El almacenamiento de energía es el proceso de capturar y almacenar la energía generada en un momento determinado para su uso posterior. Este proceso desempeña un papel crucial en los sistemas energéticos modernos, dado que la demanda de energía varía a lo largo del día y de las estaciones. La necesidad de equilibrar la oferta con la demanda fluctuante representa un desafío para los operadores de la red. Las tecnologías de almacenamiento de energía abordan este desafío almacenando el exceso de energía durante los períodos de baja demanda y liberándola cuando la demanda es alta. Almacenar energía mitiga la intermitencia de las fuentes de energía renovables, equilibrando la oferta y la demanda, mejorando la estabilidad de la red y permitiendo la utilización eficiente del exceso de energía. En 2022, el consumo de energía en Estados Unidos alcanzó un récord de 4.048 mil millones de kilovatios-hora (kWh), con un promedio de aproximadamente 12.145 kWh per cápita. En 2023, la demanda máxima de energía superó los 740 gigavatios-hora (GWh) durante los períodos de mayor consumo. La Administración de Información Energética de EE. UU. (EIA) predice que el consumo de energía continuará aumentando en 2024. Dado el creciente consumo y demanda, los sistemas de almacenamiento de energía son fundamentales para proporcionar a los operadores de la red la flexibilidad necesaria para gestionar estas fluctuaciones, asegurando un suministro confiable y estable de electricidad.
Los sistemas de almacenamiento de energía desempeñan un papel clave en apoyar la integración de fuentes de energía renovables (solar y eólica), que son inherentemente variables e impredecibles. Al almacenar energía cuando la producción excede la demanda y liberarla cuando hay escasez, el almacenamiento de energía suaviza la variabilidad y asegura un suministro constante. A medida que Estados Unidos avanza hacia un futuro energético más sostenible y resistente, los sistemas de almacenamiento de energía desempeñarán un papel cada vez más importante en el equilibrio de la oferta y la demanda, la integración de la energía renovable y la estabilidad de la red. Las inversiones en investigación, desarrollo y despliegue de tecnologías de almacenamiento de energía son esenciales para satisfacer la creciente demanda de electricidad, al tiempo que se buscan alcanzar los objetivos climáticos y energéticos globales. Las capacidades mejoradas de almacenamiento de energía no solo respaldan la utilización eficiente de los recursos renovables, sino que también contribuyen a la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero y mitigan los impactos del cambio climático. Este informe analiza el almacenamiento de energía residencial, comercial y en el transporte, las aplicaciones relevantes, las políticas de apoyo y los actores clave para la implementación de sistemas de almacenamiento de energía. Incluye un análisis de los beneficios, desafíos y aplicaciones en la red de cada tecnología.
Existen diversas tecnologías de almacenamiento de energía disponibles, que van desde métodos bien establecidos, como el almacenamiento hidroeléctrico por bombeo, hasta innovaciones más recientes, como las baterías y las pilas de combustible de hidrógeno. Cada tecnología presenta sus propias fortalezas y debilidades para proporcionar almacenamiento de energía confiable en todo Estados Unidos. Las instalaciones de almacenamiento hidroeléctrico por bombeo juegan un papel crítico en la estabilización de la red eléctrica, proporcionando flexibilidad a la red y apoyando la integración de fuentes de energía renovables intermitentes como la energía eólica y solar. El almacenamiento hidroeléctrico por bombeo (PSH, por sus siglas en inglés) es el sistema más prevalente y maduro en Estados Unidos. Las 43 plantas de PSH en el país representan el 96% de todo el almacenamiento de energía a escala de servicios públicos, equilibrando la oferta y la demanda en la red eléctrica. Este sistema emplea dos embalses a diferentes elevaciones: durante los períodos de exceso de generación de electricidad, como cuando hay baja demanda o alta producción de energía renovable, la electricidad sobrante bombea agua del embalse inferior al embalse superior. Cuando la demanda alcanza su pico, el agua almacenada se libera cuesta abajo, generando electricidad a través de turbinas. Estas turbinas producen electricidad a medida que el agua fluye cuesta abajo, proporcionando un medio rápido y eficiente de satisfacer la demanda. Aunque el almacenamiento hidroeléctrico por bombeo ofrece capacidades de almacenamiento de energía a gran escala, su implementación depende de características geográficas, como elevaciones adecuadas y recursos hídricos. En Estados Unidos, el almacenamiento hidroeléctrico por bombeo es más común en regiones con características geográficas adecuadas, como áreas montañosas con acceso a cuerpos de agua, incluidos el Pacífico Noroeste, el Noreste y algunas partes del Medio Oeste. El almacenamiento hidroeléctrico por bombeo presenta varias ventajas convincentes, posicionándolo como una solución de almacenamiento de energía de primer nivel. Con una tasa de eficiencia de aproximadamente el 90%, garantiza una mínima pérdida de energía durante el proceso de almacenamiento y recuperación. Su confiabilidad y la tecnología ampliamente probada destacan su estatus como una opción confiable para la estabilidad de la red y la gestión de energía.
El almacenamiento hidroeléctrico es rentable debido a su utilización de agua como recurso abundante y accesible, lo que resulta en menores gastos operativos en comparación con otras tecnologías de almacenamiento. Su tiempo de respuesta rápido permite ajustes rápidos a las fluctuaciones de la demanda de electricidad, mejorando la estabilidad y confiabilidad de la red. Las instalaciones de almacenamiento hidroeléctrico son conocidas por su longevidad, proporcionando una solución de almacenamiento de energía a largo plazo con requisitos mínimos de mantenimiento. Sin embargo, construir instalaciones de PSH es una inversión significativa inicial que requiere nuevas instalaciones de embalses, bombas y turbinas. Además, las limitaciones geográficas restringen el PSH, dado que implica bombear agua entre embalses de manera efectiva. Las consideraciones ambientales pueden dificultar el desarrollo, dado que las preocupaciones de las comunidades locales y las organizaciones medioambientales pueden surgir respecto a las posibles alteraciones de los ecosistemas locales, especialmente los hábitats y los cuerpos de agua. El PSH ha enfrentado varios tipos de restricciones políticas en los últimos años. No recibió un crédito fiscal por inversión (ITC) del 30% como otras tecnologías de almacenamiento de energía, y muchos estados con mandatos de estándares de cartera renovable o objetivos de adquisición de almacenamiento de energía excluyen implícita o explícitamente al PSH. Las condiciones del mercado se destacan como un obstáculo importante, dado que el sistema actual no compensa adecuadamente a los propietarios de instalaciones por la amplia gama de beneficios auxiliares que ofrecen más allá de la mera generación de energía. Estos beneficios constituyen la justificación principal para la construcción de tales plantas. La inversión de capital es otro obstáculo significativo. Además, obtener una licencia de la Comisión Federal de Regulación de Energía (FERC) implica un proceso largo, lo que hace que la inversión en estas instalaciones sea financieramente precaria, especialmente en los años previos a la operación.
Las principales barreras para el almacenamiento de energía incluyen altos costos de capital, limitaciones ambientales y geográficas, desafíos técnicos y de seguridad, y obstáculos regulatorios y políticos significativos. Superar estas barreras requiere esfuerzos coordinados de investigación, desarrollo y reforma de políticas para crear tecnologías de almacenamiento de energía más eficientes, rentables y sostenibles. Varias tecnologías de almacenamiento de energía enfrentan desafíos técnicos inherentes. Las baterías de iones de litio, aunque efectivas, pueden presentar riesgos de seguridad como sobrecalentamiento, incendios o explosiones si se dañan o no se manejan adecuadamente. También dependen de recursos finitos, lo que plantea preocupaciones sobre la disponibilidad futura y la sostenibilidad. Las baterías de iones de sodio, aunque prometedoras, aún están en las primeras etapas de desarrollo y tienen una densidad de energía menor que las baterías de iones de litio. Los sistemas de almacenamiento de energía mediante volantes de inercia sufren de autodescarga debido a la fricción, la necesidad de recargas periódicas y una menor densidad de energía. Los sistemas de almacenamiento de hidrógeno enfrentan desafíos en eficiencia de producción, desarrollo de infraestructura y costos, particularmente en la producción de hidrógeno a través de electrólisis. Las tecnologías TES, incluidos los sistemas de sal fundida, enfrentan desafíos debido a la baja conductividad térmica, la baja capacidad calorífica específica y los problemas de corrosión de los materiales.
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