Almacen de energia

El almacenamiento de energía es la captura de energía producida al mismo tiempo para su uso en un momento posterior. Un dispositivo que almacena energía generalmente se llama acumulador o batería. La energía viene en múltiples formas, incluyendo radiación, química, potencial gravitacional, potencial eléctrico, electricidad, temperatura elevada, calor latente y cinética. El almacenamiento de energía implica convertir la energía de formas que son difíciles de almacenar en formas más convenientes o económicamente almacenables.

Algunas tecnologías proporcionan almacenamiento de energía a corto plazo, mientras que otras pueden durar mucho más tiempo. El almacenamiento de energía a granel actualmente está dominado por represas hidroeléctricas, tanto convencionales como bombeadas.

Algunos ejemplos comunes de almacenamiento de energía son la batería recargable, que almacena energía química fácilmente convertible en electricidad para operar un teléfono móvil, la represa hidroeléctrica, que almacena energía en un reservorio como energía potencial gravitatoria, y tanques de almacenamiento de hielo, que almacenan hielo congelado por más barato. Energía por la noche para satisfacer la demanda máxima de refrigeración durante el día. Los combustibles fósiles, como el carbón y la gasolina, almacenan energía antigua derivada de la luz solar por organismos que más tarde murieron, se enterraron y con el tiempo se convirtieron en estos combustibles. La comida (que se produce mediante el mismo proceso que los combustibles fósiles) es una forma de energía almacenada en forma química.

Métodos

contorno
La siguiente lista incluye una variedad de tipos de almacenamiento de energía:

Almacenamiento de combustibles fósiles
Mecánico
Almacenamiento de energía de aire comprimido (CAES)
Locomotora sin fuego
Volante de almacenamiento de energía
Energía potencial gravitacional
Acumulador hidraulico
Hidroelectricidad de almacenamiento por bombeo (almacenamiento hidroeléctrico por bombeo, PHS, o hidroelectricidad de almacenamiento por bombeo, PSH)

Electricos, electromagneticos
Condensador
Supercapacitor
Almacenamiento de energía magnética superconductora (SMES, también bobina de almacenamiento superconductora)

Biológico
Glucógeno
Almidón

Electroquímico (sistema de almacenamiento de energía de batería, BESS)
Batería de flujo
Batería recargable
UltraBattery

Térmico
Calentador de almacenamiento de ladrillo
Almacenamiento de energía criogénica, Almacenamiento de energía de aire líquido (LAES)
Motor de nitrogeno liquido
Sistema eutéctico
Aire acondicionado de almacenamiento de hielo
Almacenamiento de sal fundida
Material de cambio de fase
Almacenamiento estacional de energía térmica.
Estanque solar
Acumulador de vapor
Almacenamiento de energía térmica (general)

Químico
Biocombustibles
Sales hidratadas
Almacenamiento de hidrógeno
Peróxido de hidrógeno
Poder de gas
Pentóxido de vanadio

Almacenamiento mecánico
La energía se puede almacenar en el agua bombeada a una elevación más alta utilizando métodos de almacenamiento bombeado o moviendo la materia sólida a ubicaciones más altas (baterías de gravedad). Otros métodos mecánicos comerciales incluyen la compresión de aire y volantes que convierten la energía eléctrica en energía cinética y luego nuevamente cuando la demanda eléctrica alcanza su punto máximo.

Hidroelectricidad
Las presas hidroeléctricas con reservorios se pueden operar para proporcionar electricidad en momentos de máxima demanda. El agua se almacena en el depósito durante períodos de baja demanda y se libera cuando la demanda es alta. El efecto neto es similar al almacenamiento por bombeo, pero sin la pérdida por bombeo.

Si bien una represa hidroeléctrica no almacena directamente la energía de otras unidades generadoras, se comporta de manera equivalente al reducir la producción en períodos de exceso de electricidad de otras fuentes. En este modo, las represas son una de las formas más eficientes de almacenamiento de energía, porque solo cambia el momento de su generación. Las turbinas hidroeléctricas tienen un tiempo de arranque del orden de unos pocos minutos.

Almacenamiento por bombeo
En todo el mundo, la hidroelectricidad de almacenamiento por bombeo (PSH) es la forma de mayor capacidad de almacenamiento de energía de la red eléctrica disponible, y, a partir de marzo de 2012, el Instituto de Investigación de Energía Eléctrica (EPRI, por sus siglas en inglés) informa que PSH representa más del 99% de la capacidad de almacenamiento a granel A nivel mundial, representan alrededor de 127.000 MW. La eficiencia energética de PSH varía en la práctica entre el 70% y el 80%, con reclamaciones de hasta el 87%.

En momentos de baja demanda eléctrica, el exceso de capacidad de generación se utiliza para bombear agua desde una fuente inferior a un depósito más alto. Cuando la demanda crece, el agua se libera de nuevo en un reservorio más bajo (o vía fluvial o cuerpo de agua) a través de una turbina, generando electricidad. Los conjuntos de turbina-generador reversibles actúan como una bomba y una turbina (generalmente un diseño de turbina Francis). Casi todas las instalaciones utilizan la diferencia de altura entre dos cuerpos de agua. Las plantas puras de almacenamiento por bombeo cambian el agua entre los reservorios, mientras que el enfoque de «bombeo hacia atrás» es una combinación de almacenamiento por bombeo y plantas hidroeléctricas convencionales que utilizan flujos naturales.

Aire comprimido
El almacenamiento de energía de aire comprimido (CAES, por sus siglas en inglés) utiliza la energía excedente para comprimir el aire para la generación de electricidad posterior. Los sistemas a pequeña escala se han utilizado durante mucho tiempo en aplicaciones tales como la propulsión de locomotoras de minas. El aire comprimido se almacena en un depósito subterráneo, como una cúpula de sal.

Las plantas de almacenamiento de energía de aire comprimido (CAES) pueden cerrar la brecha entre la volatilidad de la producción y la carga. El almacenamiento de CAES satisface las necesidades energéticas de los consumidores al proporcionar efectivamente energía disponible para satisfacer la demanda. Las fuentes de energía renovables como la energía eólica y solar tienen recursos variables. Como resultado, el suplemento de otras formas de energía es necesario para satisfacer la demanda de energía durante los períodos de menor disponibilidad de recursos. Las plantas de almacenamiento de energía de aire comprimido son capaces de absorber el excedente de producción de energía de fuentes de energía renovables en tiempos de sobreproducción de energía. Esta energía almacenada se puede utilizar en un momento posterior cuando aumente la demanda de electricidad o disminuya la disponibilidad de recursos energéticos.

La compresión del aire crea calor; El aire es más cálido después de la compresión. La expansión requiere calor. Si no se agrega calor adicional, el aire estará mucho más frío después de la expansión. Si el calor generado durante la compresión se puede almacenar y utilizar durante la expansión, la eficiencia mejora considerablemente. Un sistema CAES puede lidiar con el calor de tres maneras. El almacenamiento de aire puede ser adiabático, diabático o isotérmico. Otro enfoque utiliza aire comprimido para impulsar vehículos.

Volante de almacenamiento de energía
El almacenamiento de energía del volante (FES) funciona acelerando un rotor (volante) a una velocidad muy alta, manteniendo la energía como energía de rotación. Cuando se extrae la energía, la velocidad de rotación del volante disminuye como consecuencia de la conservación de la energía; la adición de energía da como resultado un aumento en la velocidad del volante.

La mayoría de los sistemas FES usan electricidad para acelerar y desacelerar el volante, pero los dispositivos que utilizan directamente energía mecánica están bajo consideración.

Los sistemas FES tienen rotores hechos de materiales compuestos de fibra de carbono de alta resistencia, suspendidos por cojinetes magnéticos y girando a velocidades de 20,000 a más de 50,000 rpm en una caja de vacío. Dichos volantes pueden alcanzar la velocidad máxima («carga») en cuestión de minutos. El sistema de volante está conectado a una combinación de motor eléctrico / generador.

Los sistemas FES tienen vidas útiles relativamente largas (duran décadas con poco o ningún mantenimiento; las vidas útiles de ciclo completo cotizadas para volantes varían desde más de 105, hasta 107 ciclos de uso), alta energía específica (100–130 W • h / kg , o 360–500 kJ / kg) y densidad de potencia.

Potencial gravitacional de almacenamiento de energía con masas sólidas.
Cambiar la altitud de las masas sólidas puede almacenar o liberar energía a través de un sistema de elevación accionado por un motor / generador eléctrico. El almacenamiento de energía potencial o el almacenamiento de energía por gravedad estaba en desarrollo activo en 2013 en asociación con el Operador Independiente del Sistema de California. Examinó el movimiento de vagones con tolva llenos de tierra conducidos por locomotoras eléctricas, desde elevaciones más bajas a más altas.

Los métodos incluyen el uso de rieles y grúas para mover pesos de concreto hacia arriba y hacia abajo, usar plataformas flotantes que funcionan con energía solar a gran altura y que soportan cabrestantes para elevar y bajar masas sólidas, usar tornos con soporte de una barcaza oceánica para aprovechar un área de 4 km (13,000 pies) Diferencia de elevación entre la superficie y el fondo marino. Las eficiencias pueden ser tan altas como el 85% de recuperación de la energía almacenada.

Almacenamiento termico
El almacenamiento de energía térmica (TES) es el almacenamiento temporal o la eliminación de calor.

Almacenamiento de energía térmica de calor sensible
Almacenamiento de calor sensible aproveche el calor sensible en un material para almacenar energía.

El almacenamiento de energía térmica estacional (STES, por sus siglas en inglés) permite que se utilice el calor o el frío meses después de que se recolecta de la energía residual o de fuentes naturales. El material se puede almacenar en acuíferos contenidos, grupos de perforaciones en sustratos geológicos como arena o roca de roca cristalina, en pozos revestidos con grava y agua, o minas llenas de agua. Los proyectos estacionales de almacenamiento de energía térmica (STES, por sus siglas en inglés) a menudo tienen devoluciones en el rango de cuatro a seis años. Un ejemplo es la comunidad solar de Drake Landing en Canadá, para la cual el 97% del calor durante todo el año es provisto por colectores termosolares en los techos de los garajes, con un almacén de energía térmica de pozo (BTES) como tecnología habilitante. En Braestrup, Dinamarca, el sistema de calefacción solar del distrito de la comunidad también utiliza STES, a una temperatura de almacenamiento de 65 ° C (149 ° F). Una bomba de calor, que funciona solo cuando hay energía eólica excedente disponible en la red nacional, se usa para elevar la temperatura a 80 ° C (176 ° F) para su distribución. Cuando la electricidad generada por el viento no está disponible, se utiliza una caldera de gas. El veinte por ciento del calor de Braestrup es solar.

Almacenamiento de energía térmica térmica latente (LHTES)
Los sistemas de almacenamiento de energía térmica de calor latente funcionan con materiales con alta capacidad de calor latente (calor de fusión), conocidos como materiales de cambio de fase (PCM). La principal ventaja de estos materiales es que su capacidad de almacenamiento de calor latente es mucho más que el calor sensible. En un rango de temperatura específico, los cambios de fase de sólido a líquido absorben una gran cantidad de energía térmica para su uso posterior.

El almacenamiento de energía térmica de calor latente consiste en un proceso por el cual, la energía en forma de calor, se absorbe o libera durante el cambio de fase de un material de cambio de fase (PCM). Un PCM es un material con un alto calor de fusión. Un cambio de fase es la fusión o solidificación de un material. Durante un cambio de fase, un PCM tiene la capacidad de absorber grandes cantidades de energía debido a su alto calor de fusión.

Electroquimico

Batería recargable
Una batería recargable, comprende una o más celdas electroquímicas. Es conocida como una ‘célula secundaria’ porque sus reacciones electroquímicas son eléctricamente reversibles. Las baterías recargables vienen en diferentes formas y tamaños, desde celdas de botones hasta sistemas de megavatios.

Las baterías recargables tienen un costo total de uso e impacto ambiental más bajo que las baterías no recargables (desechables). Algunos tipos de baterías recargables están disponibles en los mismos factores de forma que los desechables. Las baterías recargables tienen un costo inicial más alto, pero pueden recargarse muy barato y usarse muchas veces.

Las químicas comunes de las baterías recargables incluyen:

Batería de plomo-ácido: las baterías de plomo-ácido contienen la mayor cuota de mercado de productos de almacenamiento eléctrico. Una sola celda produce aproximadamente 2V cuando se carga. En el estado cargado, el electrodo negativo de plomo metálico y el electrodo positivo de sulfato de plomo se sumergen en un electrolito de ácido sulfúrico diluido (H2SO4). En el proceso de descarga, los electrones se expulsan de la celda a medida que se forma sulfato de plomo en el electrodo negativo, mientras que el electrolito se reduce a agua.
La tecnología de baterías de plomo-ácido se ha desarrollado ampliamente. El mantenimiento requiere una mano de obra mínima y su costo es bajo. La capacidad de energía disponible de la batería está sujeta a una descarga rápida que resulta en una vida útil baja y una densidad de energía baja.
Batería de níquel-cadmio (NiCd): utiliza hidróxido de óxido de níquel y cadmio metálico como electrodos. El cadmio es un elemento tóxico, y fue prohibido para la mayoría de los usos por la Unión Europea en 2004. Las baterías de níquel-cadmio han sido reemplazadas casi completamente por baterías de níquel-hidruro de metal (NiMH).
Batería de níquel e hidruro metálico (NiMH): los primeros tipos comerciales estaban disponibles en 1989. Estos son ahora un tipo común de consumo e industrial. La batería tiene una aleación absorbente de hidrógeno para el electrodo negativo en lugar de cadmio.
Batería de iones de litio: la opción en muchos productos electrónicos de consumo y tiene una de las mejores relaciones de energía a masa y una autodescarga muy lenta cuando no está en uso.
Batería de polímero de ión de litio: estas baterías son livianas y pueden fabricarse en cualquier forma que se desee.

Batería de flujo
Una batería de flujo funciona al pasar una solución sobre una membrana donde se intercambian iones para cargar / descargar la celda. El voltaje de la celda está determinado químicamente por la ecuación de Nernst y los rangos, en aplicaciones prácticas, de 1.0 a 2.2 V. Su capacidad de almacenamiento es una función del volumen de los tanques que contienen la solución.

Una batería de flujo es técnicamente similar tanto a una celda de combustible como a una pila acumuladora electroquímica. Las aplicaciones comerciales son para almacenamiento de medio ciclo largo, como la energía de la red de respaldo.

Supercapacitor
Los supercapacitores, también llamados capacitores eléctricos de doble capa (EDLC) o ultracapacitores, son términos genéricos para una familia de capacitores electroquímicos que no tienen dieléctricos sólidos convencionales. La capacitancia está determinada por dos principios de almacenamiento, capacitancia de doble capa y pseudocapacitancia.

Los supercapacitores acortan la brecha entre los condensadores convencionales y las baterías recargables. Almacenan la mayor cantidad de energía por unidad de volumen o masa (densidad de energía) entre los condensadores. Soportan hasta 10,000 faradios / 1.2 voltios, hasta 10,000 veces más que los condensadores electrolíticos, pero entregan o aceptan menos de la mitad de la potencia por unidad de tiempo (densidad de potencia).

Mientras que los supercapacitores tienen una energía específica y densidades de energía que son aproximadamente el 10% de las baterías, su densidad de potencia es generalmente de 10 a 100 veces mayor. Esto resulta en ciclos de carga / descarga mucho más cortos. Además, tolerarán muchos más ciclos de carga y descarga que las baterías.

Los supercapacitores admiten un amplio espectro de aplicaciones, que incluyen:

Baja corriente de suministro para la copia de seguridad en memoria estática de acceso aleatorio (SRAM)
Energía para automóviles, autobuses, trenes, grúas y elevadores, incluida la recuperación de energía del frenado, el almacenamiento de energía a corto plazo y la entrega de energía en modo de ráfaga

Otro quimico

Poder de gas
La energía al gas es una tecnología que convierte la electricidad en un combustible gaseoso como el hidrógeno o el metano. Los tres métodos comerciales utilizan electricidad para reducir el agua en hidrógeno y oxígeno por medio de la electrólisis.

En el primer método, el hidrógeno se inyecta en la red de gas natural o se usa en el transporte o la industria. El segundo método consiste en combinar el hidrógeno con el dióxido de carbono para producir metano utilizando una reacción de metanización como la reacción de Sabatier o la metanización biológica, lo que resulta en una pérdida de conversión de energía extra del 8%. El metano puede entonces ser alimentado a la red de gas natural. El tercer método utiliza el gas de salida de un generador de gas de madera o una planta de biogás, después de que el mejorador de biogás se mezcle con el hidrógeno del electrolizador, para mejorar la calidad del biogás.

Hidrógeno
El elemento hidrógeno puede ser una forma de energía almacenada. El hidrógeno puede producir electricidad a través de una celda de combustible de hidrógeno.

A penetraciones por debajo del 20% de la demanda de la red, las energías renovables no cambian gravemente la economía; pero más allá del 20% de la demanda total, el almacenamiento externo se vuelve importante. Si estas fuentes se utilizan para producir hidrógeno iónico, pueden expandirse libremente. Un programa piloto de 5 años basado en la comunidad que utiliza turbinas eólicas y generadores de hidrógeno comenzó en 2007 en la remota comunidad de Ramea, Terranova y Labrador. Un proyecto similar comenzó en 2004 en Utsira, una pequeña isla noruega.

Las pérdidas de energía involucradas en el ciclo de almacenamiento de hidrógeno provienen de la electrólisis del agua, la licuefacción o compresión del hidrógeno y la conversión a electricidad.

Se requieren aproximadamente 50 kW • h (180 MJ) de energía solar para producir un kilogramo de hidrógeno, por lo que el costo de la electricidad es crucial. A $ 0.03 / kWh, una tarifa de línea de alto voltaje común en los Estados Unidos, el hidrógeno cuesta $ 1.50 por kilogramo por la electricidad, equivalente a $ 1.50 / galón por gasolina. Otros costos incluyen la planta de electrolizadores, compresores de hidrógeno o licuefacción, almacenamiento y transporte.

El hidrógeno también se puede producir a partir de aluminio y agua al eliminar la barrera de óxido de aluminio natural del aluminio e introducirlo en el agua. Este método es beneficioso porque las latas de aluminio recicladas se pueden usar como combustible para generar hidrógeno, sin embargo, los sistemas para aprovechar esta opción no se han desarrollado comercialmente y son mucho más complejos que los sistemas de electrólisis. Los métodos comunes para eliminar la capa de óxido incluyen catalizadores cáusticos como el hidróxido de sodio y aleaciones con galio, mercurio y otros metales.

El almacenamiento subterráneo de hidrógeno es la práctica del almacenamiento de hidrógeno en cavernas subterráneas, domos de sal y campos de petróleo y gas agotados. Grandes cantidades de hidrógeno gaseoso han sido almacenadas en cavernas subterráneas por Imperial Chemical Industries durante muchos años sin ninguna dificultad. El proyecto europeo Hyunder indicó en 2013 que el almacenamiento de energía eólica y solar utilizando hidrógeno subterráneo requeriría 85 cavernas.

Metano
El metano es el hidrocarburo más simple con la fórmula molecular CH4. El metano es más fácil de almacenar y transportar que el hidrógeno. La infraestructura de almacenamiento y combustión (tuberías, gasómetros, centrales eléctricas) está madura.

El gas natural sintético (syngas o SNG) se puede crear en un proceso de varios pasos, comenzando con hidrógeno y oxígeno. El hidrógeno reacciona luego con el dióxido de carbono en un proceso Sabatier, produciendo metano y agua. El metano se puede almacenar y luego usar para producir electricidad. El agua resultante se recicla, reduciendo la necesidad de agua. En la etapa de electrólisis, el oxígeno se almacena para la combustión del metano en un ambiente de oxígeno puro en una planta de energía adyacente, eliminando los óxidos de nitrógeno.

La combustión del metano produce dióxido de carbono (CO2) y agua. El dióxido de carbono se puede reciclar para impulsar el proceso Sabatier y el agua se puede reciclar para una electrólisis adicional. La producción, almacenamiento y combustión de metano recicla los productos de reacción.

El CO2 tiene un valor económico como componente de un vector de almacenamiento de energía, no un costo como en la captura y almacenamiento de carbono.

Poder para liquido
La potencia de líquido es similar a la de gas, sin embargo, el hidrógeno producido por la electrólisis del viento y la electricidad solar no se convierte en gases como el metano sino en líquidos como el metanol. El metanol es más fácil de manejar que los gases y requiere menos precauciones de seguridad que el hidrógeno. Puede utilizarse para el transporte, incluidos los aviones, pero también para fines industriales o en el sector de la energía.

Biocombustibles
Varios biocombustibles, como el biodiesel, el aceite vegetal, los combustibles alcohólicos o la biomasa pueden reemplazar los combustibles fósiles. Varios procesos químicos pueden convertir el carbono y el hidrógeno en carbón, gas natural, biomasa vegetal y animal y desechos orgánicos en hidrocarburos cortos adecuados como sustitutos de los combustibles de hidrocarburos existentes. Algunos ejemplos son: Fischer-Tropsch diesel, metanol, dimetil éter y gas de síntesis. Esta fuente de diesel se usó ampliamente en la Segunda Guerra Mundial en Alemania, que tenía un acceso limitado a los suministros de petróleo crudo. Sudáfrica produce la mayor parte del diesel del país a partir de carbón por razones similares. Un precio del petróleo a largo plazo por encima de US $ 35 / bbl puede hacer que tales combustibles líquidos sintéticos a gran escala sean económicos.

Aluminio
El aluminio ha sido propuesto como un método de almacenamiento de energía por varios investigadores. El volumen electroquímico equivalente de aluminio (8.04 Ah / cm3) es casi un factor de cuatro mayor que el litio (2.06 Ah / cm3). La energía se puede extraer del aluminio al reaccionar con agua para generar hidrógeno. Para reaccionar con el agua, sin embargo, el aluminio debe ser despojado de su capa de óxido natural, un proceso que requiere pulverización, reacciones químicas con sustancias cáusticas o aleaciones. El subproducto de la reacción para crear hidrógeno es el óxido de aluminio, que se puede reciclar nuevamente en aluminio con el proceso Hall-Héroult, haciendo que la reacción sea teóricamente renovable. Si el Proceso Hall-Heroult se ejecuta con energía solar o eólica, el aluminio podría usarse para almacenar la energía producida con mayor eficiencia que la electrólisis solar directa.

Boro, silicio y zinc.
El boro, el silicio y el zinc se han propuesto como soluciones de almacenamiento de energía.

Otro quimico
El compuesto orgánico norbornadieno se convierte en cuadriciclano al exponerse a la luz, almacenando la energía solar como la energía de los enlaces químicos. Un sistema de trabajo se ha desarrollado en Suecia como un sistema térmico solar molecular.

Metodos electricos

Condensador
Un condensador (originalmente conocido como ‘condensador’) es un componente eléctrico pasivo de dos terminales que se utiliza para almacenar energía electrostáticamente. Los condensadores prácticos varían ampliamente, pero todos contienen al menos dos conductores eléctricos (placas) separados por un dieléctrico (es decir, aislante). Un condensador puede almacenar energía eléctrica cuando está desconectado de su circuito de carga, por lo que puede usarse como una batería temporal o como otros tipos de sistemas de almacenamiento de energía recargable. Los condensadores se usan comúnmente en dispositivos electrónicos para mantener la fuente de alimentación mientras se cambian las baterías. (Esto evita la pérdida de información en la memoria volátil). Los condensadores convencionales proporcionan menos de 360 ​​julios por kilogramo, mientras que una batería alcalina convencional tiene una densidad de 590 kJ / kg.

Los condensadores almacenan energía en un campo electrostático entre sus placas. Dada una diferencia de potencial entre los conductores (por ejemplo, cuando un capacitor está conectado a través de una batería), se desarrolla un campo eléctrico a través del dieléctrico, lo que provoca que la carga positiva (+ Q) se acumule en una placa y la carga negativa (-Q) se acumule en el otro plato Si una batería está conectada a un capacitor durante un período de tiempo suficiente, ninguna corriente puede fluir a través del capacitor. Sin embargo, si se aplica un voltaje de aceleración o alterno a través de los cables del capacitor, puede fluir una corriente de desplazamiento. Además de las placas de condensadores, la carga también se puede almacenar en una capa dieléctrica.

La capacitancia es mayor dada una separación más estrecha entre los conductores y cuando los conductores tienen una superficie mayor. En la práctica, el dieléctrico entre las placas emite una pequeña cantidad de corriente de fuga y tiene un límite de intensidad de campo eléctrico, conocido como voltaje de ruptura. Sin embargo, el efecto de la recuperación de un dieléctrico después de una ruptura de alto voltaje es prometedor para una nueva generación de condensadores de autocuración. Los conductores y conductores introducen inductancia y resistencia no deseadas.

La investigación está evaluando los efectos cuánticos de los condensadores a nanoescala para baterías cuánticas digitales.

Magnética superconductora
Los sistemas de almacenamiento de energía magnética superconductora (SMES) almacenan energía en un campo magnético creado por el flujo de corriente directa en una bobina superconductora que se ha enfriado a una temperatura inferior a su temperatura crítica superconductora. Un sistema SMES típico incluye una bobina superconductora, un sistema de acondicionamiento de energía y un refrigerador. Una vez que se carga la bobina superconductora, la corriente no decae y la energía magnética se puede almacenar indefinidamente.

La energía almacenada puede ser liberada a la red descargando la bobina. El inversor / rectificador asociado representa aproximadamente 2 a 3% de pérdida de energía en cada dirección. Las PYME pierden la menor cantidad de electricidad en el proceso de almacenamiento de energía en comparación con otros métodos de almacenamiento de energía. Los sistemas SMES ofrecen una eficiencia de ida y vuelta superior al 95%.

Debido a los requisitos de energía de la refrigeración y el costo del cable superconductor, el SMES se utiliza para almacenamiento de corta duración, como mejorar la calidad de la energía. También tiene aplicaciones en balanceo de grillas.

Aplicaciones

Molinos
La aplicación clásica antes de la revolución industrial era el control de las vías fluviales para impulsar los molinos de agua para procesar grano o accionar maquinaria. Los sistemas complejos de embalses y represas se construyeron para almacenar y liberar agua (y la energía potencial que contenía) cuando fue necesario.

Almacenamiento de energía en el hogar
Se espera que el almacenamiento de energía en el hogar sea cada vez más común dada la creciente importancia de la generación distribuida de energías renovables (especialmente la energía fotovoltaica) y la importante proporción del consumo de energía en los edificios. Para superar una autosuficiencia del 40% en un hogar equipado con energía fotovoltaica, se necesita almacenamiento de energía. Varios fabricantes producen sistemas de baterías recargables para almacenar energía, generalmente para retener el excedente de energía de la generación solar / eólica doméstica. Hoy en día, para el almacenamiento de energía en el hogar, las baterías de ión de litio son preferibles a las de plomo debido a su costo similar pero a un rendimiento mucho mejor.

Tesla Motors produce dos modelos del Tesla Powerwall. Una es una versión de ciclo semanal de 10 kWh para aplicaciones de respaldo y la otra es una versión de 7 kWh para aplicaciones de ciclo diario. En 2016, una versión limitada del Telsa Powerpack 2 costó $ 398 (US) / kWh para almacenar electricidad con un valor de 12.5 centavos / kWh (precio promedio de la red en los EE. UU.) Haciendo dudoso el retorno de la inversión a menos que los precios de la electricidad sean superiores a 30 centavos / kWh.

Enphase Energy anunció un sistema integrado que permite a los usuarios domésticos almacenar, monitorear y administrar la electricidad. El sistema almacena 1,2 kWh horas de energía y una potencia de 275W / 500W.

El almacenamiento de energía eólica o solar mediante el almacenamiento de energía térmica, aunque menos flexible, es considerablemente menos costoso que las baterías. Un simple calentador de agua eléctrico de 52 galones puede almacenar aproximadamente 12 kWh de energía para complementar el agua caliente o la calefacción de espacios.

Para fines puramente financieros en áreas donde está disponible la medición neta, la electricidad generada en el hogar puede venderse a la red a través de un inversor de conexión a la red sin el uso de baterías para almacenamiento.

Red eléctrica y centrales eléctricas.

Almacenamiento de energía renovable
La fuente más grande y la mayor tienda de energía renovable es proporcionada por represas hidroeléctricas. Un gran reservorio detrás de una presa puede almacenar suficiente agua para promediar el flujo anual de un río entre las estaciones seca y húmeda. Un depósito muy grande puede almacenar suficiente agua para promediar el flujo de un río entre los años secos y húmedos. Si bien una represa hidroeléctrica no almacena directamente energía de fuentes intermitentes, sí equilibra la red al reducir su producción y retener el agua cuando la energía es generada por energía solar o eólica. Si la generación eólica o solar supera la capacidad hidroeléctrica de las regiones, entonces se necesitará alguna fuente adicional de energía.

Muchas fuentes de energía renovable (notablemente solar y eólica) producen energía variable. Los sistemas de almacenamiento pueden nivelar los desequilibrios entre la oferta y la demanda que esto causa. La electricidad debe usarse como se genera o se convierte inmediatamente en formas de almacenamiento.

El principal método de almacenamiento de la red eléctrica es la hidroelectricidad de almacenamiento por bombeo. Áreas del mundo como Noruega, Gales, Japón y los EE. UU. Han utilizado elevadas características geográficas para los embalses, utilizando bombas eléctricas para llenarlos. Cuando es necesario, el agua pasa a través de generadores y convierte el potencial gravitatorio de la caída de agua en electricidad. El almacenamiento por bombeo en Noruega, que obtiene casi toda su electricidad de la hidroeléctrica, tiene actualmente una capacidad de 1,4 GW, pero como la capacidad total instalada es de casi 32 GW y el 75% de esa cantidad es regulable, se puede ampliar significativamente.

Algunas formas de almacenamiento que producen electricidad incluyen represas hidroeléctricas con almacenamiento por bombeo, baterías recargables, almacenamiento térmico que incluye sales fundidas que pueden almacenar y liberar de manera eficiente cantidades muy grandes de energía térmica y almacenamiento de energía de aire comprimido, volantes, sistemas criogénicos y bobinas magnéticas superconductoras.

La energía excedente también se puede convertir en metano (proceso de sabatier) con almacenamiento en la red de gas natural.

En 2011, la Administración de Energía de Bonneville en el noroeste de los Estados Unidos creó un programa experimental para absorber el exceso de energía eólica e hidroeléctrica generada en la noche o durante los períodos tormentosos que están acompañados por fuertes vientos. Bajo el control central, los electrodomésticos absorben el excedente de energía al calentar ladrillos de cerámica en calentadores especiales a cientos de grados y al aumentar la temperatura de los tanques de calentadores de agua modificados. Después de la carga, los aparatos proporcionan calefacción y agua caliente cuando sea necesario. El sistema experimental se creó como resultado de una severa tormenta de 2010 que sobreprodució la energía renovable en la medida en que todas las fuentes de energía convencionales se apagaron, o en el caso de una planta de energía nuclear, se redujo a su nivel operativo más bajo posible, dejando un gran Área que se ejecuta casi completamente en energías renovables.

Otro método avanzado utilizado en el antiguo proyecto Solar Two en los Estados Unidos y la Torre Solar Tres Power en España utiliza sal fundida para almacenar la energía térmica capturada del sol y luego convertirla y despacharla como energía eléctrica. El sistema bombea sal fundida a través de una torre u otros conductos especiales para ser calentados por el sol. Los tanques aislados almacenan la solución. La electricidad se produce convirtiendo el agua en vapor que se alimenta a las turbinas.

Desde principios del siglo XXI, las baterías se han aplicado a las capacidades de regulación de frecuencia y nivelación de carga a escala de utilidad.

En el almacenamiento de vehículo a red, los vehículos eléctricos que están enchufados a la red de energía pueden entregar energía eléctrica almacenada de sus baterías a la red cuando sea necesario.

Aire acondicionado
El almacenamiento de energía térmica (TES) se puede utilizar para el aire acondicionado. Es más ampliamente utilizado para enfriar edificios grandes y pequeños o grupos de edificios más pequeños. Los sistemas de aire acondicionado comerciales son los que más contribuyen a las cargas eléctricas máximas. En 2009, el almacenamiento térmico se utilizó en más de 3,300 edificios en más de 35 países. Funciona creando hielo en la noche y utilizando el hielo para enfriar durante los períodos diurnos más calurosos.

La técnica más popular es el almacenamiento de hielo, que requiere menos espacio que el agua y es menos costoso que las celdas de combustible o los volantes. En esta aplicación, un enfriador estándar funciona durante la noche para producir una pila de hielo. Luego, el agua circula a través de la pila durante el día para enfriar el agua que normalmente sería la salida diurna del enfriador.

Un sistema de almacenamiento parcial minimiza la inversión de capital al hacer funcionar los enfriadores casi las 24 horas del día. Por la noche, producen hielo para el almacenamiento y durante el día enfrían el agua. El agua que circula a través del hielo derretido aumenta la producción de agua fría. Dicho sistema produce hielo de 16 a 18 horas al día y lo derrite durante seis horas al día. Los gastos de capital se reducen porque los enfriadores pueden ser solo del 40 al 50% del tamaño necesario para un diseño convencional sin almacenamiento. El almacenamiento suficiente para almacenar medio día de calor disponible suele ser adecuado.

Un sistema de almacenamiento completo apaga las enfriadoras durante las horas pico de carga. Los costos de capital son más altos, ya que tal sistema requiere enfriadores más grandes y un sistema de almacenamiento de hielo más grande.

Este hielo se produce cuando las tarifas de servicios eléctricos son más bajas. Los sistemas de enfriamiento fuera de las horas pico pueden reducir los costos de energía. El Green Building Council de los EE. UU. Ha desarrollado el programa Liderazgo en Energía y Diseño Ambiental (LEED) para alentar el diseño de edificios de impacto ambiental reducido. El enfriamiento fuera de las horas pico puede ayudar a obtener la certificación LEED.

El almacenamiento térmico para calefacción es menos común que para enfriamiento. Un ejemplo de almacenamiento térmico es el almacenamiento de calor solar para calefacción por la noche.

El calor latente también se puede almacenar en materiales técnicos de cambio de fase (PCM). Estos pueden encapsularse en paneles de pared y techo, a temperaturas ambiente moderadas.

Transporte
Los combustibles de hidrocarburos líquidos son las formas de almacenamiento de energía más usos para el transporte, seguidos de uso de vehículos eléctricos con batería y vehículos híbridos. Se pueden utilizar otros transportadores de energía, como el hidrógeno, para evitar la producción de gases de efecto invernadero.

Los sistemas de transporte público como tranvías y trolebuses requieren electricidad, pero debido a su variabilidad en el movimiento, un suministro constante de electricidad a través de la energía es un desafío. Los sistemas fotovoltaicos en los techos de los edificios se pueden utilizar para los sistemas de transporte público durante los períodos en los que hay una mayor demanda de electricidad y el acceso a otras formas de energía no están disponibles.

Electrónica
Los condensadores se utilizan ampliamente en circuitos electrónicos para bloquear la corriente continua y, al mismo tiempo, permitir el paso de la corriente alterna. En las redes de filtros analógicos, suavizar la salida de las fuentes de alimentación. En circuitos resonantes sintonizan radios a frecuencias particulares. En los sistemas de transmisión de energía eléctrica se estabilizan el voltaje y el flujo de energía.