Universidad Politécnica de CartagenaDepartamento de Ingeniería Eléctrica
Programa de doctorado de “Tecnologías Industriales”. Subprograma de “Neurotecnología, Control, Robótica y Gestión
Energética”
Cartagena, 2011
Análisis e Integración de Recursos Energéticos Distribuidos
Bloque Almacenamiento de energía
Lección 5Almacenamiento de Energía
Bloque Almacenamiento de energía
IntroducciónExisten tres clases de centrales según su capacidad y controlabilidad
Plantas de base: grandes nucleares y de carbónMuy eficientesLarga vida útil
Plantas de seguimiento de demanda: térmicas (incluidas las de gas) e hidroeléctricas
Pueden regular su generación siguiendo a la demanda“Plantas verdes” o centrales renovables
Incentivadas políticamenteLa generación depende de “fuerzas naturales” (incontrolables)
Bloque Almacenamiento de energía
TradicionalmenteLas compañías eléctricas han utilizado plantas de bombeo para “almacenar” energía, pero presentan problemas desde el “Supply-Side”
Disponibilidad del recurso hidráulico
Impacto medioambiental (poco justificable)
Bloque Almacenamiento de energía: problemática
Es cada vez más difícil gestionar el SEE
Necesidad actual: el almacenamiento es un colchón entre
Fuentes de energía variables (renovables)Consumidores (calidad, fiabilidad, reducción de picos de demanda)Restricciones de la red eléctrica
Es necesario estudiar sus posibilidades técnicas reales
Bloque Almacenamiento de energía
Especificaciones de los sistemas
Tecnologías en función de la aplicación
Bloque Almacenamiento de energía
Los costes cambian en f(x) de la aplicaciónSistemas para garantizar la calidad (20 segundos)
Bloque Almacenamiento de energía
Y en sistemas diseñados < 8 horas
Bloque Almacenamiento de energía
Una etapa de cambios (mercados liberalizados) es una oportunidad, por ejemplo, para el almacenamiento de energía (fuente: Sandia National Lab, EEUU)
Operación del sistema (p.e. estabilidad): flexibilidadPuntas de demanda, mantenimiento: expansión Calidad de servicio y fiabilidad
Bloque Almacenamiento de energía
Beneficios del almacenamiento en cada nivel del SEE
GeneraciónDisminuye la reserva giratoriaControl de frecuenciaApoyo a las renovablesDiferir inversiones en generación
Transporte y distribuciónDiferir inversiones en líneas y transformadoresEstabilidadRegulación de tensión
Consumidor (end-use)Calidad y fiabilidad del servicioReducción del pico de cargaApoyo a la generación distribuida
Bloque
Tipos de almacenamientoMuy clásicos: baterías y centrales hidroeléctricas de bombeoClásicos: almacenamiento térmico (frio/calor)Modernos: almacenamiento eléctrico
Ejemplo: beneficios estimados en California (1/8 EEUU)
Bloque Almacenamiento de Energía
Sistemas de almacenamiento “eléctrico”Baterías: el más extendidoSistemas de inercia mecánica (Flywheels)SMES: Superconducting magnetic energy storageSupercondensadoresCAES: Compressed Air Energy Storage
Existe la tecnología. Problema: espacio y recursos económicos
CAES
Comerciales. + Desarrollos y prototipos Super-C
Sistemas en He líquido. Necesaria I + D SMES
Hay sistemas comerciales. Necesaria I+DFlywheel
Comerciales Plomo-ácido. Nuevos desarrollos (NaS, Li, en desarrollo…)
Baterías
Estado de desarrolloSistema
Bloque Almacenamiento de Energía
Problema: electrónica de potencia (PowerConversion Systems, PCS)
Los sistemas suelen almacenar en DC y necesitan una interconexión ACSupone más del 25% del coste del sistemaSu tamaño viene dado por la necesidad de almacenar energía/generar potencia (es decir gran tamaño)Los sistemas de cierta potencia no tienen la fiabilidad deseada en SEENuevos dispositivos ETO
ETO (Emitter Turn-Off Thyristor)Alta potenciaRápida conmutaciónSandia Lab en colaboración con Navy-NSWC
Costes PCS: entre 100$/kW hasta 1200$/kW
Bloque Almacenamiento de Energía
Sistemas con baterías (UPS)El problema de las baterías es su coste, su volumen, sus ciclos de trabajo y su vida útilCapacidad de almacenamiento: 10-60 minutosUtilidades (típica SAI de ordenadores):
Reducción y limitación de picos de demandaMejora de la calidad y fiabilidad del suministro
Últimos desarrollos: pilas Li-ion
Bloque Almacenamiento de energía
Ejemplo BESS (Batery Energy Storage System)Golden Valley (90000 hab, Fairbanks,Alaska)
Sistema prácticamente aisladoUna línea de unión con Anchorage (400km) de la que extraen la máxima generación (hidráulica)Política: intentan reducir costes minimizando la reserva giratoria (spinning reserve)Tienen un sistema (SILOS) de shed load, aparentemente insuficiente
Objetivos del GVEA-BESSConseguir reserva giratoriaControl de reactiva (VAR support)Estabilizador de potencia (oscilaciones P-f)Compensación de arranques de grandes motoresMantener el sistema si actúan protecciones de líneas
Bloque Almacenamiento de energía
Características del sistema BESS (I)4 bloques de 3440 baterías de Ni-CdConversión por IGCT (Integrated Gate Commuted Thyristor)Hitos de Generación (2003-2006):
46MW (durante 5 minutos)27MW (durante 15 minutos)2006: 7,5 “apagones”/usario (1h6m sin servicio/usuario)
Bloque Almacenamiento de energía
Características del sistema BESS (II)
Permite arrancar generadores sin que estén en standby (5-15 minutos)Reducción del 60% en problemas de servicio (ninguno en enero de 2005, 20 minutos en febrero de 2005)Coste 35 Millones de $ (vida estimada 20-30 años)Peso 1500 toneladasABB (ingeniería)Saft (baterías)
Bloque Almacenamiento en subestaciones
Ejemplo: subestación en Phoenix (Arizona)12,5 MVA20 operaciones año300$/kVA
Bloque Almacenamiento de Energía
Ejemplo de BESS: American Electric Power (AEP)Compañía con 36GW de generación (la más grande de EEUU)Crecimiento de carga: 2%Utilizan sistemas de almacenamiento de energía (BESS) desde 1920 en sus subestaciones y oficinas
Sistemas Plomo-Ácido: desde 1920NaS (Sulfuro de Plomo): desde 2002Li-ion: desde 2003 (en pruebas)
Sistema para oficinas (250kW-30s,)
Bloque Almacenamiento de Energía
Ejemplo de BESS: American Electric Power (AEP)Funcionamiento Sistema BESS-NaS (150m2/MW). Mejora en la respuesta dinámica.
Bloque Almacenamiento de Energía
Ejemplo de BESS: American Electric Power (AEP)Sistema BESS-Li-ion (subestación 138/34,5 kV)
Menor mantenimiento sistemas tradicionalesAlimentación de sistemas de monitorización y protección de la subestación
Ocupan un 20% del espacio de las baterías tradicionalesEvitan el coste de mantenimiento y problemas ambientales de las baterías de plomo.
Bloque Almacenamiento de Energía
Sistemas de almacenamiento: FlywheelsAcopla un motor-generador con una masa giratoriaPodrían resolver >90% de las perturbacionesTradicional (baja velocidad): acero a “bajas” rpm (<10000).
Fabricantes: Pillar, Canterpillar, Active Power
Bloque Almacenamiento de Energía
Actual (alta velocidad): fibra de carbón (40k-60krpm)Productos comerciales: Urenco, Beacon PowerEn desarrollo: Boeing, AFSCojinetes magnéticos para reducir fricción
Ventajas: menor mantenimiento, larga vida, alta densidad de potencia, mayor eficiencia (que una batería)
Utilizados en metros (Londres, París, Tokio,…)
Bloque Almacenamiento de Energía
Sistemas de almacenamiento: FlywheelsProporcionan energía durante 1 a 20 segundos (mientras arranca un generador)Ejemplos (Beacon Power): 15-25kW (6kWh) (izda)Locomotora diésel-eléctrica (2 MW).
Bloque Almacenamiento de Energía
Ejemplo de Flywheels (I): Sistema Smart Energy Matrix (Beacon Power)
10 unidades de 250kW (25kWh) en un contenedor Peso: 18 toneladasConsumo standby: <2%
Bloque Almacenamiento de energía: flywheels.
Algunos ejemplos de aplicación que se están desarrollando
Bloque Almacenamiento de Energía
Sistemas de almacenamiento (IV):SMESSe almacena energía en campo magnético
Bloque Almacenamiento de Energía
Fabricantes y carácterísticasACCEL Instruments Gmbh(ALEMANIA)
Desarrollo para una planta en Dortmund
Energía: 2,1 MJPotencia media 200kW (durante 8s)Potencia máxima 800kWInductancia (4,1H), Inducción (4,1T)Tamaño 760x600mm
Otros fabricantes (GE, D-SMES, 3MJ)
Bloque Almacenamiento de Energía
SupercondensadoresUtilidad:
Apoyo en pequeñas interrupciones de servicio a las baterías (alargan la vida útil de los UPS)Frenado regenerativo: ferrocarriles
Ejemplo: Condensador MAXWELL2500F 10 años de vida (500.000 ciclos)2,5V 0,001 ohmio de R interna8400 J (acumulación)
Bloque Almacenamiento de Energía
Utilidad con microturbinas:Responder a los picos de arranque de motores que podrían disparar una microturbina (proporcionan una intensidad adicional)Ejemplo de hueco de tensión
Bloque Almacenamiento de Energía
Sistemas de almacenamiento: CAESAlmacenamiento de aire en acuíferos/minas abandonadas (ej. minas de sal). No hay muchos sitios disponibles
Bloque Desarrollos de CAES
Alabama (EEUU, 1991)Mina de sal abandonada110MW Suministro de electricidad a 11000 viviendas durante 26 horasPresión de 50 a 75 bar65 M$ (591$/kW)En 14 minutos está lista para generar
Huntorf Plant (ALEMANIA,290MW)Se asocia a una turbina de gas a la turbina de aire para la generación de energíaReduce a 1/3 partes los costes el consumo de gas (evita la compresión de gas previa de la turbina)Volumen: 300.000m3
Futuro: Norton Energy Storage (EEUU)10M m3, potencia máxima 480MW a 2,5GW
Bloque Almacenamiento de Energía
Sistemas de almacenamiento: resumen (datos año 2000)
Bloque Almacenamiento de Energía
Resumen. Utilidad de cada uno de los sistemas potencia-tiempo (datos año 2004)
Bloque Almacenamiento de Energía
Resumen. Utilidad de cada uno de los sistemas peso-densidad de Energía
Bloque Almacenamiento de Energía
Resumen. Costes de cada uno de los sistemas
Bloque Almacenamiento de Energía
Almacenamiento térmicoAlmacenamiento de fríoAlmacenamiento de calor
Bloque Almacenamiento de Energía
Tecnologías de almacenamiento de frío (TES)El hielo puede almacenar energía a través de:
Calor específico (agua o hielo):42 kJ/kgCalor de fusión (cambio de estado): 335kJ/kg
Ventajas:El hielo requiere menos espacio de almacenamientoEl aire de la impulsión es más frío (menores tamaños de tuberíasy ventiladores)
Proyectos piloto: Japón ECO ICE mini (TEPCO&SANYO)Fabricante : Calmac Coorporation (Roofberg ®)
Bloque Almacenamiento de Energía
¿Es eficiente? ¿Y las pérdidas del almacenamiento?Evidentemente almacenar → pérdidas
Ventajas:Funcionamiento por la noche (a menor temperatura, más eficiencia de la enfriadora)Menor precio nocturno de la electricidadMenores pérdidas en el sistema eléctrico
Ejemplo residencial: umbral de rentabilidadLoad Leveling
0100020003000400050006000700080009000
0:00 2:45 5:30 8:15 11:00 13:45 16:30 19:15 22:00
Hour
W
Bloque Almacenamiento de Energía
Sistemas de almacenamiento de calorAcumuladores cerámicos
Óxidos de hierro 2 y 3 (Histor 10)Densidad: 4000 kg/m3Peso: 70-300 kgCe = 0,9kJ/kg KNuevo: silicatos cerámicos
1340 kg/m31,5 kJ/kg
Bloque Almacenamiento de Energía
Sistemas de almacenamiento de calor (II)Hay dos sistemas
Estático: convección naturalForzado: convección forzada
Pesos y potenciasDe 1 a 9kWDe 80kg a 200kg
Precios: a partir de 500-600€Problema: efecto Joule ¿es eficiente?Fabricantes
Gabarrón-ELNUR S.A.
Bloque
Suelos y techo radiantesLa capacidad térmica de los suelos y techos hacen de elemento almacenador (Finlandia, VTT Energy)
Bloque
Ejemplo:Eficiencia Energética en el Transporte Terrestre a través del almacenamiento de energía.
Previos (ver lección 4, Eficiencia Energética):Escasa utilización de medios eficientes para el transporte de mercancías a media distancia (ferrocarril)Importancia del sector en el consumo energético
Bloque Ejemplo de dispositivo de almacenamiento
Almacenamiento de Energía en Sistemas de Transporte (FFCC)
Reducir el consumo de combustibles fósiles y emisiones.Hacer más atractivo el transporte (viajeros, mercancías) por FFCC.
05000
1000015000200002500030000
Petróleo Gas
Electricidad Bio
Consumo de energía (ktep)
CarreteraFFCCMarAire
Bloque
Motor diesel de 1900CVVelocidad máxima de 119,7km/hMáximo esfuerzo de frenado a 35km/h
2.2. Trayecto sometido a estudio
Albacete-Cartagena, tren 00224
Cartagena-Albacete, tren 00227
Variación de la altitud para un itinerario típico Albacete-Cartagena
050
100150200250300350400450500550600650700750800850
0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250Dis tancia (km)
Descripción de la locomotora
Bloque2.3. Funcionamiento de la locomotora
900rpmVelocidad máxima
315rpmVelocidad de ralentí
230,9x245mmDiámetro y carrera
AntihorarioSentido de rotación
16:1Relación de compresión
45º VDisposición de cilindros
16Número de cilindros
2 tiemposPrincipio de funcionamiento
16-645 EModelo
SERIE 319MOTOR DIESEL
1300 VTensión máxima
8100 AIntensidad máxima
continua
AR11Modelo
SERIE 319GENERADOR PRINCIPAL
Bloque Aplicaciones existentes en ferrocarriles
•Prototipo francés: proyecto Plathée•Grupo electrógeno (236kW)•Volante de inercia•Pila de combustible de Helio•Baterías Ni-Cd (4 toneladas)•Supercondensadores (2 toneladas, 1600 unidades)
•Versión japonesa: New Energy (NE) Train
•Motor térmico (331kW)•Generador eléctrico (270kW)•Motores eléctricos de tracción (95kW, 2 unidades)•Baterías ion-litio de alta densidad
•Proyecto americano: ALPS (sistema de propulsiónde locomoción avanzado)
•Turbina de gas avanzada (4000CV)•Volante de inercia (2MW, 480MJ a 15.000rpm)•Alternador de alta velocidad (3MW)
Bloque Fuerzas internas
Curvas de frenadoCurvas de tracción
Bloque Cálculo de aceleraciones y velocidades
Bloque Necesidades de potencia. Mejora de la eficiencia energética
Variación de la altitud para un itinerario típico Albacete-Cartagena
050
100150200250300350400450500550600650700750800850
0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250Dis tancia (km)
Bloque Mejora de la eficiencia energética
RendimientosLocomotora diesel: el motor diesel suministra la potencia necesaria al generador y éste a los motores de tracción, que son, en última instancia, los que mueven la locomotora. Pero cada uno de estos dispositivos tiene un rendimiento asociado.Locomotora híbrida: el único rendimiento que hay que tener en cuenta es el de los elementos de almacenamiento.
100%Supercondensadores
75-85%BateríasCon almacenamiento
33-36%Sin almacenamiento: grupo “motor diesel-
generador”
Rendimiento
BloqueDispositivos de almacenamiento
Baterías
Supercondensadores
19000,03280,6607,2KL 1500P
10000,0011,419,3KL 18P
4000,02863,3268,212 TLG 250
2500,01121169,26 TLG 160
1250,0822885956,22 CMT 4500
750,0077133,22 CMT 100
Precio ($/kWh)
Volumen (m3)Masa (kg)Emáx
(Wh/kg)
TLG
32,90100,000,4750,555,52BCAP30
00
47,0595,000,3730,405,06BCAP20
00
45,7770,000,3250,324,75BCAP15
00
49,3860,000,2940,304,05BCAP12
00
66,0843,500,2210,203,29BCAP06
50
Precio ($/kWh)
Precio unid. ($)
Volumen (m3)
Masa (kg)
Emáx(Wh/kg)
Bloque Resultados Serie 333
3.5910,16398,225KL 1500 P
1.8900,32455,79323KL 18 P
3.1501,313090,044712 TLG 250
1.9690,831551,42746 TLG 160
9840,17604,4122 CMT 4500
5910,54656,91942 CMT 100
Precio (€)Vol. total (m3)Masa total (kg)Nº de unid.Modelo
Energía a almacenar: 8,9 MJ = 2,5kWh (aprox.)
> 4.310SI4.310203.591KL 1500 P
> 2.520SI2.520151.890KL 18 P
10.500NO10.50063.15012 TLG 250
13.125NO13.12531.9696 TLG 160
> 6.563SI6.56339842 CMT 4500
> 11.813SI11.81315912 CMT 100
Precio final (€)MantenimientoPrecio total
(€)Vida útil (años)Precio (€)Modelo
Energía a almacenar: 8,9 MJ = 2,5kWh (aprox.)
Bloque Resultados Serie 333
Supercondensadores
57.5840,39452,908233000
76.2600,46494,0712352000
79.7860,53526,3216451500
85.5560,60617,2820581200
104.1220,80759,8837990650
Precio total (€)Vol. total (m3)Masa total (kg)Nº de unid.Modelo BCAP
Energía a almacenar: 8,9 MJ = 2,5kWh (aprox.)
Evaluación de resultadosEspacio total disponible: 6,03 m3 > 1,31 m3 (12 TLG 250)Máximo incremento de masa: +1,25% que no influye
Bloque Ahorro económico en relación al ahorro de combustible
Trayecto Albacete-Cartagena
€239€14,4452405. klkm
lsemanaskmsemanaviajesAnualCombGasto =××××=
Supercondensadores: 39.000 € de ahorro anual
Baterías: 29.300 € de ahorro anual