nuevos desarrollos en: baterías de flujo redox y volantes
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Nuevos desarrollos en: Baterías de flujo redox y Volantes
Cristóbal Villasante (Responsable del área de Energías Renovables)
• Crecimiento de las fuentes de energía renovable• Movimiento hacia generación distribuida / microredes• Requerimientos medioambientales más exigentes• Garantía de calidad de suministro de electricidad
Factores que hacen necesario su desarrollo
Necesidad de almacenamiento de energía eléctrica
Aplicaciones y soluciones de almacenamiento eléctrico
Características de diferentes sistemas de almacenamiento
Potencia específica Energía específica T descarga
Plomo-ácido 75-300 kW 30-50 kwh
Ni-Cd 150-300 kw 75 kwh
NiMH
Li-ion 200-315 kW 150-200 kwh
Flywheel 500kW-1 MW 100 kwh < 5 min
CAES 25-300 MW 200MW-10 GWh 1-20 h
NaS 90-230 kW 150-240 kwh 1 h
SMES 10 kW-10 MW 10kwh-1 MWh 1-30 min
Supercondensadores < 250 kW 10 kwh < 1min
Batería flujo vanadio 100 kW-10MW 1-100 MWh 10 h
Batería flujo Zn/ Br 100kW-10 MW 1-100 MWh 10 h
Bombeo 100-4.000MW 500MW-15 GWh 4-12 h
Desarrollo de sistemas de almacenamiento
ZIGOR TEKNIKER-IK4Empresa dedicada a la electrónica de potencia y conversión de energía.
Amplia experiencia en almacenamiento de energía eléctrica para aplicaciones estacionarias.
Interés por las tecnologías que puedan ser sustitutivas de las ya existentes.
TEKNIKER es un Centro Tecnológico cuya misión es la de contribuir a incrementar la capacidad de innovación del tejido industrial, para mejorar su competitividad, a través de aplicar su experiencia en proyectos de I+D científico y tecnológico.
Con una gran experiencia en diseño mecánico, con años de trabajo en el desarrollo de dispositivos levitados magnéticamente. Experiencia y capacidad para el ámbito de la química, especialmente orientadas al almacenamiento térmico y eléctrico.
DESARROLLO DE SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO ENERGÍA ELÉCTRICA
VOLANTES DE INERCIA BATERÍAS DE FLUJO
Baterías de flujo REDOX
En las baterías de flujo redox los procesos de carga y descarga tienen lugar mediante reacciones químicas (reversibles) de las especies electroactivas presentes en las disoluciones electrolíticas.
Una forma de electrolito se oxida y la otra se reduce favoreciendo la aparición de una corriente eléctrica
Electrolitos externos a la batería: en tanques separados FLEXIBILIDAD (potencia y energía DESLIGADOS):
Almacenamiento (kWh) ↑↑ cantidad de electrolito ↑↑Potencia (kW) ↑↑ área de electrodo ↑↑
número de celdas ↑↑No hay autodescarga si no circulan los electrolitos
Baterías de flujo REDOX: COMPONENTES
Componentes de la batería
Electrodos Materiales carbonosos de elevada superficie específica contenidos en el stackFuncionan como lugares para que tenga lugar la reacción y como colectores de corriente
Electrolito Hay distintas opciones (tecnología más madura Full-Vanadium RFB)
Membrana Reduce el transporte de especies reactivas entre los compartimentos de ánodo y cátodoPermite el transporte de especies no reactivas y aguaMantiene la electroneutralidad y el balance de electrolito
Placas bipolares
Material carbonoso de alta conductividad eléctrica Conduce la corriente entre el electrodo negativo de una celda y el positivo de la siguiente
• Diseño de potencia y energía acumulada desacoplado
• Potencia tan grande como se necesite
• Larga duración • Más de 200.000 ciclos ya demostrados en Japón
• No presenta descarga en circuito abierto• Los electrolitos no reaccionan al almacenarse por separado.
• Tiempo de reacción muy corto • Cambio de modo de carga a descarga (1/1000 s).
• Eficiencia total de la batería relativamente alta (75 – 80%).
• Modulables
• Rellenables y regenerables (V)
Baterías de flujo REDOX: Ventajas frente a otras alternativas
Potencia específica Energía específica
Plomo-ácido 75-300 kW 30-50 kwh
Ni-Cd 150-300 kw 75 kwh
NiMH
Li-ion 200-315 kW 150-200 kwh
Flywheel 500kW-1 MW 100 kwh
CAES 25-300 MW 200MW-10 GWh
NaS 90-230 kW 150-240 kwh
SMES 10 kW-10 MW 10kwh-1 MWh
Supercondensadores < 250 kW 10 kwh
Batería flujo vanadio 100 kW-10MW 1-100 MWh
Batería flujo Zn/ Br 100kW-10 MW 1-100 MWh
Bombeo 100-4.000MW 500MW-15 GWh
Teniendo en cuenta la vida útil de los diferentes sistemas
Normalmente se consideran para aplicaciones estacionarias relativamente grandes (1 kW·h - 10 MW·h)Aplicación a baterías automóvil en estudio
Baterías de flujo REDOX: Aplicaciones
Load balancing Almacenar el exceso de energía eléctrica fuera de las horas puntaLiberar a la red energía eléctrica durante los períodos de mayor demanda
Renovables Almacena la energía procedente de fuentes renovables como la eólica o la solar
Peak shaving Los picos de demanda se cubren con la batería
UPS La batería se utiliza si la corriente principal cae para obtener un suministro ininterrumpido
Vehículos eléctricos Las pilas pueden ser rápidamente "recargadas" por sustitución del electrolito
Nivel de desarrollo: Nueva implantación: Pocos productos comerciales y en estado de prototipo Electrolito corrosivo/tóxico precauciones
mantenimiento, almacenamiento, transporte y gestión La membrana necesita especial atención: Rotura mezcla de electrolitos. Coste electrolito aún elevado (15% - 45% del coste de la batería) Resistencia interna mejorable eficiencia energética limitada
Función del diseño del stack y de la elección de los componentes
Oportunidades de mejora/líneas de trabajo: Optimización del stack (reducción de resistencias, montaje y mantenimiento más sencillo) Reducción de costes (fabricación) Desarrollo de electrolitos alternativos
Menor coste, corrosividad, mantenimiento y potencial uso en aplicaciones móviles (kWh/l) Desarrollo de membranas mejoradas
Baterías de flujo REDOX: Nivel de desarrollo y campos de mejora
(Buesa Arena) (HC Gijón )
Unidad de 5kW (Suecia ABB)
Baterías de flujo REDOX: Desarrollos Zigor + Ik4-Tekniker
Volantes de Inercia de alta densidad
Volantes de Inercia de alta densidad: COMPONENTES
• Máquina eléctrica (entrada y salida de energía)
• Cojinetes magnéticos y sensórica asociada
• Volante de materiales avanzados (composites)
• Eje (rotor dinámica compleja)
• Sistema de vacío
• Carcasa de seguridad
Volantes de Inercia de alta densidad: Ventajas frente a otras alternativas
• Alta densidad de potencia
• Alta dinámica y/o número de ciclos de carga y descarga diarios elevado
• Rapidez de respuesta (UPS)
• Número de ciclos “ilimitado” (objetivo: 20 años sin mantenimiento)
• Los ciclos carga/descarga no afectan a la capacidad de almacenamiento
• No es necesaria una carga o descarga completa
• No generan emisiones, ni residuos
Volantes de Inercia de alta densidad: Aplicaciones
• UPS (mayor calidad y vida que las baterías pero mayor coste)
• Telecomunicaciones (lugares inaccesibles con alto coste de mantenimiento)
• Consumo discontinuo (metro ≡ Kers estacionario)
• Absorción de diferencias oferta-demanda de energía:• Modificación de alta frecuencia de la energía• Ruido en la energía producida (renovables)
Volantes de Inercia de alta densidad: Nivel de desarrollo y campos de mejora
Nivel de desarrollo:
• Nueva implantación: Pocos productos comerciales y en estado de prototipo.
Oportunidades de mejora/líneas de trabajo:
• Reducción de costes (rotor, cojinetes, componentes standard, ...)
• Reducción de peso y tamaño
• Diseño para fabricación en serie
• Ensayo sistemático y fiabilización de prototipos:
• 2013 Instalación en I-Sare
Volantes de Inercia de alta densidad: Desarrollos Zigor + Ik4-Tekniker
Primera generación(2006-2011)
Segunda generación(2011-2013)
100kW – 20s 100kW - 20s
15000 rpm 50000 rpm
1 mbar10-3 mbar
(cámara pequeña a 1 mbar)
Volante acero Volante fibra carbono
Bomba en continuo
Zeolitas, y bomba trabajando
ocasionalmente
Carcasa soporta rotura de volante
Cojinetes sobredimensiona-
dosCojinetes pequeños
800 kg 400 kg
Volantes de Inercia de alta densidad: Desarrollos Zigor + Ik4-Tekniker
• Julio 2012 inauguración de nuevas instalaciones (30MJ)
• Segunda generación ensayada a 10.000 rev.
• Ensayo destructivo previsto para 2013
Eskerrik asko
Gracias
Thank you
cristobal.villasante@tekniker.es
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