Emmagatzemar l’energia, el desafiament de les renovables

Som enmig d’una transició energètica que ens ha de dur a abandonar els combustibles fòssils i basar-nos exclusivament en energies renovables. Tanmateix, aquesta transició presenta diversos desafiaments. Un dels principals és la intermitència de les fonts renovables. El vent no sempre bufa amb la mateixa força; de nit les plaques solars no poden produir electricitat i els rius tenen règims variables, amb sequeres o grans avingudes. L’experiència en la gestió de xarxes elèctriques ha permès d’encabir fonts renovables en proporcions més grans que no s’havia pensat d’entrada. Però sembla clar que hi ha un límit i cal recórrer a sistemes d’emmagatzematge d’energia si se’n vol un de 100% renovable. Tot seguit us expliquem les diverses tecnologies disponibles en un sector, el d’emmagatzematge d’energia, que s’expandirà fortament els anys a venir.

Volants d’inèrcia

La física ens diu que l’energia ni es crea ni es destrueix, sinó que es transforma. Una de les seves formes és la cinètica. És a dir, el moviment. Els volants d’inèrcia es basen concretament en la seva variació. L’aplicació pràctica per a emmagatzemar-la consisteix en cilindres o grans pesos –com si fossin pedres de molins– que giren i són capaços de mantenir aquest moviment durant hores. Així, quan tenim un excés de producció d’energies renovables, n’accelerem el gir. Que falta electricitat? Activem el generador acoblat, que l’aprofitarà per generar-ne –la qual cosa farà que es vagi frenant progressivament. El rendiment energètic de tot plegat és superior al 70% i pot arribar al 95%. És a dir, només hi perdem entre el 5% de l’electricitat invertida i el 30.

L’avantatge d’aquesta tecnologia és que és relativament senzilla, es pot implementar de pressa i té un manteniment mínim. Les centrals basades en volants d’inèrcia poden arribar a 20 MW, amb una vida estimada de 100.000 cicles de càrrega/descàrrega. Però té diversos inconvenients. No és energèticament densa, la qual cosa fa que ocupi un espai significatiu i en dificulta l’escalabilitat (l’ampliació). A més, només poden produir electricitat durant segons o minuts, fet que l’orienta a l’estabilització de la xarxa, més que no pas a emmagatzemar grans quantitats d’energia.

Emmagatzematge tèrmic

En aquest cas ens basem en l’energia tèrmica, concretament en els diferencials de temperatura, sigui fred o calor. Utilitzem els excedents de producció elèctrica per escalfar o refredar un material, temperatura que posteriorment podrem utilitzar per generar electricitat. Hi ha diverses implementacions d’aquesta tecnologia. La més coneguda –renovable– deu ser segurament la de concentració solar. Diversos miralls concentren els raigs solars en un punt, escalfant un fluid o sals, que conserven l’energia tèrmica durant hores. Catalunya del Nord ha estat pionera amb aquesta tecnologia, amb proves pilot a Montlluís, Odelló i Targasona. Els avantatges són que s’hi poden assolir grans temperatures, amb potències de generació que poden superar els 150 MW, una vida útil que pot superar els trenta anys i la capacitat produir electricitat durant la nit, quan no hi ha sol. L’eficiència se situa entre el 80 i el 90%.

Una altra aplicació de l’emmagatzematge tèrmic és que els edificis disposin de dos dipòsits, un de calor i un altre de fred. Poden estar dins l’edifici o bé soterrats. L’excés de producció de les renovables s’utilitza per augmentar el diferencial de temperatura entre aquests dos dipòsits, escalfant-los i refredant-los. Posteriorment el diferencial s’utilitzarà per generar electricitat. En funció de l’aïllament, aquests sistemes poden emmagatzemar la temperatura durant mesos i, per tant, garantir la producció d’electricitat durant molt de temps justament al lloc de consum.

Liqüefacció d’aire

Aquest sistema és un derivat de l’anterior. Si els molins de vent o les plaques solars produeixen més electricitat que no la consumida directament, podem utilitzar-la per comprimir i refredar aire fins a assolir temperatures criogèniques (per sota dels -150 ºC), que fan que l’aire es torni líquid. És per això que aquesta tecnologia també es coneix per emmagatzematge criogènic. Una vegada liquat, es pot emmagatzemar en dipòsits durant un gran període de temps. Quan es vulgui generar electricitat, es descomprimeix, i aquesta expansió fa moure una turbina. L’eficiència d’aquest sistema és força variable, entre el 50% i el 90%.

Convé no confondre aquesta tecnologia amb els sistemes que es limiten a comprimir aire, sense liquar-lo. També serveixen per a emmagatzemar energia renovable, però a l’hora de produir electricitat utilitzen complementàriament gas fòssil en un sistema que s’assembla a les turbines d’avions, barrejant aire i combustible. Aquest segon sistema té eficiències del 70-80% i redueix d’un 60% les emissions de CO2 amb relació a cremar només gas natural. Però com que depèn d’un combustible fòssil no serveix per a un sistema energètic 100% renovable.

Bateries de gravetat 

En aquest cas ens basem en l’energia potencial, concretament en la gravitatòria. És a dir, la gravetat. L’empresa Gravitricity en proposa una aplicació innovadora. Consisteix a fer forats –o aprofitar-ne de ja fets, com ara mines abandonades– d’entre 150 metres de profunditat i 1.500. S’hi penjarien pesos d’entre 500 tones i 3.000 amb cables. Quan sobri electricitat, s’eleven dins el forat i guanyen potencial gravimètric. Que cal electricitat? Es fa treballar la gravetat: es baixen els pesos deixant anar els cables, que fan girar una turbina per produir electricitat.

Com més pes, més vegades podrem multiplicar el gir de la turbina amb engranatges, de manera que un petit desplaçament pot acabar produint una velocitat de gir molt gran. Produeix electricitat en menys d’un segon (amb potències de fins a 20 MW per unitat), amb eficiències del 80-90% i amb cinquanta anys sense cap degradació. La tecnologia és simple i es pot construir en gairebé qualsevol lloc, segons els promotors.

Emmagatzematge d’hidrogen 

És una de les tecnologies de què més es parla aquests darrers anys. En aquest cas, utilitzaríem l’electricitat sobrant per produir hidrogen a partir d’aigua (H2O) mitjançant electròlisi. S’emmagatzema en dipòsits, i quan cal electricitat es crema. Malgrat que ja hi ha avenços per a millorar-la mitjançant membranes especials, l’inconvenient principal d’aquesta tecnologia és la baixa eficiència global: entre el 25% i el 45%.

L’avantatge, en canvi, és que es podria generar en qualsevol lloc que disposés d’aigua i a qualsevol escala. Així, podríem tenir hidrogen emmagatzemat en petits dipòsits com ara les actuals bombones de butà, o els dipòsits d’un cotxe, vaixell o avió. També, als grans dipòsits de gas –convenientment adaptats– que hi ha avui dia a ports i grans polígons industrials. Però on sens dubte tindria més potencial és en l’emmagatzematge a llarg termini (fins i tot indefinidament), que és el desafiament més gran. Es podria emmagatzemar hidrogen subterràniament en cavernes, mines abandonades o dipòsits de gas i petroli exhaurits –tot i que amb els riscs associats que ens ha mostrat el projecte Castor. En una cavitat de 500.000 metres cúbics es poden emmagatzemar 100 GWh. És a dir, la producció de 100 hores d’una gran central de producció elèctrica. Els països podrien crear reserves estratègiques d’hidrogen, fins i tot per a generacions futures.

Bateries químiques

En aquest cas aprofitem l’energia química, i amb molta probabilitat serà la tecnologia que s’utilitzarà en massa en un futur pròxim. Parlem principalment de les bateries d’ió de liti, desenvolupades d’entrada per als dispositius mòbils, la producció de les quals s’expandeix atesa la demanda generada pels vehicles elèctrics. En paral·lel, i en un volum de producció que pot arribar a ser fins i tot superior, se n’han començat a produir per emmagatzemar l’electricitat sobrant de centrals renovables. Els avantatges d’aquesta tecnologia són una eficiència del 85-95%, 10.000 cicles de càrrega/descàrrega, la immediatesa en proporcionar energia i durant hores, el poc espai que ocupa i la gran flexibilitat en la gestió i instal·lació.

Serveix a escala de centrals elèctriques (ja hi ha productes comercials que ofereixen 1,2 GWh d’emmagatzematge) fins a llars (típicament de 10-20 kWh), passant per la xarxa de distribució i fins i tot els edificis. El principal problema n’és l’elevat preu, tot i que ja va baixant. De fet, a Califòrnia ja han substituït tres centrals de gas de pic –només actives en els moments de màxima demanda– per bateries, car surt més econòmic i es poden construir molt més ràpidament. A Austràlia, per la seva banda, després de comprovar l’estalvi que produeixen aquestes solucions, valoren d’expandir-los.

Una altra opció són les bateries dels vehicles elèctrics. Recentment, la companyia catalana Wallbox va presentar una novetat mundial en forma de carregador bidireccional de vehicles elèctrics per a la llar. Permet de carregar el vehicle normalment, però en cas de necessitat pot fer que proporcioni electricitat a la llar. Si això es coordina a escala de ciutats, els vehicles elèctrics es poden carregar en els moments d’excés de producció de renovables i poden ajudar, cedint una fracció de la seva càrrega, en els moments que la producció baixi, com si fos una única gran bateria. A més, contribuiria també a tenir una xarxa elèctrica més estable en estar més a prop del consum i repartida per tota la ciutat.

Una alternativa al liti són les bateries de flux. Es tracta de dos dipòsits de líquids carregats elèctricament (un de positiu i un de negatiu) separats per una membrana. L’avantatge és que es poden ampliar fàcilment, posant més líquid o més dipòsits. El problema és que es basen en el vanadi, un element no gaire abundant. Ja es treballa amb compostos orgànics per solucionar-ho. La Xina construeix una bateria d’aquestes característiques amb 800 MWh de capacitat. Fins i tot n’hi ha de disponibles per a la llar.

Embassaments reversibles

Aquesta és la tecnologia d’emmagatzematge d’energia més utilitzada arreu del món, amb el 96% de la capacitat d’emmagatzematge mundial. Es basa en la gravetat, bombant aigua a alçades superiors per després deixar-la caure, com en una central hidroelèctrica convencional. Consisteix en dos embassaments, un de superior i un altre d’inferior. Quan hi ha un excés de producció elèctrica, s’aprofita per bombar aigua a l’embassament superior. Quan cal produir electricitat, es deixa retornar l’aigua a l’embassament inferior, la qual cosa acciona la turbina per generar electricitat. L’eficiència és superior al 70%, pot funcionar durant dècades i ofereix potències de 3 GW. N’hi ha unes 69 arreu del món, i se’n planegen 37 de noves abans del 2025.

És una tecnologia senzilla i antiga (s’utilitza de ja fa dècades), però implica construir embassaments. Ocupen molt espai, tenen un impacte ambiental considerable, es triga força temps a construir-los, i són fortament condicionats per l’orografia –hi ha pocs llocs adequats. És per això que, sense descartar-la completament, aquesta manera d’emmagatzemar electricitat serà probablement substituïda per la resta de tecnologies que hem vist.