pequeña escala.

Lo mismo ocurre con los procesos “adiabáticos” (AA-CAES), que apuntan a utilizar el calor de compresión para recalentar el aire en expansión, siendo este el principal foco de investigación para CAES a gran escala. Para un sistema micro CAES, es muy importante simplificar la estructura lo máximo posible. ⁵¹⁰

Esto nos deja con dos estrategias de baja tecnología que se pueden seguir para lograr una capacidad de almacenamiento y una eficiencia energética similares a las de las baterías de plomo-ácido. En primer lugar, se podrían diseñar sistemas de baja presión que minimicen las diferencias de temperatura durante la compresión y la expansión. En segundo lugar, se podrían diseñar sistemas de alta presión en los que el calor y el frío de la compresión y la expansión se utilize en aplicaciones domésticas.

Pequeña escala, presión alta

Los sistemas de almacenamiento de energía de aire comprimido a pequeña escala con altas presiones de aire hacen que la ineficacia de la compresión y la expansión sean una ventaja. Mientras que el AA-CAES a gran escala tiene como objetivo recuperar el calor de compresión con el objetivo de maximizar la producción de electricidad, estos sistemas a pequeña escala aprovechan las diferencias de temperatura para permitir la trigeneración de energía eléctrica, calefacción y refrigeración. El calor disipado de la compresión se usa para calefacción residencial y producción de agua caliente, mientras que el aire frío de la expansión se utiliza para el enfriamiento y refrigeración. Las baterías químicas no logran esto.

Los sistemas de alta presión a pequeña escala utilizan el calor disipado de la compresión para la producción de calefacción residencial y agua caliente, mientras que el aire frío de expansión se utiliza para enfriamiento y refrigeración.

En estos sistemas, la eficiencia electricidad a electricidad es muy baja. Sin embargo, ahora hay varias eficiencias por definir, porque el sistema también suministra calor y frío. ¹⁰¹¹ Además, este enfoque puede convertir en innecesarios varios aparatos eléctricos, como el refrigerador, el aire acondicionado y la caldera eléctrica para calentar espacios y agua. Dado que el uso de estos dispositivos a menudo representa aproximadamente la mitad del uso de electricidad en un hogar promedio, un sistema CAES de pequeña escala con alta presión tiene una demanda de electricidad más baja en general.

Un compresor de aire típico. [Fuente](https://www.thomasnet.com/articles/machinery-tools-supplies/Air-Compressors).

Los sistemas de alta presión resuelven fácilmente el problema del tamaño de almacenamiento. Como hemos visto, una presión de aire más alta puede reducir en gran medida el tamaño de un recipiente de almacenamiento de aire comprimido, pero solo a expensas de un aumento del calor residual. En un sistema de pequeña escala que aprovecha las diferencias de temperatura para proporcionar calefacción yrefrigeración, esto es ventajoso. Por lo tanto, los sistemas de alta presión son ideales para edificios residenciales a pequeña escala, donde el espacio de almacenamiento es limitado y donde hay una gran demanda de calor y frío, así como de electricidad. Las únicas desventajas son que los sistemas de alta presión requieren tanques de almacenamiento más fuertes y costosos, y se require de un espacio adicional para los intercambiadores de calor.

Configuración experimental de un sistema micro CAES. Fuente: [^30]

Varios grupos de investigación han diseñado, modelado y construido unidades CAES de pequeña escala de calor y energía que proporcionan calefacción y refrigeración, así como electricidad. El sistema de alta presión con un volumen de almacenamiento de solo 0,55 m3, que mencionamos anteriormente, es un ejemplo de este tipo de sistema. ⁹ Como se señaló, su eficiencia eléctrica es solo del 11-17%, pero el sistema también produce suficiente calor para calentar 270 litros de agua por día. Si también se tiene en cuenta esta fuente de energía térmica, la eficiencia “exergética” de todo el sistema es cercana al 70%. Eficiencias similares de “exergía” pueden encontrarse en otros estudios, con sistemas que operan a presiones entre 50 y 200 ¹¹¹²

El calor y el frío de la compresión y la expansión se pueden distribuir a los dispositivos de calentamiento o enfriamiento por medio de agua o aire. La configuración de un sistema de calentamiento y enfriamiento de ciclo de aire es muy similar a un sistema CAES, excepto por el recipiente de almacenamiento. La calefacción y la refrigeración del ciclo del aire tiene muchas ventajas, que incluyen una alta fiabilidad, facilidad de mantenimiento y el uso de un refrigerante natural, que es favorable para el medio ambiente. ¹¹

Pequeña escala, presión baja

La segunda estrategia para lograr mayores eficiencias y menores volúmenes de almacenamiento es exactamente opuesta a la primera. En lugar de comprimir aire a alta presión y aprovechar el calor y frío de la compresión y expansión, una segunda clase de sistemas CAES de pequeña escala se basa en bajas presiones, y compresión y expansión “casi isotérmicas”.

Por debajo de las presiones de aire de aproximadamente 10 bar, la compresión y expansión del aire exhiben cambios de temperatura insignificantes (“casi isotérmicos”), y la eficiencia del sistema de almacenamiento de energía puede ser cercana al 100%. No hay calor residual y, en consecuencia, no hay necesidad de recalentar el aire al expandirse.

Figura 133. Compresor de tres etapas

La compresión isotérmica requiere la menor cantidad de energía para comprimir una cantidad determinada de aire a una presión determinada. Sin embargo, alcanzar un proceso isotérmico está todavía lejos de la realidad. Para empezar, solo funciona con compresores y expansores pequeños y/o de ciclo lento. Desafortunadamente, los compresores industriales típicos no están hechos para una máxima eficiencia sino para una potencia máxima y, por lo tanto, funcionan en condiciones de ciclos rápidos, no isotérmicos. Lo mismo se aplica para la mayoría de los expansores industriales. ¹³¹⁴

A presiones de aire inferiores a 10 bar, la compresión y la expansión del aire exhibe cambios insignificantes de temperatura y la eficiencia puede ser cercana al 100%.

El uso de compresores y expansores industriales explica en gran parte por qué los sistemas CAES de baja presión mencionados al principio de este artículo usan tan grandes recipientes de almacenamiento. Ambos sistemas se basan en dispositivos que funcionan fuera de sus condiciones óptimas o nominales. ¹⁵ Debido a que las ineficiencias se multiplican durante las conversiones de energía, incluso las diferencias relativamente pequeñas en la eficiencia de los compresores y los expansores pueden tener grandes efectos. Por ejemplo, una variación en la eficiencia del dispositivo del 60% al 80% da como resultado una eficiencia del sistema del 36% al 64%.

Nuevos tipos de compresores y expansores

Debido a que el rendimiento de un compresor y un expansor impactan significativamente en la eficiencia general de un sistema CAES de pequeña escala, varios investigadores han construido sus propios compresores y expansores, que están especialmente orientados al almacenamiento de energía. Por ejemplo, un equipo diseñó, construyó y examinó un compresor isotérmico de baja potencia de una etapa que utiliza un pistón líquido. ¹³ Este funciona a una tasa de compresión muy baja (entre 10-60 rpm), que corresponde a la salida de paneles solares fotovoltaicos, y limita la fluctuación de temperatura durante la compresión y la expansión a 2 grados Celsius.

El dispositivo de bajo costo tiene la mínima cantidad de partes móviles y obtiene eficiencias del 60 al 70% a una presión de 3 a 7 bares. ¹³ Esta es una eficiencia muy alta para un dispositivo tan simple, considerando que un sofisticado compresor centrífugo de tres etapas, utilizado en sistemas CAES de gran escala o en entornos industriales, tiene una eficiencia del 70% aproximadamente. Además, los investigadores afirman que la eficiencia está limitada por el motor estándar que utilizan para alimentar su compresor. De hecho, otro equipo de investigación logró una eficiencia del 83%. ¹⁶

Compresor Scroll Fuente: [^30]

Otra novedad es el uso de compresores scroll, que son compresores utilizados actualmente en refrigeradores, sistemas de aire acondicionado y bombas de calor. Tanto el compresor de pistón fluido como el de scroll tienen una alta relación área/volumen, lo que minimiza la producción de calor y maneja fácilmente el flujo de dos fases, lo que significa que también pueden ser usados como expansores. También son más ligeros y menos ruidosos que los compresores alternativos típicos. ¹⁴

Presión de aire variable

Although compressors and expanders are the most important determinants of system efficiency in small-scale CAES systems, they are not the only ones. For example, in every compressed air energy storage system, additional efficiency loss is caused by the fact that during expansion the storage reservoir is depleted and therefore the pressure drops. Meanwhile, the input pressure for the expander is required to vary only in a minimal range to assure high efficiency.

Aunque los compresores y los expansores son aquellos que determinan en mayor medida la eficiencia del sistema en los sistemas CAES de pequeña escala, no son los únicos. Por ejemplo, en cada sistema de almacenamiento de energía de aire comprimido, la pérdida de eficiencia adicional es causada por el hecho de que durante la expansión el depósito de almacenamiento se agota y, por lo tanto, la presión disminuye. Al mismo tiempo, se require una variación minima en la entrada para el expansor para así asegurar una alta eficiencia.

Esto generalmente se resuelve de dos maneras, aunque ninguna es realmente satisfactoria. En primer lugar, el aire puede almacenarse en un tanque con una presión excedente, luego de lo cual se reduce a la presión de entrada requerida del expansor. Este método, sin embargo, utilizado en CAES a gran escala, requiere un uso adicional de energía y, por lo tanto, introduce ineficiencia. En segundo lugar, el expansor puede operar en condiciones variables, pero en este caso la eficiencia disminuirá junto con la presión mientras se vacía el almacenamiento.

Durante la expansión, el depósito de almacenamiento se agota y, por lo tanto, la presión disminuye.

Con estos problemas en mente, un equipo de investigadores combinó un CAES de pequeña escala con una planta hidroeléctrica de bombeo a pequeña escala, lo que resultó en un sistema que mantiene una presión constante durante la descarga completa del depósito de almacenamiento. Consiste en dos tanques de aire comprimido que están conectados por una tubería sujeta a sus partes inferiores: cada uno de estos tienen espacios separados para el aire (debajo) y el almacenamiento de agua (arriba). La configuración mantiene una cabeza de agua por medio de una bomba, que consume el 15% de la potencia generada. Sin embargo, a pesar de este uso extra de energía, los investigadores lograron aumentar tanto la eficiencia como la densidad de energía del sistema. ¹¹

Almacenamiento de energía fuera la red (off-grid)

Para hacernos una idea de lo que puede lograr una combinación de los componentes correctos, echaremos un vistazo a un último proyecto de investigación. ¹⁷ Se trata de un sistema que se basa en un compresor/expansor hecho a medida, altamente eficiente, hecho a medida, que se acopla directamente a un motor/generador de CC. Además, la eficiencia posee una configuración innovadora. No utiliza solo un tanque grande de almacenamiento de aire, sino varios más pequeños, que están interconectados y controlados por una computadora.

La configuración opera a baja presión (máximo 5 bar) y está compuesta por la unidad de compresión / expansión acoplada a tres cilindros pequeños (7L), previamente utilizados como extintores de aire. Los recipientes de almacenamiento están conectados a través de tuberías de PVC y conexiones de latón. Para controlar el flujo de aire, se usan tres válvulas de aire, controladas por computadora, en la entrada de cada cilindro. El sistema se puede extender agregando más recipientes a presión. ¹⁷

Una configuración modular da como resultado una densidad de energía y una eficiencia del sistema mayor principalmente por dos razones. En primer lugar, ayuda a que se produzca una transferencia de calor más efectiva, ya que cada tanque de aire actúa como un intercambiador de calor adicional. En segundo lugar, permite un mejor control sobre la tasa de descarga del depósito de almacenamiento. Los cilindros pueden descargarse al unísono para satisfacer una demanda de alta densidad de potencia (más potencia a costa de un tiempo de descarga más corto) o pueden descargarse secuencialmente para satisfacer una demanda de alta densidad energética (mayor tiempo de descarga a costa de la potencia máxima).

Al descargar secuencialmente los cilindros de almacenamiento modulares, el tiempo de descarga aumenta considerablemente, haciendo que el sistema sea comparable a las baterías de plomo en términos de densidad de energía.

Al descargar los cilindros secuencialmente, el tiempo de descarga aumenta considerablemente, haciendo que el sistema sea comparable a las baterías de plomo en términos de densidad de energía. Descubrieron que 57 cilindros interconectados de 10 litros cada uno, operando a 5 bar, podían cumplir el trabajo de cuatro baterías de 24V durante 20 horas consecutivas, al mismo tiempo que tener un impacto de solo 0,6 m3.

Curiosamente, la capacidad de almacenamiento es de 410 Wh, la cual es comparable al sistema rural mencionado anteriormente de 360 Wh, que requiere un recipiente de almacenamiento de 18 m3, que es treinta veces más grande que el sistema de almacenamiento modular.

Válvulas de aire controladas por computador. [Fuente](http://www.jaksa.si/compressed-air-solenoid-valves.html).

La eficiencia eléctrica-a-eléctrica para la configuración de 3 cilindros alcanzó un máximo del 85% a una presión de 3 bar, mientras que la eficiencia estimada para la configuración de 57 cilindros es del 75%. Estos son valores comparables a las baterías de iones de litio, pero agregar más recipientes de almacenamiento u operar a presiones más altas presenta mayores pérdidas debido a la compresión, el calor, la fricción y los accesorios. ¹⁷¹⁸

Sin embargo, cuando envié un correo electrónico a Abdul Alami, el autor principal del estudio, pensando que los resultados eran demasiado buenos como para ser ciertos, me dijo que las cifras eran en realidad demasiado conservadoras: “Nos mantuvimos a bajas presiones para lograr una compression isotérmica y para garantizar un funcionamiento seguro. Operar a presiones superiores a 10 bar crearía graves pérdidas térmicas, pero una presión de 7-8 bar puede ser beneficiosa en términos de energía y densidad de potencia, aunque tal vez no lo sea en términos de eficiencia “.

¿Construirlo usted mismo?

En conclusión, el almacenamiento de energía de aire comprimido a pequeña escala podría ser una alternativa prometedora a las baterías, pero la investigación aún está en sus primeras etapas -el primer estudio sobre CAES a pequeña escala se publicó en 2010- y nuevas ideas continuarán arrojando luz sobre la mejor forma de desarrollar esta tecnología. Por el momento, no hay productos comerciales disponibles, y la configuración de su propio sistema puede ser bastante intimidante si es nuevo en la neumática. Tan solo agarrar los componentes y accesorios correctos es un dolor de cabeza, ya que vienen en una variedad desconcertante y solo son vendidos a las industrias.

Sin embargo, si es paciente y no demasiado descuidado, y si está decidido a utilizar un sistema de almacenamiento de energía más sostenible, es perfectamente posible construir su propio sistema CAES. Como han demostrado los ejemplos de este artículo, es un poco más difícil construir uno bueno.

Hay más ideas para sistemas de CAES de pequeña escala en el artículo anterior: Historia y futuro de la economía del aire comprimido.

Luo, Xing, et al. “Overview of current development in electrical energy storage technologies and the application potential in power system operation.” Applied Energy 137 (2015): 511-536. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261914010290 ↩︎
Laijun, C. H. E. N., et al. “Review and prospect of compressed air energy storage system.” Journal of Modern Power Systems and Clean Energy 4.4 (2016): 529-541. https://link.springer.com/article/10.1007/s40565-016-0240-5 ↩︎ ↩︎
Existe una creciente competencia por las potenciales unidades geológicas CAES, ya que muchas también son adecuadas para el almacenamiento de gas natural o captura de carbono. Además, el almacenamiento en cavernas impone requisitos rigurosos sobre las condiciones geográficas. Por ejemplo, el proyecto CAES de Iowa originalmente planificado en los EE. UU. se terminó debido a su condición de piedra arenisca porosa. ² ↩︎
Barnhart, Charles J., and Sally M. Benson. “On the importance of reducing the energetic and material demands of electrical energy storage.” Energy & Environmental Science 6.4 (2013): 1083-1092. https://gcep.stanford.edu/pdfs/EES_reducingdemandsonenergystorage.pdf ↩︎
Petrov, Miroslav P., Reza Arghandeh, and Robert Broadwater. “Concept and application of distributed compressed air energy storage systems integrated in utility networks.” ASME 2013 Power Conference. American Society of Mechanical Engineers, 2013. http://eddism.com/wp-content/uploads/2014/10/Paper-EDD-Concept-and-Application-of-Distributed-Compressed-Air-Energy-Storage-Systems-Integrated-in-Utility-Networks-July-2013.pdf ↩︎ ↩︎ ↩︎
Tallini, Alessandro, Andrea Vallati, and Luca Cedola. “Applications of micro-CAES systems: energy and economic analysis.” Energy Procedia 82 (2015): 797-804. ↩︎
Setiawan, A., et al. “Sizing compressed-air energy storage tanks for solar home systems.” Computational Intelligence and Virtual Environments for Measurement Systems and Applications (CIVEMSA), 2015 IEEE International Conference on. IEEE, 2015. https://www.researchgate.net/profile/Ardyono_Priyadi/publication/274898992_Sizing_Compressed-Air_Energy_Storage_Tanks_for_Solar_Home_Systems/links/5670e2c408ae2b1f87acf927.pdf ↩︎
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Minutillo, M., A. Lubrano Lavadera, and E. Jannelli. “Assessment of design and operating parameters for a small compressed air energy storage system integrated with a stand-alone renewable power plant.” Journal of Energy Storage 4 (2015): 135-144. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352152X15300207 ↩︎
Villela, Dominique, et al. “Compressed-air energy storage systems for stand-alone off-grid photovoltaic modules.” Photovoltaic Specialists Conference (PVSC), 2010 35th IEEE. IEEE, 2010. https://pdfs.semanticscholar.org/9f1d/4273f8deb4a0a18c86eb4056e2fd378f8f3f.pdf ↩︎ ↩︎ ↩︎
Prinsen, Thomas H. Design and analysis of a solar-powered compressed air energy storage system. Naval Postgraduate School Monterey United States, 2016. https://scholar.google.com/scholar?cluster=5783353621699682542&hl=nl&as_sdt=2005&sciodt=0,5 ↩︎ ↩︎
El sistema de pequeña escala destinado a entornos urbanos, que tiene un depósito de almacenamiento de 18 metros de largo, se basa en un compresor que “había estado en servicio durante 30 años en espacios donde proyectos de construcción se estaban llevando a cabo, para varias herramientas de aire y tenía poco mantenimiento”. “. ⁸ Esto es perjudicial para la eficiencia del sistema, ya que un compressor sin un adecuado mantenimiento pierde fácilmente hasta el 30% de su producción potencial a través de fugas de aire, mayor fricción o filtros de aire sucios. Este sistema de pequeña escala también usó un expansor altamente ineficiente. En conjunto, esto explica por qué este sistema tiene un volumen de almacenamiento muy grande con una eficiencia eléctricidad a electricidad muy baja (menos del 5%). ↩︎
Van de Ven, James D., and Perry Y. Li. “Liquid piston gas compression.” Applied Energy 86.10 (2009): 2183-2191. https://experts.umn.edu/en/publications/liquid-piston-gas-compression ↩︎
Alami, Abdul Hai, et al. “Low pressure, modular compressed air energy storage (CAES) system for wind energy storage applications.” Renewable Energy 106 (2017): 201-211. ↩︎ ↩︎ ↩︎
Abdul Alami, e-mail conversation. ↩︎