Almacenamiento de baterías residenciales: remodelando la forma en que utilizamos la electricidad

Muchos hogares invierten en almacenamiento de baterías, aunque a menudo no resulta rentable. ¿A qué se debe esto y cómo esas baterías residenciales cambiarán las tarifas eléctricas en el futuro?

Las baterías pueden ayudar a los hogares con paneles solares a aumentar el consumo solar. Los hogares con una alta valoración de la energía solar autogenerada adoptan las baterías antes.

Los propietarios de viviendas recién han comenzado a instalar almacenamiento de baterías además de sus instalaciones de paneles solares desde 2015/16, pero el número de instalaciones se está disparando, especialmente en algunos países europeos (ver Figura 1). Impulsados ​​por los altos precios de la energía, las preocupaciones sobre la sostenibilidad y la disminución de los costos de las baterías, hoy en día, la mayoría de los hogares en Alemania que obtienen energía solar también coinstalan una batería.

La promesa de las baterías es simple: cada vez que sus paneles solares producen más energía de la que necesita (por ejemplo, en una tarde soleada), en lugar de vender el exceso de energía a la empresa de servicios públicos1, una batería le permite almacenar esa energía. Luego, cuando se ponga el sol y necesites más electricidad de la que generan los paneles, podrás descargar la batería y evitar comprar de la red hasta que se agote la carga.

De esta manera, un hogar con almacenamiento puede aumentar la proporción de energía renovable que consume (Figura 2) pero, lo que es más importante, también ahorrar dinero. La Figura 2 yuxtapone qué fuentes de electricidad se utilizan para satisfacer la demanda de electricidad de un hogar comparando dos tipos de hogares en nuestro conjunto de datos: a) el hogar promedio con 4,8 kWh2 de almacenamiento3 versus b) el hogar promedio sin almacenamiento.

En teoría, en lugar de pagar el precio de la electricidad a la empresa de servicios públicos (que incluye cargos de red y distribución, impuestos y otras tarifas), la batería utiliza la propia energía solar más barata. Consulte la Figura 3 para ver un ejemplo que ilustra la diferencia de precio entre la energía solar autogenerada (precio del panel, instalación, mantenimiento), en comparación con el precio de la electricidad pagado en 2019 en Alemania.

En la práctica, sin embargo, si bien las baterías ahorran dinero con cada ciclo de carga/descarga, no son gratuitas. Aunque los precios de los iones de litio (la tecnología de baterías más utilizada a partir de 2023) han bajado sustancialmente a lo largo de los años, un kilovatio-hora (kWh) de almacenamiento todavía puede costar cerca de 1.000 euros4. Entonces, hipotéticamente, si cada ciclo de batería le ahorra a un hogar 15 centavos (precio de la electricidad de 25 centavos menos el costo de autogeneración de energía solar de 10 centavos), uno necesitaría usar la batería durante 6.667 ciclos antes de obtener ganancias. Eso se reduce a más de 25 años si carga y descarga completamente la batería todos los días.

En nuestro conjunto de datos, donde los hogares utilizan en promedio el 45% de la capacidad de la batería en un día, esos 6.667 ciclos tardarían casi 56 años en lograrse. Esto es más que los 10 a 15 años que se prevé que duren la mayoría de las baterías (bajo garantía), y ninguno de los dos tiene en cuenta el descuento por tiempo (paga por adelantado, pero obtiene los beneficios durante décadas), el mantenimiento o la degradación de la batería. Y, tenga en cuenta, los hogares que compraron baterías en 2018 tuvieron que pagar más por ellas que en nuestro ejemplo actual, lo que hace que su inversión sea aún menos rentable, o eso puede parecer.

Sin embargo, entre 2018 y 2020, solo en Alemania, se construyeron 150.000 nuevas instalaciones de almacenamiento, que almacenaron 1,3 millones de kWh de energía y costaron del orden de dos mil millones de euros5. Entonces, ¿por qué estos hogares compran almacenamiento? Después de todo, los alemanes no son conocidos simplemente por quemar dinero. Para descubrir qué está pasando, nos asociamos con Solarwatt, un fabricante e instalador de paneles solares con sede en Dresde que añadió almacenamiento a su oferta en 2015.

La empresa nos proporcionó datos de miles de sus clientes6 que instalaron energía solar y almacenamiento entre 2018 y 2020, la mayoría de los cuales son hogares alemanes. Como anécdota, los hogares citan dos razones clave cuando se les pregunta por qué compraron almacenamiento: 1) el aumento del consumo solar y 2) la mayor independencia de la empresa de servicios públicos (lo que se denomina autarquía).

Llamamos a este deseo de ser más sostenibles y menos dependientes de la valoración ecológica del proveedor de la red y pretendemos cuantificarlo con los datos proporcionados por Solarwatt; en otras palabras, comprender cuánto valoran los hogares el uso de su propia energía solar, más allá de su beneficio financiero. , para justificar su inversión en almacenamiento.

Para cada hogar, observamos cuánta capacidad solar y de batería tienen, y también vemos la generación solar real y la demanda de energía cada 15 minutos para los años 2018-2020 (consulte la Figura 4 para ver un gráfico de una semana de la energía solar combinada de los hogares). demanda de energía y generación solar). Además, conocemos los costes de la tecnología y los precios de la electricidad en Alemania, así como los subsidios federales para la energía solar y las baterías. Combinamos todos los datos para comprender a) cómo los hogares utilizan la electricidad a lo largo del día, b) qué tan alta es su valoración ecológica y c) cómo la existencia de almacenamiento cambiará el suministro de energía del futuro.

Conceptualmente, nuestro enfoque consta de tres pasos, que aplicamos para cada hogar individualmente (para una explicación más rigurosa del modelo, consulte el artículo de investigación):

En el primer paso, utilizamos los datos de demanda y generación solar para conocer las preferencias de consumo de los hogares a lo largo del día, porque el momento de la electricidad tiene un gran impacto en la utilidad del almacenamiento. De manera similar, conocer los patrones de generación solar de un hogar es importante ya que también afecta las operaciones de almacenamiento: la ubicación del edificio, la orientación del techo, el ángulo de los paneles e incluso la presencia de árboles se suman a eso. característica.

En un segundo paso, investigamos los aspectos financieros del consumo de electricidad: cuánto paga un hogar a su proveedor de red cada mes, cuánto dinero recibe vendiendo energía a la red y los costos de instalación de energía solar y almacenamiento.

En un tercer paso, hacemos suposiciones sobre los hogares. En particular, suponemos que los hogares toman las decisiones de inversión óptimas (es decir, conocen el precio de la electricidad, los subsidios y los costos de los paneles y las baterías, así como sus propias preferencias) y, basándose en ese conocimiento, eligen la cantidad de paneles solares y el número de módulos de baterías que más le convengan.

La idea aquí es que las baterías se compran en módulos (imagínese una batería del tamaño de un microondas que contiene 2,4 kWh o alrededor de dos o tres horas de almacenamiento de energía), y cada uno de esos módulos cuesta aproximadamente 2.000 dólares. Suponemos que los hogares eligen conscientemente si quieren, por ejemplo, 0, 1, 2 o 5 módulos de este tipo y no seleccionan simplemente un número al azar.

Por último, asumimos que los hogares consumen electricidad sabiendo que tienen energía solar y almacenamiento instalados pero sin verificar la producción/almacenamiento de energía en tiempo real. En otras palabras, los hogares no comprueban primero la carga de almacenamiento de la batería antes de decidir si encienden o no el ordenador o el aire acondicionado.

Utilizando este enfoque, obtenemos la valoración del verde (Figura 5) y las preferencias de consumo por hora para cada hogar. Discutimos las principales ideas de nuestros resultados en los siguientes tres segmentos.

Como muestra la Figura 5, los hogares alemanes en nuestro conjunto de datos tienen una valoración ecológica sustancial con una mediana de 0,29 euros. Esto es importante porque cuantifica la valoración de lo ecológico en la población y conlleva un mensaje claro: una empresa en el espacio de la tecnología sostenible puede atraer compradores dispuestos a pagar más por un producto ecológico y escalar el negocio antes de que su tecnología alcance la paridad de precios. . Por supuesto, los hogares en nuestro conjunto de datos son un subconjunto particularmente ecológico de la población alemana, pero es exactamente esta “audiencia ecológica” la que tiene más probabilidades de ser los primeros clientes de un nuevo producto en el espacio de la sostenibilidad. Con estos primeros clientes, una empresa puede mejorar su producto, escalar su infraestructura y madurar su oferta comercial. E identificar a este grupo podría traducirse en clientes para otras posibles ofertas sostenibles, como servicios de reciclaje, bombas de calor o combustibles sintéticos.

Tenga en cuenta que no tenemos hogares con valoraciones positivas pero pequeñas (menos de cinco centavos por kWh) de verdor en la Figura 57. Esto no se debe a que estos hogares no existan, sino simplemente a que no habrían comprado almacenamiento a precios de 2018-2020. Presumiblemente, muchos más clientes en este espacio de valoración ecológica baja pero positiva comenzarán a adoptar baterías, a medida que aumenten los precios de la electricidad o una vez que la tecnología se vuelva más barata.

Para los hogares, la conclusión clave de nuestro trabajo es que existe una enorme variabilidad en el uso de electricidad a lo largo del día, lo que afecta drásticamente la utilidad del almacenamiento (consulte la Figura 6 para comparar las preferencias de consumo de electricidad por hora de tres hogares diferentes). Este efecto es tan pronunciado que los hogares con el mismo consumo anual de energía, la misma capacidad solar y la misma capacidad de batería pueden utilizar su batería de manera diferente en un factor de tres; e idealmente, uno querría saber en qué categoría cae su propio hogar antes de comprar. una batería.

Por lo tanto, para saber si un hogar necesita o no una batería, no basta con mirar únicamente la factura mensual de servicios públicos o estimar la demanda teniendo en cuenta el número de personas que viven en un hogar. Más bien, encontramos que es necesario considerar el momento en que se produce el exceso de energía solar y la escasez.

El hogar ideal para la utilización del almacenamiento es aquel en el que todos salen de casa por la mañana, se utiliza poca electricidad durante el día (para que la energía solar pueda cargar la batería) y por la noche, las opciones de cena o entretenimiento utilizan mucha electricidad para descargar. la batería. Trabajar desde casa, el uso frecuente e intensivo de CA y el bajo consumo general de electricidad son perjudiciales para la utilidad de las baterías.

Utilizamos nuestro modelo y los parámetros estimados para predecir de manera contrafáctica lo que podría suceder en el futuro. En particular, estábamos interesados ​​en la gran fracción de la población sin valoración ecológica que sólo quiere minimizar el costo de la electricidad. El hipotético futuro a medio plazo que imaginamos es uno en el que la energía solar sea un 20 % más barata, las baterías un 35 % más baratas, el precio de la electricidad sea de 38 céntimos por kWh8,

y no existen subsidios.

Estudiamos en qué capacidades solares y de almacenamiento invertirían los hogares de nuestro conjunto de datos si tuvieran las mismas preferencias de electricidad durante todo el día pero solo se preocuparan por el precio más bajo posible y no estuvieran dispuestos a pagar más por la ecología. En ese escenario futuro, el 72% de los hogares obtendrían cierta cantidad de almacenamiento y casi todos obtendrían energía solar. Esta es una mala noticia para la empresa de servicios públicos por tres razones (consulte la Figura 7 para ver una visualización de las razones uno y dos).

La primera razón es que si la mayoría de los hogares instalan energía solar y almacenamiento, la demanda promedio que la empresa de servicios públicos debe satisfacer (en adelante llamada carga de la red) es un 43% menor. En la Figura 7, la línea negra representa la carga promedio de la red sin inversiones, mientras que la línea azul muestra la carga de la red con inversiones.

La segunda razón, menos obvia, es que la energía solar y el almacenamiento baratos aumentan la variabilidad de la carga de la red a lo largo del año (compárese la región sombreada en gris con la región sombreada en azul que indica el rango de los días de mayor y menor uso de la red). La electricidad autogenerada y barata permite a los hogares electrificar más su hogar, lo que significa que utilizan más electricidad (vehículos eléctricos, bombas de calor, aires acondicionados, más electrodomésticos, etc.).

En los días muy soleados, casi toda esta energía es autogenerada y la empresa eléctrica experimenta muy poca carga residencial, pero en días muy oscuros, por ejemplo en enero (según datos alemanes), casi toda la demanda de electricidad debe ser cubierta. por la empresa de servicios públicos, creando así enormes cambios en la carga de la red a lo largo del año.

La tercera razón por la que el almacenamiento es una mala noticia para la empresa de servicios públicos es que las tarifas eléctricas existentes pueden no funcionar bien cuando los hogares tienen la opción de generar su propia energía y ahora también pueden elegir cuándo usarla durante el día. Ante una demanda promedio más baja y una mayor variabilidad, las empresas de servicios públicos naturalmente querrán aumentar los precios, pero el aumento de los precios incentiva aún más a más hogares a adquirir energía solar y almacenamiento.

Agregar precios por tiempo de uso (o encarecer el consumo nocturno) es otro ejemplo de almacenamiento. Por supuesto, existen como posibles soluciones tarifas de conexión fijas, cargos basados ​​en la demanda máxima o en la variabilidad de la demanda, u otras herramientas, pero es probable que las tarifas eléctricas tengan que evolucionar junto con la tecnología de almacenamiento en los próximos años.

Las conclusiones regulatorias son difíciles de generalizar porque son muy específicas del mercado. Por lo tanto, comenzamos con una conclusión específica de Alemania sobre la energía solar y luego pasamos a una visión independiente del país sobre el almacenamiento. El gobierno federal alemán debería dejar de subsidiar la energía solar en los tejados.

Para los economistas, esta idea puede no ser nueva, pero pudimos cuantificar cuántos euros de subsidios se necesitan para reducir una tonelada de emisiones de carbono. Con el actual esquema de subsidios, los contribuyentes alemanes están pagando 615 euros por tonelada de carbono eliminada, en gran parte porque la energía solar residencial por sí sola ya es rentable, y subsidiarla reduce la rentabilidad de aquellos hogares que deciden invertir en ella.

En cuanto al almacenamiento, las cosas tienen más matices. Mientras las baterías sigan sin ser rentables, los gobiernos que tienen objetivos de adopción de almacenamiento en los hogares pueden utilizar el conocimiento de la valoración ecológica para calibrar sus esquemas de incentivos. Como la adopción es una combinación de beneficios financieros, subsidios y valoración de lo verde, si un gobierno conociera la distribución de la valoración de lo verde en su población, podría establecer un subsidio a un nivel que no haría que el almacenamiento fuera rentable directamente, sino que lo hiciera lo suficientemente barato para aquellos. con una alta valoración ecológica para invertir en él.

Por último, al ver los desafíos de la red discutidos en la sección de conclusiones sobre los proveedores de red, puede ser prudente que los reguladores reevalúen cuál debería ser la relación entre los consumidores privados y la red eléctrica. Cuando un pequeño porcentaje de los hogares tenía instalaciones exclusivamente solares, permitirles vender y comprar en la red a voluntad no era demasiado problemático.

Pero si una gran fracción de los edificios obtienen energía solar (algunos estados y ciudades incluso exigen instalaciones solares para nuevas construcciones) y el almacenamiento privado se convierte en la norma, entonces regular quién puede operar el almacenamiento y bajo qué circunstancias los individuos privados pueden vender a sus proveedores de red será un problema. necesarios para el funcionamiento estable de la red energética del futuro.

Figgener, Jan, Christopher Hecht, Jakob Bors, Kai Spreuer, Kai-Philipp Kairies, Peter Stenzel y Dirk Uwe Sauer. 2023. “El desarrollo de sistemas de almacenamiento de baterías en Alemania: una revisión del mercado (estado 2023)”. 10.48550/arXiv.2203.06762

Kaps, Christian y Serguei Netessine. 2023. “Almacenamiento de baterías residenciales: remodelando la forma en que generamos electricidad”. SSRN. https://papers.ssrn.com/sol3/papers.cfm?abstract_id=4219247