Almacenamiento de energía Bloque Participación de la demanda … · 2019-01-25 · Alta potencia Rápida conmutación Sandia Lab en colaboración con Navy-NSWC Costes PCS: entre

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Participación de la demanda

Simulación de la participación

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■ Modelos de carga■ Monitorización

Entornos liberalizados

Almacenamiento de energía

TEMA 3: RECURSOS ENERGÉTICOS DISTRIBUIDOS (DER)

Lección 6Almacenamiento de Energía

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IntroducciónExisten tres clases de centrales según su capacidad y controlabilidad

Plantas de base: grandes nucleares y de carbónMuy eficientesLarga 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 políticamenteLa generación depende de “fuerzas naturales” (incontrolables)

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TradicionalmenteLas 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)

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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

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Especificaciones de los sistemas

Tecnologías en función de la aplicación

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Los costes cambian en f(x) de la aplicaciónSistemas para garantizar la calidad (20 segundos)

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Y en sistemas diseñados < 8 horas

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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): flexibilidadPuntas de demanda, mantenimiento: expansión Calidad de servicio y fiabilidad

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Beneficios del almacenamiento en cada nivel del SEE

GeneraciónDisminuye la reserva giratoriaControl de frecuenciaApoyo a las renovablesDiferir inversiones en generación

Transporte y distribuciónDiferir inversiones en líneas y transformadoresEstabilidadRegulación de tensión

Consumidor (end-use)Calidad y fiabilidad del servicioReducción del pico de cargaApoyo a la generación distribuida

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Tipos de almacenamientoMuy clásicos: baterías y centrales hidroeléctricas de bombeoClásicos: almacenamiento térmico (frio/calor)Modernos: almacenamiento eléctrico

Ejemplo: beneficios estimados en California (1/8 EEUU)

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Almacenamiento de Energía

Sistemas de almacenamiento “eléctrico”Baterías: el más extendidoSistemas de inercia mecánica (Flywheels)SMES: Superconducting magnetic energy storageSupercondensadoresCAES: Compressed Air Energy Storage

Existe la tecnología. Problema: espacio y recursos económicos

CAES

Comerciales. + Desarrollos y prototipos Super-C

Sistemas en He líquido. Necesaria I + D SMES

Hay sistemas comerciales. Necesaria I+DFlywheel

Comerciales Plomo-ácido. Nuevos desarrollos (NaS, Li, en desarrollo…)

Baterías

Estado de desarrolloSistema

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Problema: electrónica de potencia (PowerConversion Systems, PCS)

Los sistemas suelen almacenar en DC y necesitan una interconexión ACSupone más del 25% del coste del sistemaSu 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 SEENuevos dispositivos ETO

ETO (Emitter Turn-Off Thyristor)Alta potenciaRápida conmutaciónSandia Lab en colaboración con Navy-NSWC

Costes PCS: entre 100$/kW hasta 1200$/kW

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Sistemas con baterías (UPS)El problema de las baterías es su coste, su volumen, sus ciclos de trabajo y su vida útilCapacidad de almacenamiento: 10-60 minutosUtilidades (típica SAI de ordenadores):

Reducción y limitación de picos de demandaMejora de la calidad y fiabilidad del suministro

Últimos desarrollos: pilas Li-ion

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Ejemplo BESS (Batery Energy StorageSystem)Golden Valley (90000 hab, Fairbanks,Alaska)

Sistema prácticamente aisladoUna 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-BESSConseguir reserva giratoriaControl de reactiva (VAR support)Estabilizador de potencia (oscilaciones P-f)Compensación de arranques de grandes motoresMantener el sistema si actúan protecciones de líneas

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Características del sistema BESS (I)4 bloques de 3440 baterías de Ni-CdConversión 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)

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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 toneladasABB (ingeniería)Saft (baterías)

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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 1920NaS (Sulfuro de Plomo): desde 2002Li-ion: desde 2003 (en pruebas)

Sistema para oficinas (250kW-30s,)

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

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Ejemplo de BESS: American Electric Power (AEP)Sistema BESS-Li-ion (subestación 138/34,5 kV)

Menor mantenimiento sistemas tradicionalesAlimentación de sistemas de monitorización y protección de la subestación

Ocupan un 20% del espacio de las baterías tradicionalesEvitan el coste de mantenimiento y problemas ambientales de las baterías de plomo.

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Sistemas de almacenamiento: FlywheelsAcopla un motor-generador con una masa giratoriaPodrían resolver >90% de las perturbacionesTradicional (baja velocidad): acero a “bajas” rpm (<10000).

Fabricantes: Pillar, Canterpillar, Active Power

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Actual (alta velocidad): fibra de carbón (40k-60krpm)Productos comerciales: Urenco, Beacon PowerEn desarrollo: Boeing, AFSCojinetes magnéticos para reducir fricción

Ventajas: menor mantenimiento, larga vida, alta densidad de potencia, mayor eficiencia (que una batería)

Utilizados en metros (Londres, París, Tokio,…)

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Sistemas de almacenamiento: FlywheelsProporcionan energía durante 1 a 20 segundos (mientras arranca un generador)Ejemplos (Beacon Power): 15-25kW (6kWh) (izda)Locomotora diésel-eléctrica (2 MW).

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Ejemplo de Flywheels (I): Sistema SmartEnergy Matrix (Beacon Power)

10 unidades de 250kW (25kWh) en un contenedor Peso: 18 toneladasConsumo standby: <2%

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Almacenamiento de energía: flywheels.

Algunos ejemplos de aplicación que se están desarrollando

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Sistemas de almacenamiento (IV):SMESSe almacena energía en campo magnético

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Fabricantes y carácterísticasACCEL Instruments Gmbh(ALEMANIA)

Desarrollo para una planta en Dortmund

Energía: 2,1 MJPotencia media 200kW (durante 8s)Potencia máxima 800kWInductancia (4,1H), Inducción (4,1T)Tamaño 760x600mm

Otros fabricantes (GE, D-SMES, 3MJ)

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SupercondensadoresUtilidad:

Apoyo en pequeñas interrupciones de servicio a las baterías (alargan la vida útil de los UPS)Frenado regenerativo: ferrocarriles

Ejemplo: Condensador MAXWELL2500F 10 años de vida (500.000 ciclos)2,5V 0,001 ohmio de R interna8400 J (acumulación)

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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

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

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Desarrollos de CAES

Alabama (EEUU, 1991)Mina de sal abandonada110MW Suministro de electricidad a 11000 viviendas durante 26 horasPresión de 50 a 75 bar65 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 energíaReduce 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

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Sistemas de almacenamiento: resumen (datos año 2000)

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

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

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Resumen. Costes de cada uno de los sistemas

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Almacenamiento térmicoAlmacenamiento de fríoAlmacenamiento de calor

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Tecnologías de almacenamiento de frío (TES)El hielo puede almacenar energía a través de:

Calor específico (agua o hielo):42 kJ/kgCalor de fusión (cambio de estado): 335kJ/kg

Ventajas:El hielo requiere menos espacio de almacenamientoEl aire de la impulsión es más frío (menores tamaños de tuberíasy ventiladores)

Proyectos piloto: Japón ECO ICE mini (TEPCO&SANYO)Fabricante : Calmac Coorporation (Roofberg ®)

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¿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 electricidadMenores pérdidas en el sistema eléctrico

Ejemplo residencial: umbral de rentabilidadLoad Leveling

0100020003000400050006000700080009000

0:00 2:45 5:30 8:15 11:00 13:45 16:30 19:15 22:00

Hour

W

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Sistemas de almacenamiento de calorAcumuladores cerámicos

Óxidos de hierro 2 y 3 (Histor 10)Densidad: 4000 kg/m3Peso: 70-300 kgCe = 0,9kJ/kg KNuevo: silicatos cerámicos

1340 kg/m31,5 kJ/kg

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Sistemas de almacenamiento de calor (II)Hay dos sistemas

Estático: convección naturalForzado: convección forzada

Pesos y potenciasDe 1 a 9kWDe 80kg a 200kg

Precios: a partir de 500-600€Problema: efecto Joule ¿es eficiente?Fabricantes

Gabarrón-ELNUR S.A.

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

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