La energía solar es una de las fuentes de energía renovable más prometedoras y en constante crecimiento en el entorno. Sin embargo, uno de los desafíos más importantes que enfrenta la energía solar es su naturaleza intermitente. La energía solar solo se puede generar durante el día, y su disponibilidad puede verse afectada por factores como el clima y la ubicación geográfica. Para superar esta limitación, se han desarrollado diversas tecnologías de almacenamiento de energía, entre las que se encuentra el almacenamiento de energía con volante solar (flywheel solar energy storage).
Una larga historia
El concepto de almacenamiento de energía con volante tiene una larga historia. En la antigüedad, las ruedas de alfarero funcionaban utilizando un disco de madera, que regulaba y facilitaba el movimiento giratorio que el artesano producía con su pie. La misma técnica se utilizaba en muchas máquinas de vapor del siglo XIX. En la década de 1920, algunos tranvías belgas y suizos funcionaban entre estaciones sin electricidad, impulsados por discos de hierro fundido que pesaban más de una tonelada y se encontraban debajo del piso. En cada estación, el disco se conectaba a la red eléctrica, lo que lo ponía en movimiento nuevamente. A una escala mucho más pequeña, la misma técnica se aplica a los juguetes de fricción impulsados por empuje y marcha.
Hoy en día, el interés en los volantes ha llevado a nuevos desarrollos. El almacenamiento de electricidad se ha convertido en un tema de importancia estratégica para superar la naturaleza intermitente de la energía eólica y solar. El progreso tecnológico en materiales y motores ha dado como resultado sistemas más compactos y eficientes.
¿Cómo funcionan los volantes?
Los sistemas modernos de almacenamiento de energía con volante generalmente toman la forma de un cilindro, conocido como rotor, que se encuentra en una cámara sellada al vacío para eliminar la fricción del aire. El rotor a menudo está hecho de nuevos materiales, como fibras de carbono o vidrio, o Kevlar, que resisten velocidades muy altas mejor que los metales tradicionales. La velocidad puede superar las 10,000 revoluciones por minuto (RPM), con levitación magnética para reducir la fricción.
Cuando la rueda gira a su máxima velocidad, su energía cinética puede recuperarse utilizando el motor como generador de energía. Esto reduce gradualmente la velocidad de rotación del volante.
Ventajas y desventajas
El almacenamiento de energía con volante solar ofrece varias ventajas:
- Altamente eficiente: se puede recuperar el 80% de la energía almacenada.
- Rápido para poner en marcha y convertir la energía almacenada.
- Libre de contaminación: tiene una vida útil muy larga y no produce emisiones dañinas.
Una de las principales desventajas del almacenamiento de energía con volante es su tiempo limitado de almacenamiento, que suele ser de alrededor de 15 minutos. Esto hace que los volantes sean más adecuados para aplicaciones rápidas y oportunas, en lugar de garantizar la autonomía a largo plazo como las baterías y los sistemas de almacenamiento por bombeo.
Aplicaciones en sistemas de transporte
Debido a su gran peso, los trenes subterráneos liberan cantidades considerable de energía al frenar y absorben la misma cantidad al acelerar. Varios sistemas de transporte, incluidos los sistemas de metro de Hanover, Hamburgo, Los Ángeles y Rennes, utilizan volantes para almacenar y recuperar esta energía.
En Rennes, por ejemplo, se ha instalado una especie de peonza gigante que pesa 5 toneladas métricas en el centro de una línea de metro de 8 kilómetros. Cuando un tren reduce la velocidad, la energía liberada por el frenado no se disipa como calor, sino que se convierte en electricidad por el motor del tren. La electricidad se transmite a través del tercer riel y se utiliza para aumentar la velocidad de rotación del volante. Esta energía se recupera luego para alimentar el tren cuando sale de la estación. La sincronización cuidadosamente gestionada de los trenes y la tecnología digital inteligente se utilizan para coordinar eficientemente los flujos de energía. Con este sistema, el metro de Rennes ahorra aproximadamente el equivalente a diez días de electricidad al año.
Aplicaciones en la industria automotriz
El peso y el tamaño de los volantes son un obstáculo importante en los vehículos pequeños. Algunos sistemas pueden aumentar la potencia del motor utilizando cilindros que pesan unos pocos kilogramos y giran a velocidades muy altas de 60,000 RPM. Principalmente instalados en los autos de Fórmula Uno, proporcionan a los conductores potencia adicional al acelerar en las curvas, por ejemplo.
Los volantes son una de las tecnologías más maduras para el almacenamiento de energía mecánica basado en la energía cinética de rotación. Los volantes se cargan acelerando una masa giratoria grande con alta inercia; la energía se extrae del volante al desacelerar el rotor. Este concepto se utilizaba en las primeras ruedas de alfarero y luego en motores de pistón. Los volantes modernos alcanzan velocidades mucho más altas que los sistemas anteriores. La masa giratoria suele estar contenida en una cámara evacuada para minimizar las pérdidas por arrastre, que aumentan con el cubo de la velocidad de rotación. La energía se acopla eléctricamente dentro y fuera de la masa giratoria a través de un motor/generador de doble función, lo que elimina la necesidad de sellos rotativos. La velocidad máxima a la que se puede operar un volante está limitada por la resistencia del material del rotor; además de los aceros de alta resistencia, que generalmente se operan a un máximo de 10,000 RPM, también se utilizan compuestos que pueden alcanzar hasta 50,000 RPM. Mientras que los rotores de acero tienen una ventaja en términos de costo, los rotores compuestos de alta velocidad pueden lograr densidades de almacenamiento máximo más altas. Los volantes de alta velocidad también se han beneficiado del avance de los rodamientos magnéticos activos que levitan el rotor y no se desgastan.
Los volantes pueden entregar alta potencia en poco tiempo, típicamente en segundos o minutos, y su vida útil puede superar 1,000,000 de ciclos, independientemente de la tasa de carga y la profundidad de carga. Sin embargo, la autodescarga es un problema con los volantes, por lo que los ciclos frecuentes de carga/descarga son ventajosos. Una aplicación importante de los volantes comerciales es en sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS), que proporcionan energía de emergencia en caso de fallos en la red eléctrica. También se pueden utilizar volantes para compensar las fluctuaciones a corto plazo en la energía generada por turbinas eólicas, especialmente en microredes. La vida útil de las baterías utilizadas para compensar la volatilidad de las turbinas eólicas se puede extender combinándolas con volantes. Debido a su tiempo de respuesta rápido, los volantes también se utilizan para el control de frecuencia en redes eléctricas.
Los volantes también se utilizan en la industria automotriz y en trenes. Si bien en las aplicaciones anteriores los volantes se utilizaban como principal fuente de energía de propulsión para distancias cortas entre dos estaciones de carga, las aplicaciones modernas se centran principalmente en la recuperación de energía de frenado. Se ha demostrado que la eficiencia de combustible de autobuses, automóviles y trenes puede mejorarse significativamente con volantes integrados.
El desafío principal para los sistemas de volante es el costo, especialmente para sistemas avanzados. Los volantes podrían beneficiarse de la reducción de precios en componentes clave como motores o partes electrónicas. Aumentar el número de volantes producidos también tendría un efecto positivo.
Consultas habituales
¿Qué es el almacenamiento de energía con volante solar?
El almacenamiento de energía con volante solar es una tecnología que utiliza la energía cinética de rotación de un volante para almacenar y recuperar energía eléctrica generada por paneles solares. Los volantes son cilindros que giran a altas velocidades y pueden almacenar energía para su uso posterior.
¿Cuáles son las ventajas del almacenamiento de energía con volante solar?
Las ventajas del almacenamiento de energía con volante solar incluyen su alta eficiencia, rápida puesta en marcha y conversión de energía, y su larga vida útil. Además, el almacenamiento de energía con volante solar es una fuente de energía limpia y renovable.
¿Cuál es la principal desventaja del almacenamiento de energía con volante solar?
La principal desventaja del almacenamiento de energía con volante solar es su tiempo limitado de almacenamiento, que generalmente es de alrededor de 15 minutos. Esto hace que los volantes sean más adecuados para aplicaciones rápidas y oportunas en lugar de garantizar la autonomía a largo plazo.
¿Dónde se utilizan los volantes en sistemas de transporte?
Los volantes se utilizan en sistemas de transporte como trenes subterráneos para almacenar y recuperar energía generada durante el frenado y la aceleración. Esto ayuda a optimizar el uso de energía y a reducir el consumo de electricidad.
El almacenamiento de energía con volante solar es una tecnología prometedora para optimizar los sistemas de energía renovable. Aunque tiene limitaciones en términos de tiempo de almacenamiento, su alta eficiencia y rápida respuesta la hacen adecuada para aplicaciones rápidas y oportunas. Los volantes se utilizan en sistemas de transporte y en la industria automotriz para almacenar y recuperar energía, lo que ayuda a mejorar la eficiencia y reducir el consumo de combustible. A medida que avanza la tecnología y los costos disminuyen, se espera que el almacenamiento de energía con volante solar juegue un papel cada vez más importante en la transición hacia un futuro energético más sostenible.