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Proyecto Fín de Máster:
Regulación Eólica con Baterías en Vehículos Eléctricos.
Ana Isabel Almendros Molina
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CAPÍTULO 4: SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO APTOS PARA APOYAR LA
PRODUCCIÓN DE ENERGÍA EÓLICA.
4.1. Características de las técnicas de almacenamiento.
Las técnicas de almacenamiento de energía pueden ser clasificadas en
función de diferentes criterios:
Del tipo de aplicación: permanente o portable.
Duración del almacenamiento: cortos o largos periodos.
En función de la potencia máxima demandada.
Por tanto, es necesario analizar las características fundamentales de los sistemas de
almacenamiento con el objeto de establecer criterios para seleccionar la mejor
tecnología.
La elección del tipo de almacenamiento se basa en los siguientes criterios:
Capacidad y tiempo de almacenamiento: La capacidad se define como la
cantidad de energía disponible en el sistema de almacenamiento después de
realizar la carga. En condiciones de rápida carga o descarga, el rendimiento
se deteriora y la energía recuperable puede ser mucha más pequeña que la
capacidad de almacenamiento. A su vez esta capacidad de almacenamiento
disminuye con el uso, a la vez que aumenta la autodescarga, como muestra
la figura 32.
El tiempo de almacenamiento mide la capacidad temporal del sistema para
mantener almacenada la energía.
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Figura 32.- Variación de la capacidad de almacenamiento en función del número de ciclos.
Potencia disponible: Generalmente este parámetro es expresado como un
valor medio de potencia, aunque usualmente también se expresa como la
máxima potencia de carga o de descarga.
Grado de descarga: El almacenamiento de energía es un proceso lento pero
en situaciones de demanda, la descarga debe ser rápida. El grado de
descarga determina el tiempo necesario para extraer la energía almacenada.
Dicha energía debe estar disponible durante las horas pico de demanda.
Tiempo de descarga: Es el tiempo máximo de duración de la descarga.
Depende del grado de descarga y de las condiciones operativas del sistema.
Por ejemplo, para un sistema de almacenamiento por bombeo de agua, la
capacidad de almacenamiento depende de la masa de agua y de la altura de
la caída del agua, mientras que la máxima potencia es determinada por el
tamaño de los conductos y por la potencia de las turbinas.
Rendimiento: Se define este parámetro como el cociente entre la energía
entregada y la energía almacenada. Para que los sistemas de
almacenamiento sean competitivos, deben tener un rendimiento admisible.
Existe un tiempo de descarga óptimo en el que se consigue un rendimiento
óptimo (figura 33).
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Figura 33.- Variación del rendimiento en función del tiempo
Durabilidad: Este parámetro se refiere al número de veces que la unidad de
almacenamiento puede liberar la cantidad de energía para la que fue
diseñada. Se expresa como el máximo número de ciclos (un ciclo
corresponde a una carga y a una descarga). Todos los sistemas de
almacenamiento sufren los efectos derivados de la fatiga o el desgaste por
uso. Estos efectos son los principales causantes de la degradación de los
componentes. Sin embargo, los procesos de fatiga normalmente son
complejos y no están bien definidos, por lo que la durabilidad de los equipos
tampoco está bien definida, pero sí se pueden obtener la relación entre
durabilidad y descarga, como muestra la figura 34.
Figura 34 - Evolución del grado de descarga en función del número de ciclos (fatiga)
Autonomía: Este parámetro nos indica el máximo tiempo que el sistema
puede liberar energía. Se define como el cociente entre la energía entregada
y la máxima potencia en la descarga. La autonomía de un sistema depende
del tipo de almacenamiento y del tipo de aplicación. Para pequeños sistemas
de baja potencia en áreas aisladas que dependen de las intermitentes
energías renovables, la autonomía es un factor crucial.
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Costes: Como en cualquier otra actividad, un sistema de almacenamiento es
rentable económicamente cuando los ingresos son mayores que los costes.
Los factores más importantes a considerar a lo largo de la vida útil del sistema
son el capital inicial que es necesario invertir y los costes de operación
(mantenimiento, energía perdida durante los ciclos de carga-descarga,
amortizaciones,..). Los costes operacionales, a lo largo de toda la vida útil del
dispositivo, se supone que son proporcionales a la inversión inicial (alrededor
del 40% de la inversión inicial.)
Viabilidad y adaptación al tipo de aplicación: Para ser altamente eficiente,
un sistema de almacenamiento necesita estar plenamente adaptado a la
aplicación a la que va a dar apoyo y al tipo de producción (permanente,
portátil, renovable,…). En la figura 35 se muestran diferentes técnicas de
almacenamiento atendiendo a la potencia que pueden almacenar.
Figura 35 - Campo de aplicación de las diferentes técnicas de almacenamiento
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Auto descarga: Es la parte de energía que fue inicialmente almacenada y la
cual se ha disipado a lo largo de los periodos de tiempo en los que el sistema
no ha sido utilizado.
Densidad de energía por unidad de masa y por unidad de volumen: Estos
parámetros representan la máxima cantidad de energía acumulada por
unidad de masa o volumen por unidad de almacenamiento.
Parámetros operacionales: Especialmente los relacionados con la seguridad
de la instalación (explosiones, residuos, temperatura, presión…) .
Fiabilidad: Factor muy importante ya que es la garantía de que el equipo
estará disponible cuando se demande.
Impacto Medioambiental: Los aspectos medioambientales son muy
importantes de cara a la imagen de la tecnología.
4.2. Clasificación de las técnicas de almacenamiento.
Hay muchas posibles tecnologías de almacenamiento de energía, basadas en
prácticamente todas las formas de energía: almacenamiento mecánico, químico y
térmico. Sin embargo, en este apartado se van a detallar las relativas a
almacenamiento químico, ya que es objetivo de estudio de este proyecto, el poderlas
utilizar en el medio de transporte del vehículo eléctrico.
4.2.1. Baterías de flujo(FBES).
Las baterías de flujo son sistema de dos electrolitos (cualquier sustancia que
contiene iones libres, los que se comportan como un medio conductor eléctrico) en
el que los compuestos químicos utilizados para el almacenamiento de energía se
encuentran en estado líquido, en solución con el electrolito. Se representa un
esquema con la configuración correspondiente en la figura 33. Estos electrolitos
superan las limitaciones de los acumuladores clásicos (níquel-cadmio por ejemplo)
en los que las reacciones electroquímicas crean componentes sólidos que son
almacenados directamente en los electrodos (esto provoca una limitación en las
baterías clásicas).
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Figura 36 - Esquema de batería de flujo.
Varios tipos de electrolitos han sido desarrollados usando bromo como
elemento principal: con zinc (ZnBr), sodio (NaBr), vanadio (VBr). La reacción
electromecánica a través de una membrana en la célula puede ser reversible (carga-
descarga). Mediante el uso de grandes depósitos y uniendo un elevado número de
células, grandes cantidades de energía pueden ser almacenadas y posteriormente
liberada.
4.2.2. Baterías.
El almacenamiento químico se lleva a cabo a través de acumuladores. Estos
sistemas tienen la doble finalidad de almacenar y liberar electricidad alternando
fases de carga-descarga. Estos acumuladores pueden transformar la energía
química generada mediante reacciones electroquímicas en energía eléctrica y
viceversa, sin emisiones contaminantes y ruidos, y además requiere poco
mantenimiento.
Hay un amplio abanico de tecnologías para la fabricación de acumuladores
(níquel-cadmio, níquel-hierro, litio-ión, litio-polímero,…). Su principal ventaja es su
densidad específica (entre 150 y 2000 Wh/kg para el litio) y su inconveniente
fundamental es su baja durabilidad para largos ciclos de funcionamiento (entre 100 y
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1000 ciclos). Son usualmente utilizados para sistemas portátiles, pero también se
utilizan para aplicaciones permanentes, por ejemplo, almacenamiento de energía
renovable en zonas aisladas. En la figura 37, se comparan las diferentes tecnologías
de baterías y se aprecia como las de ión-litio ofrecen mayor densidad de energía,
aunque más adelante se profundizará en el estudio de cada tipología.
Figura 37- Distribución de diferentes acumuladores en función de su densidad de energía
4.2.3. Supercapacitadores.
Estos componentes tienen las características de los capacitadores y de las
baterías electroquímicas excepto que no hay reacción química, lo que incrementa la
capacidad de carga-descarga. El almacenamiento de energía en supercapacitadores
se realiza en forma de campo eléctrico entre dos electrodos. Es el mismo principio
que los capacitadores excepto que el material aislante es reemplazado por un
electrolito conductor.
La energía obtenida es superior a la obtenida en capacitadores
(aproximadamente en 15Wh/kg). Del mismo modo, su coste también es más elevado
pero tiene una mejor capacidad de descarga debido al lento desplazamiento de los
iones en el electrolito. Al contrario que los capacitadores, los supercapacitadores se
conectan en serie.
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Los supercapacitadores generalmente son muy duraderos (entre 8-10 años),
tiene una alta eficiencia (95%) y unas pérdidas por descarga del 5% al día, por lo
que la energía almacenada debe ser utilizada rápidamente, del orden de segundos,
lo cual los hace especialmente adecuados para responder ante interrupciones de
suministro de poca duración. Las figuras 38 y 39 muestran la estructura interna y el
exterior de algunos de ellos.
Figura 38- Tipos de supercapacitadores
Figura 39.- Supercapacitadores aislados y conectados en serie
Es cierto que los supercondensadores compiten con ventaja, con las baterías en
velocidad de respuesta y en número de ciclos de carga y descarga, pero su
capacidad para almacenar energía es sensiblemente menor, como vemos en la
siguiente tabla. En términos cuantitativos de potencia, la potencia disponible en un
kilogramo de supercondensador es diez veces mayor que en una batería de ión-litio,
mientras que la energía almacenada es de veinte a treinta veces menor. Por otra
parte, los supercondensadores pueden admitir durante su vida útil ampliar esa cifra a
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unos 500.000 ciclos profundos de carga y descarga, mientras que una batería de
ión-litio, difícilmente podría alcanzar los 5.000 ciclos. Por lo tanto, la posibilidad de
sustituir las baterías se limita a algunas aplicaciones específicas para las que se
necesiten potencias elevadas durante periodos breves y en las que sean necesarios
frecuentes ciclos de carga y descarga.
Baterías Condensadores
Densidad de energía
(Wh/kg)
100 5
Densidad de
potencia(kW/kg)
0,5-1 5-10
Tiempo de descarga minutos segundos
Tiempo de carga minutos segundos
Ciclos de vida 5.000 500.000
Eficiencia 50-90 75-95
Coste potencia 75-150 25-50
Coste energía 1-2 10-20
Con unas propiedades tan distintas y complementarias, en lugar de buscar la
competencia con las baterías, resulta mucho más atractivo buscar combinaciones de
estas tecnologías. Por ejemplo, para el caso de los vehículos eléctricos, las baterías
proporcionarían la mayor parte de la energía que necesita el vehículo en condiciones
de circulación normales, mientras que los supercondensadores se encargarían de
suministrar las puntas de potencia necesarias en pendientes o adelantamientos; de
absorber los picos de energía cinética en las frenadas.
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4.3. Comparación de las tecnologías de acumulación.
4.3.1. Costes.
El coste del almacenamiento en baterías es menor que en supercapacitadores,
como refleja la siguiente tabla. A su vez, es más caro que el almacenamiento
en aire comprimido o por bombeo. Sin embargo, el coste por ciclo de carga es
mayor en la batería que en los supercapacitadores, como muestra la figura 40,
ya que los supercapacitadores soportan mayor número de ciclos.
Sistema Rango de potencia (MW) US$/kWe US$/kWh
Bombeo hídrico 100-1.000 600-1.000 10-15
Almacenamiento en aire
comprimido
50-1.000 500-1.000 10-15
Volante de inercia 1-10 200-500 100-800
Baterías Ácido-plomo-0,5-100
Metal níquel-hidruro-0,5-50
Ión litio-0,5-50
100-200
200-400
200-400
150-300
Superconductores
magnéticos
10-1.000 300-1.000 300-3.000
Supercapacitadores 0,1-10 300 3.600
Figura 40 - Costes por ciclo de carga
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4.3.2. Aplicaciones.
Por la densidad de energía que es capaz de almacenar, tanto las baterías
como los supercapacitadores se utilizan en el sector del transporte, según la
siguiente tabla, que muestra distintas aplicaciones para las distintas
tecnologías de acumulación, mientras que por ejemplo, las técnicas de
almacenamiento por aire comprimido o por bombeo, se usan para gran escala.
Así mismo, según refleja la figura 41, las baterías se usan para soporte y apoyo
a la red eléctrica, mientras que el aire comprimido o el bombeo, son para
aplicaciones de gran potencia.
Sistema
Tipo de energía
primaria
Densidad de
energía
característica
kJ/kg
Sector de
aplicación primario
Bombeo hídrico Potencial 1(100 m) Eléctrico
Almacenamiento
por aire comprimido
Potencial/Entalpía 15.000 kJ/m³ Eléctrico
Volante de inercia Cinética 30-360 Transporte
Baterías Electroquímica Ácido-plomo - 60-180
Metal níquel- hidruro-
370
Ión litio-400-600
Ión polímero-1.400
Transporte
Telecomunicaciones
Superconductores
magnéticos(SMES)
Electromagnética 100-100.000 Eléctrico
Supercapacitadores Electrostática 18-36 Transporte
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Figura 41.- Posicionamiento de las diferentes tecnologías de acumulación para las aplicaciones.
Otro factor que está relacionado con las aplicaciones de las técnicas de
almacenamiento es el espacio y tamaño requerido. Según la figura 42,
las baterías de ión-litio pueden ser más pequeñas y más ligeras que las
demás baterías por su alta densidad de energía y energía volumétrica.
Figura 42- Comparación de la densidad de energía volumétrica y másica, de las tecnologías de
acumulación de Energía.