Análisis e Integración de Recursos Energéticos Distribuidos · Alta potencia Rápida conmutación Sandia Lab en colaboración con Navy-NSWC Costes PCS: entre 100$/kW hasta 1200$/kW

Universidad Politécnica de CartagenaDepartamento de Ingeniería Eléctrica

Programa de doctorado de “Tecnologías Industriales”. Subprograma de “Neurotecnología, Control, Robótica y Gestión

Energética”

Cartagena, 2011

Análisis e Integración de Recursos Energéticos Distribuidos

Bloque Almacenamiento de energía

Lección 5Almacenamiento de Energía


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)


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)

Bloque 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


Especificaciones de los sistemas

Tecnologías en función de la aplicación


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


Y en sistemas diseñados < 8 horas


Una etapa de cambios (mercados liberalizados) es una oportunidad, por ejemplo, para el almacenamiento de energía (fuente: Sandia National Lab, EEUU)

Operación del sistema (p.e. estabilidad): flexibilidadPuntas de demanda, mantenimiento: expansión Calidad de servicio y fiabilidad


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

Bloque

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)

Bloque 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


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


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


Ejemplo BESS (Batery Energy Storage System)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


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)


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)

Bloque Almacenamiento en subestaciones

Ejemplo: subestación en Phoenix (Arizona)12,5 MVA20 operaciones año300$/kVA


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,)


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


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.


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


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,…)


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).


Ejemplo de Flywheels (I): Sistema Smart Energy Matrix (Beacon Power)

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

Bloque Almacenamiento de energía: flywheels.

Algunos ejemplos de aplicación que se están desarrollando


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


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)


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)


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


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

Bloque 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


Sistemas de almacenamiento: resumen (datos año 2000)


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


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


Resumen. Costes de cada uno de los sistemas


Almacenamiento térmicoAlmacenamiento de fríoAlmacenamiento de calor


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 ®)


¿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


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


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.

Bloque

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

Bloque

Ejemplo:Eficiencia Energética en el Transporte Terrestre a través del almacenamiento de energía.

Previos (ver lección 4, Eficiencia Energética):Escasa utilización de medios eficientes para el transporte de mercancías a media distancia (ferrocarril)Importancia del sector en el consumo energético

Bloque Ejemplo de dispositivo de almacenamiento

Almacenamiento de Energía en Sistemas de Transporte (FFCC)

Reducir el consumo de combustibles fósiles y emisiones.Hacer más atractivo el transporte (viajeros, mercancías) por FFCC.

05000

1000015000200002500030000

Petróleo Gas

Electricidad Bio

Consumo de energía (ktep)

CarreteraFFCCMarAire

Bloque

Motor diesel de 1900CVVelocidad máxima de 119,7km/hMáximo esfuerzo de frenado a 35km/h

2.2. Trayecto sometido a estudio

Albacete-Cartagena, tren 00224

Cartagena-Albacete, tren 00227

Variación de la altitud para un itinerario típico Albacete-Cartagena

050

100150200250300350400450500550600650700750800850

0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250Dis tancia (km)

Descripción de la locomotora

Bloque2.3. Funcionamiento de la locomotora

900rpmVelocidad máxima

315rpmVelocidad de ralentí

230,9x245mmDiámetro y carrera

AntihorarioSentido de rotación

16:1Relación de compresión

45º VDisposición de cilindros

16Número de cilindros

2 tiemposPrincipio de funcionamiento

16-645 EModelo

SERIE 319MOTOR DIESEL

1300 VTensión máxima

8100 AIntensidad máxima

continua

AR11Modelo

SERIE 319GENERADOR PRINCIPAL

Bloque Aplicaciones existentes en ferrocarriles

•Prototipo francés: proyecto Plathée•Grupo electrógeno (236kW)•Volante de inercia•Pila de combustible de Helio•Baterías Ni-Cd (4 toneladas)•Supercondensadores (2 toneladas, 1600 unidades)

•Versión japonesa: New Energy (NE) Train

•Motor térmico (331kW)•Generador eléctrico (270kW)•Motores eléctricos de tracción (95kW, 2 unidades)•Baterías ion-litio de alta densidad

•Proyecto americano: ALPS (sistema de propulsiónde locomoción avanzado)

•Turbina de gas avanzada (4000CV)•Volante de inercia (2MW, 480MJ a 15.000rpm)•Alternador de alta velocidad (3MW)

Bloque Fuerzas internas

Curvas de frenadoCurvas de tracción

Bloque Cálculo de aceleraciones y velocidades

Bloque Necesidades de potencia. Mejora de la eficiencia energética

Variación de la altitud para un itinerario típico Albacete-Cartagena

050

100150200250300350400450500550600650700750800850

0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250Dis tancia (km)

Bloque Mejora de la eficiencia energética

RendimientosLocomotora diesel: el motor diesel suministra la potencia necesaria al generador y éste a los motores de tracción, que son, en última instancia, los que mueven la locomotora. Pero cada uno de estos dispositivos tiene un rendimiento asociado.Locomotora híbrida: el único rendimiento que hay que tener en cuenta es el de los elementos de almacenamiento.

100%Supercondensadores

75-85%BateríasCon almacenamiento

33-36%Sin almacenamiento: grupo “motor diesel-

generador”

Rendimiento

BloqueDispositivos de almacenamiento

Baterías

Supercondensadores

19000,03280,6607,2KL 1500P

10000,0011,419,3KL 18P

4000,02863,3268,212 TLG 250

2500,01121169,26 TLG 160

1250,0822885956,22 CMT 4500

750,0077133,22 CMT 100

Precio ($/kWh)

Volumen (m3)Masa (kg)Emáx

(Wh/kg)

TLG

32,90100,000,4750,555,52BCAP30

00

47,0595,000,3730,405,06BCAP20

00

45,7770,000,3250,324,75BCAP15

00

49,3860,000,2940,304,05BCAP12

00

66,0843,500,2210,203,29BCAP06

50

Precio ($/kWh)

Precio unid. ($)

Volumen (m3)

Masa (kg)

Emáx(Wh/kg)

Bloque Resultados Serie 333

3.5910,16398,225KL 1500 P

1.8900,32455,79323KL 18 P

3.1501,313090,044712 TLG 250

1.9690,831551,42746 TLG 160

9840,17604,4122 CMT 4500

5910,54656,91942 CMT 100

Precio (€)Vol. total (m3)Masa total (kg)Nº de unid.Modelo

Energía a almacenar: 8,9 MJ = 2,5kWh (aprox.)

> 4.310SI4.310203.591KL 1500 P

> 2.520SI2.520151.890KL 18 P

10.500NO10.50063.15012 TLG 250

13.125NO13.12531.9696 TLG 160

> 6.563SI6.56339842 CMT 4500

> 11.813SI11.81315912 CMT 100

Precio final (€)MantenimientoPrecio total

(€)Vida útil (años)Precio (€)Modelo


Bloque Resultados Serie 333

Supercondensadores

57.5840,39452,908233000

76.2600,46494,0712352000

79.7860,53526,3216451500

85.5560,60617,2820581200

104.1220,80759,8837990650

Precio total (€)Vol. total (m3)Masa total (kg)Nº de unid.Modelo BCAP


Evaluación de resultadosEspacio total disponible: 6,03 m3 > 1,31 m3 (12 TLG 250)Máximo incremento de masa: +1,25% que no influye

Bloque Ahorro económico en relación al ahorro de combustible

Trayecto Albacete-Cartagena

€239€14,4452405. klkm

lsemanaskmsemanaviajesAnualCombGasto =××××=

Supercondensadores: 39.000 € de ahorro anual

Baterías: 29.300 € de ahorro anual

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