Desde la segunda mitad de 2020, las principales economías del mundo han propuesto objetivos de neutralidad de carbono a largo plazo, y la reducción de emisiones se ha convertido en un consenso global.
Cómo podemos reducir las emisiones específicamente?
Según las estadísticas de la Agencia Internacional de la Energía (AIE), en 2019, las energías fósiles tradicionales, como el petróleo, el carbón y el gas natural, seguían representando el 85% del consumo mundial de energía primaria, mientras que las energías renovables sólo ocupaban un 10%. Por lo tanto, para alcanzar bien los objetivos de reducción de emisiones de carbono a largo plazo, la transición energética es el único camino para todas las economías.
Cómo realizar la transición energética?
Utilizar menos carbón y menos gas, pero más energías renovables, lo que significa más electricidad.
En este proceso, con el aumento gradual de la electrificación mundial, ctrification, el almacenamiento de energía desempeñará un papel crucial en el sistema eléctrico. A diferencia de las fuentes de energía fósiles tradicionales, como el petróleo y el carbón, la producción y el consumo de electricidad deben realizarse al mismo tiempo, y la energía no puede almacenarse directamente en forma de energía eléctrica. Por lo tanto, cuando la producción de energía no se ajusta a la carga eléctrica, la estabilidad del sistema eléctrico afrontará desafíos. En este momento, el sistema de almacenamiento de energía (ESS) necesita ajustar el sistema de energía mediante la carga o la descarga.
Sistema de Energía (Referencia: Essence Securities)
I. Definición y clasificación del almacenamiento de energía
El almacenamiento de energía se refiere al almacenamiento de energía eléctrica, que es una tecnología y medida que utiliza medios químicos o físicos para almacenar energía eléctrica y proporcionarla cuando sea necesario.
Según el método de almacenamiento, el almacenamiento de energía puede dividirse en el mecánico, el electromagnético, el electroquímico, el térmico y el químico.
Entre ellos, el almacenamiento de energía mecánica por bombeo es el sistema más maduro en las aplicaciones comerciales actuales, el cual se utiliza generalmente en la energía térmica y la energía nuclear. El principio de funcionamiento del almacenamiento por bombeo es muy sencillo. Consiste en bombear agua desde un lugar bajo hasta un lugar alto y almacenarla a fin de luego liberar el agua para generar electricidad cuando sea necesario.
Almacenamiento por bombeo (Imagen: Drax)
El almacenamiento electroquímico de energía, representado por las baterías de iones de litio (LIBs) y las baterías de plomo-ácido, está en fase de demostración y despliegue. Sin embargo, tiene un gran potencial por su alta aplicabilidad para la energía fotovoltaica (FV) y eólica.
Otros sistemas de almacenamiento de energía siguen en fase de investigación y desarrollo y aún no se han industrializado, como el almacenamiento de energía mecánica mediante aire comprimido y volante de inercia, el almacenamiento de energía electromagnética mediante superconductores y supercondensadores y el almacenamiento de energía química.
Sistema de Almacenamiento de Energía
II.Datos del mercado de almacenamiento de energía en 2020
El almacenamiento por bombeo representó la mayor proporción, mientras que el almacenamiento de energía electroquímica se puso rápidamente al día.
Según la Alianza de Almacenamiento de Energía de China (CNESA), a finales de 2020, la capacidad instalada acumulada de almacenamiento de energía a nivel mundial alcanzó los 191,1 GW, con un aumento del 3,4% interanual.
En el mercado mundial de almacenamiento de energía, la capacidad instalada acumulada de almacenamiento por bombeo es la mayor, ocupando un 90,3%, y es seguida del almacenamiento de energía electroquímica, que representa un 7,5%. La capacidad instalada de almacenamiento térmico en sales fundidas representa el 1,8%, mientras que ocupan menos del 1% tanto el almacenamiento de energía mediante aire comprimido como el almacenamiento de energía a través de volante de inercia.
El almacenamiento de energía electroquímica es la tecnología más utilizada y con mayor potencial de desarrollo. Por lo tanto, el desarrollo actual de la tecnología de almacenamiento de energía a nivel mundial se concentra principalmente en este campo. A finales de 2020, la capacidad instalada acumulada de almacenamiento de energía electroquímica alcanzó los 14,2GW con un crecimiento interanual del 49,6%. Entre ellos, la capacidad instalada acumulada de baterías de iones de litio es la mayor, llegando a los 13,1GW.
Capacidad Instalada Acumulada del Mercado Mundial de Almacenamiento de Energía (Fuente: CNESA)
Como muestran los datos anteriores, el almacenamiento por bombeo ocupa actualmente la mayor parte del mercado, y el almacenamiento de energía LIB, el segundo lugar. Otras tecnologías de almacenamiento de energía representan una pequeña parte del mercado debido a varias razones, como el alto coste, la baja eficiencia, los escenarios de aplicación limitados y las grandes pérdidas por autodescarga. Por consiguiente, a continuación vamos a comparar las ventajas y desventajas del almacenamiento de energía por bombeo y el almacenamiento de energía LIB, y explicar por qué el segundo tiene un gran potencial en el futuro.
III. Almacenamiento de Energía de LIBs
— Gran Potencial
| Almacenamiento de Energía de LIBs | Almacenamiento por Bombeo |
Ventajas |
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Desventajas |
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Aplicaciones |
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En comparación con otras tecnologías de almacenamiento de energía, el almacenamiento por bombeo tiene muchas ventajas incomparables. Al tratarse de una tecnología centenaria, se ha desarrollado con mucha madurez. Además, tiene una vida útil de 80 o incluso 100 años. El almacenamiento por bombeo actual también tiene una eficiencia de almacenamiento extremadamente alta, que puede alcanzar hasta el 80%. Además de la pérdida de energía durante la carga y la descarga, la pérdida por autodescarga también es muy baja.
Es cierto que los inconvenientes del almacenamiento por bombeo son evidentes. Su construcción sufre grandes restricciones geográficas. Porque se requiere que los depósitos superior e inferior estén a una distancia relativamente corta y tengan una gran diferencia de altura. Como la diferencia de altura es limitada, la densidad de energía conseguida también lo es. Además, el hecho de que sea poco económica constituye la mayor limitación para el desarrollo de esta tecnología. Tiene unos costes de inversión elevados y un largo periodo de recuperación de la inversión, a menudo de más de 30 años. Peor aún, algunas inversiones no son rentables en absoluto.
Almacenamiento por bombeo (Imagen: iStock)
En comparación con el almacenamiento por bombeo, el almacenamiento de energía LIB tiene características más destacadas, como una tecnología madura, una vida de ciclo larga, una alta densidad energética y la protección del medio ambiente. Lo más importante consiste en que es muy adecuado para la energía fotovoltaica y eólica.
El informe anual, Estadísticas 2021 de Energías Renovables, de la Agencia Internacional de Energías Renovables (IRENA) muestra que la proporción de las energías renovables en toda la nueva capacidad de generación ha aumentado considerablemente durante dos años consecutivos. Más del 80% de toda la nueva capacidad de generación añadida en 2020 era renovable, y la energía solar y la eólica representaban el 91% de las nuevas renovables. Según el informe de la AIE, a finales de 2020, la capacidad instalada fotovoltaica acumulada a nivel mundial era de 760,4 GW. Veinte países añadieron más de 1GW de nueva capacidad fotovoltaica. Entre ellos, China, la Unión Europea y Estados Unidos ocupan los tres primeros puestos del mundo con una escala de 48,2GW, 19,6GW y 19,2GW respectivamente. La capacidad instalada acumulada de energía eólica es de 743GW.
Sin embargo, debido a la volatilidad, la intermitencia y la aleatoriedad de la energía fotovoltaica y eólica, la potencia es inestable, lo que intensifica el abandono de estas dos alternativas, y supone un reto para el funcionamiento estable de la red eléctrica.
El almacenamiento por bombeo, que es el sistema de almacenamiento de energía más utilizado en la actualidad, sólo es adecuado para la demanda de almacenamiento de energía de ciclo mensual a gran escala, pero es difícil satisfacer las necesidades de almacenamiento de energía de ciclo diario. Además, está limitado por el entorno geográfico y no puede construirse ni funcionar en zonas no acuáticas.
Por el contrario, el almacenamiento de energía de LIBs tiene un tiempo de respuesta rápido, por lo que puede adaptarse a las múltiples fluctuaciones de la energía eólica y fotovoltaica en un día. Es capaz de aportar un cierto grado de amortiguación para el acceso de nueva energía a la red eléctrica, así como desempeñar un papel en la suavización de las fluctuaciones, organización del tiempo en que consumen la electricidad los diferentes tipos de usuarios, y la programación de la energía. Además, no está limitado por la topografía y tiene una amplia gama de aplicaciones.
LIBs (Imagen: Drax)
El almacenamiento de energía de LIBs, combinado con la energía fotovoltaica y eólica, puede promover rápidamente la transformación energética global. Sin embargo, también conlleva un importante problema: el elevado coste de las LIBs.
Ⅳ.Tendencia de los costes de las LIBs
El sistema de almacenamiento de energía consta de muchos componentes. El más básico es la célula, que se compone de materiales de electrodos positivos y negativos, película de aislamiento, electrolito y lámina metálica. Un gran número de celdas se conectan en serie y en paralelo, y después se añaden al BMS, formando el paquete de baterías. Varios paquetes de baterías se conectan con los sistemas de gestión de baterías, como BOS y EMS, a través de fuentes de alimentación, y luego convierten la CC en CA mediante transformadores y PCS para formar un sistema completo de almacenamiento de energía, que puede conectarse a la red para su funcionamiento. Tomemos como ejemplo el sistema de almacenamiento de energía de tipo caja que utiliza baterías de fosfato de hierro y litio (lifepo4). En un sistema completo de almacenamiento de energía, el coste de lifepo4 representa aproximadamente un 58,6%, el del PCS, un 15,5%, el del BMS, un 12,6%, el del EMS, un 5,0%, y el de otros equipos, un 8,3%.
Sistema de Almacenamiento de LIBs (Imagen: InfoLink)
Las LIBs estaban limitadas en algunos mercados debido a su alto coste y escasa vida de ciclo. Pero en los dos últimos años, las LIBs se han beneficiado del rápido crecimiento del mercado de los vehículos eléctricos. Una vez que las LIBs se retiren de los vehículos eléctricos, pueden utilizarse en el campo del almacenamiento de energía en cascada, lo que reduce en gran medida el coste de las LIBs y abre una puerta al almacenamiento de energía. El año 2020 marca un hito de la tendencia de los precios de las LIBs. El coste de las celdas de las baterías descendió bruscamente en la pasada década, y la concentración de la industria aumentó. En cambio, se ralentizará el descenso de costes durante los próximos diez años, y la competencia mundial se intensificará. Según Bloomberg New Energy Finance, se espera que el coste de los sistemas de almacenamiento de energía baje a 165 dólares/kWh en 2030.
Tendencia de los costes de las LIBs (Fuente: InfoLink)
Para llevar a cabo la transición energética, la tecnología de almacenamiento de energía es la clave para el desarrollo de nuevas energías. No obstante, que el almacenamiento de energía pueda o no convertirse en la última pieza del puzzle del futuro sistema energético no sólo depende de la innovación tecnológica, sino que también requiere un entorno político proactivo, un mercado y una cuidadosa planificación.
Referencias
[1] Energy Storage, Wikipedia
[2] Hongbo Tang, Overview of China’s Electrochemical Energy Storage Industry in 2020, Lead Leo Research Institute, 2020
[3] Lithium Battery Prices Have Slowed Down, But There Is Still About 50% Room Under The Leadership Of Major Manufacturers, InfoLink, 2021
[4] Report On 2020 Global Photovoltaic, International Energy Agency, 2021