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Por Jorge Olmedo González, Rosa de Guadalupe González Huerta
Instituto Politécnico Nacional-ESIQIE, UPALM, CDMX-México
rgonzalezh@ipn-mx

Introducción
El desarrollo tecnológico de la humanidad ha promovido una importante dependencia de la energía eléctrica, por lo que se ha vuelto una necesidad básica contar con un suministro confiable y de calidad. Según datos de la Comisión Federal de Electricidad (CFE), aproximadamente el 99% de la población en México tiene acceso a energía eléctrica, pero cerca del 36% vive en condiciones de pobreza energética, es decir con un servicio de baja calidad o intermitente. Esto se debe, entre otros factores, a que muchas de estas personas residen en zonas remotas de difícil acceso. Algunas alternativas para resolver este problema puede ser el uso de fuentes renovables, especialmente en áreas donde no es rentable llevar infraestructura eléctrica debido a la baja densidad poblacional.

Uno de los desafíos para implementar microrredes aisladas en viviendas es garantizar un suministro continuo de energía que cubra las necesidades de la población, ya que fuentes como la energía solar y la eólica, aunque viables, presentan intermitencia natural. Por ello, la hibridación de varias fuentes de energía, tanto renovables como no renovables, junto con el almacenamiento de energía, pueden llegar a facilitar la expansión de estos sistemas en microrredes renovables [1,2].

1. Los sistemas independientes o fuera de la red  
En México y en gran parte del mundo, el desarrollo y suministro de electricidad se ha basado principalmente en un modelo de generación centralizada, en el que grandes plantas o centrales eléctricas distribuyen la energía a la población a través de redes de cableado eléctrico. No obstante, con el avance de las energías renovables, han ganado relevancia otras formas de generación, como la generación distribuida o descentralizada, el uso de microrredes, ya sean interconectadas a la red pública o independientes y los sistemas independientes para viviendas [3,4]. 

El uso de energías renovables, como la energía solar, ha facilitado el crecimiento de sistemas de energía independiente y microrredes aisladas, especialmente en áreas con problemas en el suministro eléctrico, regiones remotas o donde las tarifas de electricidad son elevadas. 

Un sistema de potencia aislado o fuera de la red, también conocido como "stand-alone system" o "off-grid system" en inglés, puede estar integrado por los siguientes componentes: a) fuente de energía renovable, si se cuenta con más de una fuente, se considera un sistema híbrido; b) una fuente de energía de respaldo, usualmente un generador no renovable, como un generador diésel; c) almacenamiento de energía, la más ampliamente utilizada baterías de plomo-ácido, aunque tecnologías más recientes como baterías de ion-litio o hidrógeno empiezan a cobrar mayor relevancia; y d) el sistema de acondicionamiento de potencia, que comprende todos los equipos eléctricos necesarios para ajustar la energía generada a los requerimientos de los equipos eléctricos del usuario, como por ejemplo 127 V de corriente alterna 60Hz (ver figura 1). 

Figura 1. Sistema hibrido independiente para suministrar electricidad a una vivienda [5].

2. Los sistemas híbridos renovables  
Las energías renovables como la solar, eólica y marina se pueden clasificar como energías renovables variables (ERV) debido a su naturaleza intermitente, su irregularidad y su capacidad de despacho variable, lo que significa que no siempre pueden cubrir la demanda energética de manera constante. No obstante, las ERV tienen múltiples aplicaciones, desde sistemas a pequeña hasta gran escala en proyectos de energía independientes, donde puede ser necesario el almacenamiento de energía para satisfacer la demanda sin depender de la red eléctrica pública [6].

En años recientes, nuevas energías renovables han cobrado mayor relevancia, como las energías renovables marinas (ERM), que podrían llegar a aportar entre 500 y 1000 MW de capacidad instalada para 2030  [7,8]. En México, este tipo de energía es prometedora debido al potencial natural en regiones como el Golfo de California y la Corriente de Cozumel en la Península de Yucatán, con un potencial de producción de hasta 100 W/m² [9]. La flexibilidad de los sistemas independientes y los híbridos ha ganado gran relevancia en los últimos años, impulsando estudios y proyectos a nivel mundial. Sin embargo, la adopción de las ERM aún es limitada debido a su etapa de desarrollo.

Figura 2. Diferentes proyectos de energías renovables marinas con sistemas de almacenamiento de energía [10].

El propósito de los sistemas híbridos, que combinan varias fuentes de energía renovable y/o no renovable, junto con almacenamiento de energía, es satisfacer de manera óptima la demanda energética de los usuarios. Esta hibridación permite alternar entre distintas fuentes de generación eléctrica y almacenar el excedente cuando se genera más energía de la que se necesita. No obstante, uno de los principales desafíos de estos sistemas es el costo, ya que aproximadamente el 60% del total puede provenir del almacenamiento de energía [11].

Al utilizar más de una fuente renovable, como un sistema híbrido solar-corrientes marinas, se puede reducir la necesidad de almacenamiento, ya que ambas fuentes pueden complementarse para cubrir la demanda de electricidad. Esto permite que, cuando una de las fuentes tenga baja o nula producción, la otra pueda suplir el requerimiento energético. Este tipo de sistema no está exento de no poder cubrir la demanda de electricidad por lo que se pueden integrar sistemas de almacenamiento de energía, donde también se puede considerar la estrategia de hibridación, es decir combinar diferentes tecnologías de almacenamiento de energía (TAE) que permitan almacenar y disponer de la energía almacenada de manera más optima de acuerdo con la potencia y energía requerida para cubrir la demanda. 

En la zona de Cozumel, la energía solar tiene mayor potencial en verano que en invierno, al igual que la energía de las corrientes marinas. El comportamiento diario de la energía solar sigue una curva similar a una campana de Gauss, con un pico máximo alrededor del mediodía, mientras que la producción de energía de las corrientes marinas es relativamente constante a lo largo del día, con ligeras variaciones en la mañana y tarde (ver figura 3). 

Figura 3. Potencial energético solar y de corrientes marinas en Cozumel, México [10]. 

Una vivienda en la costa puede llegar a consumir alrededor de 7.5 kWh diarios de electricidad [12,13], aunque este consumo puede variar en función del tamaño de la vivienda y el nivel socioeconómico. En la figura 6a, la línea azul muestra el perfil de demanda de energía de una vivienda, con un pequeño pico alrededor de las 6 a 8 de la mañana y un pico mayor entre las 8 y 9 de la noche, momentos en los que se utiliza más electricidad.

Las líneas naranja y amarilla representan la capacidad instalada necesaria para un sistema solar fotovoltaico y uno de corrientes marinas, respectivamente, para cubrir esos 7.5 kWh diarios. La energía solar requiere una mayor capacidad instalada, 2.1 kW, en comparación con la energía de corrientes marinas, que solo necesita 0.46 kW, ya que la energía solar está disponible menos horas al día. Al combinar ambas fuentes, como se muestra en la línea morada, es posible cubrir una mayor demanda y reducir la necesidad de almacenamiento de energía (ver figura 4).

Figura 4. (a) Perfil de generación-consumo de un sistema híbrido solar-corrientes marinas, capacidad instalada de 2.1 kW de paneles solares fotovoltaicos y 0.46 kW de una turbina de corrientes marinas.

Al combinar energía solar con energía de corrientes marinas, se puede mitigar tanto las fluctuaciones diarias como estacionales. Al hibridar las fuentes en un 50%, es decir, cubrir el 50% de la demanda de electricidad con energía solar y el otro 50% con energía de corrientes marinas, se necesita un almacenamiento de energía de 1.75 kWh/día. Esto representa una reducción del 55% en comparación con el almacenamiento necesario si solo se utiliza energía solar (ver figura 5).

Figura 5. Perfil de generación-consumo, 50% de hibridación del sistema híbrido solar-corrientes marinas.

Al comparar los distintos niveles de hibridación entre energía solar y energía de corrientes marinas, se encontró que, aunque la energía de corrientes marinas requiere menos almacenamiento diario, necesita una mayor cantidad de almacenamiento estacional debido a que hay mayores variaciones en la generación de electricidad (un 8% del año no cubre la demanda diaria) en comparación con la energía solar (que no cubre el 9% de la demanda diaria durante el año). Con una hibridación del 60%, se requiere menos almacenamiento estacional, lo que resalta la importancia de la combinación de estas energías (ver figura 6).  

Figura 6. Disponibilidad anual para abastecer la demanda de energía de la Vivienda y Capacidad de almacenamiento diario y estacional de un sistema solar-corrientes marinas con difrentes grados de hibridación.

3. Almacenamiento de energía para viviendas y microrredes   
Las baterías son la tecnología de almacenamiento de energía (TAE) más común y conocida, debido a factores como su madurez—desarrollada por Alessandro Volta hace más de 200 años, su versatilidad, costo y las diferentes químicas disponibles, como las baterías de plomo ácido y las de ion-litio. No obstante, otras tecnologías de almacenamiento también han ganado relevancia por su viabilidad en distintas aplicaciones, como el almacenamiento hidráulico por bombeo (PHS), el almacenamiento de energía en aire comprimido (CAES), las baterías de flujo, los volantes de inercia, los supercapacitores y el hidrógeno, entre otras.  Cada una de estas tecnologías de almacenamiento de energía tiene ventajas y desventajas que pueden evaluarse según criterios como la capacidad de almacenamiento, tiempo de respuesta, vida útil, ciclo de vida, eficiencia, costo, potencia, densidad de energía y potencia nominal, entre otros (ver tabla 1) [14,15].

Tabla 1. Comparación de diferentes tecnologías de almacenamiento de energía con base en difrentes criterios. 
     

Las baterías han sido la TAE más ampliamente utilizada en aplicaciones de almacenamiento para viviendas o microrredes, gracias a su amplio desarrollo, versatilidad y costo. Sin embargo, opciones como el hidrógeno han ganado relevancia, especialmente para almacenamiento a largo plazo (semanas o meses), donde las baterías pueden sufrir autodescarga y otras tecnologías pueden resultar demasiado grandes para aplicaciones de baja potencia como el almacenamiento por bombeo hidráulico. Tecnologías como CAES o PHS se han vuelto atractivas para sistemas eléctricos de gran potencia, en el rango de mega watts (MW).

La adecuación de las diferentes tecnologías de almacenamiento de energía (TAE) varía según el tipo de aplicación. Para vehículos eléctricos, las baterías son las más adecuadas debido a su alta densidad de potencia y energía, lo que permite un menor peso y tamaño en comparación con otras tecnologías. El hidrógeno, por su parte, es una opción que ha cobrado interés en transporte de carga pesada dado el tiempo de autonomía requerido (mayores distancias) y mayor potencia. 
En el caso de sistemas híbridos para viviendas o microrredes, el almacenamiento puede ser necesario para manejar fluctuaciones horarias, diarias, mensuales o estacionales, e incluso fluctuaciones muy breves en la escala de segundos a minutos.

Al evaluar todos los criterios y ponderar su importancia para estas aplicaciones mediante métodos multicriterio, se puede determinar la TAE más adecuada. Para el almacenamiento de energía que debe manejar fluctuaciones diarias, los factores más críticos son el tiempo de respuesta, seguido del número de ciclos y la eficiencia. Para fluctuaciones estacionales, la duración del almacenamiento es primordial, seguida del tiempo de respuesta y la potencia nominal, especialmente en sistemas de baja potencia. Los supercapacitores son los más adecuados para regulaciones menores a un minuto, las baterías de iones de litio son ideales para fluctuaciones horarias y diarias, mientras que el almacenamiento de hidrógeno resulta ser la opción más atractiva para períodos prolongados, como mensuales o estacionales.

Tabla 2. Comparación de viabilidad técnica de diferentes tecnologías de almacenamiento de energía para suministro de electricidad en viviendas.

Es importante destacar que la necesidad de almacenamiento de energía no sólo dependerá de la naturaleza de generación de la fuente de energía renovable, si no de los excedentes de energía que se deseen aprovechar. Por ejemplo, la energía geotérmica y algunas formas de energías marinas, como la de gradiente térmico o salino, pueden proporcionar generación constante de electricidad, sin embargo, puede llegar a ser rentable almacenar los excedentes de energía no utilizados para vender en periodos de tiempo diferentes a su generación.  

Referencias
[1]    García-Ochoa R, Graizbord B. Caracterización espacial de la pobreza energética en México. Un análisis a escala subnacional. Econ Soc y Territ 2016;16:289–337.
[2]    CFE. Historia de la CFE. Com Fed Electr  2016. https://www.cfe.mx/nuestraempresa/pages/historia.aspx (accessed August 20, 2022).
[3]    Dugan RC, McDermott TE. Distributed generation. IEEE Ind Appl Mag 2002;8:19–25. https://doi.org/10.1109/2943.985677.
[4]    Hatziargyriou N, Asano H, Iravani R, Marnay C. Microgrids. IEEE Power Energy Mag 2007;5:78–94. https://doi.org/10.1109/MPAE.2007.376583.
[5]    Bajpai P, Dash V. Hybrid renewable energy systems for power generation in stand-alone applications: A review. Renew Sustain Energy Rev 2012;16:2926–39. https://doi.org/10.1016/j.rser.2012.02.009.
[6]    Cebulla F, Naegler T, Pohl M. Electrical energy storage in highly renewable European energy systems: Capacity requirements, spatial distribution, and storage dispatch. J Energy Storage 2017;14:211–23. https://doi.org/10.1016/j.est.2017.10.004.
[7]    Uihlein A, Magagna D. Wave and tidal current energy - A review of the current state of research beyond technology. Renew Sustain Energy Rev 2016;58:1070–81. https://doi.org/10.1016/j.rser.2015.12.284.
[8]    IRENA. Renewable Energy Prospects: Mexico, REmap 2030 analysis. Abu Dhabi: 2015.
[9]    Hernández-Fontes J V., Felix A, Mendoza E, Cueto YR, Silva R. On the marine energy resources of Mexico. J Mar Sci Eng 2019;7. https://doi.org/10.3390/jmse7060191.
[10]    Olmedo-González J, Ramos-Sánchez G, Garduño-Ruiz EP, González-Huerta R de G. Analysis of Stand-Alone Photovoltaic—Marine Current Hybrid System and the Influence on Daily and Seasonal Energy Storage. Energies 2022;15:1–21. https://doi.org/10.3390/en15020468.
[11]    EERE. Should I Get Battery Storage for My Solar Energy System? | Department of Energy 2021. https://www.energy.gov/eere/solar/articles/should-i-get-battery-storage… (accessed August 20, 2022).
[12]    Cruz González G, Alejandro M, Saldívar D. El consumo de energía eléctrica en los hogares de México por nivel de ingresos, 2012. Tiempo Económico 2015;X:43–56.
[13]    Taufiqul M, T. Oo AM, Shawkat Ali ABM. Estimation of Energy Storage and Its Feasibility Analysis. In: Zobaa AF, editor. Energy Storage - Technol. Appl., IntechOpen; 2013, p. 41–78. https://doi.org/10.5772/52218.
[14]    Guney MS, Tepe Y. Classification and assessment of energy storage systems. Renew Sustain Energy Rev 2017;75:1187–97. https://doi.org/10.1016/j.rser.2016.11.102.
[15]    Luo X, Wang J, Dooner M, Clarke J. Overview of current development in electrical energy storage technologies and the application potential in power system operation. Appl Energy 2015;137:511–36. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2014.09.081.