Evaluación de la degradación mecánica en sistemas de almacenamiento energético aplicados a renovables

Abstract

Este trabajo estudia la degradación mecánica de tres tecnologías de almacenamiento de energía (baterías de ion-litio, volantes de inercia y almacenamiento de hidrógeno) mediante modelos analíticos propios implementados en MATLAB y un análisis económico comparativo. Cada tecnología estudiada tiene un mecanismo de fallo mecánico dominante. En las baterías de ion-litio, la inserción de litio en las partículas del electrodo genera gradientes de concentración que inducen tensiones internas, conocidas como tensiones inducidas por difusión (DIS, por sus siglas en inglés), capaces de fracturar el material activo. En los volantes de inercia, la rotación a alta velocidad somete al rotor a tensiones centrífugas que fijan su velocidad máxima y, con ella, la energía que puede almacenar. En el almacenamiento de hidrógeno comprimido, el propio gas fragiliza los materiales del tanque y acelera el crecimiento de grietas por fatiga. Los modelos, validados frente a la literatura de referencia, sitúan el límite de operación de la batería en una carga de 4,8 C y el del volante en 34 407 rpm. Con esos límites incorporados, el coste nivelado de almacenamiento resulta de 188 €/MWh para la batería, frente a 300 €/MWh del volante y 474 €/MWh del hidrógeno.This project studies the mechanical degradation of three energy storage technologies (lithium-ion batteries, flywheels and hydrogen storage) by means of own analytical models implemented in MATLAB and a comparative economic analysis. Each of the technologies studied has a dominant mechanical failure mechanism. In lithium-ion batteries, lithium insertion into the electrode particles creates concentration gradients that induce internal stresses, known as diffusion-induced stresses (DIS), capable of fracturing the active material. In flywheels, high-speed rotation subjects the rotor to centrifugal stresses that set its maximum speed and, with it, the energy it can store. In compressed hydrogen storage, the gas itself embrittles the tank materials and accelerates fatigue crack growth. The models, validated against the reference literature, place the operating limit of the battery at a charge rate of 4.8 C and that of the flywheel at 34,407 rpm. With these limits incorporated, the levelized cost of storage is 188 €/MWh for the battery, compared with 300 €/MWh for the flywheel and 474 €/MWh for hydrogen.