IX. LA CUERDA DEL MOVIMIENTO: ALMACENAMIENTO DE ENERG�A

CUANDO jugamos con un balero notamos que despu�s de cierto tiempo nos cuesta m�s 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. �Qu� ocasiona que se mueva el balero? La respuesta la encontramos en el almacenamiento de energ�a. Una parte de la energ�a que hemos empleado para jugar se ha almacenado en la cuerda y se manifiesta posteriormente como energ�a cin�tica.

Tambi�n la cuerda de los juguetes es otro mecanismo en el que interviene el fen�meno de almacenar energ�a. Hoy, en todos los juguetes de pilas se almacena energ�a. De hecho, las pilas son uno de los m�ltiples sistemas de almacenamiento de energ�a.

En la vida cotidiana, el sistema de almacenamiento m�s conocido es la bater�a de un autom�vil (construida a base de plomo y un �cido), cuya diferencia con una pila es que aqu�lla es recargable, mientras que la mayor�a de las pilas comunes se descargan y no pueden recargarse.

Pero, adem�s de los juguetes y las bater�as, los sistemas de almacenamiento de energ�a tienen dos aplicaciones a gran escala:

1) Posibilitan hacer un uso m�s eficiente de la energ�a que se consume. Para ello, es posible guardar la energ�a durante los periodos de baja demanda, mediante un sistema de almacenamiento de energ�a, 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 energ�a 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 t�pica semanal de demanda de energ�a que se satisface con los diferentes tipos de centrales el�ctricas. Com�nmente las plantas termoel�ctricas de combustible de bajo precio se utilizan para satisfacer la demanda de energ�a en las horas en que se gasta m�s energ�a o demanda pico, cuya eficiencia es de alrededor de 25%. En estos casos, la introducci�n de un sistema de almacenamiento puede reducir en 5% la m�xima demanda de energ�a, porque se aprovecha m�s 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 energ�a.

2) En el caso de las fuentes intermitentes de energ�a, tales como la energ�a solar o la e�lica, los sistemas de almacenamiento de energ�a son indispensables, si se quiere disponer de energ�a en forma continua. En el caso de la energ�a solar, s�lo hay Sol de d�a, as� que si se quiere aprovechar la energ�a solar durante las noches se debe emplear un sistema de almacenamiento de energ�a. Esto evidentemente trae como consecuencia que el costo de la energ�a solar sea superior. Por esto, es deseable contar con sistemas de almacenamiento de energ�a que sean eficientes, baratas y que sean durables. Estas tres caracter�sticas son fundamentales para seleccionar un sistema de almacenamiento de energ�a —as� como en cualquier sistema energ�tico—. Tambi�n existen otras caracter�sticas como la densidad de energ�a, la capacidad de transporte y la duraci�n del almacenamiento.

Los sistemas f�sicos de almacenamiento de energ�a 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 energ�a.

El hidrobombeo consiste en elevar agua de un dep�sito inferior a otro superior, durante los periodos de baja demanda de electricidad (es decir, fuera de las horas pico en las que se consume m�s electricidad), y la operaci�n como una planta hidroel�ctrica 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 rotaci�n del rotor, puede generar electricidad, o bien, si la rotaci�n se invierte, bombear agua del dep�sito inferior al superior. Tambi�n es posible tener la turbina y el generador operando separadamente. La principal limitaci�n de este sistema es el n�mero reducido de lugares apropiados para la construcci�n de los dep�sitos.

En el sistema de aire comprimido se guarda el aire a una presi�n elevada (80 atm�sferas) en dep�sitos bajo tierra, naturales o artificiales. Por ejemplo, minas abandonadas, cavidades rellenas con soluciones minerales o acu�feros. Durante las horas de baja demanda el aire se comprime adiab�ticamente en compresores centr�fugos 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 tensi�n y con una distribuci�n de materia que ayuda a soportar grandes velocidades (por ejemplo, un tipo de rueda es m�s delgada en el borde y aumenta de espesor conforme nos acercamos al centro). En los volantes giratorios se almacena energ�a cin�tica que es directamente proporcional a la tensi�n del material e inversamente proporcional a la densidad del mismo. Conforme aumenta la velocidad de giro del volante, aumenta la energ�a almacenada.

Hay distintas formas de volantes giratorios: anillos conc�ntricos unidos por resinas, miles de peque�as fibras unidas en el centro como si se tratara de un manojo de espaguetti, ruedas con grosor decreciente y anillos suspendidos magn�ticamente.

Para generar electricidad los volantes giratorios se colocan en una unidad sellada al vac�o, para evitar las p�rdidas por fricci�n con el aire y se conectan a un motor-generador.

Para entender mejor este sistema, en San Francisco se pusieron a operar unos tranv�as con volantes giratorios. Durante las bajadas, el movimiento de las ruedas del tranv�a hac�a que se generase electricidad, la cual se almacenaba como energ�a cin�tica del volante giratorio y durante las subidas la energ�a almacenada en el volante se empleaba para mover el motor el�ctrico del tranv�a.

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 s�lido a l�quido es el que m�s se utiliza en la pr�ctica. Para guardar el calor se utilizan, por ejemplo, lechos de roca, agua caliente, l�quidos org�nicos, metales, ladrillos, sales, etc. Para seleccionar los materiales se debe considerar que posean una alta capacidad calor�fica (calor sensible) o un valor elevado de calor de fusi�n (calor latente). En ambos casos, la temperatura m�xima y m�nima, as� como la densidad de energ�a, son los criterios que m�s pesan para elegir un material adecuado.

IX. 1. LOS IMANES SUPERCONDUCTORES Y OTROS SISTEMAS QU�MICOS PARA ALMACENAR ENERG�A

El fen�meno 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 esta�o, llega un momento (temperatura cr�tica) en que la resistencia al paso de la corriente se hace igual a cero, y en consecuencia, las p�rdidas por la potencia disipada son despreciables. Por otro lado, otra propiedad de los superconductores es la presencia del efecto Meissner, que consiste en que �stos no permiten la presencia de un campo magn�tico, propiedad que posibilita que un superconductor flote en el aire si se coloca abajo de un im�n. Estas propiedades tienen muchas aplicaciones en los sistemas el�ctricos.

Un im�n superconductor es una bobina hecha de un material superconductor (un alambre enrollado en un n�cleo) por la que se hace pasar una corriente elevada, produci�ndose un campo magn�tico que induce una corriente el�ctrica, aunque existe un campo magn�tico cr�tico y una corriente cr�tica para los cuales la superconductividad desaparece.

En los imanes superconductores la energ�a almacenada es proporcional al cuadrado del campo magn�tico producido. Se ha propuesto almacenar energ�a mediante grandes bobinas enterradas bajo tierra, hechas de materiales superconductores, pues en estas condiciones las corrientes ser�an elevadas y los campos magn�ticos que se producir�an ser�an intensos. As�, se puede lograr que una corriente el�ctrica se mantenga almacenada girando en la bobina sin p�rdidas. 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, as� como el almacenamiento directo que se logra de la energ�a el�ctrica.

Se debe mencionar un descubrimiento reciente que de seguro provocar� cambios tecnol�gicos y que servir� para lograr un aprovechamiento continuo de la energ�a solar: los nuevos materiales superconductores, llamados superconductores de alta temperatura o calientes, hechos a base de �xidos de cobre con elementos de las tierras raras como lantano e itrio.

Como se mencion� anteriormente, los sistemas de almacenamiento son indispensables para la utilizaci�n ininterrumpida de las fuentes intermitentes de energ�a, ya que con ellos dicha energ�a puede aprovecharse tambi�n durante las noches, as� como para aumentar la eficiencia del proceso de demanda de energ�a el�ctrica. De estos sistemas, los imanes superconductores constituyen la forma m�s eficiente de almacenamiento; sin embargo, hasta ahora eran sumamente costosos, ya que requer�an de un sistema de refrigeraci�n muy complejo y helio l�quido para alcanzar temperaturas cercanas al cero absoluto (-273� C).

Con los nuevos materiales superconductores esta desventaja desaparece. Como se se�al� anteriormente, cuando hay superconductividad, la resistencia al paso de una corriente el�ctrica es cero o nula. Con los novedosos materiales la superconductividad puede lograrse a temperaturas mucho m�s altas que las obtenidas anteriormente (-175� C), lo que permite utilizar nitr�geno l�quido como refrigerante, que es un elemento abundante en la atm�sfera, lo cual significar�a un sistema de refrigeraci�n m�s sencillo y por lo tanto menos costoso.

De lo anterior se desprende que con los nuevos materiales, en un plazo cercano se encontrar� un sistema de almacenamiento de energ�a que abaratar� el aprovechamiento continuo de energ�a.

En M�xico, el Instituto de Investigaciones en Materiales y el Instituto de F�sica, ambos de la UNAM, han producido diversos materiales superconductores de alta temperatura.

En general, los nuevos materiales superconductores inauguran un �rea de investigaci�n en el campo de los energ�ticos y, en particular, ser�n de gran utilidad en el aprovechamiento de las fuentes no convencionales que requieren de sistemas de almacenamiento, como es el caso de la energ�a solar o la e�lica. Probablemente se puedan construir superconductores combinados con p�neles de celdas solares o aerogeneradores, capaces de proporcionar una alternativa m�s atractiva para el aprovechamiento de la energ�a solar en M�xico y en el mundo.

Por otro lado, existen sistemas qu�micos para almacenar energ�a. �stos son: el almacenamiento de hidr�geno, que se puede generar en la electr�lisis del agua, para convertirlo en electricidad en una celda de combustible; los tubos termoqu�micos, en los cuales se lleva a cabo una reacci�n endot�rmica del lado de la fuente de calor y una exot�rmica, del lado de la demanda de energ�a; las bombas de calor, y, finalmente, las bater�as o pilas.

Las bater�as o pilas son dispositivos electroqu�micos que convierten la energ�a el�ctrica (en forma de corriente directa o constante) en energ�a qu�mica durante la carga de la bater�a, y durante la descarga, convierten la energ�a qu�mica en energ�a el�ctrica. En los sistemas de almacenamiento de energ�a s�lo se pueden emplear las bater�as recargables. De ellas, la m�s conocida es la bater�a de autom�vil, que es una bater�a que funciona con la reacci�n qu�mica que se produce cuando se combina plomo con un �cido. 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 aleaci�n de sulfuro ferroso (Li-FeS) y las de sulfuro de sodio (NaS). El costo, la duraci�n, la eficiencia, la vida �til de la bater�a, as� como la energ�a que puede proporcionar por unidad de volumen son algunas de las caracter�sticas m�s importantes que deben considerarse antes de seleccionar alg�n tipo de pila.

En el cuadro XI se resume la eficiencia de los diversos sistemas de almacenamiento de energ�a.

Los avances en investigaci�n que se realicen en los sistemas de almacenamiento de energ�a son indispensables para que fuentes de energ�a como la solar o la e�lica puedan competir con otras fuentes de energ�a.

CUADRO XI. Sistemas de almacenamiento de energ�a.

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 M�xico, es esencial diversificar el uso de las fuentes de energ�a. Ya se est� haciendo en fuentes como la geotermia, la fisi�n nuclear y el carb�n. Sin embargo, deben intensificarse los esfuerzos en la investigaci�n y construcci�n de plantas piloto, as� como en la tecnolog�a de la energ�a solar, la e�lica, la energ�a de la biomasa y la fusi�n nuclear. El uso eficiente de la energ�a, as� como el desarrollo de sistemas de almacenamiento experimentales debe desarrollarse en la pr�ctica.

De igual forma, el ahorro de energ�a y las medidas pr�cticas para que la poblaci�n colabore en el uso racional de la energ�a desempe�an un papel importante. Las opciones energ�ticas individuales o autosuficientes y rurales no deben dejarse de lado por prestarle m�s inter�s a la satisfacci�n de la macro demanda de energ�a que requiere el pa�s; por el contrario, las iniciativas individuales, peque�as o regionales, deben estimularse, pues la suma de peque�as partes puede representar una contribuci�n importante para satisfacer la demanda de energ�a de cualquier persona.

Finalmente, nuestro pa�s, a diferencia de muchos otros, tiene la fortuna de contar con petr�leo para cubrir gran parte de la demanda energ�tica. Pero, si nos faltara, �c�mo se cubrir�an las necesidades energ�ticas de cada persona? Para responder a esta pregunta, s�lo a�adiremos un ingrediente final: el petr�leo es una fuente que tarde o temprano se agotar� y algunos pa�ses son importadores de energ�a. El aprovechamiento de las diversas fuentes (v�ase la figura 36) debe hacerse seria e inteligentemente, pensando en todas las variables que intervienen a corto, mediano y largo plazo. La formaci�n de recursos y la investigaci�n pr�ctica y te�rica 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 energ�as (en joules). (Tabla tomada del Museo de las Ciencias, UNAM, 1992, Juan Tonda.)