Baterías

GRID STORAGE
Almacenamiento en el sistema eléctrico:
tendencias, tecnologías y aplicaciones
SECARTYS
II Comisión de tecnologías de almacenamiento
Barcelona
Antoni Sudrià-Andreu
5 de Noviembre de 2014
[email protected]
Tendencias en el sistema eléctrico de potencia:
Smart Grid Storage



Hasta ahora la electricidad es el único producto industrial que se tiene
que fabricar (generar) en el mismo momento en que se consume por la
incapacidad de almacenarla eficientemente en grandes cantidades:
•
Necesitad de equilibrar permanentemente la generación y la demanda:
absorbiendo los picos de generación y gestionando la demanda
•
Aplanar la curva de la demanda: almacenar energía generada por la
noche y devolviéndola a la red durante el día a las horas de demanda
máxima.
El incremento de las energías renovables impulsado por el objetivo 2020-20 europeo depende de la capacidad de almacenamiento en el
sistema eléctrico.
El almacenamiento puede proporcionar otras funciones complementarias
muy importantes
2
3
Necesidad del almacenamiento de energía eléctrica
Sistema eléctrico de potencia (Red eléctrica):
• Incremento energías renovables (eólica, fotovoltaica).
• Gestión de la demanda. Aplanamiento curva de la demanda.
• Movilidad eléctrica.
Vehículo eléctrico:
• Baterías de tracción. Vehicle to Grid (V2).
• Baterías de respaldo para sistemas de carga con almacenaje diferido.
Cargadores rápidos. Electrolineras.
Otras:
• Sistemas aislados de energía eléctrica. Microredes. Autogeneración.
• Seguridad, continuidad y calidad de suministro SAIs.
• Aplicaciones móviles: teléfonos, tablets, ordenadores, cámaras.
Sistema de almacenamiento secundario




Es necesario un sistema intermedio de almacenamiento entre la generación y el
consumo que pueda coordinarlos.
Para la generación, para transferir capacidad de generación de las horas valle a
las horas punta
Para los distribuidores o consumidores, para motivar a los consumidores a
desplazar las horas punta de consumo hacia las horas valle.
A esta nueva unidad del sistema eléctrico de potencia la llamaremos
almacenamiento secundario de energía.
Un sistema de almacenamiento secundario es una instalación o método, con
capacidad de control independiente, con la ayuda del cual es posible almacenar
energía generada en el sistema eléctrico de potencia, mantenerla almacenada y
utilizarla cuando sea necesaria en el sistema de potencia.


El método de almacenamiento secundario de energía es una estrategia de
gestión de la demanda que ayuda al sistema eléctrico a reducir la punta de carga
y a desplazar una parte de la energía necesaria hacia las plantas generadoras de
base.
El sistema de almacenamiento de energía tiene tres regímenes de
funcionamiento: carga, almacenamiento, descarga.
5
Características del sistema de almacenamiento



Para cumplir los requerimientos de la definición, un sistema de
almacenamiento de energía completo tiene que incluir tres partes:
conversión de la energía, almacén central, control de
carga/descarga.
La parte de conversión de la energía tiene que acoplar el sistema
de potencia y el almacén central, controlar el intercambio de
energía entre ellos y actuar como acondicionador del sistema
eléctrico en el punto de conexión.
Los parámetros fundamentales del equipo de almacenamiento
son: densidad energética por peso y por volumen, eficiencia del
ciclo, número de ciclos de carga-descarga, vida útil, tiempo de
cambio del sentido de la energía, tiempo de respuesta, potencia
óptima de salida, potencia almacenada óptima, necesidades de
espacio para la instalación.
A.G. Ter-Gazarian: Energy Storage for Power Systems. 2nd Edition. Ed. The institute of Engineering and Technology, Stevenage, United
Kingdom, 2011.
6
Acoplamiento de los sistemas de almacenamiento:
Smart Power Electronic Conditioner



Las técnicas modernas de conversión de
energía están basadas en la
conmutación a alta frecuencia de
transistores semiconductores de
potencia.
El convertidor de puente completo es
una topología habitual para generar
salidas de corriente alterna monofásica.
Cuatro interruptores estáticos conmutan
por parejas en diagonal para enviar la
corriente de salida en sentidos alternos a
alta frecuencia.
Capacidades del Smart Conditioner:
atenuación de reactiva, armónicos y
desequilibrios; Smart Meter, Power
Quality monitor. Opcional: estabilizador
de tensión y funcionamiento en isla
como SAI.
7
Sistemas de almacenaje de energía eléctrica

Baterías electroquímicas.

Supercondensadores (Ultracaps o supercaps).

Volantes de inercia (Flywheel Energy Storage).

Bombeo hidráulico.

Bobinas superconductoras (Superconducting Magnetic Energy
Storage, SMES).

Pilas de combustible (Fuel cells)

Aire comprimido (Compressed Air Energy Storage, CAES).
Tecnologías de almacenamiento de energía eléctrica.
•
Electrical energy can be converted to
many different forms for storage:
– Electric field in capacitors.
– Electrochemical energy in
batteries and flow batteries.
– Chemical energy in fuel cells.
– Kinetic energy in flywheels.
– Magnetic field in inductors
– Gravitational potential energy
with water reservoirs.
– Compressed air.
Francisco Díaz-Gonzáleza, Andreas Sumper, Oriol
Gomis-Bellmunt, Roberto Villafáfila-Robles: A review of
energy storage technologies for wind power applications.
Renewable and Sustainable Energy Reviews.
Elsevier..2012
Abbreviations
BESS Battery Energy Storage System
CAES Compressed Air Energy Storage
FBESS Flow Battery Energy Storage
System
FESS Flywheel Energy Storage System
HESS Hydrogen-based Energy Storage
System
Li-ion lithium-ion
NaS sodium–sulphur
Ni–Cd nickel–cadmium
PHS pumped hydro storage
PSB polysulphide–bromide flow battery
RFC regenerative fuel cell
SCESS supercapacitor energy storage
system
SMES superconducting magnetic energy
storage
VRB vanadium redox battery
9
ZBB zinc–bromine flow battery
Catálogo de tecnologías
Francisco Díaz González: Almacenaje de energía en aplicaciones eólicas. Barcelona 2012
10
Ultracondensadores
•
Los ultracondensadores o supercondensadores también conocidos en
inglés como ultracapacitors, supercapacitors o electrochemical double
layer capacitors (EDLC) son condensadores electroquímicos que
presentan una alta densidad de energía en comparación a los
condensadores convencionales.
•
Los condensadores electrolíticos típicos pueden llegar a capacidades
del orden de centenares de μF, mientras que los ultracondensadores
presentan capacidades de centenares de F incluso hasta 3.000 F o
5.000 F.
•
Supone un incremento de 6 órdenes de magnitud en la capacidad,
aunque presentan el inconveniente de que su tensión nominal es
usualmente mucho más baja.
•
Junto con la electrónica de potencia, estos elementos pueden llegar a
suponer una alternativa a las baterías en determinadas aplicaciones.
11
Ultracondensadores
12
Ultracondensadores
•
•
•
•
•
•
Las pérdidas en un ultracondensador vienen dadas por la corriente de
fuga (parametrizada por la resistencia en paralelo (EPR)) así como las
pérdidas por conducción (parametrizadas por la resistencia en serie
ESR)). Dado el orden de magnitud de estos parámetros, los valores de
estas pérdidas son muy pequeños, alcanzándose así rendimientos
superiores al 95% para los valores de corriente nominales.
Los ultracondensadores pueden trabajar en un rango de temperaturas de
-40ºC hasta 70ºC. El valor de la capacidad apenas varía con la
temperatura.
La principal ventaja de los ultracondensadores frente a los condensadores
convencionales es su mayor densidad de energía, del orden de 1-10
W·h/kg en los ultracondensadores frente a los apenas 0,1 W·h/kg de los
condensadores electrolíticos.
En comparación con las baterías, la diferencia resulta escasa, ya que las
nuevas baterías de Ion-Litio pueden superar los 100 W·h/kg..
Lo compensan con una densidad de potencia mucho mayor, pues los
ultracondensadores pueden llegar a 1-10kW/kg, mientras que las baterías
no llegan a superar los 200 W/kg.
Respecto a la eficiencia, los ultracondensadores alcanzan rendimientos
de carga/descarga de hasta el 95%, mientras que las baterías, en el mejor
de los casos, alcanzan rendimientos del 70%.
13
Ultracondensadores
•
•
•
•
Durante su vida útil un ultracondensador puede llegar a realizar hasta10
millones de ciclos de carga/descarga, a diferencia de las baterías que
apenas alcanzan los 1.000 ciclos. Los ultracondensadores pueden
cargarse en tiempos muy rápidos y a cualquier tensión (mientras no
superen la tensión máxima), y pueden guardarse cargados total o
parcialmente o incluso descargados, sin llegar a deteriorarse.
También pueden recibir pulsos de energía sin que ello afecte a su vida
útil como ocurre en el caso de las baterías.
Un último punto interesante es el rango de temperaturas. Los
ultracondensadores pueden trabajar entre -40ºC y 70ºC, mientras que
las baterías fallan a temperaturas inferiores a -10ºC.
El principal inconveniente de los ultracondensadores frente a las
baterías es su elevado precio. A pesar que actualmente están
experimentando un cierto descenso en los precios, para una misma
capacidad de almacenamiento de energía los ultracondensadores
pueden llegar a ser 3 veces más caros que las baterías de Li-Ion, unas
10 veces más caros que las de Ni-MH, y hasta 20 veces más caros que
las de Ácido-Pb.
14
Ultracondensadores
•
Aplicaciones de los ultracondensadores:
Los ultracondensadores tienen múltiples aplicaciones, desde la
alimentación de memorias en sistemas críticos hasta el suministro de
breves pulsos de energía en sistemas de alta potencia.
• Hibridación con baterías y pilas de combustible
• Recuperación de energía de frenada en automóviles y ferrocarriles.
• Recuperación energía en ascensores.
• Tramos sin catenaria de tranvías.
• Apoyo a redes eléctricas de distribución débiles.
• Generadores eólicos. Control ángulo de “pitch”
Ricardo Riazor, Josep Rafecas, Antoni Sudrià: Ultracondensadores: mayor densidad de energía.Automática e
Instrumentación.Marzo 2009 / n.º 405. Pag. 54 a 58
15
Baterías
•
•
•
•
Una batería está constituida por uno o varios elementos
electroquímicos que tienen la propiedad de convertir la energía
química en eléctrica.
Cuando las reacciones químicas que se producen son irreversibles, la
batería puede usarse una sola vez y recibe el nombre de primaria,
aunque popularmente es conocida como pila.
Si las reacciones químicas son reversibles y se puede recargar el
elemento convirtiendo la energía eléctrica en química, la batería es
denominada secundaria.
Las baterías secundarias no pueden suministrar directamente energía
eléctrica y es necesario someterlas inicialmente a un proceso de
carga. Se las conoce también como acumuladores y las más
conocidas son las de plomo-ácido, níquel-cadmio o níquel-metal
hidruro, litio-ion y litio-polímero.
16
Baterías
– La capacidad de una batería es la cantidad de electricidad que puede
entregar cuando se descarga antes de que su tensión disminuya por
debajo de una valor mínimo.
– Se representa con el símbolo C y se expresa en amperios·hora [Ah]
– Una batería de capacidad C=100 Ah puede dar 5 A durante 20 horas o
1 A durante 100 horas, pero no puede dar 100 A durante 1 hora,
aunque el producto sigue siendo de 100 Ah, porque el aumento de
corriente provoca una polarización muy rápida y la tensión baja
rápidamente.
– La capacidad de la batería depende de la corriente de descarga y de la
tensión mínima que se acepte en bornes al final de la descarga.
– Otra variable que afecta a la capacidad es la temperatura. Un
incremento de la temperatura , dentro de ciertos límites, aumenta la
actividad de los procesos químicos y, por lo tanto, la capacidad de la
batería.
17
Baterías
– El envejecimiento de una batería merma su capacidad y va
disminuyendo a lo largo de su vida en función del servicio cargadescarga a que sea sometida.
– Para el cálculo de la capacidad nominal necesaria hay que tener en
cuenta la vida útil que se desea para la batería: si se desea una vida
útil de 3 años y el fabricante indica que al final de este período solo se
mantiene el 50 % de la capacidad, habrá que utilizar una batería de
capacidad doble a la estimada necesaria.
– La característica más importante y la que presenta mayor variedad
según los fabricantes es la expectativa de vida útil que depende mucho
de la temperatura, de la velocidad de descarga, de la profundidad de
descarga y de la forma de carga.
– La vida útil se indica para dos tipos de servicio el cíclico y el de
flotación. La duración en servicio cíclico depende de la profundidad de
la descarga.
18
Baterías: Plomo-ácido

La batería más conocida y
utilizada en gran variedad
de aplicaciones.

Barata

Baja energía específica

VRLA – sin mantenimento
19
Baterías: NiCd

Batería conocida

Mayor densidad energética

Baja autodescarga

Vida larga (2500 ciclos)


Amplio rango de
temperaturas
Puede ser sobrecargada
•
•
•
•
Baja tensión de celda
Cara
Mayor resistencia serie
Cd cancerígeno y perjudicial para
el medio ambiente
20
Baterías: NiMH



Similar a la de NiCd, pero
usa H, en un metal hidruro
Mayor densidad de
energía
Experiencias en EV y HEV
• Baja tensión de celda
• Rapida autodescarga
21
Baterías: basadas en Litio

Li-polímero

Li-ion

Mayor densidad de energía



Afectada por sobrecargas,
sobretemperatura y
sobretensión
Necesita un complejo
sistema de gestión (BMS)
Cara
22
Baterías: basadas en sodio
Sodium sulphur
Sodium metal chloride (Zebra)


Trabaja a altas temperaturas
(300oC-350oC)




Empaquetado y calentamiento
complejos
Trabaja a altas temperaturas
(300oC-350oC)
Empaquetado y calentamiento
complejos

Alta energía específica

Componentes no peligrosos

Comercializada

Certificada para pruebas de choque
Alta energía específica
El sulfuro de sodio es peligroso
23
Baterías: Metal aire
• No se pueden recargar
• El metal gastado en los elcetrodos se tiene que reemplazar
• Electrodos = fuel
Aluminium air
Zinc air
24
Tabla comparativa de baterías
25
Tabla comparativa
Fuente:
ROBERT, Jack- ALZIEU, Jean: Accumulateurs. Considérations théoriques. Techniques
de l’Ingénieur. D 3 351.
26
Batería de flujo
27
Pila de combustible
Se basa en reacciones
químicas para generar de
manera continua electricidad
y agua a partir de oxigeno y
hidrógeno. Se diferencia de
las baterías clásicas en que
los reactivos, H2 y O2 (del
aire), hay que aportarlos
desde el exterior.
28
Volantes de inercia
Los sistemas de almacenamiento de
energía basados en volantes de inercia,
o Flywheel Energy Storage Systems
(FESS) en inglés, son sistemas
electromecánicos en los que se
almacena energía en un disco rodando.
El disco de inercia es impulsado por un
motor/generador eléctrico. El sistema es
soportado por rodamientos magnéticos
con el objetivo de reducir pérdidas por
fricción mecánica y encapsulado en una
atmósfera de baja presión para reducir
perdidas por fricción con el aire.
29
Volantes de inercia
La energía cinética del volante de inercia es proporcional a la inercia del disco y
al cuadrado de su velocidad,
𝐸 = 0,5 𝐼 𝜔2
El momento de inércia (kg·m2) del disco depende de la masa y de la forma,
𝐼=
𝑥 2 𝑑𝑚𝑥
En un disco macizo sin variación de su espesor a lo largo de su radio,
𝐼 = 𝑚𝑟 2
Por lo tanto, la capacidad de energía (Joule) del sistema es,
2
𝐸 = 0,5𝑚𝑟 2 𝜔𝑚𝑎𝑥
Proporcional al cuadrado de la velocidad !!
30
Revisión de aplicaciones
Francisco Díaz González: Almacenaje de energía en aplicaciones eólicas. Barcelona 2012
31
Revisión de aplicaciones
Francisco Díaz González: Almacenaje de energía en aplicaciones eólicas. Barcelona 2012
32
Revisión de aplicaciones
• Futumata (Japón), han instalado 34 MW de baterías tipo NaS en un
parque eólico 51 MW
Francisco Díaz González: Almacenaje de energía en aplicaciones eólicas. Barcelona 2012
33
Revisión de aplicaciones
• Futumata (Japón), han instalado 34 MW de baterías tipo NaS en un
parque eólico 51 MW
Francisco Díaz González: Almacenaje de energía en aplicaciones eólicas. Barcelona 2012
34
Revisión de aplicaciones
Central de bombeo en Turlough Hill (Irlanda)
Ameren: Taum Sauk, Missouri, 440MW
Francisco Díaz González: Almacenaje de energía en aplicaciones eólicas. Barcelona 2012
35
Necesidad de añadir baterías a una planta fotovoltaica
El caso del código de conexión a red de Puerto Rico PREPA (Puerto Rico
Electric Power Authority)
- Necesidad de cumplir rampas de subida que limitan el incremento temporal de potencia.
PREPA: Máxima variación por minuto permitida: 10% de la capacidad de la planta.
- Necesidad de cumplir con el requisito de respuesta a la frecuencia:
PREPA: “PV facility shall provide an immediate real power
primary frequency response, proportional to frequency
deviations from scheduled frequency, similar to governor
response. The rate of real power response to frequency
deviations shall be similar to or more responsive than the
droop characteristic of 5% used by conventional generators.
PV facility shall have controls that provide both for downregulation and up-regulation. PV technologies, in
combination with energy storage systems such as, but
not limited to BESS, flywheels, hybrid systems are
acceptable options to comply with PREPA’s frequency
response and regulation requirements.”
- Otras oportunidades: maximización de la generación fotovoltaica en condiciones de power
curtailment. En condiciones de power curtailment, la planta fotovoltaica tiene la obligación de
entregar una potencia fijada por el operador de red, teniendo que disminuir la potencia fotovoltaica.
El uso de baterías como buffer podría evitar reducir la potencia fotovoltaica.
36
Vehicle-to-grid (V2G)
Power balance
100
Negative deviations
EV
Grid
Demand
Positive Deviations
Grid
WT
PV
EV
80
60
40
20
Power (kW)
Las baterías de los vehículos
pueden utilizarse como
almacenamiento distribuido.
Su carga/descarga se
gestiona en función de:
- Precios del mercado
eléctrico y servicios
auxiliares
- Disponibilidad de
generación renovable
- Necesidades de movilidad
del usuario
0
-20
-40
-60
-80
-100
0
5
10
15
20
25
Time (periods)
30
35
40
45
50
37
Conclusiones


Permiten flexibilizar el equilibrio permanente entre la generación y la demanda
•
Absorción del excedente de generación
•
Reducción de picos de demanda
Tecnologías:
•


Baterías, ultracondensadores, volante de inercia, pilas de combustible
Principales aplicaciones:
•
Integración de energías renovables
•
Autogeneración
•
V2G (almacenamiento distribuido)
Principales barreras:
•
Elevadas inversiones necesarias
•
Falta de regulación específica
•
Poca madurez en muchas de las tecnologías utilizadas
38
CITCEA-UPC
[email protected]
39