Pregúntele a Hackaday: ¿Cómo puede almacenar energía en casa?

Nov 20, 2023

En medio de las discusiones sobre las soluciones de almacenamiento de energía a nivel de red, a menudo es fácil olvidar que el almacenamiento de energía también se puede hacer a nivel de una sola casa o edificio. Las ventajas aquí son que no se necesita la gestión de la red, con el almacenamiento (eléctrico, térmico, etc.) absorbiendo la energía a medida que está disponible y descargándola cuando se solicita. Esto simplifica significativamente la escala del problema y, por lo tanto, los costos asociados.

Quizás los ejemplos más comunes de tales sistemas son los colectores solares térmicos con un tanque de almacenamiento de agua caliente asociado y, por supuesto, las baterías. Más recientemente, la idea de usar un vehículo eléctrico a batería (BEV, 'coche eléctrico') como parte de una solución de almacenamiento en el hogar también está ganando terreno, especialmente para emergencias en las que la conexión a la red ha fallado debido a una tormenta o emergencias similares. Pero en general, no vemos muchas opciones para el almacenamiento de energía a nivel doméstico.

Hace un tiempo, analizamos las motivaciones detrás del almacenamiento a nivel de red, incluidas las tecnologías actuales y futuras. El creciente enfoque en el almacenamiento de larga duración está impulsado por la cantidad cada vez mayor de fuentes de energía intermitentes y no gestionables en la red, incluidas las turbinas eólicas y solares fotovoltaicas. Como estos producen niveles de energía altamente fluctuantes, almacenar el exceso de energía para su uso posterior es útil y posiblemente esencial.

Desafortunadamente, la conclusión es que el almacenamiento a nivel de red a una escala suficiente para almacenar y desplazar en el tiempo tales cantidades de energía a nivel de toda una nación no es factible. Cabe destacar aquí que prácticamente toda la capacidad de la batería recién producida hoy y en el futuro se destinará a los BEV, que es donde se presentó la idea de Vehicle2Grid (V2G) como un almacenamiento potencial a nivel de red. Esto también lo analizamos y encontramos queriendo desde una perspectiva económica y práctica.

Gran parte del problema se debe a las cantidades altamente fluctuantes de energía que se suministran y al creciente desajuste entre la oferta y la demanda a medida que se agregan más fuentes intermitentes a la red. Tener, por ejemplo, paneles solares en el techo que alimentan la red contribuye a este problema, lo que provoca aumentos repentinos de energía local cada vez que hay mucho sol en un área, incluso cuando las tarifas de alimentación se están recortando e incluso eliminando en más áreas. Esto lleva a que tanto los proveedores de servicios públicos como los propietarios de viviendas enfrenten mayores costos y menores beneficios (financieros).

Todo esto solo se refiere a la energía eléctrica, por supuesto. Los hogares, las oficinas y la industria también requieren calefacción, agua caliente y, por ejemplo, vapor para procesos industriales. En este caso, las opciones locales parecen tener mucho sentido cuando, por ejemplo, la calefacción urbana no es una opción. Con el uso de las soluciones existentes, como las bombas de calor y los tanques de almacenamiento de agua caliente, parecería que aquí al menos existen soluciones sencillas.

Si bien también es posible cargar una batería y calentar agua en un tanque de almacenamiento de agua caliente de la red local para su consumo posterior (por ejemplo, con tarifas fuera de horas punta), otra fuente de energía que está fácilmente disponible es el sol. Agregar colectores solares térmicos en el techo como parte de una solución de calentamiento solar de agua puede ser rentable, según los niveles de radiación solar (potencia por unidad de área). En este caso, la eficacia está determinada principalmente por el período de recuperación, que puede oscilar entre el orden de 4 años y cerca de los 20 años.

Una consideración importante aquí también es si se requieren funciones antihielo. Si bien un sistema puramente pasivo y, por lo tanto, bastante económico estaría bien en un clima cálido, si las temperaturas descienden por debajo de los 0 °C durante los inviernos, es esencial que se tomen medidas. Esto puede incluir agregar anticongelante al agua en el sistema, en cuyo caso también se requiere un sistema de circuito cerrado más costoso.

Además del calor de la radiación solar, la energía del sol también se puede convertir en electricidad mediante paneles solares fotovoltaicos (PV). Actualmente, la mayoría de las instalaciones solares fotovoltaicas en techos no tienen almacenamiento local y no se considera el autoconsumo, siendo el modelo comercial predominante el de vender la energía producida a la empresa de servicios públicos local.

Algunas ubicaciones también pueden tener espacio para otras fuentes de energía, como una (pequeña) turbina eólica, pero es probable que los colectores solares térmicos y los paneles solares fotovoltaicos sean las principales fuentes de energía cuando otras fuentes (como la hidroeléctrica) no están disponibles.

Como se ha mencionado, calentar agua es una forma muy común de captar y almacenar energía solar térmica. Muchas casas tienen un tanque de almacenamiento de agua caliente en el que se mantiene un suministro de agua a una temperatura específica para su uso inmediato. La principal diferencia está en cómo se calienta el agua en estos tanques. A menudo se utilizan combustibles fósiles como el aceite mineral o el gas natural, mientras que en otras áreas la calefacción eléctrica (resistiva) es más común. Cuando se utiliza en un contexto en el que se dispone de colectores solares térmicos y/o paneles solares fotovoltaicos, el agua también puede calentarse únicamente con estas fuentes.

La ventaja de este sistema es que proporciona una fuente de agua caliente potencialmente rentable, que tiende a ser uno de los usos más intensivos en energía. También proporciona un uso eficaz de la electricidad de los paneles solares fotovoltaicos cuando no se utiliza para cargar baterías.

Esto lleva a la otra solución de almacenamiento obvia en forma de almacenamiento de batería grande, como Powerwall de Tesla y ofertas similares de la competencia. Recientemente, Broughton et al. (2021) detalló la economía del almacenamiento de baterías para clientes residenciales de energía solar en el sur de California.

En California, la tarifa de alimentación ha estado cayendo durante años, con el actual programa NEM 3.0 reduciendo el incentivo financiero para producir energía fotovoltaica para la red. Como era de esperar, la introducción de Time-of-Use (TOU) con el programa NEM 2.0 vio que la cantidad de instalaciones de almacenamiento de batería por parte de los propietarios de viviendas ya aumentó significativamente.

La conclusión de Broughton et al. fue, sin embargo, que con el período de recuperación cuando se instaló un solo sistema Tesla Powerwall 2, junto con una instalación solar fotovoltaica, era demasiado largo para que esto tuviera algún sentido financiero. Donde tiene sentido tener un almacenamiento de batería como este instalado, es cuando la red eléctrica no es confiable, como es cada vez más el caso en California.

Esto entonces presenta el argumento para cargar un BEV con la energía de una instalación solar fotovoltaica (montada en el techo) y tener un cargador que sea capaz de invertir el flujo de energía para que el BEV pueda actuar como una batería de emergencia para alimentar la casa. . Aun así, la economía del almacenamiento de batería para toda la casa no parece estar del todo allí todavía cuando uno vive en un área donde la energía proporcionada por los servicios públicos es una opción.

El tema general aquí, al revisar los estudios recientes sobre el almacenamiento de energía en el hogar y campos relacionados, parece ser que almacenar energía en grandes cantidades solo es económico cuando se trata de calentar agua en un tanque de almacenamiento de agua caliente. El período de recuperación aquí puede ser bastante mínimo cuando las condiciones son las adecuadas, e incluso agregar un panel solar fotovoltaico para el calentamiento resistivo del agua puede tener sentido financiero dependiendo de los factores locales.

Este es también el caso de las soluciones de almacenamiento de batería. Teniendo en cuenta que el costo principal de un BEV se debe a la batería, no es de extrañar que algo como un Tesla Powerwall cueste casi lo mismo que un BEV. Aquí uno podría calcular los números sobre si tal vez usar una gran variedad de baterías de plomo-ácido (selladas) podría acercar los números al sentido financiero.

De cualquier manera, el tema del almacenamiento de energía en el hogar no es probable que desaparezca pronto. Incluso si la intención de uno no es salirse de la red, hay muchos otros incentivos que lo llevarían a considerar las opciones. Ya sea por el ahorro de costos o por tener una opción de copia de seguridad cuando hay apagones continuos como hemos visto en todo el mundo en los últimos años, hay muchas razones para echar un vistazo a las opciones de almacenamiento disponibles. Pero simplemente no se nos ocurrió mucho.

¿Cuáles son sus experiencias y pensamientos al respecto? Dado que la comunidad Hackaday tiende a tener muchos manipuladores, sin duda algunos de ustedes han implementado alguno de estos sistemas de generación y almacenamiento, o al menos han mirado el panorama de costos. Si tiene un sistema de batería para toda la casa y/o un sistema de agua caliente con energía solar, ¿cómo le funciona?