En la parte trasera de un taller del tamaño de un almacén, alrededor de una docena de ingenieros en cascos están construyendo una máquina azul gigante. Seis cilindros, cada uno más alto que una persona, y un matorral de tubos, tuberías y válvulas se extienden hacia arriba desde un motor diesel marino rodeado por un andamio de tres pisos.
Concebida por la startup SustainX en Seabrook, New Hampshire, la máquina está diseñada para almacenar energía comprimiendo aire. Un motor eléctrico gira el cigüeñal del motor para impulsar los pistones en los cilindros de arriba. Los pistones exprimen una mezcla de aire y agua espumosa y bombean el aire a presión en grandes tanques de acero donde se puede sostener como un resorte enrollado. Cuando una empresa de servicios eléctricos necesita energía, los tanques se abrirán, permitiendo que el aire salga corriendo, alimente el motor y genere electricidad para los clientes de la empresa.
Las apuestas son altas. Si una empresa como SustainX puede entregar un sistema que pueda almacenar energía a bajo costo incluso por unas pocas horas a la vez, convertiría la energía eólica y solar en proveedores de energía confiables, más como plantas de combustibles fósiles. Las fluctuaciones en la producción eólica y solar podrían suavizarse y el exceso de energía de los vientos nocturnos, por ejemplo, podría despacharse más tarde cuando la demanda sea mayor.
La máquina de SustainX y otras similares están a la vanguardia de una carrera tecnológica en almacenamiento de energía. El trabajo de la compañía, respaldado por más de $ 30 millones en fondos privados y gubernamentales, representa una apuesta de que los ingenieros inteligentes que usan materiales baratos y fácilmente disponibles, como el aire y el agua, vencerán a las legiones de científicos que persiguen un gran avance en baterías.
La máquina SustainX, representada aquí en mayo de 2013, utiliza tecnología de aire comprimido isotérmico para almacenar energía. (Foto: SustainX) El almacenamiento de energía atrae tanta atención porque un avance en el costo y el rendimiento podría hacer que la red eléctrica sea más limpia y más confiable. Todos los días, las empresas de servicios públicos operan un acto de equilibrio constante: para garantizar un servicio confiable, la cantidad de energía generada en las centrales eléctricas debe coincidir con lo que se consume en los hogares y las empresas. Si hay un aumento en la demanda de los aires acondicionados en un día caluroso de verano, por ejemplo, las plantas de energía necesitan producir más electricidad y reducirla cuando la demanda disminuye por la noche.
El almacenamiento de energía actúa como una reserva o una cuenta bancaria de energía. Durante los momentos de mayor demanda, el almacenamiento puede suministrar energía en lugar de las plantas de combustible fósil "pico". La tecnología puede reafirmar la producción variable de los parques eólicos y solares o aumentar la capacidad de las subestaciones maximizadas que suministran energía a los vecindarios locales. Cuando se coloca en o cerca de edificios, el almacenamiento de energía puede proporcionar respaldo durante un corte de energía. Sin embargo, muchas de estas aplicaciones requieren un dispositivo que pueda proporcionar energía durante unas pocas horas o tal vez medio día. Y tiene que hacerse de manera segura y a bajo costo.
Para el almacenamiento de varias horas, existen razones de peso para buscar sistemas de almacenamiento mecánico en lugar de baterías electroquímicas, dicen los ejecutivos de la industria. Las baterías requieren materiales más caros, como litio o cobalto, que pueden estar sujetos a restricciones de suministro. A diferencia de un sistema mecánico, la capacidad de almacenamiento de una batería recargable disminuye con el tiempo, como lo han experimentado la mayoría de los usuarios de computadoras portátiles.
Luego está el ritmo de la innovación. En general, el ritmo de desarrollo en la investigación de baterías es lento, medido en años, en lugar de meses, y las mejoras de rendimiento a menudo son incrementales. Además, fabricar nuevos tipos de baterías en grandes volúmenes requiere grandes inversiones iniciales en las fábricas. Un innovador sistema mecánico, por el contrario, podría ensamblarse a partir de motores ligeramente modificados, tanques de gas industriales y otros equipos que ya se conocen y producen a gran escala.
"Es una especie de [un] desafío de integración de sistemas, en lugar de tener que inventar y construir un dispositivo particular para que todo funcione", dice Gareth Brett, CEO de Highview Power Storage, con sede en Londres, que utiliza aire licuado, aire a presión. y se enfría hasta que se vuelve líquido, para almacenar energía en la red. "Nuestra propiedad intelectual está en cómo el sistema está diseñado y reunido de manera eficiente y de bajo costo".
Cuando se trata de almacenar electricidad para su uso en la red eléctrica, la energía hidroeléctrica de almacenamiento de bombas se considera el estándar de oro, una tecnología relativamente barata que ha suministrado energía en los Estados Unidos durante más de 80 años. Como su nombre lo indica, el agua se bombea cuesta arriba hacia un depósito cuando la demanda de electricidad es baja, y se libera cuando es necesario para generar electricidad a través de una turbina hidroeléctrica. Las estaciones hidroeléctricas bombeadas pueden entregar grandes explosiones de energía durante varias horas, lo que permite a los operadores de la red llenar los vacíos en el suministro de electricidad sin tener que aprovechar las plantas de energía que utilizan combustibles fósiles. Sin embargo, en su mayoría están limitados al terreno montañoso, lo que proporciona la ganancia de elevación necesaria entre los embalses, y las revisiones ambientales tardan muchos años.
El otro método probado de almacenamiento a granel de bajo costo es el almacenamiento de energía de aire comprimido, o CAES, en el que los compresores bombean aire a las cavernas subterráneas. Cuando se necesita energía, se libera aire a presión y se calienta quemando gas natural. Ese aire es lanzado a una turbina para generar electricidad. Hay dos plantas geológicas de almacenamiento de energía de aire comprimido en el mundo, incluida una abierta en Alemania en 1978 y otra abierta en Alabama en 1991. Ambas unidades aún funcionan y se consideran exitosas. Pero no se han construido otros porque es difícil encontrar ubicaciones con una formación geológica adecuada y financiar estos proyectos. Una tercera planta podría unirse a sus filas en Texas, con planes que requieren un proyecto de $ 200 millones para almacenar hasta 317 megavatios, comparable a la producción de una planta de energía de tamaño mediano.
Los innovadores en startups de energía se han inspirado en estas dos técnicas, ramificándose en una variedad de direcciones. SustainX y Berkeley, California, LightSail Energy, proponen comprimir el aire para el almacenamiento, pero lo mantienen en tanques sobre el suelo, lo que significa que no están limitados a ubicaciones con cavernas subterráneas. General Compression, con sede en Newton, Massachusetts, ha desarrollado un sistema de almacenamiento de aire comprimido que se conecta directamente a las turbinas eólicas.
La diferencia clave del CAES tradicional en estos enfoques, llamado almacenamiento de energía de aire comprimido isotérmico, es que no es necesario quemar combustible en el sitio. En cambio, estas compañías CAES de segunda generación capturan y reutilizan el calor que se genera cuando el aire se somete a alta presión. LightSail Energy tiene la intención de rociar una fina niebla de agua a medida que se comprime el aire y almacenar esa agua caliente hasta más tarde. Cuando se libera aire a presión para generar electricidad, el agua caliente, en lugar de un quemador de gas natural, calienta el aire a través de un intercambiador de calor.
Un enfoque CAES potencialmente más barato es almacenar aire comprimido en bolsas de tela bajo el agua. Al almacenar aire en tanques de acero, el acero debe ser lo suficientemente grueso como para contener aire a alta presión. Pero la presión del agua podría hacer el trabajo de forma gratuita. Mientras trabajaba en una startup solar, el ex ingeniero de cohetes Scott Frazier previó la necesidad de un sistema de almacenamiento económico que pudiera ubicarse en casi cualquier lugar. Y en 2010, cofundó una compañía, Bright Energy Storage Technologies, para perseguir la idea de almacenar aire comprimido en grandes vejigas ancladas al fondo del océano o al fondo de depósitos de agua dulce.
"Si tengo un tanque sobre el suelo, tienes que pagar más por una presión más alta. Cuanto más aire bombeo, más acero necesito, es bastante lineal", dice Frazier. El primer prototipo de la compañía, construido para la Marina de los EE. UU. En Hawai, utilizará un motor de camión modificado para presurizar el aire en tanques sobre el suelo. Si la mecánica de esa máquina resulta práctica, la compañía y la Marina planean construir un segundo prototipo que almacene aire bajo el agua.
Incluso los diseños de almacenamiento a granel más simples aprovecharían la gravedad de la misma manera que lo hacen las estaciones hidroeléctricas bombeadas. Advanced Rail Energy Storage, con sede en Santa Bárbara, California, está buscando construir proyectos en los que la energía de los parques solares o eólicos empujaría un tren de vagones cuesta arriba cuando hay poca demanda de energía en la red. Cuando más se necesita energía, los vagones de ferrocarril viajarían cuesta abajo y generarían energía. Los motores de tracción eléctrica que empujan los autos cuesta arriba en reversa cuando van cuesta abajo y funcionan como generadores, de la misma manera que un automóvil híbrido carga una batería durante el frenado. En un concepto similar, EnergyCache, fundado por un ingeniero mecánico del MIT y financiado por Bill Gates, construyó un sistema de almacenamiento de demostración donde la grava se transporta cuesta arriba y cuesta abajo utilizando equipos de remontes modificados.
En el área de décadas de almacenamiento de hidrocarburos bombeados, también hay ideas novedosas, incluido el almacenamiento de agua en acuíferos o plantas de emplazamiento en el océano, como ya lo ha hecho una compañía en Japón. Estos enfoques utilizan la misma configuración básica: un depósito artificial en una ubicación alta junto a un depósito más bajo, pero podrían construirse potencialmente en más ubicaciones. Lo más ambicioso son las propuestas para construir una "isla energética" en el Mar del Norte frente a las costas holandesas o belgas. La idea es construir una isla artificial con un depósito y utilizar el exceso de energía generado por las turbinas eólicas en momentos de baja demanda para bombear agua para el almacenamiento.
Todas estas innovaciones comienzan con materiales baratos pero eventualmente se enfrentan al mismo desafío de ingeniería: eficiencia. Si se pierde mucha energía convirtiendo la electricidad en aire comprimido o agua almacenada y viceversa, los costos suben. En esta área, las baterías compiten muy bien: algunos tipos son más del 90 por ciento eficientes en la carga y descarga.
El truco, entonces, para el almacenamiento mecánico, es aumentar la eficiencia de tantas maneras como sea posible. Con el almacenamiento de aire, eso a menudo significa hacer un mejor uso del calor. Mientras que los desarrolladores isotérmicos de CAES, como LightSail, capturan el calor generado por el aire comprimido, otros innovadores están cosechando calor de fuentes externas que de otro modo se desperdiciarían. En su proyecto de demostración cerca de Londres, Highview Power Storage canaliza el calor residual de una central eléctrica cercana al convertir el aire líquido almacenado en gas a alta presión, que hace girar una turbina para producir electricidad. Utilizando una variedad de técnicas, incluso almacenando aire frío en la grava para ayudar al proceso de enfriamiento, Highview Power Storage puede lograr una eficiencia de conversión de energía de más del 70 por ciento, dice.
Planta piloto de almacenamiento de energía de aire líquido (LAES) de 300 kilovatios de Highview en Slough, Reino Unido. (Foto: Highview Power Storage) Un sistema mecánico no puede igualar las mejores baterías en cuanto a eficiencia, pero eso pierde el punto, dice Richard Brody, el ex vicepresidente de desarrollo comercial de SustainX. Más importante, particularmente para aplicaciones de almacenamiento de varias horas, es el costo inicial relativamente bajo y el hecho de que los sistemas mecánicos pueden funcionar durante décadas sin perder capacidad de almacenamiento. Una máquina bien ajustada con ingredientes básicos (acero, aire, agua y grava) no degradará la forma en que los compuestos químicos en los electrodos de la batería lo hacen con el tiempo, dicen los defensores del almacenamiento mecánico. "No hemos visto ninguna tecnología electroquímica [de batería] que pueda hacer lo que podemos hacer a la escala y la vida del sistema de la que estamos hablando", dice Brody. "Creemos que no es práctico hacer cosas a escala de megavatios con cualquiera de estos sistemas de baterías basados en células".
Dado el potencial de almacenamiento de energía generalizado en la red, los enfoques que utilizan materiales de bajo costo continúan atrayendo seria atención. Además de una serie de nuevas empresas, muchos investigadores están trabajando en aire comprimido o licuado. La Universidad de Birmingham en el Reino Unido, por ejemplo, creó un centro de investigación para el almacenamiento de energía criogénica y un consorcio liderado por la empresa alemana RWE ha comprometido 40 millones de euros ($ 53 millones) durante tres años y medio para desarrollar un CAES de alta eficiencia. sistema que almacenará el calor del proceso de compresión en grandes recipientes con forma de termo llenos de material cerámico.
Esta rama de la tecnología de almacenamiento también podría ayudar al transporte. La empresa de ingeniería Ricardo tiene dos proyectos para explorar cómo el aire licuado puede mejorar la eficiencia de los motores de combustión interna. Peugeot Citroen, entre otros fabricantes de automóviles, está buscando un método para usar un tanque de almacenamiento de aire comprimido para actuar de manera efectiva como lo haría una batería en un automóvil de pasajeros híbrido. Gran parte del atractivo es la disponibilidad inmediata de piezas e infraestructura, dice el Dr. Andrew Atkins, ingeniero jefe de tecnología de Ricardo. "No tienes ningún problema en la cadena de suministro", dice. "Después de todo, el aire se trata de nosotros".
