Almacenamiento de Energía

Bloque
Almacenamiento de energía
Participación de
la demanda
Entornos
regulados
Entornos
liberalizados
Herramientas
■ Modelos de
carga
■ Monitorización
Simulación de la
participación
TEMA 3: RECURSOS ENERGÉTICOS
DISTRIBUIDOS (DER)
Lección 6
Almacenamiento de Energía
Bloque
Participación de
la demanda
Entornos
regulados
Entornos
liberalizados
Herramientas
■ Modelos de
carga
■ Monitorización
Simulación de la
participación
Almacenamiento de energía
Introducción
Existen tres clases de centrales según su
capacidad y controlabilidad
Plantas de base: grandes nucleares y de carbón
Muy eficientes
Larga 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 políticamente
La generación depende de “fuerzas naturales”
(incontrolables)
Bloque
Almacenamiento de energía
Tradicionalmente
Participación de
la demanda
Entornos
regulados
Las compañías eléctricas han utilizado plantas de bombeo
para “almacenar” energía, pero presentan problemas desde el
“Supply-Side”
Disponibilidad del recurso hidráulico
Entornos
liberalizados
Herramientas
■ Modelos de
carga
■ Monitorización
Simulación de la
participación
Impacto medioambiental (poco justificable)
Bloque
Participación de
la demanda
Almacenamiento de energía: problemática
Es cada vez más difícil gestionar el SEE
Entornos
regulados
Entornos
liberalizados
Herramientas
■ Modelos de
carga
■ Monitorización
Simulación de la
participación
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
Participación de
la demanda
Almacenamiento de energía
Especificaciones de los sistemas
Entornos
regulados
Entornos
liberalizados
Herramientas
■ Modelos de
carga
■ Monitorización
Simulación de la
participación
Tecnologías en función de la aplicación
Bloque
Participación de
la demanda
Entornos
regulados
Entornos
liberalizados
Herramientas
■ Modelos de
carga
■ Monitorización
Simulación de la
participación
Almacenamiento de energía
Los costes cambian en f(x) de la aplicación
Sistemas para garantizar la calidad (20 segundos)
Bloque
Participación de
la demanda
Entornos
regulados
Entornos
liberalizados
Herramientas
■ Modelos de
carga
■ Monitorización
Simulación de la
participación
Almacenamiento de energía
Y en sistemas diseñados < 8 horas
Bloque
Participación de
la demanda
Entornos
regulados
Entornos
liberalizados
Herramientas
■ Modelos de
carga
■ Monitorización
Simulación de la
participación
Almacenamiento de energía
Una etapa de cambios (mercados liberalizados) es una
oportunidad, por ejemplo, para el almacenamiento de
energía (Sandia National Lab, EEUU)
Operación del sistema (p.e. estabilidad): flexibilidad
Puntas de demanda, mantenimiento: expansión
Calidad de servicio y fiabilidad
Bloque
Participación de
la demanda
Entornos
regulados
Entornos
liberalizados
Herramientas
■ Modelos de
carga
■ Monitorización
Simulación de la
participación
Almacenamiento de energía
Beneficios del almacenamiento en cada
nivel del SEE
Generación
Disminuye la reserva giratoria
Control de frecuencia
Apoyo a las renovables
Diferir inversiones en generación
Transporte y distribución
Diferir inversiones en líneas y transformadores
Estabilidad
Regulación de tensión
Consumidor (end-use)
Calidad y fiabilidad del servicio
Reducción del pico de carga
Apoyo a la generación distribuida
Bloque
Participación de
la demanda
Entornos
regulados
Entornos
liberalizados
Herramientas
■ Modelos de
carga
■ Monitorización
Simulación de la
participación
Tipos de almacenamiento
Muy clásicos: baterías y centrales hidroeléctricas de bombeo
Clásicos: almacenamiento térmico (frio/calor)
Modernos: almacenamiento eléctrico
Ejemplo: beneficios estimados en California (1/8 EEUU)
Bloque
Participación de
la demanda
Almacenamiento de Energía
Sistemas de almacenamiento “eléctrico”
Baterías: el más extendido
Sistemas de inercia mecánica (Flywheels)
SMES: Superconducting magnetic energy storage
Supercondensadores
CAES: Compressed Air Energy Storage
Entornos
regulados
Entornos
liberalizados
Herramientas
■ Modelos de
carga
■ Monitorización
Simulación de la
participación
Sistema
Estado de desarrollo
Baterías
Comerciales Plomo-ácido. Nuevos desarrollos
(NaS, Li, en desarrollo…)
Flywheel
Hay sistemas comerciales. Necesaria I+D
SMES
Sistemas en He líquido. Necesaria I + D
Super-C
Comerciales. + Desarrollos y prototipos
CAES
Existe la tecnología. Problema: espacio y
recursos económicos
Bloque
Participación de
la demanda
Entornos
regulados
Entornos
liberalizados
Herramientas
■ Modelos de
carga
■ Monitorización
Simulación de la
participación
Almacenamiento de Energía
Problema: electrónica de potencia (Power
Conversion Systems, PCS)
Los sistemas suelen almacenar en DC y necesitan
una interconexión AC
Supone más del 25% del coste del sistema
Su 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 SEE
Nuevos dispositivos ETO
ETO (Emitter Turn-Off Thyristor)
Alta potencia
Rápida conmutación
Sandia Lab en colaboración con Navy-NSWC
Costes PCS: entre 100$/kW hasta 1200$/kW
Bloque
Participación de
la demanda
Entornos
regulados
Entornos
liberalizados
Herramientas
■ Modelos de
carga
■ Monitorización
Simulación de la
participación
Almacenamiento de Energía
Sistemas con baterías (UPS)
El problema de las baterías es su coste, su volumen,
sus ciclos de trabajo y su vida útil
Capacidad de almacenamiento: 10-60 minutos
Utilidades (típica SAI de ordenadores):
Reducción y limitación de picos de demanda
Mejora de la calidad y fiabilidad del suministro
Últimos desarrollos: pilas Li-ion
Bloque
Participación de
la demanda
Entornos
regulados
Entornos
liberalizados
Herramientas
■ Modelos de
carga
■ Monitorización
Simulación de la
participación
Almacenamiento de energía
Ejemplo BESS (Batery Energy Storage
System)
Golden Valley (90000 hab, Fairbanks,Alaska)
Sistema prácticamente aislado
Una 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-BESS
Conseguir reserva giratoria
Control de reactiva (VAR support)
Estabilizador de potencia (oscilaciones P-f)
Compensación de arranques de grandes motores
Mantener el sistema si actúan protecciones de líneas
Bloque
Almacenamiento de energía
Características del sistema BESS (I)
Participación de
la demanda
Entornos
regulados
Entornos
liberalizados
Herramientas
■ Modelos de
carga
■ Monitorización
Simulación de la
participación
4 bloques de 3440 baterías de Ni-Cd
Conversión 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
Participación de
la demanda
Entornos
regulados
Entornos
liberalizados
Herramientas
■ Modelos de
carga
■ Monitorización
Simulación de la
participación
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 toneladas
ABB (ingeniería)
Saft (baterías)
Bloque
Participación de
la demanda
Entornos
regulados
Entornos
liberalizados
Herramientas
■ Modelos de
carga
■ Monitorización
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 1920
NaS (Sulfuro de Plomo): desde 2002
Li-ion: desde 2003 (en pruebas)
Simulación de la
participación
Sistema para oficinas (250kW-30s,)
Bloque
Almacenamiento de Energía
Ejemplo de BESS: American Electric Power (AEP)
Participación de
la demanda
Entornos
regulados
Entornos
liberalizados
Herramientas
■ Modelos de
carga
■ Monitorización
Simulación de la
participación
Funcionamiento Sistema BESS-NaS (150m2/MW). Mejora en
la respuesta dinámica.
Bloque
Almacenamiento de Energía
Ejemplo de BESS: American Electric Power (AEP)
Participación de
la demanda
Entornos
regulados
Entornos
liberalizados
Herramientas
■ Modelos de
carga
■ Monitorización
Simulación de la
participación
Sistema BESS-Li-ion (subestación 138/34,5 kV)
Menor mantenimiento sistemas tradicionales
Alimentación de sistemas de monitorización y protección de la
subestación
Ocupan un 20% del espacio de las baterías tradicionales
Evitan el coste de mantenimiento y problemas ambientales
de las baterías de plomo.
Bloque
Participación de
la demanda
Entornos
regulados
Entornos
liberalizados
Herramientas
■ Modelos de
carga
■ Monitorización
Simulación de la
participación
Almacenamiento de Energía
Sistemas de almacenamiento: Flywheels
Acopla un motor-generador con una masa giratoria
Podrían resolver >90% de las perturbaciones
Tradicional (baja velocidad): acero a “bajas” rpm
(<10000).
Fabricantes: Pillar, Canterpillar, Active Power
Bloque
Almacenamiento de Energía
Actual (alta velocidad): fibra de carbón (40k-60krpm)
Participación de
la demanda
Entornos
regulados
Entornos
liberalizados
Herramientas
■ Modelos de
carga
■ Monitorización
Simulación de la
participación
Productos comerciales: Urenco, Beacon Power
En desarrollo: Boeing, AFS
Cojinetes 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
Participación de
la demanda
Entornos
regulados
Entornos
liberalizados
Herramientas
■ Modelos de
carga
■ Monitorización
Simulación de la
participación
Almacenamiento de Energía
Sistemas de almacenamiento: Flywheels
Proporcionan energía durante 1 a 20 segundos
(mientras arranca un generador)
Ejemplos (Beacon Power): 15-25kW (6kWh) (izda)
Locomotora diésel-eléctrica (2 MW).
Bloque
Participación de
la demanda
Entornos
regulados
Entornos
liberalizados
Herramientas
■ Modelos de
carga
■ Monitorización
Simulación de la
participación
Almacenamiento de Energía
Ejemplo de Flywheels (I): Sistema Smart
Energy Matrix (Beacon Power)
10 unidades de 250kW (25kWh) en un contenedor
Peso: 18 toneladas
Consumo standby: <2%
Bloque
Participación de
la demanda
Entornos
regulados
Entornos
liberalizados
Herramientas
■ Modelos de
carga
■ Monitorización
Simulación de la
participación
Almacenamiento de energía: flywheels.
Algunos ejemplos de aplicación que se están
desarrollando
Bloque
Participación de
la demanda
Entornos
regulados
Entornos
liberalizados
Herramientas
■ Modelos de
carga
■ Monitorización
Simulación de la
participación
Almacenamiento de Energía
Sistemas de almacenamiento (IV):SMES
Se almacena energía en campo magnético
Bloque
Participación de
la demanda
Entornos
regulados
Entornos
liberalizados
Herramientas
■ Modelos de
carga
■ Monitorización
Simulación de la
participación
Almacenamiento de Energía
Fabricantes y carácterísticas
ACCEL Instruments Gmbh
(ALEMANIA)
Desarrollo para una planta en
Dortmund
Energía: 2,1 MJ
Potencia media 200kW (durante
8s)
Potencia máxima 800kW
Inductancia (4,1H), Inducción
(4,1T)
Tamaño 760x600mm
Otros fabricantes (GE, D-SMES,
3MJ)
Bloque
Participación de
la demanda
Entornos
regulados
Entornos
liberalizados
Herramientas
■ Modelos de
carga
■ Monitorización
Simulación de la
participación
Almacenamiento de Energía
Supercondensadores
Utilidad:
Apoyo en pequeñas interrupciones de servicio a las
baterías (alargan la vida útil de los UPS)
Frenado regenerativo: ferrocarriles
Ejemplo: Condensador MAXWELL
2500F
10 años de vida (500.000 ciclos)
2,5V
0,001 ohmio de R interna
8400 J (acumulación)
Bloque
Participación de
la demanda
Entornos
regulados
Entornos
liberalizados
Herramientas
■ Modelos de
carga
■ Monitorización
Simulación de la
participación
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
Participación de
la demanda
Entornos
regulados
Entornos
liberalizados
Herramientas
■ Modelos de
carga
■ Monitorización
Simulación de la
participación
Almacenamiento de Energía
Sistemas de almacenamiento: CAES
Almacenamiento de aire en acuíferos/minas
abandonadas (ej. minas de sal).
No hay muchos sitios disponibles
Bloque
Participación de
la demanda
Entornos
regulados
Entornos
liberalizados
Herramientas
■ Modelos de
carga
■ Monitorización
Simulación de la
participación
Desarrollos de CAES
Alabama (EEUU, 1991)
Mina de sal abandonada
110MW
Suministro de electricidad a 11000 viviendas durante
26 horas
Presión de 50 a 75 bar
65 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 energía
Reduce 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
Participación de
la demanda
Entornos
regulados
Entornos
liberalizados
Herramientas
■ Modelos de
carga
■ Monitorización
Simulación de la
participación
Almacenamiento de Energía
Sistemas de almacenamiento: resumen
(datos año 2000)
Bloque
Participación de
la demanda
Entornos
regulados
Entornos
liberalizados
Herramientas
■ Modelos de
carga
■ Monitorización
Simulación de la
participación
Almacenamiento de Energía
Resumen. Utilidad de cada uno de los
sistemas potencia-tiempo (datos año 2004)
Bloque
Participación de
la demanda
Entornos
regulados
Entornos
liberalizados
Herramientas
■ Modelos de
carga
■ Monitorización
Simulación de la
participación
Almacenamiento de Energía
Resumen. Utilidad de cada uno de los
sistemas peso-densidad de Energía
Bloque
Participación de
la demanda
Entornos
regulados
Entornos
liberalizados
Herramientas
■ Modelos de
carga
■ Monitorización
Simulación de la
participación
Almacenamiento de Energía
Resumen. Costes de cada uno de los sistemas
Bloque
Almacenamiento de Energía
Participación de
la demanda
Entornos
regulados
Entornos
liberalizados
Herramientas
■ Modelos de
carga
■ Monitorización
Simulación de la
participación
Almacenamiento térmico
Almacenamiento de frío
Almacenamiento de calor
Bloque
Participación de
la demanda
Entornos
regulados
Entornos
liberalizados
Herramientas
■ Modelos de
carga
■ Monitorización
Simulación de la
participación
Almacenamiento de Energía
Tecnologías de almacenamiento de frío (TES)
El hielo puede almacenar energía a través de:
Calor específico (agua o hielo):42 kJ/kg
Calor de fusión (cambio de estado): 335kJ/kg
Ventajas:
El hielo requiere menos espacio de almacenamiento
El aire de la impulsión es más frío (menores tamaños de tuberías
y ventiladores)
Proyectos piloto: Japón ECO ICE mini (TEPCO&SANYO)
Fabricante : Calmac Coorporation (Roofberg ®)
Almacenamiento de Energía
Bloque
Participación de
la demanda
¿Es eficiente? ¿Y las pérdidas del almacenamiento?
Evidentemente almacenar → pérdidas
Entornos
regulados
Ventajas:
Funcionamiento por la noche (a menor temperatura, más
eficiencia de la enfriadora)
Menor precio nocturno de la electricidad
Menores pérdidas en el sistema eléctrico
Entornos
liberalizados
Herramientas
■ Modelos de
carga
■ Monitorización
Ejemplo residencial: umbral de rentabilidad
Load Leveling
W
Simulación de la
participación
9000
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
0:00 2:45 5:30 8:15 11:00 13:45 16:30 19:15 22:00
Hour
Bloque
Participación de
la demanda
Entornos
regulados
Entornos
liberalizados
Herramientas
■ Modelos de
carga
■ Monitorización
Simulación de la
participación
Almacenamiento de Energía
Sistemas de almacenamiento de calor
Acumuladores cerámicos
Óxidos de hierro 2 y 3 (Histor 10)
Densidad: 4000 kg/m3
Peso: 70-300 kg
Ce = 0,9kJ/kg K
Nuevo: silicatos cerámicos
1340 kg/m3
1,5 kJ/kg
Bloque
Participación de
la demanda
Entornos
regulados
Entornos
liberalizados
Herramientas
■ Modelos de
carga
■ Monitorización
Simulación de la
participación
Almacenamiento de Energía
Sistemas de almacenamiento de calor (II)
Hay dos sistemas
Estático: convección natural
Forzado: convección forzada
Pesos y potencias
De 1 a 9kW
De 80kg a 200kg
Precios: a partir de 500-600€
Problema: efecto Joule ¿es eficiente?
Fabricantes
Gabarrón-ELNUR S.A.
Bloque
Suelos y techo radiantes
Participación de
la demanda
Entornos
regulados
Entornos
liberalizados
Herramientas
■ Modelos de
carga
■ Monitorización
Simulación de la
participación
La capacidad térmica de los suelos y techos hacen de
elemento almacenador (Finlandia, VTT Energy)