ALMACENAMIENTO. Asociación Empresarial Eólica Tech4CDM

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1 ALMACENAMIENTO Asociación Empresarial Eólica Tech4CDM Taller sobre Energía Eólica

2 INDICE 0. INTRODUCCIÓN AL ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA EN PARQUES EÓLICOS 1. ALMACENAMIENTO MEDIANTE BOMBEO DE AGUA PARA APLICACIONES EÓLICAS 2. ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA MEDIANTE AIRE COMPRIMIDO 3. ALMACENAMIENTO EN BATERÍAS PARA APLICACIONES EÓLICAS 4. ALMACENAMIENTO EN ENERGÍA QUÍMICA PARA APLICACIONES EÓLICAS 5. ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA MEDIANTE SUPERCONDENSADORES 6. ALMACENAMIENTO CINÉTICO EN PARQUES EÓLICOS CONECTADOS A RED 7. EL VEHÍCULO ELÉCTRICO COMO SISTEMA DE ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA 2

3 ALMACENAMIENTO 0. INTRODUCCIÓN AL ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA EN PARQUES EÓLICOS 3

4 ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA EN PARQUES EÓLICOS A medida que aumenta el número de MW, especialmente eólicos instalados, se incrementa la posibilidad de que se pueden llegar a producir cortes por exceso de producción, especialmente durante la noche (horas valle). Esto es debido a que la demanda a esas horas apenas llega a los MW, y teniendo en cuenta que la nuclear no se puede parar y que son necesarios determinados niveles de reserva secundaria y terciaria, estaríamos hablando de a MW fijos, lo que quiere decir que cuando pasemos de unos MW eólicos instalados, se producirán recortes por las noches, en periodos de mucho viento. En base a esto, los objetivos y planes de energías renovables deben empezar a hablar de energía evacuable y no de potencia instalada 4

5 SOLUCIONES PARA TEMAS DE ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA EN PARQUES EÓLICOS Las soluciones para evitar este tipo de recortes son de varios tipos (aumentar el bombeo para incrementar la demanda en horas valle o mejorar la interconexión con Francia, que se pretende incrementar la potencia, para llegar a tener unos MW): 1.Almacenamiento de Energía mediante bombeo hidráulico 2. Almacenamiento de Energía mediante Aire Comprimido (CAES) 3. Almacenamiento de Energía en Baterías 4. Almacenamiento Químico de Energía 5. Almacenamiento de Energía mediante Ultracondensadores 6. Almacenamiento Cinético de Energía (Flywheels) 7. Almacenamiento en bobinas superconductoras (SMES) 5

6 ALMACENAMIENTO: PUNTO DE PARTIDA La naturaleza indeterminada de las energías renovables hace necesaria la utilización de un sistema de planificación en la red eléctrica. Una de las soluciones que ayuden a la misma puede ser el Almacenamiento de Energía. 6

7 REQUERIMIENTOS DE UN PARQUE EÓLICO PARA NECESITAR DE UN SISTEMA DE ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA 1.- La planta eólica no cumple perfectamente con la demanda de potencia en cada momento, dada su discontinuidad. El desequilibrio entre generación y demanda produce variaciones de frecuencia en nudos de la red. Aporte de potencia activa para compensar Demanda. 2.- Reducción de arranques de grupos diesel de apoyo en generadores eólicos aislados. 3.- Compensación de potencia reactiva en la red (STATCOM). Regulación de tensión en nudos de la red 7

8 REQUERIMIENTOS EN EL ALMACENAMIENTO: EJEMPLIFICACIÓN 8

9 REQUERIMIENTOS DE UN PARQUE EÓLICO PARA NECESITAR DE UN SISTEMA DE ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA 1.- La planta eólica no cumple perfectamente con la demanda de potencia en cada momento, dada su discontinuidad. 2.- El desequilibrio entre generación y demanda produce variaciones de frecuencia en nudos de la red. Aporte de potencia activa para compensar demanda. 3.-Reducción de arranques de grupos diesel de apoyo en generadores eólicos aislados. 4. Compensación de potencia reactiva en la red (STATCOM). Regulación de tensión en nudos de la red. 9

10 1. ALMACENAMIENTO MEDIANTE BOMBEO DE AGUA PARA APLICACIONES EÓLICAS 10

11 1. ALMACENAMIENTO MEDIANTE BOMBEO DE AGUA PARA APLICACIONES EÓLICAS Se puede gestionar los excesos y demandas de potenciación un sistema basado en las típicas centrales de bombeo hidráulico. Se turbina durante el día (consumo alto) y se bombea durante la noche (consumo bajo). Como todos los sistemas que incluyen bombeo y turbinado de fluidos, tienen un bajo rendimiento 11

12 ALMACENAMIENTO MEDIANTE BOMBEO DE AGUA PARA APLICACIONES EÓLICAS: OTRAS SOLUCIONES OTRAS SOLUCIONES DE ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA BASADAS EN BOMBEO HIDRÁULICO: La isla de energía, KEMA (Netherlands) En condiciones normales, la generación eólica cubre la demanda de potencia. Cuando la potencia generada es mayor que la requerida, se utiliza dicha energía para bombear agua al exterior de la isla. Cuando la potencia generada es menor que la requerida se turbina agua hacia el interior, produciendo lo necesario para cubrir la demanda. 12

13 2. ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA MEDIANTE AIRE COMPRIMIDO 13

14 ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA MEDIANTE AIRE COMPRIMIDO 2. En momentos de baja demanda, el motor mueve unos compresores que introducen aire en la caverna (75 bar). El aire mezclado con partículas de combustible se quema en la turbina y los gases de combustión es se expanden en la turbina, moviendo el generador. Es un sistema que almacena una gran cantidad de energía. Como inconveniente, la dependencia del emplazamiento que debe ser una caverna lo suficientemente grande y con las condiciones de aislamiento necesarias. 14

15 3. ALMACENAMIENTO EN BATERÍAS PARA APLICACIONES EÓLICAS 15

16 ALMACENAMIENTO EN BATERÍAS PARA APLICACIONES EÓLICAS 3. Existen en el mundo muchas aplicaciones de almacenamiento de energía mediante baterías para la regulación de la potencia media en red. Se produce una carga durante la noche, cuando el consumo es bajo y descarga por el día en instantes en que no es suficiente el suministro por parte de los aerogeneradores. VENTAJAS: Robustez, bajo coste, tecnología conocida, fácil modularidad. INCONVENIENTES: Necesidad de mantenimiento, vida útil corta, no posibilidad de pulsos de potencia elevados y no respuesta dinámica rápida. EJEMPLO: Parque Eólico de Rokkasho (Japón). 51 MW con máquinas de 1,5MW. Capacidad de almacenamiento de energía de 34 MW, 257 MWh (17 grupos de 2MW, MWh) 16

17 ALMACENAMIENTO EN BATERÍAS PARA APLICACIONES EÓLICAS Ejemplos de ALMACENAMIENTO EN BATERÍAS PARA APLICACIONES EÓLICAS Baterías de NaS (Sodio-Azufre) Módulos de baterías: PS: 50 kw y 360 kwh PQ: 150 kw y pulsos de 30 segs en una hora más 360kWh Los módulos consisten en una matriz de células con aislamiento térmico y una carcasa con calentadores eléctricos para mantener la temperatura en torno a 300 ºC. Las células se conectan en serie y paralelo y van empaquetadas en arena. Se incluye vacío entre las paredes de la carcasa para minimizar las pérdidas de calor. 17

18 4. ALMACENAMIENTO EN ENERGÍA QUÍMICA PARA APLICACIONES EÓLICAS 18

19 ALMACENAMIENTO EN ENERGÍA QUÍMICA PARA APLICACIONES EÓLICAS 4. En una reacción química donde es factible absorber energía eléctrica en un sentido y entregarla en otro, entonces la reacción será útil para el almacenaje de la energía eléctrica. La que suscita actualmente un mayor interés tecnológico en el almacenamiento de energía eléctrica es el hidrógeno-oxígeno. Ambos constituyen la molécula de agua (H2O) y pueden obtenerse de ella mediante electrólisis (descomposición por electricidad). La posterior combinación de ambos (H2 + O2) para formar agua devuelve parte de la energía absorbida en la electrólisis previa. La ventaja del par H2-O2 sobre otros reside en que sólo es necesario almacenar el hidrógeno, ya que el oxígeno puede tomarse de la atmósfera de la que forma parte en un 20%. 19

20 5. ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA MEDIANTE SUPERCONDENSADORES 20

21 5. ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA MEDIANTE SUPERCONDENSADORES Condesador: dispositivo electrónico que almacena carga entre dos superficies conductoras separadas por una aislante. La energía se almacena dentro de ella. La energía almacenada depende de la superficie del electrodo, la constante dieléctrica del electrodo e inversamente proporcional a la separación de los electrodos. Un Supercondensador está formado por una muy elevada superficie de electrodos de carbono ( m2/cm3). Esta es la característica que les hace tener la capacidad de almacenamiento de energía. Ejemplo: En turbinas eólicas avanzadas, en las que se pretende dar una calidad de potencia de salida, se utiliza paso de pala variable. Los tres actuadores de las palas suelen llevar sistemas de seguridad para asegurar el funcionamiento seguro del sistema de paso de pala, así como una respuesta rápida ante cualquier variación en el viento. 21

22 5. ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA MEDIANTE SUPERCONDENSADORES Micro-red en Palmdale (California) Se utiliza para mantener la estabilidad de la red ante huecos de tensión (diferencia con la aplicación de baterías en la respuesta) La micro-red tiene una serie de sistemas energéticos conectados en paralelo. El sistema de almacenamiento está diseñado para proporcionar soporte de tensión, corrección de factor de potencia, mejora de armónicos en red y mitigar fenómenos transitorios. 22

23 6. ALMACENAMIENTO CINÉTICO EN PARQUES EÓLICOS CONECTADOS A RED 23

24 6. ALMACENAMIENTO CINÉTICO EN PARQUES EÓLICOS CONECTADOS A RED 24

25 ALMACENAMIENTO CINÉTICO EN PARQUES EÓLICOS CONECTADOS A RED: FLYWHEELS ALMACENAMIENTO CINÉTICO (FLYWHEELS) La aceleración y frenado del volante de inercia se realiza mediante una máquina eléctrica. Hay pocas máquinas eléctricas que sean buenas candidatas para realizar este proceso. Es necesario que tengan un rendimiento elevado y que sean robustas y susceptibles de alcanzar velocidades elevadas. -Máquinas síncronas de imanes -Máquinas de reluctancia conmutada 25

26 7. EL VEHÍCULO ELÉCTRICO COMO SISTEMA DE ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA 26

27 EL VEHÍCULO ELÉCTRICO 27

28 EL VEHÍCULO ELÉCTRICO CON SISTEMEA DE ALMACENAMIENTO: SIMULACIÓN PANORAMA 2014 A medida que aumenta el número de MW, especialmente eólicos instalados, se incrementa la posibilidad de que se pueden llegar a producir cortes por exceso de producción, especialmente durante la noche (horas valle). Esto es debido a que la demanda a esas horas apenas llega a los MW, y teniendo en cuenta que la nuclear no se puede parar y que son necesarios determinados niveles de reserva secundaria y terciaria, estaríamos hablando de a MW fijos, lo que quiere decir que cuando pasemos de unos MW eólicos instalados, se producirán recortes por las noches, en periodos de mucho viento. En base a esto, los objetivos y planes de energías renovables deben empezar a hablar de energía evacuable y no de potencia instalada. Simulación del panorama energético para el año 2014: Potencia eólica instalada: MW Demanda valle profundo: MW Demanda en horas punta: MW Generación nuclear+ reservas: MW Producción eólica: 50% potencia instalada En la siguiente gráfica se puede observar como para una producción eólica del 50 % de la potencia instalada se producirían excesos de producción entre las 3 y las 7 horas 28

29 EL VEHÍCULO ELÉCTRICO: NUMERO DE VEHÍCULOS ENCHUFABLES PANORAMA 2014 Conforme con la simulación del panorama energético para el año 2014, tendríamos: Nº de vehículos enchufables a la red: 2 Millones Demanda: Incremento de unos MW en cada una de las horas valle Para el escenario simulado, de 2 millones de coches eléctricos con una batería de 7 kwh de capacidad se podría conseguir en las horas más críticas de la noche, en cuanto a consumo de electricidad, un aumento de la demanda en la cantidad suficiente para integrar todos los excedentes eólicos producidos en hora valle

30 EL VEHÍCULO ELÉCTRICO: OTRAS SIMULACIONES Podríamos hacer otras simulaciones, y los datos nos demostrarían que el número de MW eólicos instalados seguirá aumentando, pero también la cantidad de vehículos eléctricos enchufables, lo que significa que las previsiones a futuro permitiría seguir integrando la generación eólica producida. VEHICULO ELÉCTRICO Y OPERACIÓN DEL SISTEMA 30

31 VEHICULO ELÉCTRICO Y OPERACIÓN EN EL SISTEMA ELÉCTRICO 31

32 VEHICULO ELÉCTRICO Y OPERACIÓN EN EL SISTEMA ELÉCTRICO Para la operación del sistema eléctrico, las razones para incorporar un sistema de almacenamiento y gestión de la energía hay que situarla en la importancia de incorporar nuevas demandas que permitan aplanar la curva de carga, objetivo siempre importante, pero crucial en un contexto de creciente penetración de las energías renovables en la generación de electricidad. El recurso primario renovable presenta unas ciertas dificultades de almacenamiento y una limitada gestionabilidad. OBJETIVOS PARA LA CURVA DE CARGA ALMACENAMIENTO UNIFORME DURANTE LA NOCHE ALMACENAMIENTO CONTROLADO EN FUNCIÓN DE LA DEMANDA 32

33 VEHICULO ELÉCTRICO Y OPERACIÓN EN EL SISTEMA ELÉCTRICO Teniendo en cuenta la simulación ofrecida en un escenario energético para el año 2014, si la carga se realizara mediante la utilización de sistemas inteligentes, que siguieran la evolución de la demanda general del sistema, se podría conseguir en las horas más críticas de la noche, en cuanto a consumo de electricidad, un aumento de la demanda de MW, que aplanaría aún más la curva de carga. 33

34 VEHICULO ELÉCTRICO Y OPERACIÓN EN EL SISTEMA ELÉCTRICO Adicionalmente, y en un futuro, además de aumentar la demanda en horas valle, el vehículo eléctrico también podría suministrar electricidad en horas. Este hecho aplanaría aun más la curva de carga evitando altos picos de demanda y manteniéndola constante entre ambas puntas, lo que mejoraría notablemente la operación del sistema eléctrico El sistema sería el siguiente: el vehículo se recargaría entre la 1 y las 6 cuando la demanda apenas llega a unos MW, en el trayecto al trabajo el coche consumiría parte de la energía de la batería, esta energía posteriormente puede ser recargada en los lugares de trabajo, en periodos de todavía poca demanda para, por un lado vender energía a la red entre las 10 y las 16 horas, cuando la demanda supera los MW, y por otro realizar el trayecto de vuelta a casa. También existiría incluso la opción de suministrar energía a la red entre las 20 y las 23, que es cuando se suele producir el mayor pico de demanda, en el punto de recarga eléctrica instalado en los garajes de las casas. 34

35 VEHICULO ELÉCTRICO Y SU INCIDENCIA EN EL SISTEMA ELÉCTRICO Adicionalmente es importante tener en cuenta la incidencia que pudiera tener en otros servicios del sistema, como son el control de tensión y los servicios de regulación. Por lo que respecta al primero, la existencia de varias unidades de carga y generación, con sus correspondientes inversores/rectificadores, próximas a la demanda, podría suponer una oportunidad para optimizar el control de la tensión en las redes de distribución a las que estén conectados los propios vehículos. Aunque con una incidencia menor, también se podrían aportar servicios suplementarios para la regulación de frecuencia. Por el lado de los servicios de regulación, la mayor incidencia de la eólica se da en la regulación terciaria, que sirve para reponer la secundaria utilizada y obliga a estar en funcionamiento durante tres horas, y la gestión de los desvíos, entre oferta y demanda. En la siguiente figura se puede observar la aplicabilidad que tendría en la operación del sistema, este tipo de almacenamiento en la cantidad de energía almacenada que podría ser gestionada por el operador del sistema, tanto mayor cuantos más vehículos participen en la operación del sistema 35

36 DIFERENTES TIPOS DE VEHÍCULOS ELÉCTRICOS EL COCHE ELÉCTRICO Un vehículo eléctrico es un vehículo que utiliza la energía química guardada en una o varias baterías recargable. Existen 3 tipos: Los vehículos eléctricos puros Vehículos Híbridos enchufables Vehículos Híbridos tradicionales Únicamente interesan para este estudio los vehículos eléctricos que se pueden conectar a la red., siendo: Los vehículos eléctricos puros, que utilizan motores eléctricos en vez de motores de combustión internas. Se pueden enchufar a la red cuando están aparcados, siempre que exista la infraestructura eléctrica que lo permita, y de esta manera recargar las baterías. Los híbridos eléctricos enchufables, que funcionan de forma similar a los híbridos tradicionales, pero a diferencia de éstos, tienen baterías mayores y se pueden enchufar a la red cuando están aparcados, siempre que exista la acometida, para aumentar los kilómetros que se pueden recorrer sólo con el motor eléctrico. Estos coches permiten recargar las baterías tanto con el motor de combustión interna como con un enchufe. 36

37 CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL VEHÍCULO ELÉCTRICO 37

38 LA EFICIENCIA DEL VEHÍCULO ELÉCTRICO LA ALTA EFICIENCIA ENERGÉTICA DEL COCHE ELÉCTRICO SI SE PRODUCE CON ENERGIA EÓLICA ES UNA ALICIENTE ADICIONAL. RENDIMIENTO FUENTE ENERGÉTICA TRANSMI SIÓN RENDIMIENTO MOTOR EFICIENCIA ENERGÉTICA COCHE DE GASOLINA % ELECTRICIDAD PROCEDENTE DE ENERGÍA EÓLICA ELECTRICIDAD PROCEDENTE DE CENTRAL CARBÓN % % ELECTRICIDAD PROCEDENTE DE CICLO COMBINADO % 38

39 LAS BATERÍAS DISPONIBLES Y MÁS UTILIZADAS LAS BATERIAS DE ALMACENAMIENTO La clave del uso del vehículo eléctrico como sistema de almacenamiento esta en el desarrollo de una batería recargable, viable técnica y económicamente, ya que el tipo y la capacidad de la batería condicionan aspectos tan críticos para el vehículo, como son la velocidad máxima, la distancia recorrida o el tiempo de recarga. El coste de un vehículo eléctrico o de un híbrido enchufable depende de la batería en un porcentaje determinante. Los precios de las baterías se han reducido en los últimos años, y lo harán aún más a medida que aumente la demanda y se produzcan en grandes series. Esto unido a noticias como que existen reservas de litio para fabricar un mínimo de millones de vehículos eléctricos, hacen presagiar un futuro prometedor para el coche eléctrico. 39

40 LAS BATERÍAS DISPONIBLES Y MÁS UTILIZADAS TIPO DE BATERIAS Tipo de baterías recargables Energía (Wh/kg) Energía/volume n (Wh/litro) Potencia/Pes o (W/kg) Número de ciclos Eficiencia energética % Zebra (NaNiCl) ,5 Polímero de litio > ,0 Iones de litio ,0 Níquel-Hidruro Metálico (NiMH) ,0 Níquel Cadmio (NiCd) ,5 Plomo-ácido ,5 BATERIAS DE ION-LITIO LA SOLUCIÓN OPTIMA DE ALMACENAMIENTO 40

41 LAS BATERÍAS DISPONIBLES Y MÁS UTILIZADAS Las baterías de iones de litio, también denominadas baterías Li-Ion, son un tipo de dispositivos para la generación de energía eléctrica que emplean como electrolito, una sal de litio que procura los iones necesarios para la reacción electroquímica reversible que tiene lugar entre el cátodo y el ánodo. Ventajas: Una elevada densidad de energía: Acumulan mucha mayor carga por unidad de peso y volumen. Poco peso: A igualdad de carga almacenada, son menos pesadas y ocupan menos volumen que las de tipo Ni-MH y mucho menos que las de Ni-Cd y Plomo. Gran capacidad de descarga. Algunas baterías de Li-Ión que hay en el mercado, se pueden descargar totalmente en menos de dos minutos. Descarga lineal: Durante toda la descarga, el voltaje de la batería varía poco, lo que evita la necesidad de circuitos reguladores. Esto es una ventaja, ya que hace muy fácil saber la carga que almacena la batería. Facilidad para saber la carga que almacenan. Basta con medir, en reposo, el voltaje de la batería. La energía almacenada es una función del voltaje medido. 41

42 LAS BATERÍAS DISPONIBLES Y MÁS UTILIZADAS Objetivos a corto plazo para las baterías de Ion-Litio Aumento de la densidad de energía Aumento del tiempo de vida Disminución del tiempo de carga Abaratamiento de costes Reducción de impacto medioambiental 42

43 PROPUESTA PARA DIFERENTES SISTEMAS DE CARGA DEL VEHÍCULO ELÉCTRICO Sistema de carga del coche eléctrico Se plantean dos opciones Sistema de carga eléctrico Dentro ciudad: Carga lenta o rápida Fuera de la ciudad: Carga rápida Estaciones reemplazo Fuera de la ciudad: Carga rápida Un coche eléctrico actual se puede cargar en un toma de red doméstica, con la potencia de línea de 3 a 7 Kilowatios con una duración de carga de 6 a 7 horas), mientras que un poste para poder realizar recargas rápida (de 15 a 30 minutos) necesita de alrededor de 50 Kilowatios, más de 250 amperios a 220 V 43

44 PROPUESTA PARA DIFERENTES SISTEMAS DE CARGA DEL VEHÍCULO ELÉCTRICO 44

45 PROPUESTA PARA DIFERENTES SISTEMAS DE CARGA DEL VEHÍCULO ELÉCTRICO La introducción de los vehículos eléctricos requiere nuevas normas, y nada más básico que un acuerdo que permita recargar las baterías en cualquier lugar. Se necesita llegar a un acuerdo entre las empresas automovilísticas y las eléctricas Para la recarga rápida será de 400 voltios y 63 amperios. En Europa las tomas trabajan a una tensión de 220 Voltios, mientras que en Estados Unidos es de 110 Voltios y, en Asia de 110 a 220 voltios. Es lógico esperar que pronto se pueda dictar una norma universal que permita recargar los vehículos eléctricos en cualquier lugar y enchufe, con un mero adaptador en el caso de los convencionales, y siempre que sean diferentes. El objetivo es que cualquier conductor pueda parar en una estación de servicio y recargar sus baterías sin necesidad de utilizar adaptadores extraños o llevar diferentes cables en el maletero. 45

46 PROPUESTA PARA DIFERENTES SISTEMAS DE CARGA DEL VEHÍCULO ELÉCTRICO Estaciones de reemplazo de baterías Mediante este sistema de reemplazo de baterías, se intercambia la batería vacía por una cargada en menos de dos minutos, más rápido que la recarga de carburante de un coche convencional. Además, el conductor no tiene que bajar del vehículo, dado que el proceso está automatizado. El sistema funciona con una cadena automatizada en la que una plataforma robotizada extrae la batería vacía de la parte inferior del vehículo, y una segunda instala la batería recargada. Este sistema tiene que estar preparado para trabajar con una amplia gama de baterías de diferentes tamaños y formas, que permitan una aplicación universal a un gran número de modelos de vehículos eléctricos. El proceso es muy sencillo sin necesidad de que el cliente se baje del coche. El cliente solo tiene que colocar el coche sobre una plataforma, donde bajo ella, un brazo mecanizado extrae la batería del vehículo (situada en los bajos del automóvil), colocando una batería cargada. El proceso acaba en poco más de un minuto, estando el coche listo para arrancar y circular. 46

47 LA OPCIÓN DEL VECHÍCULO ELÉCTRICO COMO SISTEMA DE ALMACENAMIENTO DE LA ENERGÍA EÓLICA CONCLUSIÓN: Tan importante como el desarrollo de las baterías, es la implantación de una red de distribución compatible con el uso del coche eléctrico. 47

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