TEMA 3: RECURSOS ENERGÉTICOS DISTRIBUIDOS (DER) Lección 6 Almacenamiento de Energía

Transcripción

1 Almacenamiento de energía TEMA 3: RECURSOS ENERGÉTICOS DISTRIBUIDOS (DER) Lección 6

2 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 Plantas verdes o centrales renovables Incentivadas políticamente La generación depende de fuerzas naturales (incontrolables)

3 Almacenamiento de energía Tradicionalmente Las 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)

4 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

5 Almacenamiento de energía Especificaciones de los sistemas Tecnologías en función de la aplicación

6 Almacenamiento de energía Los costes cambian en f(x) de la aplicación Sistemas para garantizar la calidad (20 segundos)

7 Almacenamiento de energía Y en sistemas diseñados < 8 horas

8 Almacenamiento de energía Una etapa de cambios (mercados ) 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

9 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 Apoyo a la generación distribuida

10 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)

11 Sistemas de almacenamiento eléctrico Sistema Baterías Flywheel Baterías: el más extendido Sistemas de inercia mecánica (Flywheels) SMES: Superconducting magnetic energy storage Supercondensadores CAES: Compressed Air Energy Storage Estado de desarrollo Comerciales Plomo-ácido. Nuevos desarrollos (NaS, Li, en desarrollo ) Hay sistemas comerciales. Necesaria I+D SMES Super-C CAES Sistemas en He líquido. Necesaria I + D Comerciales. + Desarrollos y prototipos Existe la tecnología. Problema: espacio y recursos económicos

12 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

13 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: 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

14 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

15 Almacenamiento de energía Características del sistema BESS (I) 4 bloques de 3440 baterías de Ni-Cd Conversión por IGCT (Integrated Gate Commuted Thyristor) Hitos de Generación ( ): 46MW (durante 5 minutos) 27MW (durante 15 minutos) 2006: 7,5 apagones /usario (1h6m sin servicio/usuario)

16 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 años) Peso 1500 toneladas ABB (ingeniería) Saft (baterías)

17 Ejemplo de BESS: American Electric Power (AEP) Compañía con 36GW de generación (la más grande de EEUU) Crecimiento de : 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) Sistema para oficinas (250kW-30s,)

18 Ejemplo de BESS: American Electric Power (AEP) Funcionamiento Sistema BESS-NaS (150m2/MW). Mejora en la respuesta dinámica.

19 Ejemplo de BESS: American Electric Power (AEP) 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.

20 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

21 Actual (alta velocidad): fibra de carbón (40k-60krpm) 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, )

22 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).

23 Ejemplo de Flywheels (I): Sistema Smart Energy Matrix (Beacon Power) 10 unidades de 250kW (25kWh) en un contenedor Peso: 18 toneladas Consumo standby: <2%

24 Almacenamiento de energía: flywheels. Algunos ejemplos de aplicación que se están desarrollando

25 Sistemas de almacenamiento (IV):SMES Se almacena energía en campo magnético

26 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)

27 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 ( ciclos) 2,5V 0,001 ohmio de R interna 8400 J (acumulación)

28 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

29 Sistemas de almacenamiento: CAES Almacenamiento de aire en acuíferos/minas abandonadas (ej. minas de sal). No hay muchos sitios disponibles

30 Desarrollos de CAES Alabama (EEUU, 1991) Mina de sal abandonada 110MW Suministro de electricidad a 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: m 3 Futuro: Norton Energy Storage (EEUU) 10M m 3, potencia máxima 480MW a 2,5GW

31 Sistemas de almacenamiento: resumen (datos año 2000)

32 Resumen. Utilidad de cada uno de los sistemas potencia-tiempo (datos año 2004)

33 Resumen. Utilidad de cada uno de los sistemas peso-densidad de Energía

34 Resumen. Costes de cada uno de los sistemas

35 Almacenamiento térmico Almacenamiento de frío Almacenamiento de calor

36 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 )

37 W 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 electricidad Menores pérdidas en el sistema eléctrico Ejemplo residencial: umbral de rentabilidad Load Leveling 0:00 2:45 5:30 8:15 11:00 13:45 16:30 19:15 22:00 Hour

38 Sistemas de almacenamiento de calor Acumuladores cerámicos Óxidos de hierro 2 y 3 (Histor 10) Densidad: 4000 kg/m3 Peso: kg Ce = 0,9kJ/kg K Nuevo: silicatos cerámicos 1340 kg/m3 1,5 kj/kg

39 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 Problema: efecto Joule es eficiente? Fabricantes Gabarrón-ELNUR S.A.

40 Suelos y techo radiantes La capacidad térmica de los suelos y techos hacen de elemento almacenador (Finlandia, VTT Energy)