Acumulación de Energía

Transcripción

1 Acumulación de Energía 1. Introducción: Los sistemas de suministro de energía eléctrica tienen por objeto ajustarse a la demanda de la red en tiempo real y manteniendo los parámetros básicos (tensión y frecuencia) dentro de las tolerancias establecidas para ese servicio. Para que ello no sea solamente una expresión de deseos, la adaptación de la oferta a la demanda variable constituye una de las problemáticas más arduas para los despachos de carga, ya que salvo casos excepcionales, las redes no poseen capacidad de acumulación como para hacer frente a variaciones de la demanda en el muy corto plazo. Por otra parte, dado el diseño de los equipos de generación, resultaría antieconómico ajustar la oferta regulando la potencia entregada de los mismos, toda vez que alejados los equipos de su punto de funcionamiento (potencia nominal), los rendimientos en general caen notablemente haciendo que el costo de la unidad de energía aumente en forma considerable. Este caso se muestra en el gráfico siguiente, en el cual la oferta tiene una posibilidad de crecimiento discreta en función de los módulos de generación a potencia nominal que incorpora al servicio, frente a una variación continua de la demanda para un período determinado: E OFERTA EXCEDENTE DEMANDA SUMINISTRO (OFERTA) DEMANDA INSATISFECHA t Hasta hace relativamente poco tiempo para hacer frente a demandas crecientes si no se disponía de centrales hidráulicas con suficiente agua en el embalse como para entrar turbinas en servicio inmediatamente, había que recurrir a los generadores movidos por turbinas de gas, a menos que se contara con sistemas de almacenamiento de energía mediante centrales de bombeo. 2. Centrales de bombeo: Estas centrales de bombeo consisten básicamente en dos receptáculos a distinta altura y donde se puede usar energía sobrante de la red para bombear agua mediante un motor eléctrico, del depósito inferior al superior, y en los momentos en que falta energía, Capítulo 21 1

2 usar esa agua para mover una turbina y accionar un generador eléctrico, con el cual se devuelve parte de la energía almacenada a la red, de acuerdo al siguiente esquema: Esquema de una Central de Bombeo ENERGÍA A LA RED ENERGÍA DE LA RED G M Indudablemente, para potencias significativas, es decir 100 MW o más, las cantidades de agua puestas en juego hacen impensable fabricar esos depósitos, por lo que su aplicación queda restringida a la disponibilidad de accidentes geográficos adecuados, y entonces solamente se ubican los equipos electromecánicos y las tuberías y válvulas correspondientes. Los inconvenientes de este tipo de solución son de distinta naturaleza, a saber: Por ser lugares geográficamente aptos, generalmente requieren electroductos desde los centros de generación y consumo, con el consiguiente costo de instalación y operacional. Siendo de por sí costo de la instalación hidráulica muy elevado por HW instalado (800 a 1000 U$S/KW), en este caso y según el esquema, el costo se duplica porque se duplica equipo hidráulico, equipo eléctrico y cañerías, con lo cual su costo de amortización es el doble. Al plantearse una doble transformación de energía con dos conversores en cada caso, el rendimiento total tiende a ser bajo, es decir, el índice de recuperación de la energía que se trata de almacenar no es alto (en el mejor de los casos, 75%). Si bien el primero de los inconvenientes no es subsanable, es decir, que siempre se depende de posibilidades geográficas, se pueden ensayar algunas soluciones técnicas a efectos de disminuir los costos de instalación. Esto se puede lograr empleando máquinas eléctricas reversibles (motor-generador), e inclusive, máquinas hidráulicas reversibles (turbina bomba). Capítulo 21 2

3 De esta forma se puede reducir a la mitad el equipo necesario, tal como se indica en el siguiente esquema: Central de Bombeo con máquinas reversibles ENERGÍA DE LA RED ENERGÍA A LA RED M/G T/B En este caso, si bien se logra el cometido en cuanto a la no duplicación de equipos, el inconveniente que se plantea es en cuanto al rendimiento de la instalación, dado que las máquinas eléctricas reversibles tienen menor rendimiento que las comunes, y de igual forma ocurre con las máquinas hidráulicas. Con lo cual se logra bajar el costo de instalación pero a costa del rendimiento general, es decir, que recupera menor proporción de la energía tomada de la red para almacenarla. En resumidas cuentas, los sistemas de almacenamiento por central de bombeo tienen limitaciones de tamaño (del orden de los 850 MW), de rendimiento (hasta 75%), de costo (más de 1000 U$S/KW) y de ubicación. 3. Centrales de bombeo en Argentina: Se han instalado centrales de bombeo en las provincias de Córdoba y Mendoza (Cerro Pelado y Río Diamante respectivamente). Algunos detalles de la central de Cerro Pelado son los siguientes: Potencia instalada de 750 MW distribuida en 4 grupos turbina-bomba de 187,5 MW / 210 MVA cada uno. Las turbinas son tipo Francis, Reversibles de 250 r.p.m. La tensión de generación de 16,5 kv adaptada al Sistema Interconectado Nacional de 500 kv mediante dos transformadores trifásicos de 440 MVA. El Complejo cuenta con 2 embalses, el superior denominado Cerro Pelado y el inferior, Arroyo Corto. El desnivel entre ambos es de 185 m. Capítulo 21 3

4 4. Centrales de aire comprimido: A partir de la tecnología desarrollada por las proveedoras norteamericanas de gas natural en cuanto a los sistemas de aseguramiento de la calidad del servicio, se desarrolló un sistema de almacenamiento de energía en base a aire comprimido. Estas empresas habían desarrollado una tecnología especial adaptando para reservorios pozos petroleros agotados o explotaciones mineras subterráneas abandonadas a efectos de ahorrar la construcción de tanques en gran escala como hubiese requerido el servicio. El sistema desarrollado en base a esa técnica se denomina C.A.E.S. (Compressed Air Energy Suply), cuyo esquema funcional es el siguiente: Reductor 1 bar 35 C Compresor axial 49 MW 110 MW 871 C Compresores centrífugos Motor/Generador 154,4 Kg/seg 369 C C.C C C.C. 1 Post enfriadores Recuperador chimenea 85 Kg/seg 74 bar 43 C m³ Capítulo 21 4

5 En este caso el reservorio es de tipo de volumen constante, a diferencia de otros casos (a presión constante (en los casos en los que hay conexión subterránea con napas de agua. El aire se comprime en forma escalonada, con enfriamientos intermedios, con lo cual se consigue un buen rendimiento en la etapa de almacenamiento de energía en los períodos en los que la red tiene excedente de energía. Cuando es requerida ésta nuevamente, se utiliza el aire comprimido para alimentar turbinas de gas, también con un ciclo recuperativo de buen rendimiento termodinámico, con combustión y post combustión, y recuperación de calor de los gases de salida. A primera vista, por más que en los expansores se efectúe un ciclo recuperativo, el rendimiento total de las turbinas de gas normales no permitirían alcanzar el rendimiento total que ostentan este tipo de instalaciones, a partir de 75%- Pero en realidad, en la etapa de generación, es decir, de transformación de la energía acumulada, la totalidad de la energía generada por las turbinas de gas es utilizada para accionamiento del generador eléctrico, es decir que no se deriva energía para accionamiento de compresores, y que constituyen justamente el factor limitante* del rendimiento de las turbinas de gas. Este esquema, con los parámetros consignados, corresponde a la primera instalación de este tipo efectuada en el estado de Alabama, U.S.A, y cuyos datos funcionales son los siguientes: Potencia: 110MW Ubicación: Mac Intosh Alabama (U.S.A.) Capacidad máxima: 26 horas Relación: 1,7 hora de compresión por hora de generación Rendimiento: 75-76,1 % Costo: 500 U$S/KW (1988) 4. Conclusiones: Los sistemas de almacenamiento de energía son necesarios no solamente para facilitar la operación de despacho de cargas en las redes de suministro eléctrico, sino que colaboran para la mejora del rendimiento global del proceso de generación al mantener los equipos en su potencia nominal. Hasta tanto no se dearrolle el almacenamiento de energía en base a Hidrógeno, las dos anteriores serán las opciones disponibles. Los factores de decisión por cualquiera de ellas tendrán no solamente en cuenta las disponibilidades, los costos de instalación y operativos y los rendimientos, sino también las consideraciones ambientales y de manejo de recursos. Capítulo 21 5