IX. LA CUERDA DEL MOVIMIENTO: ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA

CUANDO jugamos con un balero notamos que después de cierto tiempo nos cuesta más trabajo hacer capiruchos, debido a que la cuerda se ha enredado. Si dejamos el balero colgando observamos que empieza a girar solo a gran velocidad en un sentido; lo mismo ocurre con un yoyo. ¿Qué ocasiona que se mueva el balero? La respuesta la encontramos en el almacenamiento de energía. Una parte de la energía que hemos empleado para jugar se ha almacenado en la cuerda y se manifiesta posteriormente como energía cinética.

También la cuerda de los juguetes es otro mecanismo en el que interviene el fenómeno de almacenar energía. Hoy, en todos los juguetes de pilas se almacena energía. De hecho, las pilas son uno de los múltiples sistemas de almacenamiento de energía.

En la vida cotidiana, el sistema de almacenamiento más conocido es la batería de un automóvil (construida a base de plomo y un ácido), cuya diferencia con una pila es que aquélla es recargable, mientras que la mayoría de las pilas comunes se descargan y no pueden recargarse.

Pero, además de los juguetes y las baterías, los sistemas de almacenamiento de energía tienen dos aplicaciones a gran escala:

1) Posibilitan hacer un uso más eficiente de la energía que se consume. Para ello, es posible guardar la energía durante los periodos de baja demanda, mediante un sistema de almacenamiento de energía, y utilizarla en los periodos de alta demanda. Esto puede hacerse en ciclos diarios, semanales, mensuales, estacionales, etc. Se ha demostrado que si se emplea el almacenamiento de energía en ciclos diarios, se puede reducir un 3% la unidad superior de demanda y con ciclos semanales se reduce un 5%. En la figura 34 se muestra una curva típica semanal de demanda de energía que se satisface con los diferentes tipos de centrales eléctricas. Comúnmente las plantas termoeléctricas de combustible de bajo precio se utilizan para satisfacer la demanda de energía en las horas en que se gasta más energía o demanda pico, cuya eficiencia es de alrededor de 25%. En estos casos, la introducción de un sistema de almacenamiento puede reducir en 5% la máxima demanda de energía, porque se aprovecha más eficientemente en el tiempo.

En la gráfica A se muestra una curva típica de la generación de energía eléctrica de todas las centrales eléctricas a lo largo de una semana (como puede observarse, en las noches, sábado y domingo se requiere menos energía eléctrica). En B se muestra la misma curva pero con la introducción de un sistema de almacenamiento. Se guarda la energía en las noches, sábado y domingos y se genera para satisfacer la demanda pico, con este sistema se puede conseguir un ahorro de energía eléctrica.

Figura 34. Almacenamiento de energía.

2) En el caso de las fuentes intermitentes de energía, tales como la energía solar o la eólica, los sistemas de almacenamiento de energía son indispensables, si se quiere disponer de energía en forma continua. En el caso de la energía solar, sólo hay Sol de día, así que si se quiere aprovechar la energía solar durante las noches se debe emplear un sistema de almacenamiento de energía. Esto evidentemente trae como consecuencia que el costo de la energía solar sea superior. Por esto, es deseable contar con sistemas de almacenamiento de energía que sean eficientes, baratas y que sean durables. Estas tres características son fundamentales para seleccionar un sistema de almacenamiento de energía —así como en cualquier sistema energético—. También existen otras características como la densidad de energía, la capacidad de transporte y la duración del almacenamiento.

Los sistemas físicos de almacenamiento de energía son: el bombeo de agua o hidrobombeo, el almacenamiento por aire comprimido, los volantes giratorios o flywheels, los sistemas de almacenamiento de calor latente y calor sensible y los imanes superconductores. Algunos de ellos se ilustran en la figura 35.

Figura 35. Algunos sistemas de almacenamiento de energía.

El hidrobombeo consiste en elevar agua de un depósito inferior a otro superior, durante los periodos de baja demanda de electricidad (es decir, fuera de las horas pico en las que se consume más electricidad), y la operación como una planta hidroeléctrica convencional (dejando caer el agua y generando electricidad) durante las horas pico.

La parte fundamental de un sistema de hidrobombeo es la turbobomba (una turbina con una bomba de agua). La turbina puede conectarse a un motor-generador, que dependiendo del sentido de rotación del rotor, puede generar electricidad, o bien, si la rotación se invierte, bombear agua del depósito inferior al superior. También es posible tener la turbina y el generador operando separadamente. La principal limitación de este sistema es el número reducido de lugares apropiados para la construcción de los depósitos.

En el sistema de aire comprimido se guarda el aire a una presión elevada (80 atmósferas) en depósitos bajo tierra, naturales o artificiales. Por ejemplo, minas abandonadas, cavidades rellenas con soluciones minerales o acuíferos. Durante las horas de baja demanda el aire se comprime adiabáticamente en compresores centrífugos y axiales y se almacena en la cavidad y durante las horas pico el aire se expande y mueve un turbogenerador.

Los volantes giratorios o flywheels son ruedas hechas de un material muy resistente a la tensión y con una distribución de materia que ayuda a soportar grandes velocidades (por ejemplo, un tipo de rueda es más delgada en el borde y aumenta de espesor conforme nos acercamos al centro). En los volantes giratorios se almacena energía cinética que es directamente proporcional a la tensión del material e inversamente proporcional a la densidad del mismo. Conforme aumenta la velocidad de giro del volante, aumenta la energía almacenada.

Hay distintas formas de volantes giratorios: anillos concéntricos unidos por resinas, miles de pequeñas fibras unidas en el centro como si se tratara de un manojo de espaguetti, ruedas con grosor decreciente y anillos suspendidos magnéticamente.

Para generar electricidad los volantes giratorios se colocan en una unidad sellada al vacío, para evitar las pérdidas por fricción con el aire y se conectan a un motor-generador.

Para entender mejor este sistema, en San Francisco se pusieron a operar unos tranvías con volantes giratorios. Durante las bajadas, el movimiento de las ruedas del tranvía hacía que se generase electricidad, la cual se almacenaba como energía cinética del volante giratorio y durante las subidas la energía almacenada en el volante se empleaba para mover el motor eléctrico del tranvía.

En los sistemas de calor latente o sensible se aprovecha, valga la redundancia, el calor latente o sensible de un medio de almacenamiento para guardar el calor. En el proceso, un fluido de trabajo pasa o transfiere el calor de la fuente de almacenamiento.

En el sistema de almacenamiento de calor latente se aprovecha el calor que produce una sustancia cuando cambia de fase. El cambio de sólido a líquido es el que más se utiliza en la práctica. Para guardar el calor se utilizan, por ejemplo, lechos de roca, agua caliente, líquidos orgánicos, metales, ladrillos, sales, etc. Para seleccionar los materiales se debe considerar que posean una alta capacidad calorífica (calor sensible) o un valor elevado de calor de fusión (calor latente). En ambos casos, la temperatura máxima y mínima, así como la densidad de energía, son los criterios que más pesan para elegir un material adecuado.

IX. 1. LOS IMANES SUPERCONDUCTORES Y OTROS SISTEMAS QUÍMICOS PARA ALMACENAR ENERGÍA

El fenómeno de la superconductividad consiste en que, al bajar la temperatura de algunos materiales como el mercurio, el niobio, el plomo o el tantalio o aleaciones como el estaño, llega un momento (temperatura crítica) en que la resistencia al paso de la corriente se hace igual a cero, y en consecuencia, las pérdidas por la potencia disipada son despreciables. Por otro lado, otra propiedad de los superconductores es la presencia del efecto Meissner, que consiste en que éstos no permiten la presencia de un campo magnético, propiedad que posibilita que un superconductor flote en el aire si se coloca abajo de un imán. Estas propiedades tienen muchas aplicaciones en los sistemas eléctricos.

Un imán superconductor es una bobina hecha de un material superconductor (un alambre enrollado en un núcleo) por la que se hace pasar una corriente elevada, produciéndose un campo magnético que induce una corriente eléctrica, aunque existe un campo magnético crítico y una corriente crítica para los cuales la superconductividad desaparece.

En los imanes superconductores la energía almacenada es proporcional al cuadrado del campo magnético producido. Se ha propuesto almacenar energía mediante grandes bobinas enterradas bajo tierra, hechas de materiales superconductores, pues en estas condiciones las corrientes serían elevadas y los campos magnéticos que se producirían serían intensos. Así, se puede lograr que una corriente eléctrica se mantenga almacenada girando en la bobina sin pérdidas. Dichas bobinas deben estar provistas de un sistema de enfriamiento para alcanzar las condiciones de superconductividad.

La gran ventaja de los imanes superconductores es su elevada eficiencia, así como el almacenamiento directo que se logra de la energía eléctrica.

Se debe mencionar un descubrimiento reciente que de seguro provocará cambios tecnológicos y que servirá para lograr un aprovechamiento continuo de la energía solar: los nuevos materiales superconductores, llamados superconductores de alta temperatura o calientes, hechos a base de óxidos de cobre con elementos de las tierras raras como lantano e itrio.

Como se mencionó anteriormente, los sistemas de almacenamiento son indispensables para la utilización ininterrumpida de las fuentes intermitentes de energía, ya que con ellos dicha energía puede aprovecharse también durante las noches, así como para aumentar la eficiencia del proceso de demanda de energía eléctrica. De estos sistemas, los imanes superconductores constituyen la forma más eficiente de almacenamiento; sin embargo, hasta ahora eran sumamente costosos, ya que requerían de un sistema de refrigeración muy complejo y helio líquido para alcanzar temperaturas cercanas al cero absoluto (-273ñ C).

Con los nuevos materiales superconductores esta desventaja desaparece. Como se señaló anteriormente, cuando hay superconductividad, la resistencia al paso de una corriente eléctrica es cero o nula. Con los novedosos materiales la superconductividad puede lograrse a temperaturas mucho más altas que las obtenidas anteriormente (-175ñ C), lo que permite utilizar nitrógeno líquido como refrigerante, que es un elemento abundante en la atmósfera, lo cual significaría un sistema de refrigeración más sencillo y por lo tanto menos costoso.

De lo anterior se desprende que con los nuevos materiales, en un plazo cercano se encontrará un sistema de almacenamiento de energía que abaratará el aprovechamiento continuo de energía.

En México, el Instituto de Investigaciones en Materiales y el Instituto de Física, ambos de la UNAM, han producido diversos materiales superconductores de alta temperatura.

En general, los nuevos materiales superconductores inauguran un área de investigación en el campo de los energéticos y, en particular, serán de gran utilidad en el aprovechamiento de las fuentes no convencionales que requieren de sistemas de almacenamiento, como es el caso de la energía solar o la eólica. Probablemente se puedan construir superconductores combinados con páneles de celdas solares o aerogeneradores, capaces de proporcionar una alternativa más atractiva para el aprovechamiento de la energía solar en México y en el mundo.

Por otro lado, existen sistemas químicos para almacenar energía. Éstos son: el almacenamiento de hidrógeno, que se puede generar en la electrólisis del agua, para convertirlo en electricidad en una celda de combustible; los tubos termoquímicos, en los cuales se lleva a cabo una reacción endotérmica del lado de la fuente de calor y una exotérmica, del lado de la demanda de energía; las bombas de calor, y, finalmente, las baterías o pilas.

Las baterías o pilas son dispositivos electroquímicos que convierten la energía eléctrica (en forma de corriente directa o constante) en energía química durante la carga de la batería, y durante la descarga, convierten la energía química en energía eléctrica. En los sistemas de almacenamiento de energía sólo se pueden emplear las baterías recargables. De ellas, la más conocida es la batería de automóvil, que es una batería que funciona con la reacción química que se produce cuando se combina plomo con un ácido. Sin embargo, existen otras que son apropiadas para el almacenamiento, como las de cloruro de zinc y agua (ZnCI₂.H₂0), las de litio, con una aleación de sulfuro ferroso (Li-FeS) y las de sulfuro de sodio (NaS). El costo, la duración, la eficiencia, la vida útil de la batería, así como la energía que puede proporcionar por unidad de volumen son algunas de las características más importantes que deben considerarse antes de seleccionar algún tipo de pila.

En el cuadro XI se resume la eficiencia de los diversos sistemas de almacenamiento de energía.

Los avances en investigación que se realicen en los sistemas de almacenamiento de energía son indispensables para que fuentes de energía como la solar o la eólica puedan competir con otras fuentes de energía.

CUADRO XI. Sistemas de almacenamiento de energía.

Físicos	Eficiencia (%)
Hidrobombeo	66	(en promedio)
Aire comprimido	69	"
Volantes giratorios	78	"
Calor sensible y latente	65	"
Magnetos superconductores	90	"
Químicos
Batería Li/aleación FeS	58.3-74
Batería NaS y ZnCl2(H2O)	56.7-72.2
Bateria plomo-ácido	60.7-67.7
Celda de combustible con H	24-58
Tubo termoquímico, SO3	23.5
Bomba termoquímica HYCSOS	11.6-14

En el caso de México, es esencial diversificar el uso de las fuentes de energía. Ya se está haciendo en fuentes como la geotermia, la fisión nuclear y el carbón. Sin embargo, deben intensificarse los esfuerzos en la investigación y construcción de plantas piloto, así como en la tecnología de la energía solar, la eólica, la energía de la biomasa y la fusión nuclear. El uso eficiente de la energía, así como el desarrollo de sistemas de almacenamiento experimentales debe desarrollarse en la práctica.

De igual forma, el ahorro de energía y las medidas prácticas para que la población colabore en el uso racional de la energía desempeñan un papel importante. Las opciones energéticas individuales o autosuficientes y rurales no deben dejarse de lado por prestarle más interés a la satisfacción de la macro demanda de energía que requiere el país; por el contrario, las iniciativas individuales, pequeñas o regionales, deben estimularse, pues la suma de pequeñas partes puede representar una contribución importante para satisfacer la demanda de energía de cualquier persona.

Finalmente, nuestro país, a diferencia de muchos otros, tiene la fortuna de contar con petróleo para cubrir gran parte de la demanda energética. Pero, si nos faltara, ¿cómo se cubrirían las necesidades energéticas de cada persona? Para responder a esta pregunta, sólo añadiremos un ingrediente final: el petróleo es una fuente que tarde o temprano se agotará y algunos países son importadores de energía. El aprovechamiento de las diversas fuentes (véase la figura 36) debe hacerse seria e inteligentemente, pensando en todas las variables que intervienen a corto, mediano y largo plazo. La formación de recursos y la investigación práctica y teórica constituyen una forma de aumentar nuestras reservas.

1041	Cuasar (débil)	1027	Traslación de la Luna	1013	Catarats del Niágara	10-1	Tecla de piano
1039	Nebulosa de Andrómeda	1025	E. Potencial de océanos	1011	E. Aprovch. de las mareas	10-3	Colibrí
1037	Cúmulo globular	1023	Calor solar que recibe la tierra 1 semana	109	Tzunami	10-5	E.P. de un grano de sal
1035	Traslación de la Tierra	1021	E. solar que recibe la Tierra en 1 hora	107	Rayos	10-7	Salto de una pulga
1033	Energía del Sol (1 mes)	1019	Terremoto	105	1/2 manzana	10-9	E. en reposo de 7 protones
1031	Traslación de Neptuno	1017	Volcanes y fuentes termales	103	Cerillo	10-11	EA de núcleo de oxígeno
1029	Rotación de la Tierra	1015	Huracán	101	Bíceps	10-13	E. en Reposo del electrón

Figura 36. Escala de energías (en joules). (Tabla tomada del Museo de las Ciencias, UNAM, 1992, Juan Tonda.)