Almacenamiento y nuevos materiales en las energías...

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Almacenamiento y nuevos materiales en las energías renovables

Guía práctica - número 8

Edición: Junio 2011Remar, Red de Energía y medio ambientewww.redremar.com

Edita:Contenido: TECNALIA Research and InnovationDiseño: Red Remar

Más GuíAs prácticAs...1. Gestión de residuos

2. Bioplásticos

3. Impactos ambientales

4. Suelos contaminados

5. Ecoeficiencia industrial

6. Movilidad sostenible

7. Bioenergía

8. Energías renovables

9. Gestión sosteniblewww.

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Remar, Red de Energía y Medio Ambiente

presentación

Junto a los objetivos sociales, los objetivos medioambientales y energéticos serán determi-nantes en el desarrollo de la economía del futu-ro. El cambio climático, el final de una economía basada en el petróleo, la escasez de recursos, el impacto sobre la biodiversidad…. son los nuevos criterios de análisis que debe utilizar cada res-ponsable, ya sea público o privado, en su toma de decisiones a medio y largo plazo.

En todas las regiones europeas, los responsables socio-económicos buscan soluciones más limpias y eficientes para dar respuesta de forma más sos-tenible, a sus clientes y a la sociedad en general, frente a los retos mencionados.

En respuesta a esta demanda de soluciones, los responsables económicos de cada región ejercen su capacidad de innovación y desarrollan solucio-nes más sostenibles, ya sea en el ámbito tecnoló-gico u organizativo.

Con la participación de 9 socios de las regiones de Navarra, Euskadi, La Rioja y Aquitania, el pro-yecto REMAR tenía como objetivo contribuir tanto a informar a los agentes de interés, y en gene-ral a la sociedad, como a identificar soluciones y promover cooperaciones transregionales para de-sarrollar soluciones innovadoras en 9 temáticas relacionadas con la energía y el medio ambiente.

Este documento es resultado del trabajo de los socios de REMAR en una de esas 9 temáticas. Su objetivo es ofrecer una perspectiva completa de la temática e ilustrar las posibles soluciones con ejemplos prácticos extraídos de las diferentes re-giones.

Os deseo una lectura provechosa, Benoit de Guillebon,

Director de APESAJefe de fila del proyecto REMAR


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contenido

1. INTRODuCCIóN .................................................................................................... 2

1.1 TIPOS DE ENERGíAS ........................................................................................ 3

2. ALMACENAMIENTO ...............................................................................................21

2.1 ALMACENAMIENTO MECáNICO .........................................................................27

2.2 ALMACENAMIENTO TéRMICO ............................................................................37

2.3 ALMACENAMIENTO QuíMICO ..........................................................................39

2.4 OTROS SISTEMAS ...........................................................................................52

3. MATERIALES ........................................................................................................59

3.1 MATERIALES DE CAMBIO DE FASE (PCM) ...........................................................60

3.2 NANOMATERIALES ..........................................................................................62

4. NECESIDADES DE I+D+I .......................................................................................64

5. EJEMPLOS PRáCTICOS ..........................................................................................71

6. BIBLIOGRAFíA .....................................................................................................95

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1. introducción

La energía se define como la capacidad para producir trabajo. Todas las actividades que desarro-llamos en nuestra vida diaria están relacionadas con la energía. Al ingerir alimentos o tomar un refresco cargamos nuestro cuerpo con energía que será luego utilizada en una actividad física o intelectual, la energía que almacenamos se va transformando en trabajo en mayor o menor grado. Al utilizar un medio de transporte se está empleando la energía interna del combustible para gene-rar el movimiento. La electricidad es también otra forma de energía que utilizamos para iluminar, mover un motor o para producir calor en una plancha o en un tanque de agua caliente. Las plantas son igualmente pequeños mecanismos que transforman la energía del sol en alimentos que les sirven para crecer.

El mundo no podría existir sin energía. Desde sus inicios los seres humanos han buscado los me-dios para aprovechar la energía para su propio beneficio. El descubrimiento del fuego permitió disponer de calor y trabajar los metales para fabricar herramientas y armas. En la fuerza del viento y del agua facilitó el procesamiento de los alimentos y granos en los molinos, en la era industrial la invención de la máquina de vapor dio la posibilidad de producir grandes fuerzas para distintas actividades. La introducción de los motores de combustión interna que utilizan como combustibles derivados del petróleo supuso disfrutar de un alto grado de confort. Cada vez se van descubriendo nuevas formas de aplicar la energía de forma más eficiente, aprovechando al máximo la capacidad energética de la materia. El consumo de energía en los últimos 100 -150 años, a nivel mundial, ha crecido enormemente, se ha pasado del transporte a caballo y barcos de vela o vapor a vehículos que alcanzan altas velocidades.

La energía utilizada en cada momento es siempre la más disponible, entendiendo como tal, la más accesible en función de los recursos existentes y de su rentabilidad económica. Sin energía el mundo quedaría paralizado, siendo indispensable fomentar el desarrollo humano y el crecimiento económico mediante un suministro de energía seguro, fiable, limpio y sostenible.

Pero la obtención de esta energía utilizada genera siempre un impacto: la Contaminación y el Agotamiento de los recursos. La única solución a estos problemas pasa por un uso eficiente de la energía, el ahorro y la utilización de recursos no agotables.

Por este motivo, la preocupación porque la energía se encuentre siempre disponible en el momento, lugar y cantidad en que se necesite, junto a esta disponibilidad y uso se realicen de la forma más eficiente posible, ha provocado una atención especial a los dos dominios tratados en la presente guía:

• El almacenamiento de la energía que posibilite su uso diferido y en lugares distintos a donde se produce.

• Los nuevos materiales que optimicen los distintos procesos asociados al ciclo de vida de la energía, desde su producción hasta su consumo, incluso su posible recuperación y repetición del ciclo.

La irrupción, desarrollo e importante despliegue de las tecnologías de aprovechamiento de las fuen-tes de Energías Renovables (bioenergía, hidráulica, solar, eólica, marina y geotérmica básicamente) ha destacado aún más la relevancia de estos dos ámbitos.

El perfil inconstante de producción y su dependencia del territorio en que se ubican las fuentes de energía renovable hacen especialmente necesaria la incorporación de recursos de almacenamiento que permitan solventar esta desincronización.


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Por otra parte, el alto interés en aumentar rápidamente el rendimiento y eficiencia del aprovecha-miento de EERR, principalmente con el objetivo de acercarlos a los niveles de los combustibles fósiles, está intensificando el apoyo al estudio de los elementos que afectan en la optimización del uso de EERR. Entre estos elementos destacan los materiales empleados, tanto los utilizados en los componentes activos para la captación, transporte y transformación de la energía como en los elementos constructivos de los sistemas de aprovechamiento de EERR. En este segundo criterio, la aplicación de materiales idóneos en entornos agresivos (eólica off-shore o marina, por ejemplo) es especialmente relevante.

En consecuencia, la presente guía tiene por objeto presentar estos dos dominios, Almacenamiento y Materiales, desde la perspectiva de su relevancia y aplicación en el campo de las EERR.

Para ello, el documento inicialmente identifica y describe de forma somera las distintas tipologías de EERR consideradas para pasar a desarrollar las características y aplicabilidad de las distintas opciones existentes tanto en Almacenamiento como en nuevos Materiales tomando como principal criterio su aplicabilidad a los sistemas de aprovechamiento de EERR.

1.1 tipos de Energías

La energía en función de la fuente utilizada para su producción se puede clasificar en dos grupos:

• Energías No renovables: las obtenidas a partir de combustibles fósiles (petróleo, gas natu-ral, carbón) y energía nuclear, materiales todos ellos agotables y que actualmente cuentan con una disponibilidad más o menos elevada. Se denominan como no renovables porque cuando se extraen estos combustibles de la tierra no se vuelven a reponer y su disponibi-lidad es cada vez menor.

• Energías Renovables: hidroeléctrica, eólica, solar (térmica y fotovoltaica), geotérmica y biomasa (incluye la genera-da a partir de residuos), obtenidas todas ellas de fuentes no agotables y su disponibilidad no disminuye con el tiem-po. Además incluye otras energías, menos desarrolladas, como son las de las olas, mareas, etc.

La Directiva 2009/28/CE sobre fomento del uso de fuentes renovables define a la Energía Proce-dente de Fuentes Renovables como “Energías procedentes de fuentes no fósiles, es decir, energía eólica, solar, aerotérmica, geotérmica, hidrotérmica y oceánica, hidráulica, biomasa, gases de ver-tedero, gases de plantas de depuración y biogás”.

1.1.1 Energías No renovables

petróleo

El petróleo procede de la materia orgánica existente en el mar hace cientos de miles de millones de años. Se encuentra en el subsuelo a profundidades variables que pueden llegar hasta los 12.262 m. del pozo Kola Borehole en el norte de Rusia. En cuanto a su disponibilidad, existen algunas pre-visiones actuales que indican que para el año 2050 estará agotado. En la actualidad es la fuente

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de energía más utilizada y además, a partir de este recurso se obtienen numerosos productos de alto interés industrial como plásticos, disolventes, fibras, materias primas para la industria petro-química, etc.

Gas natural

El gas natural se extrae de las mismas áreas que el petróleo y tiene el mismo origen. Se suele hallar en la parte superior de las bolsas petrolíferas y su principal uso es como combustible, aunque tam-bién es utilizado como materia prima en la industria petroquímica. En cuanto a su disponibilidad, algunas previsiones fijan su agotamiento con el ritmo de uso y de crecimiento de uso actuales para el año 2150.

carbón

El origen del carbón es la materia vegetal procedente de las plantas que quedaron enterradas hace unos 300 millones de años, es fácil de obtener y al ritmo de utilización actual existen previsiones que fijan su agotamiento hacia el 2300. Su utilización principal es como combustible, aunque tam-bién es utilizado en otros procesos industriales como materia prima. De todos los combustibles es el que provoca mayores problemas ambientales.

uranio

Se encuentra como mineral de forma natural, aunque para ser utilizado como combustible nuclear es necesario concentrarlo (enriquecerlo). Actualmente no existen previsiones fiables sobre su agotamiento.

1.1.2 Energías renovables

Energía Hidroeléctrica

Es la energía producida en saltos de agua, ríos y embalses. Se obtiene mediante la caída de agua desde una altura superior (energía potencial) hasta un nivel inferior provocando el movimiento de ruedas hidráulicas o turbinas que transforman la energía mecánica en energía eléctrica mediante un generador. Su aportación es relativamente importante en España.

Es un recurso natural disponible en las zonas que presenten suficiente cantidad de agua, y para su desarrollo es necesario construir pantanos, presas, canales de derivación, etc., que pueden tener un impacto sobre el entorno. En la Figura 1 se muestra un esquema del funcionamiento de una central hidroeléctrica.

Las dos características que definen una central hidroeléctrica son la potencia y el tiempo de funcionamiento a lo largo del año. La potencia depende del desnivel de caída del agua y del caudal de agua utilizable, además de las características de los equipos implicados en la transfor-mación de energías.

El aprovechamiento de la energía hidráulica ya se basa en gran medida en el principio de almace-namiento. El agua se retiene y se almacena en embalses y presas acumulando energía potencia. Cuando esta agua acumulada se libera haciéndola fluir de forma controlada, esta energía potencial se convierte en energía cinética asociada al movimiento del agua que, a su paso por las turbinas, es convertida en energía eléctrica.

Figura 1. Esquema de funcionamiento de una central hidroeléctrica. Fuente: http://es.wikipedia.org


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Al hablar de la energía hidráulica no sólo hemos de considerar las grandes presas. Desde el punto de vista de las Energías Renovables y de su presencia en el mix energético bajo premisas de Generación Distribuida, cabe destacar las instalacio-nes Minihidráulicas o Minicentrales Hidráulicas dentro del segmento global de la Energía Hidráulica.

Se consideran como Minicentrales Hi-dráulicas aquellas con una potencia in-ferior a los 10 MW. La siguiente tabla muestra una clasificación más detallada.

Pequeñas Centrales Hidroeléctricas Hasta 10 MW

Mini Centrales Hidroeléctricas Hasta 2 MW

Micro Centrales Hidroeléctricas Hasta 0,5 MW

Pico Centrales Hidroeléctricas Hasta 50 kW

tabla 1. Clasificación de Centrales Hidroeléctricas según su potencia.

Estas estaciones de generación tienen un fundamento operativo idéntico al de las grandes centra-les hidroeléctricas. Su presencia en España es muy relevante dada la extensa capilaridad fluvial del territorio. Sin embargo, en la ac-tualidad su desarrollo se encuentra muy controlado dado que su insta-lación en cauces de tamaño medio-pequeño suele ocasionar impactos medioambientales considerables. Como muestra de su despliegue ac-tual, la figura adjunta muestra las instalaciones de carácter hidráulico implantadas en el País Vasco

Este tipo de instalaciones es espe-cialmente relevante con respecto al almacenamiento por bombeo hi-dráulico, que se verá más adelante, cuando es posible considerar em-balses de acumulación en los dos niveles de la minicentral. Su dimen-sión pequeña-media suele resultar

Figura 2. Instalaciones hidroeléctricas en el País Vasco. Fuente: EVE

de energía más utilizada y además, a partir de este recurso se obtienen numerosos productos de alto interés industrial como plásticos, disolventes, fibras, materias primas para la industria petro-química, etc.

Gas natural

El gas natural se extrae de las mismas áreas que el petróleo y tiene el mismo origen. Se suele hallar en la parte superior de las bolsas petrolíferas y su principal uso es como combustible, aunque tam-bién es utilizado como materia prima en la industria petroquímica. En cuanto a su disponibilidad, algunas previsiones fijan su agotamiento con el ritmo de uso y de crecimiento de uso actuales para el año 2150.

carbón

El origen del carbón es la materia vegetal procedente de las plantas que quedaron enterradas hace unos 300 millones de años, es fácil de obtener y al ritmo de utilización actual existen previsiones que fijan su agotamiento hacia el 2300. Su utilización principal es como combustible, aunque tam-bién es utilizado en otros procesos industriales como materia prima. De todos los combustibles es el que provoca mayores problemas ambientales.

uranio

Se encuentra como mineral de forma natural, aunque para ser utilizado como combustible nuclear es necesario concentrarlo (enriquecerlo). Actualmente no existen previsiones fiables sobre su agotamiento.

1.1.2 Energías renovables

Energía Hidroeléctrica

Es la energía producida en saltos de agua, ríos y embalses. Se obtiene mediante la caída de agua desde una altura superior (energía potencial) hasta un nivel inferior provocando el movimiento de ruedas hidráulicas o turbinas que transforman la energía mecánica en energía eléctrica mediante un generador. Su aportación es relativamente importante en España.

Es un recurso natural disponible en las zonas que presenten suficiente cantidad de agua, y para su desarrollo es necesario construir pantanos, presas, canales de derivación, etc., que pueden tener un impacto sobre el entorno. En la Figura 1 se muestra un esquema del funcionamiento de una central hidroeléctrica.

Las dos características que definen una central hidroeléctrica son la potencia y el tiempo de funcionamiento a lo largo del año. La potencia depende del desnivel de caída del agua y del caudal de agua utilizable, además de las características de los equipos implicados en la transfor-mación de energías.

El aprovechamiento de la energía hidráulica ya se basa en gran medida en el principio de almace-namiento. El agua se retiene y se almacena en embalses y presas acumulando energía potencia. Cuando esta agua acumulada se libera haciéndola fluir de forma controlada, esta energía potencial se convierte en energía cinética asociada al movimiento del agua que, a su paso por las turbinas, es convertida en energía eléctrica.

Figura 1. Esquema de funcionamiento de una central hidroeléctrica. Fuente: http://es.wikipedia.org

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además adecuada para incorporar fuentes de energía renovable complementaria (eólica media y solar principalmente) que colaboren en el proceso de bombeo.

Energía Eólica

Esta energía corresponde a la contenida en el viento que es aprovechada a través de los aerogene-radores que transforman esta energía cinética del viento en energía mecánica que a su vez es transformada en electricidad. La energía eólica ha sido utilizada desde la antigüedad para mover barcos impulsados por velas o hacer funcionar la maquinaria de los molinos al mover sus aspas.

La energía del viento es utilizada mediante el uso de máquinas eó-licas que transforman la energía eólica en energía mecánica de ro-tación utilizable para producir ener-gía eléctrica. Se utiliza sobre todo para mover aerogeneradores,en los que la energía eólica mueve una hélice y mediante un sistema mecánico se hace girar el rotor de un generador, normalmente un alternador que produce energía eléctrica., el sistema de conversión comprende, además del generador eléctrico, los sistemas de control y de conexión a la red.

La ley de Betz demuestra que por medio de un aerogenerador puede convertirse en energía me-cánica, como máximo, el 59 % (16/27) de la energía cinética del viento. Junto a este rendimiento hay que considerar los rendimientos del sistema mecánico, del generador y del convertidor, sobre los que se manejan magnitudes entre el 80% y el 95%. Esto da lugar a rendimientos globales entre el 30-40% lo que motiva a identificar y desarrollar sistemas complementarios (como puede ser el de almacenamiento) destinados a optimizar el aprovechamiento de la energía eólica existente.

La energía eólica es un recurso abundante que puede contribuir a disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) al reemplazar a los combustibles fósiles utilizados en la producción de energía eléctrica.

En función de la potencia de la instalación suele distinguirse entre eólica de pequeña, media y gran potencia tal y como refleja la siguiente figura.

Figura 3. Parque Eólico de Picu el Gallo en Tineo (Asturias). Fuente www.esacademic.com.


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Figura 4. Clasificación de los Sistemas Eólicos según su potencia Fuente: CIEMAT, ponencia Jornada GENERA 2011, Asociación Eólica Empresarial.

La gran eólica suele operar conectada a la red eléctrica principal por lo que se encuentra sujeta a fuertes controles sobre la calidad de la energía que entrega a la red. Dada la variabilidad de esta fuente energética ocurre en ocasiones que los aerogeneradores deben ser desconectados de la red para protegerla con la gran pérdida de energía que esto puede suponer. Los sistemas de almace-namiento eléctrico de gran capacidad pueden colaborar uniformizando la energía que el sistema eléctrico entrega a red, colocándose entre ésta y aquél, absorbiendo el excedente de energía eólica y reteniéndolo sin entregarlo a red para hacerlo cuando la producción sea menor.

Con respecto a los materiales, la eólica off-shore en mar está requiriendo diseños de nuevos ma-teriales con los que construir y recubrir las infraestructuras eólicas marinas capaces de soporta las condiciones de operación en mar, mucho más agresivas que las existentes en tierra.

La eólica de media y baja potencia suelen estar destinadas tanto a su conexión a red como a alimentar instalaciones aisladas de ésta. Suelen formar parte de configuraciones de generación distribuida junto con otros tipos de fuentes renovables en las que los recursos de almacenamiento son también clave para proteger la red en configuraciones conectadas, como para asegurar la con-tinuidad del suministro frente a la inestabilidad de las fuentes renovables.

Energía Minieólicaun segmento a considerar dentro de la tecnología eólica es el de los pequeños aerogeneradores por su facilidad de penetración a pequeñas escala, doméstica y de barrio, su dualidad en configuracio-nes conectadas y aisladas de red y su capacidad de coordinarse con las tecnologías de otras fuentes renovables conformando configuraciones de generación distribuida.

Se entiende por miniaerogeneradores aquellos sistemas aerogeneradores con un área de barrido igual o menor de 200 m2, generando a una tensión por debajo de 1000 V c.a. o 1500 V c.c., según

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la norma uNE-EN 61400-2:2007 Aerogeneradores. Parte 2: Requisitos de diseño para pequeños aerogeneradores, o con una potencia nominal inferior a 100 kW.

Sin embargo, aunque en la actualidad ceñida tecnológica y operativamente a perfiles de viento si-milares a la gran y media eólica, la relevancia de este segmento de la minieólica, no proviene tanto de los citados valores que la delimitan sino de:

• Su aplicabilidad en la provisión eléctrica de cargas aisladas situadas alejadas de la red principal de distribución.

• Su idoneidad en configuraciones de microgeneración distribuida, generalmente en coo-peración con otras fuentes de energía renovable, caracterizada por la cercanía entre la generación y el consumo, lo que reporta unas importantes ventajas:

- Producción descentralizada

- Minimización de pérdidas de transporte y distribución

- Desahogo de las redes de distribución al no producir sobrecargas

- Evita la proliferación de grandes centrales

• Aunque aún en fase incipiente, y en algunos casos de investigación, su esperado com-portamiento ante condiciones singulares de viento (inestable, ráfagas, de baja velocidad, etc.) muy distinto al de la gran eólica, en especial en base a nuevos diseños de álabes que permiten el funcionamiento para cualquier dirección de viento o a bajas velocidades del mismo.

Sin embargo, el desarrollo de la tecnología minieólica no ha experimentado el mismo desarrollo que el de su hermana mayor. Entre las posibles razones, pueden considerarse:

• El desarrollo ha sido abordado principalmente por un insuficiente número de fabricantes, generalmente PYMES, sin los recursos adecuados de investigación, diseño, fabricación y verificación.

• La presencia de la tecnología fotovoltaica en su mismo segmento de aplicación, más ma-dura y promocionada hasta el momento que la energía minieólica.

• La falta de un marco promocional, tanto económico como social, específico de esta tecno-logía.

• La indefinición y dispersión de su mercado destino, íntimamente relacionado con las carac-terísticas equivalentes de sus potenciales segmentos de aplicación más probables (entorno residencial, instalaciones aisladas o desatendidas.

Otro aspecto a considerar es la progresiva integración de estos sistemas en el entorno urbano gracias a diseños de rotor innovadores, generalmente de eje vertical, que permiten instalaciones en espacios más reducidos y con condiciones de viento menos estables o de baja velocidad. Sin embargo, las restricciones de los códigos de edificación, configuraciones urbanas masificadas de edificios de muchas alturas o problemas de exceso de ruido de los miniaerogeneradores, están ralentizado su despliegue.

Aún así, aunque considerada como una tecnología incipiente, empieza a ser observada con interés por su potencialidad en determinadas condiciones:

ogenerador urbano WINDFOREST. Fuente: TECNALIA


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la norma uNE-EN 61400-2:2007 Aerogeneradores. Parte 2: Requisitos de diseño para pequeños aerogeneradores, o con una potencia nominal inferior a 100 kW.

Sin embargo, aunque en la actualidad ceñida tecnológica y operativamente a perfiles de viento si-milares a la gran y media eólica, la relevancia de este segmento de la minieólica, no proviene tanto de los citados valores que la delimitan sino de:

• Su aplicabilidad en la provisión eléctrica de cargas aisladas situadas alejadas de la red principal de distribución.

• Su idoneidad en configuraciones de microgeneración distribuida, generalmente en coo-peración con otras fuentes de energía renovable, caracterizada por la cercanía entre la generación y el consumo, lo que reporta unas importantes ventajas:

- Producción descentralizada

- Minimización de pérdidas de transporte y distribución

- Desahogo de las redes de distribución al no producir sobrecargas

- Evita la proliferación de grandes centrales

• Aunque aún en fase incipiente, y en algunos casos de investigación, su esperado com-portamiento ante condiciones singulares de viento (inestable, ráfagas, de baja velocidad, etc.) muy distinto al de la gran eólica, en especial en base a nuevos diseños de álabes que permiten el funcionamiento para cualquier dirección de viento o a bajas velocidades del mismo.

Sin embargo, el desarrollo de la tecnología minieólica no ha experimentado el mismo desarrollo que el de su hermana mayor. Entre las posibles razones, pueden considerarse:

• El desarrollo ha sido abordado principalmente por un insuficiente número de fabricantes, generalmente PYMES, sin los recursos adecuados de investigación, diseño, fabricación y verificación.

• La presencia de la tecnología fotovoltaica en su mismo segmento de aplicación, más ma-dura y promocionada hasta el momento que la energía minieólica.

• La falta de un marco promocional, tanto económico como social, específico de esta tecno-logía.

• La indefinición y dispersión de su mercado destino, íntimamente relacionado con las carac-terísticas equivalentes de sus potenciales segmentos de aplicación más probables (entorno residencial, instalaciones aisladas o desatendidas.

Otro aspecto a considerar es la progresiva integración de estos sistemas en el entorno urbano gracias a diseños de rotor innovadores, generalmente de eje vertical, que permiten instalaciones en espacios más reducidos y con condiciones de viento menos estables o de baja velocidad. Sin embargo, las restricciones de los códigos de edificación, configuraciones urbanas masificadas de edificios de muchas alturas o problemas de exceso de ruido de los miniaerogeneradores, están ralentizado su despliegue.

Aún así, aunque considerada como una tecnología incipiente, empieza a ser observada con interés por su potencialidad en determinadas condiciones:

ogenerador urbano WINDFOREST. Fuente: TECNALIA

• Complementa el gran potencial de viento estable y potente de los es-pacios abiertos de la gran eólica, que por otra parte empieza a agotar sus emplazamientos, con el poten-cial de vientos más inestables y dis-continuos de las zonas más agres-tes y montañosas.

• Genera energía en los puntos cer-canos de consumo, lo que minimi-za las pérdidas de transporte o las necesidades de almacenamiento in-termedio.

• Participante futuro, potencialmente factible, de configuraciones de ge-neración distribuida.

• Altamente adecuado para el sumi-nistro de energía en lugares aisla-dos y alejados de la red principal de distribución. Las exitosas experien-cias de Estados unidos (promoción de la instalación minieólica en gran-jas dispersas) o Mongolia (financia-ción por el gobierno chino de mi-niaeroegeneradores para poblados nómadas) son un claro ejemplo de ello.

• No demanda excesivos requisitos, ni constructivos, ni técnicos ni económicos para sus instalación.

La actividad en esta tecnología se centra principalmente en tres líneas de desarrollo:

• Disminución de los costes asociados a la fabricación, que actualmente son del orden de 3 a 5 veces superiores a los de los aerogeneradores de media y gran potencia por cada kW instalado.

• Mejora de la eficiencia y fiabilidad, en especial en aquellos mini-aerogeneradores desti-nados a operar en entornos eólicos de baja velocidad, turbulentos o con predomino del ráfagas.

• Mejora de las condiciones de operación, especialmente en entornos habitados, donde las restricciones en cuanto a vibración, ruido o integración en los edificios son realmente exi-gentes.

Por ello, los aspectos de almacenamiento y materiales presentan una relevancia especial en el pro-ceso de penetración de esta tecnología, el almacenamiento mitigando principalmente la importante intermitencia de la generación de energía de estos dispositivos y los materiales resolviendo un buen número de los problemas que aún presenta esta tecnología (vibraciones, ruido, rendimiento mecánico, etc.).

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Energía solar

La energia solar es la energía producida por la irradiación solar. La energía solar incluye 2 tipos diferentes de aprovechamiento energético que son la Energía termo-solar (Ets) que transforma la energía del sol en calor utilizable, y la Energía Fotovoltaica (FV) que transforma la energía del sol en electricidad mediante células de silicio o fotovoltaicas por el efecto fotoeléctrico mediante el cual al incidir la luz solar sobre un metal los fotones liberan electrones y se genera una corriente eléctrica.

El sol no emite su energía de forma homogénea sobre las distintas zonas del planeta. utilizando una aproximación de trazo grueso, la radiación varía en función de su latitud, alcanzando el máximo en el ecuador y decreciendo hacia los polos (aunque esta aproximación se ve sujeta a fenómenos meteorológicos locales).

El siguiente mapa presenta la distribución europea de irradiación solar medida sobre un plano con inclinación óptima.

Figura 5. Šúri M., Huld T.A., Dunlop E.D. Ossenbrink H.A., 2007. Potencial de generación de energía solar eléctrica en los esta-dos miembros y países candidatos de la Unión Europea.

Si afinamos la escala óptica con el fin de aproximarnos al detalle de la radiación que nos ocupa, pasamos por un mapa que muestra la radiación solar de la Península Ibérica, en el que se muestra la siguiente distribución de potenciales solares.


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Figura 6. Datos de radiación. España, irradiación solar, ASIF. http://www.asif.org/files/Irradiacion_Espanya_sup_horizntal.pdf

La cantidad de fotones liberados es función de la frecuencia de los fotones que inciden más que de la intensidad del sol. Sólo fotones de ciertas frecuencias tienen la cantidad de energía requerida para liberar los electrones. Existen básicamente 3 tipos de celdas solares dependiendo del proceso de fabricación: monocristalino, policristali-no y de película delgada o de silicio amorfo (thin film).

Dentro de la Energía Termosolar se han desarrollado diversas tec-nologías que permiten el aprovechamiento de la energía térmica del sol, transformándola en energía eléctrica. Dentro de este grupo, la tecnología más desarrollada es la de concentración.

Energía Solar Térmica de Concentración (ESTC): los sistemas de energía solar térmica de concentración producen calor o electricidad mediante el uso de cientos de espejos que concentran en un punto los rayos del sol a unas temperaturas que oscilan entre 400 y 1.000º C. Existe una gran variedad de formas de espejos, métodos de se-guimiento solar y de generar energía útil, pero todos ellos funcionan bajo el mismo principio. una central de energía solar térmica de con-centración viene a tener una potencia entre 50 y 280 MW, aunque la tendencia actual es la de incrementar su potencia.

Figura 7. Panel Solar Monocristalino. Fuente: http://www.sitiosolar.com

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Estas centrales solares pueden funcionar de forma ininterrumpida las 24 horas del día si disponen de un sistema integrado de almacenamiento de la energía generada durante los picos de producción, o cuen-tan con sistemas de operación híbridos con otros combustibles fósiles o biomasa de apoyo, ofreciendo una potencia estable y a demanda de la red de distribución. Dan servicio a cargas punta y base, y la elec-tricidad generada se inyecta generalmente a la red eléctrica, es una tecnología via-ble, a gran escala, desde el punto de vis-ta técnico y comercial. Pueden reemplazar a las grandes centrales térmicas basadas en combustibles fósiles. Como tecnologías relevantes dentro de este grupo cabe des-tacar los concentradores parabólicos com-puestos, los hornos solares y los simulado-res solares de alto flujo.

Las centrales ESTC necesitan inversiones iniciales elevadas, pero los costes de fun-cionamiento son mucho menores que los de las centrales térmicas clásicas, y para su implantación son lugares adecuados los que tienen muchas horas de sol directo, al menos 2.000 kWh de radia-ción solar por m2 y año, siendo las más idóneas las que reciben sobre los 2.800 kWh/m2 año y están situadas en regiones sin mucha humedad, polvo o humo.

El almacenamiento y los materiales constituyen dominios de gran actividad dentro del segmento de la energía solar tanto en la fotovoltaica (nuevas generaciones de células fotovoltaicas, recubrimien-tos ópticos más eficaces en la captura y direccionamiento de la luz, integración de células fotovol-taicas en otros materiales como los de construcción, etc.) como en la térmica (nuevos materiales captadores y almacenadores de calor con diversos gradientes, tratamientos superficiales para los circuitos de fluidos a alta temperatura, etc.)

Biomasa

La biomasa ha sido la fuente de ener-gía más importante desde la antigüedad hasta la revolución industrial. La biomasa incluye todas las sustancias orgánicas re-novables de origen tanto animal como ve-getal. La energía de la biomasa proviene de la energía interna que almacenan los seres vivos. En primer lugar, los vegetales al realizar la fotosíntesis, utilizan la ener-gía del sol para formar sustancias y mate-

Figura 8. Imagen de una Central Eléctrica Solar de Concentración. Fuente IEA SolarPACES

Figura 9. Ejemplos de biomasas. Fuente:http://www.buzonverde.com


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riales orgánicos. Después, los animales incorporan y transforman esa energía al alimentarse de las plantas. Los productos de dicha transformación, que se consideran residuos, pueden ser utilizados como recurso energético.

El diccionario de la Real Academia Española, define la biomasa como: materia total de los seres que viven en un lugar determinado, expresada en peso por unidad de área o de volumen. La Di-rectiva 2003/30/CE, Fomento del uso de los Biocarburantes u otros combustibles renovables en el transporte, la define como: “La fracción biodegradable de los productos, desechos y residuos procedentes de la agricultura (incluidas las sustancias de origen vegetal y de origen animal), de la silvicultura y de las industrias conexas, así como la fracción biodegradable de los residuos indus-triales y municipales”.

La principal clasificación de la biomasa se obtiene a partir de su origen como subproducto o no, de la actividad humana. La biomasa así entendida se puede clasificar en tres grandes grupos según su origen:

• Biomasa natural: la que se genera en ecosistemas sin intervención humana (bosques, matorrales, etc.).

• Biomasa cultivada: cultivos energéticos, plantaciones arbóreas, …

• Biomasa residual: la que se obtiene como resultado de actividades agrícolas, ganaderas y forestales, así como de las industrias agroalimentarias y transformación de la madera. En este grupo también se incluyen los efluentes ganaderos, aguas residuales y lodos de depuradora.

De forma somera, los orígenes principales de la Biomasa susceptible de aprovechamiento son los siguientes.

• residuos forestales. Son residuos generados en los bosques y se pueden clasificar en Residuos de tratamientos silvícolas (obtenidos en las operaciones de mantenimiento y limpieza del bosque y del monte, así como de la explotación de industria maderera en los propios bosques) y Residuos de corta de pies maderables: generados en la limpieza fores-tal (poda), constituyen cerca de la tercera parte del árbol. Sólo tienen aplicación energética en la actualidad.

• residuos de la industria de la madera. Hacen referencia a los residuos que se originan en la industria de transformación de la madera y papelera. Los principales sectores gene-radores de residuos son los siguientes:

- Aserraderos o industrias de primera transformación de la madera: sus principales re-siduos son serrines, recortes, astillas y cortezas.

- Fabricación de productos elaborados de la madera: sus residuos más comunes son los serrines, recortes, polvo de lijado, etc. Son utilizados como materias primas o como combustible en las propias instalaciones.

- Fabricación de productos de corcho: la fabricación de tapones es el subsector que más residuos genera. Dichos residuos se reutilizan para aglomerados, forros y aislantes. El principal desecho es el polvo de corcho.

- Fabricación de pasta de papel: los principales desechos de la industria papelera son cortezas, serrines y lejías negras o aguas del proceso de producción.

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• residuos agrícolas. Se generan como restos de cosechas. Se dividen en los siguientes tipos:

- Podas de cultivos leñosos, de carácter estacional: se obtienen de viñedos, olivos y árboles frutales.

- Residuos de cultivos herbáceos, de carácter estacional: incluyen las partes no aprove-chables de los cultivos como pajas de todo tipo de cereales, además de los residuos de cultivos para la industria como algodón, tabaco, remolacha, etc.

• cultivos Energéticos. Son los cultivos que se llevan a cabo con el único objetivo de su valorización energética. No son cultivos específicos, por lo que se puede aumentar la variedad de las especies, mejorando el ecosistema agrario. Deberán cumplir ciertas con-diciones, diferenciadas de las de los cultivos alimentarios, entre las que se pueden señalar las dos siguientes:

- Deben ofrecer un balance energético positivo, es decir, un alto rendimiento en biomasa cosechable, con un mínimo gasto energético en su obtención.

- Debe aprovecharse toda la biomasa recolectable, no sólo semillas, frutos o tubérculos.

Los cultivos energéticos se pueden clasificar en:

- Tradicionales: los que el hombre viene utilizando desde hace tiempo para alimentación y obtención de materias primas de interés industrial (la caña de azúcar, trigo, ceba-da, maíz, sorgo dulce, remolacha, mandioca, patata, pataca, boniato y batata, nabo, aguacate, girasol, arroz, etc.).

- Cultivos poco frecuentes. Se trata, en general, de especies silvestres no aptas para fines alimentarios o industriales, como pueden ser el cardo (combustible sólido), la pataca (combustible sólido), las chumberas (fermentación alcohólica) y helechos (para digestión anaerobia).

- Cultivos acuáticos: algas. Entre las especies explotadas en “granjas marinas” se en-cuentran Macrocystis, Nerocystis y Alaria que se utilizan una vez secas. También exis-ten cultivos de algas unicelulares, de los géneros Chlorella, Scenedesmus y Spirulina, utilizadas para alimentación (50% de la materia seca es proteína, resto para enegía).

- Cultivos para biocombustibles líquidos. Existen dos grupos de biocarburantes comer-ciales. El primero es el bioetanol y su derivado el Etil Terc-Butil Eter (ETBE), que se emplean como sustitutivo o aditivo de la gasolina. El segundo grupo lo componen los ésteres metílicos de aceites vegetales (colza, soja, girasol…) como sustitutivos del gasóleo (biodiesel). Se obtienen por reacción del aceite con metanol, en presencia de un catalizador.

• Excedentes agrícolas. A medida que se tecnifica la agricultura, resultan excesos de producción en algunos cultivos. Entre las formas de aprovechamiento están la combustión directa y la obtención de biocombustibles líquidos.

• residuos ganaderos. Pueden ser de dos tipos principales:

- Sólidos o estiércol: están formados por mezcla de deyecciones y camas de ganado. Las ganaderías bovinas y ovinas son las principales generadoras de estiércol aunque se es-


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tán empezando a considerar también la porcina y, en menor medida, la avícola, espe-cialmente los pollos, aunque resultan problemáticos por la gallinácea, las plumas, etc.

- Líquidos o purín: incluyen deyecciones y aguas de lavado, son típicos de las explotacio-nes porcinas y, en menor medida, de las de vacuno y granjas avícolas.

Al ser residuos con alto contenido en humedad, no se pueden utilizar técnicas comunes de combustión y se deberán aplicar otros tratamientos como la digestión anaerobia y el compostaje (estiércol).

• residuos de industrias agroalimentarias. Las aguas residuales procedentes de las in-dustrias agroalimentarias presentan elevados índices de materia orgánica biodegradable, por lo que son aptas para ser tratadas mediante procesos biológicos. Además, este tipo de industrias generan residuos, tanto animales como vegetales. Las actividades que generan este tipo de residuos son fundamentalmente:

- Industrias procesadoras de pescado (industria conservera, elaboración de harinas de pescado…).

- Industrias cárnicas y mataderos.

- Industrias azucareras, procesadoras de vegetales (pulpas de remolacha, alpechines, melazas, etc.).

- Conserveras vegetales, industria de procesado (cáscara de arroz, almendras, nueces, etc.), almazaras e industria aceitera.

- Industrias lácteas.

• residuos sólidos urbanos (rsu). Son los residuos generados en las poblaciones y sus zonas de influencia. Para definir el mejor sistema para su tratamiento es indispensable conocer su composición. Sus principales componentes son: residuos vegetales y restos de alimentos, restos de podas de parques y jardines, papel y cartón, madera, textiles y cuero, lodos de depuradora, inertes como vidrio, metales, plásticos, tierra, residuos de construc-ción de pequeñas obras, etc.

Se considera biomasa a la fracción orgánica biodegradable que forma parte de los Residuos Sólidos urbanos (Residuos Municipales).

Su gestión se realiza de diferentes maneras: reciclado, compostaje, digestión anaerobia, incineración, gasificación, pirólisis y vertido controlado. Por varios motivos, son una fuente de biomasa residual aprovechable:

- Cuenta con un servicio de recogida organizado y, en la mayoría de los casos, selectivo.

- Es imprescindible recogerlos y tratarlos, por lo que es muy importante su valorización por el coste que supone su tratamiento y eliminación.

- Además de biomasa contienen materiales reciclables.

- Su producción aumenta anualmente.

El poder calorífico superior del RSU medio puede variar entre 6.300 y 9.000 kJ/kg. El ren-dimiento eléctrico obtenido en plantas avanzadas de incineración es de un 48%, mientras que las plantas convencionales tienen un rendimiento del 20%.

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• Aguas residuales urbanas y lodos de depuradora. Se denominan Aguas Residuales urbanas (ARu) a los líquidos procedentes de la actividad humana constituidos en su mayor parte por agua. Contienen materia inorgánica, como sales, arenas… y orgánica. Su fracción sólida representa una apreciable cantidad de biomasa residual.

En la depuración de esta agua se obtienen unos lodos orgánicos, que pueden ser tratados por biometanización y/o compostaje. La cantidad de lodo generada es del orden del 1% de agua tratada. Una vez desecados, los lodos también pueden incinerarse, gasificarse, piroli-zarse, o utilizarse directamente en suelos agrícolas si presentan la composición adecuada.

La Biomasa puede ser utilizada directamente como combustible o ser transformada en combusti-bles sólidos (carbón vegetal), en combustibles líquidos (alcohol, biodiesel, etc.), y gaseosos como el biogás y el syngas. De su combustión se puede obtener calor o energía eléctrica, y la cantidad de CO2 liberada durante este proceso es la misma cantidad que consumió durante su crecimiento, por lo que el ciclo del CO2 es neutro y mientras que la cantidad de biomasa utilizada como recurso energético sea menor o igual que la producida, se puede considerar la biomasa como un recurso renovable.

Los biocarburantes son los combustibles para transporte obtenidos a partir de la biomasa, el bio-diesel y el bioetanol, que igualmente forman parte de este grupo de energías renovables y cuentan con objetivos concretos en todas las políticas establecidas para las energías renovables.

Por tanto, desde el punto de vista de almacenamiento energético y para el caso de la Biomasa, serán relevantes los mecanismos capaces de almacenar principalmente energía eléctrica y energía térmica.

Adicionalmente, se está trabajando en el desarrollo de materiales, generalmente en el ámbito de los catalizadores, que permitan y mejoren los procesos de conversión de la biomasa y los residuos tanto en la propia energía como en productos intermedios con mejores características de aprove-chamiento energético

Energía Geotérmica

La energía geotérmica es toda energía que puede obtenerse mediante el aprovecha-miento del calor interior de la tierra, es la energía interna y cinética asociada al vapor de agua que sale directamente a la superfi-cie en zonas volcánicas y al incremento de temperatura que se produce conforme se profundiza en la superficie terrestre (gra-diente geotérmico).

Los disitintos tipos de yacimientos geotér-micos se pueden clasificar según la tempe-ratura del agua: Figura 10. Ejemplo de Instalación de Aprovechamiento de la Energía

Geotérmica. Fuente: http://www.esustentable.com


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• Energía geotérmica de alta temperatura. La energía geotérmica de alta temperatura existe en las zonas activas de la corteza. Esta temperatura está comprendida entre 150 y 400 °C, se produce vapor en la superficie y mediante una turbina genera electricidad. Se requieren varias condiciones para que se dé la posibilidad de existencia de un campo geotérmico: una capa superior compuesta por una cobertura de rocas impermeables; un acuífero, o depósito, de permeabilidad elevada, entre 0,3 y 2 km de profundidad; suelo fracturado que permite una circulación de fluidos por convección, y por lo tanto la trasfe-rencia de calor de la fuente a la superficie, y una fuente de calor magmático, entre 3 y 15 km de profundidad, a 500-600 °C. La explotación de un campo de estas características se hace por medio de perforaciones según técnicas casi idénticas a las de la extracción del petróleo.

• Energía geotérmica de temperaturas medias. La energía geotérmica de temperaturas medias es aquella en la que los fluidos de los acuíferos están a temperaturas menos eleva-das, normalmente entre 70 y 150 °C. Por consiguiente, la conversión vapor-electricidad se realiza con un rendimiento menor, y debe explotarse por medio de un fluido volátil. Estas fuentes permiten explotar pequeñas centrales eléctricas, pero el mejor aprovechamiento puede hacerse mediante sistemas urbanos de reparto de calor para su uso en calefacción y en refrigeración (mediante máquinas de absorción).

• Energía geotérmica de baja temperatura. La energía geotérmica de temperaturas ba-jas es aprovechable en zonas más amplias que las anteriores; por ejemplo, en todas las cuencas sedimentarias. Es debida al gradiente geotérmico. Los fluidos están a temperatu-ras de 50 a 70 °C.

• Energía geotérmica de muy baja temperatura. La energía geotérmica de muy baja temperatura se considera cuando los fluidos se calientan a temperaturas comprendidas entre 20 y 50 °C. Esta energía se utiliza para necesidades domésticas, urbanas o agrícolas.

Las fronteras entre los diferentes tipos de energías geotérmicas son arbitrarias; si se trata de pro-ducir electricidad con un rendimiento aceptable la temperatura mínima está entre 120 y 180 °C, mientras que las fuentes de temperatura más bajas son muy apropiadas para ayudar a los sistemas de calefacción urbana.

Salvo la energía geotérmica de alta temperatura, y en menor medida la de media, cuya aplicabi-lidad se centra principalmente en su transformación a energía eléctrica, el principal uso suele ser como energía térmica para climatización tanto a nivel de distrito (temperatura media y baja) como doméstico (muy baja temperatura).

Dada la estabilidad térmica en general de este tipo de fuente y a que la captación se realiza prácti-camente en los mismos puntos de uso, aparte del propio agente térmico en circulación del sistema, el almacenamiento suele ser de tipo térmico por elementos, generalmente en el dominio de la Construcción, capaces de almacenar energía, e incluso, de radiarla posteriormente al entorno de forma controlada.

Energía de las Olas

Los mares se han considerado desde tiempos ancestrales como los grandes proveedores de la Tierra proporcionando alimento, medio de transporte y protección. La tecnología actual permite considerarlo como un proveedor impresionante, no sólo potencial sino ya real, de energía siendo ésta, además, de carácter renovable.

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La energía marina se considera abundante, continua e inagotable, al menos en las actuales condi-ciones climáticas, atmosféricas y medioambientales. En la actualidad y con la previsible evolución de las tecnologías consideradas, puede decirse que la energía del mar presenta un potencial de aprovechamiento excelente.

La actual situación de carestía energética, de agotamiento próximo de las fuentes de energía ba-sadas en el carbono y del importante deterioro medioambiental han provocado la observación de los mares como una importante fuente de energía limpia y, en consecuencia, la intensificación de la actividad tecnológica destinada a obtener la energía del mar de la forma más eficiente y, a la vez, menos impactante desde el punto de vista de la sostenibilidad económica, social y medioambiental.

En la actualidad se identifican cinco tipos principales de aprovechamiento de la energía marina no considerando la eólica marina relacionados con las formas en las que el mar almacena su energía:

• Energía de las Mareas. El movimiento de agua que provoca la elevación y descenso del nivel del agua se hace pasar por unas turbinas que transforman la energía cinética del agua en movimiento (movimiento que puede ser provocado en salto mediante presas o por las propias corrientes naturales generadas) en energía eléctrica. Para que esta energía sea aprovechable, son necesarias unas condiciones de diferencia de niveles de marea muy específicas junto a una gran infraestructura constructiva de presas para su captación. Por ello, son muy pocos lugares en el mundo en los que el aprovechamiento de la mareas esté siendo considerado como una explotación rentable, lugares que en Europa sólo se dan en el estrecho entre Francia y Reino unido.

• Energía de las corrientes, bien naturales o provocadas por los cambios de marea. Al igual que en el caso anterior, y aunque los dispositivos de captación son más asequibles económica y constructivamente (turbinas sumergidas que pueden encontrase aisladas, de eje vertical u horizontal, flotantes o fijadas el fondo marino), requiere condiciones de corriente muy específicas para una obtención eficiente de energía, condiciones que se dan también en puntos muy concretos del globo. En Europa sólo se da en algunas zonas de la costa francesa, inglesa o noruega.

• Energía de las Olas. Diversos dispositivos son capaces de captar la energía de las olas, bien por arrastre del agua, bien por las oscilaciones del nivel del agua y de trasformarla de diversas formas (movimiento mecánico, flujo de aire, compresión de fluidos, etc.) que permiten el movimiento de los álabes de una turbina que genera finalmente electricidad. Este tipo de energía existe potencialmente en unas zonas muy extensas del globo terrestre entre las que se encuentra la costa Este Europea y, dentro de ella, la de Euskadi.

• Gradiente de temperatura. Aprovecha la diferencia de temperatura entre dos puntos, generalmente a muy distinta profundidad, a través de intercambiadores de calor a distin-tas alturas que provocan la circulación de un fluido que, de forma simplificada, activan el movimiento de las correspondientes turbinas. Aunque esta capacidad existe en una gran extensión marina en el globo, únicamente se considera aprovechable en zonas al Sur y a la altura del Ecuador terrestre donde se dan grandes profundidades y una gran incidencia solar en la superficie durante gran parte del año.

• Gradiente de salinidad. Aprovechando la diferencia de salinidad existente en dos puntos del volumen de agua. Esta situación únicamente se da en las desembocaduras de los ríos en los mares, donde se une el agua dulce de aquellos con el agua salada de éstos. Median-te membranas de permeabilidad salina unidireccional se consigue un aumento del nivel del


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agua salada que, a cierta altura se evacua haciéndola pasar por las turbinas generadoras de electricidad. Esta capacidad está siendo pilotada, aparte de en Estados unidos, y en el Mar del Norte en Noruega y entre las costas de Francia e Inglaterra.

Teniendo en cuenta las características de la costa cantábrica, en la actualidad se está considerando en ésta zona principalmente la energía de las olas como la más prometedora desde el punto de vista de eficiencia y rentabilidad.

El Cantábrico presenta vientos que generan olas de más de 3 metros de media lo que supone una buena perspectiva de energía proveniente de las olas. A esto hay que añadir que, por ejemplo el País Vasco cuenta con más de 150 Km de costa. Todo ello puede suponer, con la tecnología actual-mente disponible, una capacidad productiva de 2000 GWh de energía anuales lo que supone del orden del 10% de su demanda de energía eléctrica.

Por ello, la energía de las olas se presenta como una fuente de energía renovable prometedora para los países de la costa cantábrica y, por ello, supone una apuesta estratégica en algunos de ellos.

Actualmente existen diversas tecnologías y sistemas de aprovechamiento de energía de las olas en distintos grados de desarrollo. Los principales sistemas que están siendo considerados son cuatro:

• El sistema captador Atenuador basado en una estructura articulada flotante que cabal-ga sobre las olas y cuyo movimiento oscilante mecánico permite la generación de energía eléctrica. Como ejemplo de este sistema puede citarse el convertidor PELAMIS.

• El sistema de rebase de Oleaje consiste en una estructura constructiva por el que el agua de las olas que supera un cierto nivel es almacenada en un estanque cuyo contenido posteriormente se desagua a través de unas turbinas para la generación de electricidad. un ejemplo sería el dispositivo Wave Dragon.

• Los sistemas captadores puntuales, de los cuales existen diversas alternativas. En general todos ellos consisten en elementos flotantes, en superficie o sumergidos que se mueven (elevación, balanceo, etc.) por efecto de las olas generando la correspondiente energía eléctrica. La boya marina OPT es un ejemplo de ello. Otro ejemplo relevante es la instalación Oyster en Escocia en la que el efecto pendular comprime un fluido intermedio que genera el movimiento que posteriormente permite la generación de energía eléctrica.

• La columna de Agua Oscilante (OWc), que puede considerarse como la tecnología más madura, consistente en varias cámaras en las que el movimiento oscilante de elevación y descenso de agua de las olas provoca el empuje y succión de aire a través de unas turbi-nas con las que se genera energía eléctrica. Este sistema es el elegido como apuesta por el Ente Vasco de la Energía y del que se ha desarrollado una planta piloto en el dique de abrigo de Mutriku. Con un conjunto de cámaras integradas en el dique a lo largo de 100 metros, esta instalación es capaz de generar 296 kW con prestaciones de 600.000 kWh anuales suponiendo un ahorro de 600 T/año de CO2.

Como iniciativa destacable en este dominio, cabe citar la Infraestructura de Investigación en Ener-gía Marina promovida por el Ente Vasco de la Energía y ubicada frente a la costa de Bizkaia. Esta infraestructura constituye un importante campo de experimentación de las tecnologías de aprovechamiento de energía marina que facilitará un desarrollo más rápido y un mayor beneficio socioeconómico y medioambiental de las mismas. La siguiente figura muestra la arquitectura de dicha infraestructura.

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Figura 11. Arquitectura de la plataforma BIMEP para la investigación de la energía marina. Fuente: Ente Vasco de la Energía.

El aprovechamiento de la energía marina es aún incipiente y se encuentra focalizado principalmente en la obtención de electricidad como forma de energía final. En este sentido es de aplicación cual-quiera de los métodos de almacenamiento eléctrico que se presentarán en el capítulo 2. Almacena-miento. Este almacenamiento eléctrico sería el almacenamiento predominante en las captaciones de energía marina cercanas a la costa en las que es posible establecer acometidas o tendidos de cable entre los captadores marinos y los centros de interconexión en tierra.

Sin embargo, en alta mar no es tan factible la instalación de este tipo de acometidas físicas por lo que es necesario incorporar elementos de almacenamiento de energía intermedios que puedan acumular la energía captada hasta que ésta pueda ser trasladada, convertida o utilizada. En este sentido, la tecnología más prometedora parece ser la compresión de algún agente, principalmente el aire, utilizando tanto depósitos artificiales, tanto flotantes como sumergidos, como naturales bajo el fondo del mar si la profundidad del lugar lo permitiera.

Con respecto a los materiales, la mayor actividad se está desarrollando en los temas de elementos constructivos y tratamientos superficiales para proteger las infraestructuras soporte de los capta-dores de energía de las condiciones en gran medida agresivas de los ambientes marinos.


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2. Almacenamiento

Desde el punto de vista del almacenamiento de energía, la generación de energía presenta 3 clases de centrales según su capacidad y posibilidad de ser controlada

• plantas bases: grandes plantas de generación muy eficientes y de larga vida útil como son las nucleares y las grandes térmicas de carbón y que configuran la base de los sistemas de distribución eléctrica.

• plantas de seguimiento de la demanda: térmicas (incluidas las de gas) e hidroeléctri-cas que pueden regular su generación siguiendo la demanda.

• plantas de energías renovables en las que la generación depende de fuerzas naturales incontroladas y que debido al crecimiento en el número y potencia de estas plantas, hacen más difícil gestionar el sistema energético eléctrico.

uno de los grandes problemas a los que se enfrentan los sistemas de suministro energético es la di-ficultad y el coste de almacenar energía durante los periodos de baja demanda para poder utilizarla durante los picos de demanda, siendo esto especialmente relevante en el caso de las energías reno-vables, para que éstas pueden constituir una alternativa realista a las energías obtenidas a partir de combustible fósiles convencionales. Por ejemplo, los aerogeneradores dependen de la existencia de viento, de determinada intensidad, para producir energía, pero el viento no entiende de demanda estacional o carga rodante, por lo que hay situaciones en las que la producción eléctrica es superior a la demanda y otras en las que ocurre lo contrario. Esto es igualmente aplicable en mayor o menor grado, al resto de las energías renovables.

La luz solar es por mucho la fuente de energía, carbono y neutra más abundante en la tierra. Sin embargo, la energía solar es intermitente, claramente entre la noche y el día, y no necesariamente coincide con la demanda, por lo que la fuente mayor de suministro necesita de alguna forma de almacenamiento

Las redes eléctricas diversifican las fuentes de energía y son capaces de redireccionar electricidad de otros puntos de la red para hacer frente a la demanda, pero la situación sería mucho más simple si realmente se pudiera almacenar energía eléctrica a gran escala. Existe una necesidad actual: conseguir que el almacenamiento actúe como un colchón entre las fuentes de energías renovables, los consumidores y las restricciones de la red eléctrica.

La posibilidad de separar la producción de la demanda abre un amplio campo de posibilidades inte-resantes desde el punto de vista energético y económico. Los nuevos sistemas de almacenamiento de energía están potenciando el desarrollo de la energía eólica y solar que requieren un almacenaje permanente a causa de su forma de producción intermitente y dependiente de las condiciones climáticas. Además, desde la liberación de los mercados eléctricos, el almacenamiento de energía tiene una nueva aplicación como regulador de los precios, ya que se podrá comprar energía cuando el precio de la energía sea bajo, y cuando este suba, se podrá vender a un precio mayor.

Los sistemas de almacenamiento son capaces de jugar un papel de amortiguación muy importante en mayor o menor medida para las energías renovables. Por ejemplo, el almacenamiento de la energía producida por captación solar puede ser capaz de suministrar energía durante periodos en los que abunden las nubes, o por la noche, o para otros usos complementarios como el arranque de las turbinas tras su parada, la mitigación de las oscilaciones de temperatura, o las fluctuaciones en la demanda. De esta forma, el almacenamiento ayuda así a hacer más efectivo el uso de los

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equipos de generación, debido a que las fluctuaciones en la demanda obligan a hacer ajustes con-tinuos en la generación lo que encarece los equipos de generación y les resta efectividad, sin contar que las grandes centrales nucleares o térmicas (carbón, gas, fuel, etc.,) tienen un tiempo de res-puesta relevante ante estas fluctuaciones. Por otra lado, el hecho de que los equipos de generación deban ser capaces de responder a los picos de la demanda hace que deban estar sobredimensiona-dos lo que incrementa su coste y sus consumos. La disponibilidad de recursos de almacenamiento adecuados permite diseños más ajustados de los equipos de generación lo que reduce de forma sensible su costo.

El almacenamiento de la energía es una opción esencial para poder expandir la uti-lización de las energías renovables, para estabilizar la red eléctrica, para asegurar la continuidad del suministro y estabilizar la producción intermitente de energía. El avance de las tecnologías de almacena-miento permitirá la creación de políticas ambientales más innovadoras, tal como se reconoce en el documento u.S. Energy Sto-rage Technology Advancement Act of 2007, a partir del cual se ha creado un Advisory Committee y una serie de programas de ayuda, dotados con fondos, con el objetivo de desarrollar distintas tecnologías de al-macenamiento hasta el año 2015. Igualmente países como China, Japón y Corea están realizando fuertes inversiones con el objetivo de desarrollar tecnologías basadas en baterías durante los próxi-mos 5 años.

Los beneficios del almacenamiento son especialmente importantes en la integración de la genera-ción distribuida. El almacenamiento protege contra errores en la previsión, elimina barreras en la conexión entre energías renovables a una variedad de redes, suaviza los picos de demanda al alma-cenar los picos de energía para inyectarlos en la red durante dichos picos, proporciona regulación de frecuencias y evita ampliaciones costosas de la red.

La energía puede ser almacenada térmicamente mediante el calentamiento o enfriamiento de líqui-dos o sólidos; mecánicamente utilizando la energía mecánica o eléctrica para bombear agua para ser embalsada a mayor altura, haciendo girar volantes de inercia (flywheels en su acepción ingle-sa), comprimiendo aire o químicamente mediante la producción de reacciones químicas, producien-do Hidrógeno u otras reacciones químicas que generen calor o mediante destilación, etc. Cada uno de estos sistemas presenta una serie de características que los hacen más o menos convenientes según las aplicaciones para las que estén destinados.

Actualmente existen o están en vías de desarrollo, distintos sistemas de almacenamiento de ener-gía con el objetivo de que en el presente o en un futuro más o menos próximo, se pueda almacenar energía de forma masiva. Estos sistemas de almacenamiento se resumen en la siguiente figura de forma estructurada:

Figura 12. Ejemplo de almacenamiento térmico Fente: http://www.buildaro.com


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electroquímico

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Condensadoressuper-

Condensadores

Volantes de InercIa

CinétiCo

BomBeo Hidráulico

Gravitación

ElÉctrico

Eléctrico

Figura 13. Estructuración de las Tecnologías de Almacenamiento. Fuente: ABB

De forma resumida pueden considerarse los siguientes tipos de almacenamiento y sus principales características:

• Bombeo reversible: grandes cantidades de energía y gran potencia. Eficiencia entre 70-85%. Se utiliza para equilibrar la demanda punta, reserva rápida, servicios de reposición del sistema y la compra-venta de energía (energy arbitrage).

• Aire comprimido (cAEs): gran energía y gran potencia. Tiene mayor densidad de ener-gía y de potencia que la anterior. Debido a la desconexión entre el compresor y la turbina, la eficiencia es mayor que la de una turbina convencional y los costes generales tres veces menores.

• Bobinas superconductoras: presentan una alta potencia frente a poca energía aunque con altos rendimientos

• ultracapacidades: alta potencia y poca energía.

• Volantes de inercia: alta potencia, poca energía. Alta eficiencia y rapidez de respuesta.

• Baterías: rangos intermedios de potencia y energía. Las más interesantes para su uso en distribución son las de Sodio-Azufre y las de Zinc-Bromo.

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- NaS: gran densidad energética, gran número de ciclos de vida y buen rendimiento (85%). Desventajas: funcionan a más de 300 ºC y tienen materiales cerámicos en su composición lo que las invalida para funcionar como solución móvil.

- Zinc-Bromo: trabajan a temperatura ambiente y permiten dimensionar fácilmente la etapa de energía respecto a la de potencia.

• Almacenamiento de Hidrógeno: el Hidrógeno puede convertirse en el futuro en un im-portante vector energético. Puede ser, además, utilizado como almacenamiento intermedio de energía. La producción de Hidrógeno se puede conseguir a partir del reformado de la gasolina o del gas natural y la electrólisis del agua. La electricidad podría ser abastecida bien por energías renovables o reactores nucleares. Existe un común acuerdo en que es necesario seguir investigando en este segmento para hacer este tipo de almacenamiento más atractivo.

• Almacenamiento de calor: el almacenamiento de calor puede disminuir los costes deri-vados del consumo de calefacción y aire acondicionado. La eficiencia puede ser del 60-80% (además es una manera de desacoplar calor y electricidad).

La siguiente figura realiza una comparación entre las distintas tecnologías de almacenamiento con-siderando la potencia que son capaces de proporcionar frente al tiempo de descarga a la potencia considerada.

La siguiente tabla resume los principales datos asociados a los distintos tipos de almacenamiento considerados.

Figura 14. Comparativa potencia/tiempo de descarga de las distintas tecnologías de almace-namiento. (Fuente: Adaptación de http://climatetechwiki.org/technology/)


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A día de hoy no está claro cuál de las tecnologías en liza dominará en los diferentes segmentos de aplicación y en el mercado del almacenamiento. Por otra parte, la forma y extensión con que las diferentes opciones de almacenamiento disponible afectarán al funcionamiento de las redes de baja, media y alta tensión van a jugar probablemente un importante papel en el futuro desarrollo de otras tecnologías en el dominio de la energía.

En este sentido, cabe destacar dos tipos básicos de almacenamiento:

• Almacenamiento a gran escala. El almacenamiento aplicado a sistemas energéticos de gran tamaño es de hecho una tecnología clave para el mercado de la energía, especialmen-te el eléctrico, no sólo debido a su capacidad para permitir un mayor uso de las Energías Renovables, sino también porque mejora drásticamente la fiabilidad del servicio. Sin em-bargo, en términos económicos, el almacenamiento a gran escala únicamente tiene sentido cuando existe una gran diferencia entre el coste de producción (más almacenamiento) y el precio que la electricidad puede alcanzar en el mercado cuando es publicado en un mo-mento determinado y no la energía suministrada inmediatamente.

Con objeto de acertar en el mercado eléctrico, las tecnologías de almacenamiento deben ser más baratas que la producción desde las plantas de carga pico (generalmente de com-bustión de gas) aunque existe el beneficio adicional del ahorro de emisiones y del aumento de la estabilidad de la red y de la calidad de la energía.

De acuerdo con las estimaciones de los operadores de energía, estos beneficios adicionales suponen un 28–47% de los costes de inversión en los sistemas de almacenamiento. La compañía Xcel Energy ha puesto en marcha recientemente un proyecto piloto para analizar el rendimiento de una de las tecnologías de almacenamiento disponibles comercialmente (baterías de sulfuro de sodio) para la mejora de la gestión de energía eólica, concluyendo que la prueba resultó un éxito desde el punto de vista tecnológico, pero aún no desde el punto de vista económico, aunque no se haya publicado información detallada sobre este aspecto en su informe correspondiente (Xcel 2010).

• Almacenamiento a pequeña escala y aplicaciones móviles. El almacenamiento a pequeña escala es uno de los principales elementos facilitadores en la consecución del concepto de red inteligente a nivel de distribución y de comunidad de usuarios. Se prevé también como un factor clave para la competitividad económica de las iniciativas de Ge-neración Distribuida, dado que permite suavizar la generación de las fuentes de energía renovable (eólica, marina, solar térmica o fotovoltaica) aumentando la proporción de su aprovechamiento del orden del 20% al 50% sin provocar inestabilidades en la red. Teórica-mente, las baterías avanzadas y baratas podrían posibilitar a vecindarios y comunidades, especialmente en entornos rurales, convertirse en autosuficientes en términos de energía con posibilidad de desconexión de la red principal, o vender a ésta la energía producida localmente cuando los precios sean altos.

En los apartados a continuación se describen en detalle cada una de las tecnologías de almacena-miento citadas.


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2.1 Almacenamiento Mecánico

2.1.1 Almacenamiento hidráulico mediante bombeo

Las centrales de bombeo se utilizan como almacenamiento en el sistema eléctrico desde 1929 aproximadamente.

Las instalaciones convencionales consisten en dos depósitos de agua construidos a niveles diferen-tes. Cuando se necesita generar energía el agua almacenada en el embalse superior se turbina. En momentos de baja demanda energética (generalmente eléctrica), el exceso de generación se utiliza para bombear agua desde el depósito inferior al superior transformándose este exceso en energía potencial que puede volver a ser turbinada cuando se necesite para generar electricidad.

Este proceso es posible mediante el uso de sistemas reversibles turbina/generador que pueden actuar como bomba o como turbina (generalmente un diseño de turbina Francis). Básicamente, todas las instalaciones utilizan la diferencia de altura entre dos masas de agua natural o de reservas artificiales.

Con una eficiencia entre un 70 y un 85%, este sistema está limitado por la disponibilidad geográ-fica y de los recursos, el tiempo necesario para su construcción, las altas inversiones y el impacto ambiental.

Las plantas puras de almacenamiento por bombeo únicamente desplazan el agua entre las dos re-servas o depósitos mientras que la versión “pump-back” consiste en una combinación de almacena-miento por bombeo y plantas hidroeléctricas convencionales que utilizan el flujo de vapor natural.

Con el fin de incrementar la eficiencia global de estos sistemas antes de la fase de expansión en la turbina se puede añadir una etapa de combustión.

La figura a continuación muestra la configuración típica de este tipo de instalaciones.

Figura 15. Esquema de Almacenamiento por Bombeo en la montaña Racoon de la Autoridad del Valle de Tennessee (USA). Fuente: http://www.tva.gov/power/pumpstorart.htm

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Las plantas que no utilizan almacenamiento por bombeo se consideran plantas hidroeléctricas convencionales y disponen de una capacidad de almacenamiento significativa, generalmente prove-niente del flujo natural del agua (corrientes de agua, lluvia). Pueden ser capaces de jugar un papel similar a las de almacenamiento por bombeo en la red eléctrica controlando su flujo de evacuación de agua. Sin embargo, no son capaces de aprovechar situaciones de sobregeneración.

En los últimos años se ha introducido nueva tecnología para aumentar la eficiencia, la velocidad y la fiabilidad sin modificar significativamente la concepción global del sistema.

La relativa baja densidad energética de los sistemas de almacenamiento por bombeo requiere, o una gran masa de agua o una gran variación de altura. Como ejemplo, 1.000 Kilogramos de agua (un metro cúbico) a 100 metros de altura contiene una energía potencial de alrededor 0,272 kWh capaz de aumentar la temperatura de la misma cantidad de agua en sólo 0,23ºC. El único modo de almacenar una cantidad significativa de energía es disponiendo de una gran masa de agua al-macenada en una altura (montaña, colina, …) relativamente cercana, pero lo más alta posible, de otra masa de agua. En algunos lugares ésto ocurre de forma natural. En otros casos uno o ambos depósitos de agua deben construirse de forma artificial. Los casos en los que ambos depósitos son artificiales y en los que no existen corrientes de agua natural se conocen habitualmente como de “lazo cerrado”.

Estos sistemas son caros de por sí en cuanto al capital necesario para su construcción. Sin embargo y considerando el sistema global, resultan económicos en cuanto a que equilibran situaciones de variaciones de carga en la red eléctrica permitiendo que centrales de energía térmica (de carbón, nucleares, de gas) e instalaciones de captación de energías renovables que proporcionan la elec-tricidad de carga base, continúen operativas a su nivel estable de eficiencia de pico, mientras que reducen la necesidad de que arranquen plantas de energía pico que suelen utilizar combustibles fósiles, y que se han diseñado para flexibilizar la red más que para maximizar su eficiencia. La po-sibilidad de evitar el arranque de este tipo de centrales supone un ahorro importante.

Junto a la gestión de la energía, los sistemas de almacenamiento por bombeo ayudan a controlar la frecuencia de la red eléctrica y proporcionan reservas de generación. Las centrales térmicas son mucho menos capaces de responder a cambios repentinos de la demanda eléctrica, causante ge-neralmente de la inestabilidad de la frecuencia y tensión de la red. Las plantas de almacenamiento por bombeo pueden responder a estos cambios de demanda en segundos.

Aunque se trata de un sistema de almacenamiento ya conocido desde hace años utilizado principal-mente por los sistemas hidroeléctricos, actualmente se está intensificando su uso principalmente con objeto de aprovechar la sobre-generación proveniente de las Energías Renovables, especial-mente de la gran eólica.

principales referencias

En 2008, la capacidad de generación proveniente del almacenamiento por bombeo fue de 104 GW. Estados unidos disponía de 38,3 GW (36,8% de la capacidad mundial) de un total de 140 GW de energía hidráulica lo que representaba un 5% del total de la capacidad eléctrica de Estados unidos. Japón disponía de 25,5 GW lo que suponía un 24,5% de la capacidad mundial.

Sin embargo, en 2009 la capacidad era de 21,5 GW (20,6% de la capacidad mundial) contabilizan-do un 2,5% de capacidad de generación de carga base. El almacenamiento hidráulico de bombeo generó 6.288 GWh de energía en 2008 dado que se consumió más energía en bombeo que la que fue generada.


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Estas cifras proporcionan una dimensión de los volúmenes de energía que pueden considerarse en este tipo de tecnología.

Las cinco mayores instalaciones operativas de almacenamiento por bombeo son las siguientes:

pLANtA pAís pOtENciA (MW)

Condado de Bath (Estado de Virginia) Estados unidos 2.772

Guangdong China 2.400

Okutataragi Japón 1.932

Ludington Estados unidos 1.872

Tianhuangping China 1.836

tabla 3. Mayores instalaciones operativas de bombeo hidráulico en el mundo

Con respecto a España, la primera instalación hídrica reversible data de 1930. En la siguiente figura se muestra la evolución de estas centrales de bombeo hasta pasados los 90.

Figura 16. Evolución de las centrales de bombeo en España (Fuente: Iberdrola Generación)

Además de éstas instalaciones reversibles se encuentran en fase de construcción La Muela II (840 MW), Moralets II (400 MW), y consideradas como proyecto futuro Santa Cristina (750 MW), Jabal-cón (550 MW), Belesar III (210 MW), Peares III (150 MW) y Conchas-Salas (400 MW).

Entre las instalaciones españolas de este tipo cabe destacar la central Hidroeólica de la isla de El Hierro considerada como el primer lugar aislado del mundo en autoabastecerse con el uso de ener-gías limpias y de cuya puesta en funcionamiento se encarga Gorona del Viento. El objetivo final del

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proyecto es que el consumo de la isla se cubra con energía procedente de fuentes renovables. Para ello se instalará un parque eólico y una central hidráulica interconectados con el actual sistema eléctrico de El Hierro. El proyecto hidroeólico integra un parque eólico, un grupo de bombeo y una central hidroeléctrica. El parque eólico es capaz de suministrar energía eléctrica directamente a la red y, simultáneamente, alimentar a un grupo de bombeo que embalse agua en un depósito ele-vado, como sistema de almacenamiento energético. La central hidroeléctrica aprovecha la energía potencial almacenada garantizando el suministro eléctrico y la estabilidad de la red.

iniciativas tecnológicas actuales

una de las áreas de investigación y estudio es el de la disponibilidad de repositorios naturales en el subsuelo. un ejemplo reciente lo constituye el reciente proyecto Summit en Norton (Ohio, uSA) y el proyecto Mount Hope en Nueva Jersey (uSA) que trata de re-utilizar antiguas minas como repo-sitorio inferior del sistema. El número de iniciativas de repositorio subterráneo frente al superficial está creciendo aún siendo más caro. Sin embargo abren una nueva línea de expansión de este tipo de sistemas.

Otra línea de actuación es la de la incorporación de sistemas alimentados de energía eólica y solar para el bombeo del agua. El uso de energías renovables permitirá un proceso global mucho más eficiente tanto en cuanto al uso de una energía a priori más barata como en cuanto a la mayor estabilidad alcanzada en la red, filtrando a través del sistema de bombeo la inestabilidad de las fuentes de energías renovables.

También se está considerando el bombeo de agua del mar. Como ejemplo citar el proyecto Yanbaru (30 MW) en Okinawa (Japón), considerado el primer piloto de almacenamiento de agua bombeada del mar. Otro proyecto similar se ha propuesto en Lanai (Hawai, uSA) de 300 MW así como Irlanda está considerando varios.

un efecto que está siendo aprovechado con objetivos de almacenamiento es el de las mareas. Para ello se construyen diversas barreras que conforman lagos a lo largo de la línea costera. Estas ba-rreras presentan una altura tal (fija o variable) que permiten la entrada de agua en los momentos de alta mar hasta alcanzar su altura. Este agua capturada es retenida durante la bajamar y liberada en el nivel más bajo de la marea cuando mayor es la diferencia de energía potencial entre ambos niveles. El flujo de agua generado permite el aprovechamiento de su energía cinética, generalmen-te en electricidad. Tiene la ventaja de no requerir energía de bombeo (aunque el bombeo artificial suele incorporarse para apoyar el natural de la marea) pero requiere de importantes infraestructu-ras con un impacto en el terreno considerable. un ejemplo de este tipo de instalación lo constituye la central de energía por marea La Rance de EDF en Francia.

2.1.2 Aire comprimido (cAEs)

Se dice que cualquier cosa vuelve a estar de moda si se espera lo suficiente. Esta tecnología puede ser una de estas cosas. Consiste en utilizar los picos de producción de energía (por encima de la demanda) de las energías renovables para comprimir aire mediante un compresor eléctrico, y en-viarlo para su almacenamiento a emplazamientos subterráneos (cavernas en rocas salinas, minas abandonadas, etc.) Cuando la demanda de energía se incrementa, el aire comprimido es liberado a través de una turbina que recupera la energía almacenada en el aire en forma principalmente de


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presión pero también de temperatura. Con la minimización de las pérdidas energéticas actuales se podría llegar a obtener eficiencias cercanas al 80%.

Se utiliza la energía en periodos valle para comprimir y almacenar aire a alta presión (típicamente alrededor de 75 bares). El aire comprimido se utiliza en los momentos de máxima demanda. Cuan-do se necesita, el aire comprimido se calienta y se expande en una turbina de gas para generar electricidad.

La siguiente figura muestra la arquitectura de una instalación típica CAES.

Figura 17. Esquema conceptual de un sistema típico de almacenamiento por aire comprimido.

(Elaboración propia).

Este tipo de instalaciones requiere una geología favorable para almacenar el aire, así como estar situada cerca de la red y de fuentes de abastecimiento de combustible.

El tamaño típico de estas instalaciones oscila entre los 50 y los 300 MW. Las pérdidas son pequeñas pero requieren de un tiempo de almacenamiento que puede ser largo. El coste se encuentra en el ran-go de los 350-450 Euros/kW y, en diseños típicos, pueden proporcionar energía durante 3-5 horas.

La dificultad de encontrar lugares apropiados para el almacenamiento ha hecho que se esté in-vestigando en la fabricación de tanques de almacenamiento de aire comprimido. El tamaño de las instalaciones propuestas es menor que el de los sistemas con almacenes geológicos. Se habla de instalaciones de una potencia de 8-12 MW, con presiones altas de aire (100-140 bares) con el fin de reducir el tamaño de los contenedores, que se instalan bajo tierra.

Existen dos únicas plantas en operación de CAES en el mundo aunque están planificadas algunas más. una se encuentra en Alemania y otra en EEuu descritas a continuación.

• Planta de Huntorf (Alemania): operada por E.ON. Puesta en marcha en 1978. Se utiliza como planta de reserva en caso de fallo en alguna central de generación y como alternativa a la compra de electricidad a alto precio de suministradores externos. 2 cavernas situadas a 600m de profundidad aseguran la estabilidad del aire comprimido durante varios meses de almacenamiento. La presión máxima es de 100 bares. El compresor es de 60 MW y se carga en ocho horas. Puede dar 290 MW durante 2 horas. En 25 años se ha arrancado 7000 veces y ha tenido una disponibilidad del 90% y una fiabilidad del 99%.

• Planta de McIntosh: construida en 1991 en Alabama. Tiene un sistema de recuperación de calor que reduce el consumo de combustible en un 25%.100 MW y 74 bares a máxima presión y 45 bares a mínima. El sistema puede proporcionar potencia durante 26 horas y se utiliza para cubrir puntas de consumo.

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En EEuu se esperan construir 3 nuevas instalaciones en los próximos cinco años. En una de ellas estará involucrada Iberdrola y NYSERDA (relacionada con el sistema eólico que se va a construir en Nueva York).

Otras iniciativas a considerar son una pequeña planta piloto CAES en Italia de 25 MW basada en almacenamiento en acuíferos o la investigación realizada en Israel para la construcción de 3 insta-laciones CAES de 100 MW utilizando acuíferos de roca dura.

iniciativas novedosas relevantes

La mayor actividad innovadora en este campo se centra en la identificación, estudio y experimen-tación del aprovechamiento de distintas alternativas de almacenamiento tanto naturales como artificiales.

En este sentido destaca el plan, actualmente en desarrollo y diseñado por Norton Energy Storage LLC, de utilizar 10.000.000 m. de mina de caliza a 700 metros de profundida en la que se intenta comprimir aire hasta 100 bares de presión antes de hacerlo entrar en combustión mediante gas natural. La primera fase espera alcanzar una potencia de entre 200 y 480 MW con un costo de 35 a 330 Millones de Euros en función de la potencia finalmente instalada. Están previstas cuatro fases adicionales más para desarrollar esta instalación hasta una posible capacidad de 2.500 MW.

Otro caso destacable corresponde al proyecto estadounidense Iowa Storage Energy Park (Iowa, Es-tados unidos), actualmente en marcha y que cuenta con el apoyo tecnológico de Sandia National Laboratories, también de Estados unidos. Con la energía proporcionada por los aerogeneradores, se comprimirá y guardará aire en un acuífero situado a 1.000 metros de profundidad en el centro del estado de Iowa, usado hasta ahora para atesorar gas natural. Se espera que en 2011 este parque eólico cuya construcción costará unos 130 millones de euros, suministre 270 MW 16 horas al día.

En el entorno marino, la empresa canadiense Thin Red Line Aerospace está realizando las primeras pruebas de un sistema real para almacenar energía en los parques eólicos marinos. La denominada Energy Bag (bolsa de energía) almacena aire comprimido en el fondo marino y lo libera en función de la demanda para generar energía. El prototipo tan slo pesa 75 Kg. pero es capaz de desplazar 40 to-neladas de agua de mar. Se instalará a 600 metros de profundidad, donde la presión es 60 o 70 veces mayor que en la atmósfera. La energía almacenada en una sola bolsa puede ser considerable. A una profundidad de 600 m hay suficiente presión para que una bolsa de 20 m de diámetro almacene cerca de 70MW hora de energía. Eso es equivalente a unas 14 horas de generación eólica en condiciones normales. Su aplicabilidad no se limita sólo a los parques eólicos marinos de alta mar sino también, a escalas más pequeñas, a instalaciones de aprovechamiento de energía de las olas o de las mareas.

A nivel europeo, en la universidad Técnica de Dinamarca un grupo de ingenieros está llevando a cabo una experiencia piloto consistente en inyectar aire comprimido en grandes bolsas sintéti-cas enterradas bajo las dunas de Jutlandia. Las bolsas se llenan mediante compresores eléctricos activados con energía eólica. Con anterioridad a esta aplicación, un grupo de ingenieros daneses ha conseguido hacerlo a pequeña escala (varios kilovatios) utilizando grandes bolsas sintéticas reforzadas. El grado de eficiencia alcanzado durante las pruebas ha estado por encima del 97%, esperando alcanzar un 99,5% en pruebas posteriores en las que emplearán bolsas más grandes, di-mensiones aproximadas: 50 x 50m., en su estado plano/desinflado, y un aerogenerador de 34 kW. Según la explicación dada por el investigador Ole Hededla, uno de los retos ha sido lograr que las bolsas aguanten los repetidos operaciones de inflado – desinflado. El material sintético ha superado este reto, según el investigador, que asegura que la bolsa puede estirarse hasta una tensión de un


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14% mientras que en las pruebas han requerido una tensión de tan solo un 0,5%. Datos publicados por ESA’s Technology Comparisons, Capital Cost fijan el coste de este tipo de almacenamiento en el rango de 1 a 2 céntimos de dólar por kWh.

2.1.3 Volantes de inercia (Flywheels)

Sistema de almacenamiento de la energía bajo la forma de energía cinética que ha sido utilizado durante años con generadores síncronos en planta hidroeléctricas. Está basado en hacer girar un volante de inercia (flywheel) a gran velocidad empleando la energía sobrante que elimina un motor-generador. La energía se almacena en esta masa que gira en forma de energía cinética que vuelve a transformar esa energía en electricidad para enviarla a la red.

El problema más serio que presenta este tipo de almacenamiento es la escalabilidad; pequeños incrementos de la energía acumulada suponen aumentos considerables en las dimensiones del vo-lante y, en consecuencia, en las condiciones de su movimiento.

Su principal característica es la capacidad de absorber y ceder energía en poco tiempo. Es adecuado para sistemas mecánicos de ciclo energético discontinuo donde el periodo de tiempo de discontinui-dad sea muy corto, por lo que, tradicionalmente, se ha utilizado en motores y compresores alter-nativos, prensas y troqueladoras, además de en vehículos de transporte (automóviles, autobuses, trenes), etc.

Los volantes de inercia son particularmente aceptables para controlar la calidad de la energía. Pue-den mantener el nivel de potencia a través de la mayoría de las perturbaciones como son caídas de tensión y sobretensiones y pueden cubrir durante un cierto tiempo los huecos entre una caída total de potencia y la conexión con un sistema aislado de emergencia.

Los volantes de inercia son recomendables para aplicaciones que requieran:

• Ciclos de carga y descarga continuados

• Alta fiabilidad (el estado de carga puede ser conocido con precisión)

• Alta potencia

• Poco tiempo de almacenamiento (hasta varios minutos) debido a los altos niveles de auto-descarga

• Capacidad en el rango de kWh

Se utilizan principalmente en aplicaciones de alta potencia y corta duración con capacidad para soportar gran número de ciclos. Hasta ahora, han sido utilizados como Sistemas de Alimentación Ininterrumpida (SAI) y para mejora de la calidad de potencia, normalmente en las instalaciones de los consumidores finales. La combinación de estos equipos y de generadores diesel de apoyo permite que, en caso de interrupción del suministro, la instalación pueda seguir siendo abastecida normalmente.

Otro tipo de aplicaciones para las que se podrían utilizar son las siguientes:

• Regulación de frecuencia

• Eliminación de puntas de consumo

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• Estabilización de la entrega de energía de generadores eólicos

• Aceleración y frenado regenerativo en el transporte

Otro aspecto a considerar es el de emisiones de CO2. Las centrales de generación de carbón y gas natural que contribuyen a la regulación de frecuencia sufren un incremento en el consumo de com-bustible de entre el 0,5 y el 1,5%. La regulación de tensión basada en los volantes de inercia pue-de contribuir a la reducción de emisiones de CO2, especialmente si se compara con estas centrales mencionadas que funcionan en puntas de demanda.

En volantes tradicionales la cantidad de energía es menor que en otros siste-mas de almacenamiento, pero en las últimas décadas se han comenzado a fabricar en materiales compuestos, lo que ha supuesto un aumento notable de su capacidad de almacenamiento y ha permitido utilizarlos en nuevos campos: como el almacenamiento de energía en automóviles, trenes o auto-buses, satélites, etc.Con este nuevo tipo de volantes se su-peran, en algunos aspectos, los sistemas clásicos de almacenamiento de energía. Así, en comparación con las baterías quí-micas tradicionales, los volantes ofrecen mayor potencia energética, tanto entre-gada como absorbida. Además, las ba-terías son lentas en el proceso de carga y descarga, y si se pretende disminuir el tiempo, su rendimiento desciende a valo-res del 20 ó el 30%.

La aplicación más destacable de los últi-mos años ha sido el suministro de energía eléctrica a satélites en la industria aeroespacial durante las horas de luz se almacena la energía generada en placas fotovoltaicas de forma similar a las baterías eléctricas pero con menos peso y mayor fiabilidad.

En las redes de suministro de energía eléctrica se pueden utilizar para evitar los cortes de corriente, como fuente complementaria durante las interrupciones de corta duración, con periodos de tiempo entre 10 y 60 segundos.

En las aplicaciones a vehículos móviles, automoción, trenes, etc. el peso y el volumen son impor-tantes, pero los costes son esenciales, sobre todo si se pretende una utilización generalizada. En los trenes de alta velocidad el acumulador debe estar situado en las estaciones porque su masa es muy grande comparada con la masa del tren.

En las aplicaciones terrestres inmóviles, redes eléctricas, etc. el peso y el volumen no tienen tanta importancia, porque se dispone de más espacio pero el coste continúa siendo decisivo. Entre las innovaciones necesarias no es suficiente avanzar en la cantidad de energía por unidad de peso, sino también hay que hacerlo en los procesos de fabricación para que sean más económicos.

Figura 18. Imagen de un Prototipo de Volante de Inercia diseñado por la NASA. Fuente: http:/www.grc.nasa.gov


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Los permisos de construcción para este tipo de instalación son más fáciles de conseguir que para una instalación de generación convencional.

Los rotores híbridos multi-capa perfeccionados suelen tener unos costes de material elevados. Se fabrican con múltiples materiales de módulo elástico progresivo en donde la fibra de vidrio y la de carbono son la más elástica y la más rígida respectivamente. Para conseguir una progresión uni-forme es necesario utilizar materiales de elasticidad intermedia poco usuales y, por lo tanto, más caros, de forma que los costes de material pueden ser superiores incluso al del rotor construido exclusivamente en fibra de carbono.

Todavía es necesaria una mayor actividad de I+D aunque existen fabricantes que tienen Volan-tes de Inercia en el mercado como por ejemplo PILLAR, CATERPILLAR, ACTIVE POWER, BOING, AFS, etc. Su principal uso es proporcionar energía (entre 1 y 20 segundos) mientras arranca el generador.

En la siguiente se muestran algunos ejemplos de aplicación que actualmente se están desa-rrollando.

ApLicAcióNpEAk pOWEr

ENErGíA ALMAcENAdAMj (kWH)

MáxiMO rOtAciONAL VELOcidAd rpM

VELOci–dAd M/s

MAtEriAL dEL rOtOr

MAsA dEL rOtOrkG

Satélites 2 kW 1,4 (o,4) 53.000 900 Composite 30

Calidad de la Energía 400 kW 4,7 (1,3) 10.000 400 Acero 1.400

Autobuses híbridos 150 kW 7 (2) 40.000 900 Composite 60

Estaciones espaciales

3,6 kW 13(3,7) 53.000 Composite 75

Vehículos de combate híbridos

11MW en pulsos350 kW en continuos

25 (14) 18.000 540 CompositeMetálico

280

Cebadores electromagné–ticos

5-10 GW 50-150 (14-42) 10.000 450 Composite 4.000

Trenes 2 MW 470 (130) 15.000 950 Composite 2.500

tabla 4. Ámbitos de aplicación del almacenamiento por Volante de Inercia Fuente: Universidad de Texas

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Desde el punto de vista de uso masivo de esta tecnología de almacenamiento, destaca la planta de Beacon Power en Stephentown, Nueva York (Estados unidos). Se trata de una instalación diseñada para mejorar la opera-ción y la fiabilidad de la red y está compuesta por 200 volantes de inercia de alta velocidad y energía y la electrónica asociada. Cada uno tiene 25kWh/100kW de energía y potencia y está optimizado para realizar la regulación de frecuencia.La instalación podrá regular 20 MW hacia arri-ba y hacia abajo (total de 40 MW). Está di-señada para consumir electricidad cuando la generación es mayor a la carga y para gene-rar energía en el caso contrario. La respuesta de la instalación es rápida. Cuatro segundos después de recibir la señal de control del ope-rador de la red el sistema es capaz de operar a potencia total. Su vida útil es de 20 años y tiene bajos requisitos de mantenimiento.

En la actualidad Beacon Power es el fabricante de referencia para aplicaciones estacionarias.

El sistema más grande del mundo consta de 6 discos de 6,6 m. de diámetro y 40 cm. de grosor. Cada uno de ellos pesa 6 toneladas. El conjunto proporciona 160 MW durante 30s.

La siguiente tabla muestra las instalaciones consideradas más importantes:

FABricANtEs pArticipANtEs iNstALAcióN tAMAñO ApLicAcióN FEcHA

Beacon Power, California Energy Commission

California(EE.uu.)

100 kW x 15 min

(Demo)

Regulación de frecuencia

2005(ya no opera)

Beacon Power, NYSERDA, DOE Nueva York(EE.uu.)

100 kW x 15 min

(Demo)

Regulación de frecuencia

2005(ya no opera)

Beacon Power, PJM Interconnection, American Electric Power

OHIO(EE.uu.)

1 MW Regulación de frecuencia

y estabilidad de red

2009

Beacon Power, National Grid, ISO-NE Alternative Technology Regulation Program

Massachusetts(EE.uu.)

3 MW x 15 min Regulación de frecuencia

2009

Beacon Power, NYISO Nueva York(EE.uu.)

20MW Regulación de frecuencia

e integración de EE.RR.

Construcción iniciada en 2009

tabla 5. Instalaciones de volantes de inercia

Figura 19. Vista de los Volantes de Inercia de la Instalación. Fuente: http://images.greenoptimistic.com


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En el campo de las energías renovables hay muy pocas aplicaciones. En 2003 urenco instaló en la isla de Fuji (Japón) un sistema de 200 kW en combinación con tres aerogeneradores de 600 kW cada uno. La misión de estos volantes de inercia es estabilizar la frecuencia y capturar la energía de las ráfagas cortas de viento.

2.2 Almacenamiento térmico

El almacenamiento térmico se da básicamente en forma de concentrar energía calorífica en ma-teriales que son capaces de retener y de liberar esta energía y que permiten hacerlo de forma controlada.

Para conseguir almacenar térmicamente la energía existen distintos sistemas como son:

1. Calentar una masa sólida o líquida sin cambio de fase (calor sensible) y la cantidad de energía almacenada es proporcional a la temperatura del sistema; un ejemplo típico de este tipo de utilización del calor latente es el del agua líquida, o presurizada, las rocas, los fluidos térmicos, etc., (en función del rango de funcionamiento).

2. Calentamiento de un material que cambie de estado (se funda, vaporice, u otros cambios) a temperatura constante, (calor latente).

un caso de material utilizable como almacenamiento térmico que puede pertenecer a ambos grupos es el caso del agua, ya sea para almacenar frío (caso del hielo) como para almacenar calor (agua). El agua es capaz de cambiar de estado absorbiendo calor, 335KJ/Kg., pasa de hielo a agua a 0º C o de agua a vapor a 100º C y/o incrementar su temperatura sin cambiar de estado (temperaturas < 0º C y en el intervalo entre 1 y 99ºC).

El equipamiento utilizado para almacenar energía como calor sensible es simple y relativamente barato y los fluidos son almacenados generalmente por debajo de los 200ºC en la mayoría de los casos, aunque en determinadas condiciones pueden llegar a alcanzar hasta casi los 1.000ºC. Tie-nen el inconveniente de la dificultad de asegurar una temperatura de salida del sistema de alma-cenamiento constante. un ejemplo de este tipo de almacenamiento con materiales sólidos también son los acumuladores cerámicos en los que actualmente se está haciendo un esfuerzo importante para desarrollar nuevos materiales con mejores características entre los que cabe destacar los silicatos cerámicos.

Por el contrario, los almacenamientos de calor latente pueden suministrar energía a temperatura constante y almacenar grandes cantidades de energía, pero tienen inconvenientes como que se trata de materiales caros y que es difícil la transmisión de la energía térmica al medio. Son ejemplos de materiales de este grupo los Materiales de cambio de Fase (en Inglés PCM-Phase Change Materials) que incluyen distintas familias de compuestos diferentes, capaces de funcionar en una amplia gama de temperaturas de servicio.

Los Materiales de Cambio de Fase (PCM) requieren una gran cantidad de energía para cambiar de estado y durante dicho cambio permanece constante la temperatura (calor latente), también es bien conocido que muchas reacciones químicas requieren o producen calor. Estos sistemas se han utilizado para acumular energía térmica, y en ellos están basados los PCM.

En la actualidad, la propiedad de absorción y almacenamiento de calor de determinados materiales está siendo clave en el desarrollo y despliegue de algunas fuentes de energías renovables, especial-mente la solar térmica, con mención especial de la solar de concentración, que está, en ocasiones

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desplazando, pero principalmente completando a la solar fotovoltaica en sistemas híbridos o de cogeneración eléctrica y térmica.

En la actualidad, la tecnología de almacenamiento térmico más avanzada es la del sistema de tan-ques que usa sales Fundidas como medio de almacenamiento. El sistema indirecto de dos tan-ques es el utilizado por las plantas cilindro-parabólicas Andasol 1-3 de 50MW en el sur de España, y planea ser utilizado por Abengoa Solar en su planta de 280MW Solana en Arizona.

En este tipo de sistemas, las sales fundidas son almacenadas en dos tanques; uno caliente, y otro frío. Las sales son calentadas por un intercambiador de calor en su camino hacia el tanque caliente de almacenamiento. En el momento en el que se necesita recuperar la energía térmica, las sales pasan otra vez por el intercambiador de calor transfiriendo calor a un aceite que alcanza tempera-turas justo por debajo de 400°C.

En una versión similar, el sistema directo de dos tanques, las sales fundidas son utilizadas tanto para el almacenamiento como para la transferencia de calor. Esto implica almacenamiento directo y hace que se puedan alcanzar temperaturas más altas y eliminar los costes debidos a los inter-cambiadores de calor.

Torresol está implantando un sistema directo de dos tanques para su planta de torre central Ge-masolar de 50MW. El sistema, diseñado por SENER, es capaz de alcanzar temperaturas por encima de 500°C. SolarReserve también planea usar un sistema directo de sales fundidas de dos tanques, fabricado por united Technologies, en sus plantas solares de torre.

La tecnología de sales fundidas ha sido probada y es bien entendida. No obstante, presenta algu-nas desventajas como el alto punto de congelación de las sales y sus elevados costes de inversión. Las sales fundidas incluyen sales de nitrato, un producto sujeto a cierta volatilidad de precios en el mercado.

Existen además otras alternativas tecnológicas que pueden considerarse recientes, bien en fase de I+D o bien iniciando su penetración en el mercado.

• un tanque. Opción que utiliza un sólo tanque thermocline de almacenamiento con una zona caliente en su parte superior, una zona de transición en la parte intermedia y una zona fría en la parte inferior. Los sistemas de un sólo tanque con sales fundidas pueden reducir considerablemente el coste de almacenamiento reemplazando parte de las sales por materiales más baratos como cuarcita y arena. SunLab estima el coste de un siste-ma thermocline con cuarcita en torno a uS$20/kWh. Sandia National Laboratories (SNL) desarrolló un sistema de almacenamiento thermocline de 2.5-MWhr con sales fundidas, cuarcita y arena hace 10 años. El organismo americano National Renewable Energy Labo-ratory (NREL) y SNL están, en estos momentos, analizando costes y realizando estudios de rendimiento para sistemas thermocline.

• Hormigón. Otra alternativa sería el uso de materiales sólidos para el almacenamiento tér-mico. La compañía de ingeniería civil alemana, Ed. Züblin y el Centro Aeroespacial Alemán (DLR) han desarrollado un sistema para plantas cilindro-parabólicas que utiliza hormigón como medio de almacenamiento térmico. En este sistema, el medio de transferencia ca-lentado (aceite, agua o vapor) pasa a través de tuberías incrustadas en el hormigón para calentarlo. Con el fin de desprender energía térmica el fluido transmisor fluye frío a través del hormigón, en la dirección opuesta, al mismo tiempo que se calienta. Este sistema al-canza temperaturas de hasta 400°C.


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Züblin y DLR han probado de forma satisfactoria un módulo de hormigón de 20m3 en Stuttgart usando aceite térmico como medio de transferencia. Otra instalación de prueba, actualmente en funcionamiento en España, probará la generación directa de vapor.

La ventaja principal consiste en que el hormigón es mucho más barato que las sales. No obstante, el material necesario, incluyendo los tubos, añade costes al sistema. Lo cual implica que para una planta del tamaño de Andasol, este tipo de tecnología sería sólo un poco más barata. Sin embargo, los costes sí se rebajan considerablemente en plantas más pequeñas de alrededor de 10MW, dado que esta tecnología puede utilizarse en varios ta-maños, al contrario que los sistemas de dos tanques.

• Guijarros y aire. La compañía británica HelioDynamics está buscando socios para el de-sarrollo de dos nuevos sistemas de almacenamiento térmico: uno de ellos proporcionando más efectividad desde el punto de vista de los costes que las sales fundidas y el otro otor-gando más eficiencia.

- El primer sistema utiliza una gran masa de arena en la que se intercalan tubos finos y baratos que transfieren calor a la arena para su almacenamiento. Manteniendo el aceite dentro de los tubos de acero se consigue la estabilidad del aceite a largo plazo. En este sistema se necesita una gran cantidad de arena (el doble de la cantidad de sales fundidas que se necesitaría) pero sigue siendo considerablemente más barato, ecológico y seguro, ya que los escapes sólo pueden ser pequeños.

- El segundo tipo de tecnología consiste en un sistema thermocline usando guijarros de basalto y gas Argón como medio transmisor. Mediante este sistema se pueden alma-cenar temperaturas de alrededor de 550-600°C, las cuales están por encima de las alcanzadas en los sistemas cilindro-parabólicos pero podrían ser útiles en plantas sola-res de torre o los sistemas de alta temperatura lineales Fresnel HDX de HelioDynamics. Con esta tecnología se podría trabajar a temperaturas mayores, de hasta 1000°C, y operar una turbina de gas.

Como conclusión del presente apartado cabe destacar el predominio de las sales fundidas frente al resto de opciones al poseer la mejor relación eficiencia/precio y más aún, con el despunte que están experimentando las plantas termosolares de gran capacidad.

2.3 Almacenamiento Químico

El almacenamiento químico puede ser utilizado en una gran variedad de temperaturas y tiene la ventaja de permitir el almacenamiento a temperatura ambiente eliminando costosos aislamientos

Además suele incorporarse en dispositivos móviles (transportables) aunque la recuperación de la energía puede resultar cara. un ejemplo de este tipo de almacenamiento químico es el caso de las baterías tradicionales cuyo funcionamiento está basado en una reacción de oxidación – reducción.

Otro tipo de almacenamiento de la energía incluido igualmente en este apartado es el utilizar el calor para generar una reacción química que posteriormente es liberado en otra reacción.

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En la figura adjunta se muestra un esque-ma de la utilización del calor como alma-cenamiento químico.

un ejemplo de este tipo de almacena-miento de energía es la producción de Hidrógeno que posteriormente puede ser utilizado, ventajosamente, en la genera-ción de energía.

La conversión de energía solar en com-bustibles químicos es un método atractivo de almacenar la energía captada de las fuentes de energía renovable, especial-mente la solar y la eólica.

Los combustibles como el Hidrógeno pueden ser utilizados igual que los combustibles fósiles. Pue-den ser quemados para producir calor que posteriormente es procesado para generar energía eléctrica o trabajo mecánico en turbinas, y además, algunos pueden ser utilizados para generar electricidad en celdas de combustible fijas o portátiles. La ventaja de producir grandes cantidades de combustibles químicos directamente a partir del sol o del viento es un camino económicamente efectivo que minimiza los efectos adversos sobre el medio ambiente.

En los apartados a continuación se describen algunas de las tipologías del almacenamiento químico.

2.3.1 Hidrógeno

El Hidrógeno está considerado como un vector futuro de energía. Sus vías de producción requieren procesos químicos y energía que, para que puedan ser considerados verdaderamente sostenibles, requieren utilizar ciclos cerrados de materias primas y fuentes de energía ilimitadas que no generen emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), como el CO2, además de tener un precio razona-ble. La producción limpia de H2 a partir de agua (H2O) y fuentes de energía renovables resumen el concepto de economía del Hidrógeno.

Actualmente, más del 90% del H2 es producido a partir de combustibles fósiles principalmente a partir de gas natural. En cuanto a su utilización, aproximadamente la mitad de la producción anual es empleada en producir fertilizantes y alrededor del 45% en procesos petroquímicos: refinado de aceites pesados, etc.

La producción limpia de Hidrógeno está basada en la utilización de agua y energías renovables en sustitución de las fósiles El Hidrógeno puede ser producido a gran escala y con éxito utilizando las energías alternativas a través, básicamente, de 3 vías diferentes, o por combinación de algunas o todas ellas:

• La vía electroquímica utiliza la energía eléctrica eólica y/o solar (fotovoltaica o de concen-tración) en un proceso electrolítico.

• La ruta foto-química / foto – biológica utiliza directamente la energía foto-solar en procesos fotoquímicos o fotobiológicos.

Figura 20. Conversión de Energía Solar a Combustible. Fuente: PSI


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• La vía termoquímica que utiliza el calor solar a altas temperaturas en procesos endotér-micos termoquímicos. La vía termoquímica ofrece algunas ventajas termodinámicas con implicaciones económicas directas. Cuanto mayor es la temperatura de reacción, mayor es la eficiencia de la energía de conversión, aunque también son mayores las pérdidas por re-radiación dentro de la cavidad solar receptora. Además es la que mayor eficiencia ener-gética presenta en comparación con las otras dos vías.

De manera resumida, el sistema global energético basado en Hidrógeno necesita de un electroli-zador, un sistema de almacenamiento de Hidrógeno y una pila de combustible o un motor de com-bustión interna que queme Hidrógeno.

un sistema completo de almacenamiento comprende los siguientes subsistemas que deberán con-siderarse a la hora de diseñar una instalación:

• La tecnología de almacenamiento

• El sistema de control de carga/descarga

• El sistema de conversión de potencia

• El resto de sistemas asociados que hacen que el sistema funcione

Las ventajas de estos sistemas son las siguientes:

• La alta densidad energética del Hidrógeno

• La posibilidad de implementar sistemas de un amplio rango de tamaños (de kW hasta varios MW)

• La velocidad de carga, de descarga y la capacidad de almacenamiento son variables inde-pendientes

• Construcción modular que permite la redimensión o reconfiguración de los sistemas

• Potencial de proveer de Hidrógeno a vehículos que funcionen con este combustible

• Características medioambientalmente positivas

Las desventajas son el elevado coste de los sistemas y una eficiencia global que ronda el 50%.

El informe World Energy Technology Outlook 2050 - H2, publicado por la Comisión Europea, pre-dice un escenario en el que la demanda de Hidrógeno en el 2050 será equivalente a 1 billón de toneladas de petróleo, y comenzará a ser importante a partir del 2030. La electrolisis del agua utilizando energía solar es un camino técnicamente viable para producir Hidrógeno. El costo actual del Hidrógeno producido por electrolisis utilizando energía eléctrica generada en una central solar de concentración asumiendo un coste eléctrico de 0,08 $/kWhe está en el rango de 0,15 0,20 $/kWh, o 6 – 8 $/kg por Kg de H2.

El Hidrógeno electrolítico es una alternativa prometedora para el almacenamiento a largo plazo de las energías renovables, en especial la eólica y la fotovoltaica. Actualmente se están realizando distintas experiencias pilotos con instalaciones autosuficientes de energías renovables basadas en almacenamiento de Hidrógeno. En dichas instalaciones el exceso de energía con respecto a la demanda es utilizado para producir Hidrógeno en un electrolizador, y cuando la demanda crece por encima de la producción, el Hidrógeno almacenado es utilizado en una celda de combustible para producir electricidad.

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La obtención de Hidrógeno a partir de agua mediante disociación térmica necesita una fuente de calor capaz de alcanzar los 2.200ºC y la aplicación de tecnologías de separación H2 – O2 efectivas, para evitar la formación de mezclas explosivas, habiéndose utilizado para esto con éxito membra-nas cerámicas a base de circonio.

Actualmente se están desarrollando otras tecnologías para la obtención de Hidrógeno basadas en el aprovechamiento de la energía solar térmica a muy altas temperaturas y reacciones redox, como son el ciclo Zn /ZnO, o el ciclo SnO / SnO2, mezclas de óxidos de Hierro con óxidos de otros metales como el óxido de Manganeso o el óxido de Cobalto. Otra tecnología también incluida en este grupo es la reducción carbotérmica de óxidos metálicos como óxidos de Hierro, Manganeso, Cinc, etc. La mayoría de estas tecnologías están actualmente en fase de desarrollo, con distintos grados de avance y aplicación.

Además, las energías alternativas pueden ser utilizadas en procesos de obtención de Hidrógeno convencionales pero en los que se sustituye (o se puede llegar a sustituir) la fuente de energía convencional utilizada por dichas energías alternativas. Entre estos procesos se pueden citar: la descarbonización de combustibles fósiles, el reformado de gas o la termólisis del H2S.

2.3.2 Baterías electroquímicas

Las baterías se pueden definir como un dispositivo electroquímico semi-reversible o un acumula-dor de energía eléctrica recargable. Su funcionamiento está basado en procesos químicos de oxidación-reducción y es el método más antiguo y más utilizado para el almacenamiento de energía eléctrica. Es un sistema de almacenamiento de energía utilizado desde hace tiempo (Volta, 1800) pero que para llegar a ser realmente efectivo es necesario todavía un largo camino de I+D a pesar de los progresos que se van rea-lizando. Para llegar a ser una opción viable es necesario utilizar baterías de gran capacidad como pueden ser las baterías de iones de litio actualmente utilizadas en or-denadores portátiles y móviles, que vienen a tener un coste de cientos de euros por kWh. El empleo de esta tecnología a gran escala reduciría muchos los costes, en su mayor parte debidos a consideraciones de seguridad relacionados con sus usos como dispositivos móviles.

Los principales inconvenientes que presentan estos sistemas de almacenamiento son sus costes, su volumen, sus ciclos de trabajo y su vida útil. Como ventajas se pueden citar su contribución a la reducción de los picos de la demanda eléctrica y la mejora y fiabilidad de su suministro.

A diferencia de las instalaciones de aire comprimido o las centrales de bombeo, las instalaciones de almacenamiento por baterías pueden estar situadas cerca de la carga.

Consisten en celdas que tienen una tensión de operación característica a una intensidad máxima. Configurándose en serie y paralelo se pueden obtener las tensiones y corrientes necesarias. Estos sistemas suelen tener un convertidor que:

Figura 21. Batería para Aplicaciones Fotovoltaicas Fuente: http://www.termosolar.com


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• Transforma la corriente continua en alterna

• Ajusta la tensión y la corriente para maximizar la potencia extraída

• Permite la conexión a la red eléctrica y el suministro de energía a ésta

Existen numerosos tipos de baterías que presentan diferentes estados de desarrollo que van desde tecnologías probadas y en explotación comercial, a tecnologías en desarrollo a escala de laborato-rio. Existen numerosos tipos de baterías, entre las que se pueden citar:

Baterías Plomo-ácido (su uso está restringido a pocas aplicaciones por ser altamente contaminantes),

• Baterías alcalinas (ferro-níquel)

• Baterías alcalinas de manganeso

• De níquel - cadmio

• Níquel – hidruro metálico

• Ión litio

• Polímeros de litio

• Sodio-Azufre, etc.

Durante décadas, Japón ha sido el líder del desarrollo de baterías de grandes tamaños, principal-mente las de sulfuro sódico (Na2S) desarrolladas por la empresa NGK Insulators Ltd., en colabora-ción con la TOKYO ELECTRIC POWER, teniendo instaladas en Japón mas de 200 MW de capacidad con esta tecnología y la canadiense VRB Power Systems tiene numerosas aplicaciones de alma-cenamiento de energía híbrida eólica – diesel en áreas remotas del norte de Canadá y en Alaska utilizando baterías de “flujo de vanadio” desarrolladas por ellos.

La siguiente tabla resume las características de algunas de estas baterías:

cArActErísticAs pLOMO ácidO NiQuEL cAdMiO

sOdiO/AZuFrE iON LitiO

sOdiO cLOrurO dE NíQuEL

Límite superior de potencia

Varias decenas de MW

Decenas de MW

MW Decenas de kWDecenas/pocas centenas de kW

Energía específica (Wh/kg)

35 a 50 75 150 a 240 150 a 200 125

Potencia específica (W/Kg)

75 a 300 150 a 300 90 a 230 200 a 315 130 a 160

Vida útil (ciclos) 500 a 1500 2500 2500 1000 a 100000 2500 +

Eficiencia carga/descarga

80% 70% Hasta 90% 95% 90%

Auto descarga 2-5% al mes 5-20% al mesPérdida parásita

1% al mes Pérdida parásita

tabla 6. Tipos de baterías y sus características.

A continuación se desarrolla en mayor detalle las distintas tipologías de baterías citadas.

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Baterías de plomo ácido

Sus principales características son:

• Bajo coste y alta fiabilidad. Son pesadas por lo que no son muy transportables. Por otro lado, es la tecnología más madura y la más disponible comercialmente

• Tienen una vida corta que se reduce si se descargan por debajo del 30%. Normalmente, se utilizan en Sistemas de Alimentación Ininterrumpida (SAI) y en instalaciones de gene-ración distribuida

• Necesidad de mantenimiento reducida aunque al calor puede reducir sensiblemente su vida que suele ser de 5 años

• Baja densidad energética, lo que supone un gran peso de los sistemas

• Funcionan peor a bajas temperaturas por lo que requieren un sistema de gestión térmico

• Ejemplos de aplicación:

- La instalación más grande se encuentra en Chino, California (40 MWh)

- Potencias entre 1-20 MW, energía entre 1,2-40 MWh

- Aplicaciones: reserva “rodante”, control de frecuencia, reducción de puntas de deman-da, seguridad de suministro, calidad de potencia, equilibrio de carga

La siguiente tabla muestra algunas instalaciones relevantes basada en baterías de Plomo.


Shin Kobe Japón 9,4 kWh Planta fotovoltaica 2002

Shin Kobe Japón 10,4 MWh Parque eólico de 16 MW 2010

Xtreme Power, HECO Hawaii(EE.uu.)

1.5 MW en parque eólico de 30 MW

Suavizado de rampa y recorte de picos en parque eólico

En constr.

Xtreme Power, DTE, Ford, A123Systems

Míchigan(EE.uu.)

750 kW / 2 MWh en planta PV de 500 kW

Regulación de frecuencia, respuesta a la demanda y control de potencia reactiva y del factor de potencia

En constr.

tabla 7. Instalaciones de volantes de baterías de plomo avanzado

Baterías de Niquel-cadmio (Nicd)


• Tecnología madura y robusta

• Mejor densidad energética que las anteriores

• Proceso de fabricación más caro que las de plomo-ácido

• El cadmio es tóxico, lo que puede provocar problemas medioambientales

• Pueden sufrir por el “efecto de memoria”: las baterías sólo se cargarán completamente, después de una serie de descargas completas. Esto puede ser compensado con una co-rrecta gestión del sistema


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• Necesitan poco mantenimiento. Se usan en aplicaciones que necesitan de una alta fiabili-dad: luces de emergencia, SAIs, telecomunicaciones, arranque de generadores, etc.

• Ejemplos de aplicación: Golden Valley, Fairbanks, Alaska. 27 MW durante 15 minutos, 40 MW durante 7 minutos y una potencia máxima de 46 MVA impuesta por el conversor. Se espera que realicen 100 descargas completas y 500 parciales durante la vida útil de 20 años del sistema

Baterías de sodio-Azufre (Nas)


• Presentan 2 voltios por pila

• La batería opera a 300-350 ºC. Necesita una fuente de calor y aislamiento térmico

• Mayor eficiencia electroquímica pero existe gasto térmico. No existe auto descarga y la eficiencia total alcanza valores del 90%. Tienen la posibilidad de dar una potencia pico seis veces mayor a su nominal (durante 30 segundos)

• Menor peso y dimensiones que una de plomo – ácido. Se utilizó en aplicaciones de vehí-culos eléctricos

• Se utiliza en aplicaciones que combinan la calidad de suministro y el suministro en puntas de tensión. En Japón hay más de 30 emplazamientos que utilizan este tipo de tecnología. En aplicaciones estacionarias han sido empleadas en Japón (TEPCO y NGK) en varias ins-talaciones (varios MW) y en EEuu (AEP) en una instalación de 100kW, para suministrar puntas de consumo y para calidad de suministro

• AEP instaló una batería de 1,2 MW de tipo NaS conectada a un alimentador de 12 kV que col-gaba de un transformador 46kV/12kV. Las baterías se comportaron de la siguiente manera:

- Se redujo la carga pico que soportaba el transformador en los días de máximo consu-mo, diminuyendo la temperatura del aceite y los puntos calientes. Esto puede provocar el aumento de la vida útil del transformador

- El factor de carga de la línea (relación entre la punta y la carga base) se incrementó del 75 al 80%

- En los meses de entretiempo, la batería no actuó prácticamente

- En invierno, las baterías se cargaban por la noche y durante el día se descargaban en el pico de consumo de la mañana y en el de la tarde

- Durante su primer año, la disponibilidad del sistema fue del 90%

- La eficiencia energética del sistema fue del 76%

- Se estima que con los precios de mercado, el sistema de baterías podría haber ahorra-do en los primeros 11 meses de funcionamiento unos 57.000 dólares

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NGK es el único fabricante de baterías NAS. Ha desarrollado una celda básica (T5) con la que se construyen los módulos de 50 kW y 360/430 kWh. Estos módulos están especialmente diseñados para regímenes de funcionamiento que puedan combinar aplicaciones de calidad de suministro con recorte de picos. El siguiente nivel jerárquico es el módulo NAS 20, que con 1MW – 7,2 MWh se puede considerar el punto de partida para las aplicaciones a gran escala.

La siguiente tabla muestra las instalaciones más representativas:


NGKGNB, TEPCO, Ohito Substation

Ohito(Japón)

6 MW / 48 MWh Recorte de picos 1999

NGK,American Electric Power, S&C Electric

Virginia Occidental 1

1.2 MW / 7.2 MWh Alimentación de emergencia, regulación de carga, recorte de picos yaplazamiento de inversiones en red

2006

Indiana 2 MW / 14.4 MWh

Virginia Occidental 2

2 MW / 14.4 MWh

Ohio (EE.uu.) 2 MW / 14.4 MWh

NGK Rokkasho(Japón)

34MW / 245 MWhen parque eólico de

51MW

Generación constante y ajustada a las previsiones

2008

NGK, ABB, DOE/NYSERDA, EPRI, Long Island Power Authority (LIPA),

Nueva York(EE.uu.)

1.2 MW / 7.2 MWh Recorte de picos, gestión de la demanda,energía de apoyo,black start y aplazamiento de inversiones en red

2009

NGKNRELS&C Electric Xcel Energy

Minnesota(EE.uu.)

1 MW / 7.2 MWh Arbitraje de energía,regulación de frecuencia,suavizado de rampa,integración de EE.RR.

2009

NGK Wakanai(Japón)

1.5MWEn planta PV de

5MW

Absorción de fluctuaciones de potencia y desplazamiento de generación

2009

tabla 8. Instalaciones de baterías NAS

Baterías de sodio cloruro de Níquel (ZEBrA)


• Es un sistema de alta temperatura

• Es capaz de operar entre -40ºC y 70ºC sin necesidad de refrigeración

• Comparada a las baterías NaS tiene las ventajas de que puede soportar una sobrecarga y descarga limitada, que es más segura y que tiene mayor tensión por batería. Sus desven-tajas son una menor densidad de potencia y energía


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• Aplicaciones: vehículos eléctricos, almacenamiento de renovables y equilibrio de carga en aplicaciones industriales.

Baterías de ion-Litio


• 175 Wh/kg y 20.000 ciclos

• Gran densidad de energía (300-400 kWh/m3, 130 kWh/ton)

• La alta eficiencia (cercana al 100%) y larga vida útil (3000 ciclos al 80% de descarga)

• El reto es conseguir utilizar esta tecnología en instalaciones de gran tamaño, pero la prin-cipal barrera es su alto coste (por encima de 410€/kWh), debido al empaquetado y a los circuitos internos de protección frente a la sobrecarga

Los dos fabricantes que están más implicados en el desarrollo de soluciones a gran escala son los siguientes:

• A123. Ha desarrollado un sistema modular, escalable y reconfigurable con la tecnología de nanofosfatos de hierro. Se trata de un módulo de 2MW-500kWh modular escalable y reconfigurable. Está formado por 18 racks, cada uno de los cuales es en sí un módulo de unos 110kW- 28kWh

• Altair Nanotechnologies ofrece un módulo de 1MW-250 kWh en tecnologías de titanato de litio. El fabricante indica que con esta base se puede escalar a niveles multiMW

Es importante destacar que en ambos casos se apuesta por configuraciones que pueden actuar has-ta 15 minutos a plena potencia, apuntando por tanto más a aplicaciones como regulación primaria que a aplicaciones de gestión de energía (con descarga de varias horas).

AEG Power Solutions propone una tecnología de celdas prismáticas de fosfatos de hierro. El bloque básico es un módulo de 4,1 kWh. El tiempo de respuesta es de 50ms y la eficiencia del 95%. La esperanza de vida es de 10 años, con un 96% de capacidad después de 2.000 ciclos al 100%.

La siguiente tabla indica las instalaciones más importantes y confirma la orientación de la aplicación hacia servicios auxiliares para la red.


A123 Systems, AES, Parker Hannifin

California (EE.uu)

2 MW Regulación de frecuencia y reserva de potencia

2008

A123 Systems, AES, Parker Hannifin, ABB

Desierto de Atacama(Chile)

16 MW Regulación de frecuencia y reserva rodante

A completar en 2011

Altair Nanotechnologies, AES (Indianapolis Power & Light)

Indianápolis(EE.uu.)

2 unidades de 1MW-15 min.

Regulación de frecuencia 2008(ya no opera)

Altair Nanotechnologies, AES, PJM Interconnection

(EE.uu.) 1MW-15 min. Regulación de frecuencia 2008

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City of Lancaster, BYD, KB Home

City of Lancaster / BYD Environmentally Friendly Prototype Home

1MW Gestión energética doméstica, integración solar

2010

EnerDel, Portland General Electric

Red Inteligente de Portland General Electric

5 unidades de 1 MW / 250

kWh cada una

Integración de EERR, equilibrado de picos, desplazamiento de carga, aislamiento, regulación de frecuencia, salvaguarda

2010

tabla 9. Instalaciones de baterías de Ion-Litio

Baterías de Metal-Aire


• Son las más compactas (alta densidad energética) y, potencialmente, las más baratas

• También son ambientalmente benignas

• La desventaja principal es que la recarga de estas baterías es difícil e ineficiente

• Tienen una vida útil de unos cientos de ciclos y una eficiencia del 50%

Para aumentar la eficiencia de los sistemas de baterías los futuros desarrollos deberían buscar mayores eficiencias de carga-descarga y una producción y transporte más eficiente de las mismas.

El impacto medioambiental de un sistema de baterías puede estar influenciado por su aplicación y las condiciones de uso. La elección de la tecnología de la batería debería estar condicionada por cada aplicación específica. En aplicaciones en las que es difícil recuperar las baterías al final de su vida útil, se deberá considerar con atención el posible impacto de los materiales tóxicos. Se debe considerar desde la etapa de diseño el reciclado de este tipo de sistemas al final de su vida útil.

Para disminuir el impacto ambiental de los sistemas de baterías, el desarrollo tecnológico debe ir encaminado hacia el reciclado de materiales, el incremento de la vida útil y el aumento de las densidades de energía. Se deberían utilizar materiales de uso común existentes en gran cantidad.

El factor que más influye en la rentabilidad de una inversión en este tipo de sistemas es la eficiencia carga-descarga y es especialmente importante para las baterías de ion Litio, Sodio Azufre así como en las baterías redox de Polisulfuro de Bromo, de Vanadio y de Zinc-Bromo tratadas a continuación.

2.3.3 sistemas de almacenamiento por baterías electroquímicas de flujo (Baterías redox)

En las Baterías de Flujo la energía y la potencia están separadas en el sistema. Las baterías pueden ser cargadas y descargadas completamente sin el problema que puede presentar el resto de bate-rías. Sin embargo y como desventajas, presentan densidades de energía y eficiencias más bajas, alrededor del 70%.


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Por otra parte, son baratas aunque utilizan soluciones químicas que pueden tener un impacto nega-tivo en el medioambiente. También se pueden instalar de manera distribuida en la red, en paralelo con las plantas de generación, provocando un retardo en el arranque de algunas centrales de pro-ducción cuando ocurre un incremento de la demanda.

Al igual que el resto de baterías electrolíticas, convierten la energía eléctrica en potencial químico por medio de reacciones electroquímicas reversibles entre dos soluciones electrolíticas.

Sin embargo, las baterías redox almacenan la energía en los electrolitos. Esto hace que los valores de potencia y energía sean independientes: la energía está determinada por la cantidad de electro-lito y la potencia por el área activa del stack de la pila.

Existen tres tipos principales de baterías redox y sus características están resumidas en la siguiente tabla.

cArActErísticAs VANAdiO ZiNc – BrOMO rEGENEsystM

Tamaño (MWh) 0,5 a 5 0,05 a 1 Hasta 120

Densidad de energía (Wh/litro) 16 a 33 Hasta 60

Eficiencia del ciclo (%) 78 a 80 65 a 75 60 a 75

Vida útil (ciclos) > 12000 > 2000

Vida útil (años) 5 a 10 5 a 10 15

tabla 10. Baterías Redox y sus características

características de las baterías redox de Vanadio:

• La tensión de la pila es 1,4-1,6 voltios. La eficiencia puede llegar a ser del 85%

• Aplicaciones industriales y para el sistema de potencia: mejora de la calidad de potencia, SAI, eliminación de puntas de demanda, mejora de la seguridad de suministro e integra-ción con renovables

• Su relativamente baja densidad de energía la hace más apropiada para soluciones esta-cionarias.

Empresas que la desarrollan: VRB Power Systems y SEI (Sumitomo Electric Industries).

Algunas instalaciones existentes: 250 kW x 2h; 500 kW x 10h; 3MW x 1,5 s – 1,5 MW x 1h. Apli-caciones: demostración, cubrir puntas de demanda, control de tensión de final de línea, instalación híbrida con eólica y diesel y con fotovoltaica, estabilización de la salida de una turbina eólica y SAIs.

SEI, en Japón, ha instalado un almacenamiento de este tipo de 500 kW y 10 horas de tiempo de descarga (5MWh). También se han utilizado para aplicaciones de calidad de suministro (3 MW, 1,5 s, SEI).

Las dos compañías líderes en tecnología VRB son:

prudent. Ofrece un módulo básico (VRB-ESS) de 40 kWh y 7 kW. A partir de este módulo se fabrica otro de 200 kW, que a su vez es escalable hasta alcanzar los 10 MW. La independencia de energía y potencia propia de esta tecnología permite diseñar y ampliar los sistemas con gran flexibilidad. La siguiente tabla indica las instalaciones más representativas:

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iNstALAcióN tAMAñO ApLicAcióN FEcHA

Kashima Kita PowerStation , Japón

200kW x 4h (800kWh) Nivelado de cargas 1996

Sumitomo DensetsuCo., Ltd. Japón

100 kW x 8h(800kWh)

Nivelado de cargas 2000

The Institute ofApplied Energy, Japón

170kW x 6h(1.02MWh)

Estabilización de aerogeneradores 2001

Tottori SANYOElectric Co., Ltd., Japón

1500kW x 1h (1,5MWh)Pulso de potencia:3000 kW x 1.5s

Calidad de suministro (huecos de tensión) y nivelado de cargas

2001

Obayashi Corp.(Dunlop GolfCourse) Japón

30kW x 8h(240kWh)

Almacenamiento para PV 2001

Horikappu PowerPlant,Hokkaido, Japón(NEDO Project)

170kWx6h(1.02MWh)

Supresión de fluctuaciones y gestión de la demanda

2001

Kwansei Gakuinuniversity, Japón

500kW x 10h(5MWh)

Recorte de picos 2001

CESI (CentroElettrotecnicoSperimentale Italiano),Italia

42kW x 2h(84kWh)

Recorte de picos 2001

King Island , Tasmania(Australia)

200kW x 4h (800kWh)Pulso de potencia:

400kW-10s

Supresión de fluctuaciones y gestión de la demanda

2003

Castley Valley,utah, EE.uu.(PacifiCorp Project)

250kW x 8h(2MWh)

Gestión de la demanda en zonas remotas

2004

Tomamae Wind Villa,Japón (Subaru Project)

4 MW x 1,5 h (6MWh)Pulso de potencia:

6MW-30s

Regulación de frecuencia y amortiguamiento de rampa eólica

2005

South Carolina AirNational Guard, EE.uu.

30 kW x 2h(60kWh)

Back-up 2005

Aalborg universtiy,Dinamarca

5kW x 4h(20kWh)

Aplicaciones solares y eólicas 2006

Risø NationalLaboratory, Dinamarca

15 kW x 8h(120 kWh)

Aplicación eólica 2007

Sorne Hill Windfarm,Donegal, Irlanda

2MW x 6h(12MWh)

Estabilización y almacenamiento para eólica

2007- ?

WinafriqueTechnologies, Kenya

Two 5kW x 4h(2x20kWh)

Estaciones de telecomunicaciones remotas

National ResearchCouncil of Canada

10 kWh Suministro en áreas remotas En proceso

tabla 11. Instalaciones de baterías de vanadio (Prudent)


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cellstrom. Sus productos son el CellCube FB10-100 (10 kW y 100 kWh) y el CellCube FB200-400 (200 kW y 400 kWh). La siguiente tabla indica las instalaciones más representativas, orientadas sobre todo a aplicaciones solares:

iNstALAcióN tAMAñO ApLicAcióN FEcHA

Perugia (Italia) 10 kW – 100 kWh(PV de 7,5 kWp)

Estación solar de recarga de vehículos eléctricos

-- 10 kW – 100 kWh(PV de 15 kWp)

Sustitución de generadores diesel por solar+VRB

tabla 12. Instalaciones de baterías de vanadio (Cellstrom)

características de las baterías de Zinc Bromo:

• 1,8 voltios por celda. La eficiencia neta de esta batería está sobre el 75%

• Aplicaciones en los proyectos de demostración: balance de carga y optimización de los sistemas renovables

• Tiempos de descarga: de segundos a varias horas

• Empresa que las fabrica y vende: ZBB Energy Corporation

• Módulos de 250 kW y 2h.

• Meidisha probó una batería de este tipo en Kyushu Electric Power Company (1MW/4MWh)

ZBB es el principal fabricante de baterías Zn-Br. Cuenta con un módulo básico de 50 kWh y 5 kW (ZESS-50) que se agrupa para formar un bloque mayor de 500 kWh y 250kW (ZESS 500).

ZBB ha construido varias instalaciones de hasta 2MWh en subestaciones y 500kWh en combinación con solar fotovoltaica, desatacando los siguientes emplazamientos:


ZBBDetroit Edison, Sandia, Satcon,

Míchigan(EE.uu.)

200 kW / 400 kWh Disminución de picos y desequilibrios de tensión

2001

ZBBAustralian Inland Energy

Nueva Gales del sur(Australia)

500 kWh en planta PV de 20 kW

Aporte de energía por la noche

2002

ZBBPowerLight Corporation

Nueva York(EE.uu.)

50 kW Disminución de picos, sistema de alimentación ininterrumpida y calidad eléctrica en planta PV

2004

ZBBPacific Gas and Electric Company

California(EE.uu.)

2 MW / 2 MWh Capacidad de potencia de pico

2005

tabla 13. Instalaciones de baterías de Zn-Br (ZBB)

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Otros fabricantes y equipos son:

• Premium Power: PowerBlock 150 (150 kWh - 100 kW)

• Premium Power: Transflow 2000 (2.800 kWh - 500 kW)

• Redflow Technologies: Power+BOS ZB600 (10 kWh – 5 kVA)

características de la batería de polisulfuro de Bromo (regenesys):

• Cada pila produce 1,5 voltios. La eficiencia neta de esta batería está sobre el 75%

• Aplicaciones: conexión a red (más de 5 MW)

• Instalaciones: 12 MWe/120 MWh. Se han realizado proyectos de demostración en el Reino unido: 120 MWh, 15 MW, en Innogy (Little Barford Power Station)

• El consumo de las bombas en las baterías Redox puede hacer que la eficiencia total dismi-nuya en un 3%. Por otro lado, los inversores tienen rendimientos menores que los transfor-madores, además de un precio mayor. Las pérdidas asociadas a la conversión de potencia son al menos de un 4% y pueden ser bastante mayores dependiendo de las condiciones de carga

2.4 Otros sistemas

2.4.1 campos Magnéticos de superconductores (sMEs).

Los sistemas SMES almacenan energía en el campo magnético creado por una corriente que fluye a través de una bobina de material superconductor que debe ser enfriado criogénicamente por debajo de su temperatura crítica Tc.

La energía almacenada es igual a 10,5 * L * I2, donde:

• L= Inductancia de la bobina

• I= Corriente de la bobina

Los elementos básicos que forman un sistema SMES son los siguientes:

• Bobina superconductora que puede estar formada por:

- Sistema LTS (superconductor a baja temperatura)

- Sistema HTS (superconductor a alta temperatura)

• Sistema de acondicionamiento de potencia

- Transformadores

- Convertidores

• Sistema de refrigeración

- Refrigerador criogénico

- Vasija de vacío criogénica


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La siguiente figura ilustra de forma esquemática la arquitectura de un sistema SMES.

Figura 22. Esquema conceptual del almacenamiento SMES

El comportamiento dinámico de un sistema SMES es mejor que el de los otros tipos de almacena-miento. Los sistemas SMES son más rápidos y más eficientes en su acceso a la energía almacenada y tienen menores tiempos de respuesta. Por otro lado, la operación del sistema y la vida útil no está influenciada por el número de ciclos o por la profundidad de las descargas. La eficiencia total es mayor al 90% y no tiene partes móviles.

Su principal campo de aplicación es la mejora de la calidad de suministro cubriendo eventos de corta duración. La potencia de los equipos se encuentra entre 0,3 – 3 MW con una duración de 1 a 60 segundos y una energía de 0,3 a 180 MJ. Puede utilizarse para suavizar pequeñas variaciones rápidas de carga.

una de sus principales desventajas es su precio. Se espera que con la evolución de la tecnología, su precio disminuya. Además, existen otros problemas relacionados con la estabilidad de la bobina superconductora ya que la superconductividad es muy sensible a las variaciones de temperatura, de densidad de corriente y de campo magnético crítico. Los grandes campos magnéticos generados podrían ser objeto de discusión en el desde el punto de vista medioambiental. Otro aspecto negati-vo a tener en cuenta es la alta potencia de refrigeración necesaria para conseguir las temperaturas que hacen a los materiales superconductores.

Las pérdidas y el coste por kW o kWh son muy altos comparadas con el resto de tecnologías.

Se pueden instalar de manera distribuida por la red para responder a los transitorios de potencia. Responderían instantáneamente limitando el incremento de pérdidas en la red tras la punta de demanda y protegiendo a la red frente a un colapso de tensión.

Las principales instalaciones se encuentran en Estados unidos donde existen del orden de unas 30 instalaciones que suponen en conjunto del orden de 50 MW de capacidad, dedicados a calidad de suministro y a Sistemas de Alimentación Ininterrumpida.

La instalación más grande está en Wisconsin (6 unidades móviles de 3 MW y 0,83 kWh, sistema DSMES de GE-American Superconductor) que se utilizan para calidad de suministro y para com-pensación de potencia reactiva.

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A continuación se incluye una relación de las instalaciones más representativas:


American Superconductor Northern Wisconsin (EE.uu.)

6 unidades 3 MW y 0,83 kWh

Calidad de suministro y para compensación de potencia reactiva

2000

American Superconductor Reedsburg(EE.uu.)

Estabilidad de la tensión de transmisión

2000

American Superconductor North Texas(EE.uu.)

Estabilidad de tensión 2002

Chubu Electric Power Company y Toshiba

10MVA Compensación de las caídas de tensión en la red de suministro eléctrico en una fábrica de paneles LED

2003

tabla 14. Instalaciones de SMES

2.4.2 condensadores electroquímicos

Tienen componentes tanto de una batería como de un condensador. La tensión está limitada a unos pocos voltios. La energía es almacenada por iones pero, como un condensador convencional, no tiene lugar ninguna reacción química para suministrarla.

Se han utilizado en sistemas de pequeño tamaño y se piensa que para las aplicaciones de red su tamaño rondará los 250 kW.

2.4.3 ultracondensadores

Este nuevo sistema está en fase de investigación y su obje-tivo es utilizar tecnología a escala molecular para construir ultracondensadores o el empleo de bobinas superconducto-ras para almacenar indefinidamente la corriente circulante. El Laboratorio del MIT (Massachusetts Institute of Technolo-gy) para Sistemas Electromagnéticos y Electrónicos (LEES) está usando nanoestructuras tubulares (nanotubos de carbo-no, de una capa y alineados verticalmente) para mejorarlos, habiendo conseguido superar así las limitaciones físicas que presentaban hasta ahora los ultracondensadores.

Los condensadores guardan la energía como un campo eléc-trico, haciéndolos más eficaces que las baterías normales. Los ultracondensadores son celdas de almacenamiento basa-das en los condensadores que empezaron a ser desarrollados en los años 60 del siglo pasado, aunque solo recientemente han sido estudiados más profundamente debido a las limitaciones físicas que presentan.

Figura 23. Ejemplo de ultracondensador. Fuente: http://www.electronicapascual.com


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Aplicando una corriente una tensión de continua, se consigue almacenar energía en el campo eléc-trico del condensador. Se necesita un inversor reversible para su aplicación en sistemas de corriente alterna.

Figura 24. Arquitectura de componentes de un ultracondensador

Tienen una vida útil ilimitada en teoría, rápida carga y descarga, y una corriente de pérdidas peque-ña, así como estabilidad para operar en un amplio rango de temperaturas. Su principal desventaja es que no tienen altas densidades de energía. Son condensadores de alta capacidad (más de 5 F/cm2).

Tienen una densidad de energía volumétrica alta, 20 - 70 MJ/m3. La velocidad de carga es alta 60-80% en 30-60 segundos. Pueden utilizarse juntamente a las baterías (aplicaciones de ignición, iluminación, arranque de vehículos, balance de carga en telecomunicaciones, coche eléctrico…). Son capaces de suministrar una gran potencia durante un corto periodo.

La capacidad de almacenamiento en un ultracondensador es proporcional al área de la superficie de los electrodos. Los ultracondensadores de hoy usan electrodos hechos de carbono activado, que es extremadamente poroso y por consiguiente tiene un área de superficie muy grande. Sin embargo, los poros en el carbono son irregulares en tamaño y forma, lo que reduce la eficiencia. Los nano-tubos del ultracondensador del LEES tienen una forma regular, y un tamaño que es sólo de varios diámetros atómicos de ancho. El resultado es un área de superficie significativamente más eficaz, con un incremento comparativo en la capacidad de almacenamiento.

Además, los nuevos ultracondensadores reforzados con nanotubos se podrían fabricar en cualquie-ra de los tamaños actualmente disponibles, y producirse usando tecnología convencional.

Dentro de este tipo de tecnologías de almacenamiento actualmente se está investigando sobre un nuevo material, el grafeno, con el que se espera duplicar la capacidad de almacenamiento en rela-ción con los materiales existentes.

Las instalaciones de ultracapacidades a gran escala son aún muy escasas. A continuación se indica la instalación más representativa:


Maxwell, HECO y S&C Electric Company

Hawaii(EE.uu.)

500 kW 7 seg.

Estabilización de generación eólica

2006

tabla 15. Instalaciones de ultracapacidades

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Sin embargo, se vislumbran como una adecuada opción de almacenamiento en instalaciones de aprovechamiento de Energías Renovables:

• Energía eólica. Aparecen dos aplicaciones principales. En primer lugar los ultraconden-sadores proporcionan una alta fiabilidad y bajo mantenimiento frente a las baterías para el almacenamiento de energía en los sistemas de orientación de pala de los aerogenera-dores. Estos ultracondensadores se utilizan como almacenamiento energético de respaldo y entrega de energía en modelos de aerogeneradores con generación desde 300 kW a 6 MW. Cada turbina puede incorporar desde 200 a 700 ultracondensadores para respaldo de energía. Estos ultracondensadores van desde los 350F para pequeños aerogeneradores a los 3.000F para grandes aerogeneradores en rangos de MW.

La segunda aplicación es la de actuar como un buffer entre el parque eólico y la red per-mitiendo una mayor estabilidad en el control de la tensión durante los cambios repentinos del viento.

• Energía marina. En la energía undimotriz aparece la misma necesidad de almacenar tem-poralmente energía para homogeneizar los transitorios de tensión antes de su entrega a la red. El ultracondensador actúa como un estabilizador Zener que evite los desniveles que se generan al paso de cada ola. Mientas parte de la energía va directamente a la red, otra par-te es capturada y almacenado por el ultracondensador para mantener constante la energía de salida. El sistema puede ser ajustado para hacerlo coincidir con la acción de las olas.

• Energía solar. Los ultracondensadores se utilizan principalmente en el almacenamiento de energía durante el día y su descarga durante la noche. Aunque su relativamente escasa densidad energética parece no hacerles la solución más adecuada para esta función, su fiabilidad y su larga vida útil les ha proporcionado un nicho de aplicación interesante en este ámbito.

En las experiencias abordadas (paradas de autobús rurales con captación fotovoltaica y con paneles informativos y luz led, por ejemplo) los sistemas de ultracondensadores son capaces de proporcionar cuatro horas de funcionamiento continuo.

Otras aplicaciones utilizan ultracondensadores, células solares y baterías para la alimenta-ción de boyas de medida de onda de energía ubicadas en el mar. Los ultracondensadores están permitiendo una vida más larga de las baterías que venían siendo utilizadas como el único dispositivo de almacenamiento.

2.4.4 Gestión de cargas en las redes inteligentes

Aunque de distinta naturaleza que los medios de almacenamiento anteriormente considerados, el concepto de Red Inteligente que se está actualmente gestando, incluye ciertas capacidades que pueden considerarse equiparables a las de almacenamiento en cuanto a lo que supone equilibrar los desajustes entre la generación y el consumo de energía.

Las prestaciones asociadas a la integración de las fuentes de “Generación Distribuida” (especial-mente las provenientes de las fuentes de energías renovables), integración materializado en las denominadas Microrredes, y a la “Gestión de la Demanda” (permitiendo supervisar y controlar el consumo de las cargas conectadas a la red eléctrica, especialmente aquellas cargas con ciertas


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capacidades de almacenamiento), hacen que la Red Inteligente pueda considerarse como un gran recurso de almacenamiento virtual de inmensa capacidad y extremadamente flexible.

Las microrredes constituyen el elemento agregador e integrador de fuentes de energía de ámbito local que permiten configurar áreas geográficas autoabastecidas sin necesidad de conectarse a la red principal, pero que pueden hacerlo cuando lo necesiten. Estas microrredes disponen de la inte-ligencia necesaria para, por ejemplo, maximizar el uso de las fuentes de energía renovable o armo-nizarlo con el de la red principal de forma que se mantenga el equilibrio energético, tanto técnico como socioeconómico, entre la red principal, las fuentes de energía complementarias y los puntos de consumo energético. En este sentido, la función de equilibrio generación-consumo de las micro-rredes es similar a la realizada por los mecanismos de almacenamiento descritos anteriormente.

La figura a continuación muestra la arquitectura global del escenario de microrredes que está sien-do definido en DERlab (European Distributed Energy Resources Laboratories e.V., agrupación de laboratorios Europeos en el ámbito de la Generación Distribuida, establecido en 2008 y financiado inicialmente como Red de Excelencia por la Comunidad Europea).

Figura 25. Arquitectura general de la Microrred definida en el proyecto DERlaab.

(Fuente: Proyecto DERlab- SES6-CT-2005-518299).

El otro ámbito de actuación de las Redes Inteligentes es el de la Gestión de la Demanda, en cuanto al establecimiento, supervisión y control de perfiles de consumo de las cargas de la red.

Igualmente en estado inicial de su desarrollo, la idea consiste en que cuando se supere la deman-da con respecto de la disponibilidad de electricidad en la red, la propia red sea capaz de efectuar microcortes en dispositivos domésticos (acondicionadores, frigoríficos, etc.), imperceptibles para el usuario, pero suficientes para reducir la demanda a límites aceptables o derivarla a momentos en los que, por ejemplo, la tarifa energética sea más conveniente. Además, estas redes inteligentes

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deberán ser capaces de interactuar con los sistemas de almacenamiento, e intercambiar energía entre emplazamientos vecinos para mantener la situación de equilibrio.

Sin embargo la gestión de la demanda presenta dos ámbitos de actuación relevantes desde el punto de vista del almacenamiento:

1. Al igual que en la integración de la Gestión Distribuida, equilibrar la generación y el con-sumo mediante la activación-desactivación de las cargas, bien de forma programada o en tiempo real, en función de los criterios que se consideren (estabilidad de la red, maximiza-ción el empleo de energías renovables, rentabilidad económica, impacto medioambiental, etc.).

2. Gestionar aquellas cargas con capacidad de almacenamiento ya con criterios globales de red y no de forma individual desde un punto de generación o consumo disponiendo así de una especia de capacidad de almacenamiento virtual que la red puede gestionar de la manera más adecuada. Esto es especialmente relevante y de un gran potencial, en el caso del Vehículo Eléctrico y su capacidad de almacenamiento y vertido de energía, tanto por el número potencial de unidades existentes como por su movilidad. El vehículo eléctrico puede suponer un recurso de almacenamiento distribuido inmensamente capaz y flexible que se espera sea el principal artífice del equilibrio entre la generación y el consumo y la priorización en el uso de las energías renovables.

Figura 26. Integración del Vehículo Eléctrico en la red Inteligente. Fuente: Experiencia EV-ON,Box, Tecnalia.


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3. Materiales

El sector energético es un área donde los materiales juegan y seguirán jugando, un papel fun-damental para dar solución a las necesidades del futuro, tanto desde la perspectiva de agentes activos en el tratamiento de la energía como desde la fabricación, instalación y operación de las infraestructuras soporte.

El crecimiento de la importancia del medio ambiente en la generación de energía, su conservación, su almacenamiento y la seguridad de suministro son los principales escollos que la tecnología de materiales debe resolver. La alta prioridad del sector energético hace que sea igualmente importan-te continuar con la investigación, desarrollo y modelado de materiales para aplicaciones energéticas que contribuyan a una producción y un uso de energía sostenible, pero al mismo tiempo cumplien-do con los objetivos socioeconómicos y medioambientales que se propugnan principalmente desde la unión Europea en su política “202020”.

En relación con la utilización de nuevos materiales en el campo de la energía, existe actualmente una amplia gama de temas en los que se está trabajando, destacando:

El desarrollo de nuevos materiales que puedan sustituir a los actuales, como por ejemplo la sus-titución de Silicio en los paneles solares por Germanio (semiconductor mucho más eficiente pero que debido a las dificultades para ser cortados y a su precio solo son utilizados en ámbitos muy restringidos como por ejemplo la NASA).

La mejora de la transmisión de calor o electricidad en fluidos energéticos o materiales superconduc-tores mediante la aplicación de nanotecnologías o la utilización de materiales de cambio de fase, tecnologías ambas que actualmente están siendo objeto de numerosas investigaciones.

Otro campo en los que los nuevos materiales tienen especial importancia es en el del almacena-miento de la energía, y dentro de este campo destacan las nuevas baterías como las de Cinc – Aire o Litio – Azufre que en el futuro quizás puedan sustituir ventajosamente a las de ión Litio actuales. Dentro de este campo igualmente hay que destacar los desarrollos sobre condensadores basados en polímeros ferroeléctricos que presentan una mayor capacidad de almacenamiento y son mucho más ligeros que los actuales basados en materiales cerámicos.

Existen otras áreas donde la relación de la energía con estos nuevos materiales tiene especial relevancia, como es el caso de los materiales de construcción donde los nuevos materiales utilizados en aislamientos, la mejora de la eficiencia energética, la integración de componentes energéticos activos, como células fotovoltaicas, y en general, en la arquitectura bioclimática adquieren cada día una mayor importancia.

Esta diversidad de materiales es muy importante para optimizar la captación de la luz del Sol, la captura de energía desde gradientes de temperatura cada vez menores, para el almacenamiento de esta energía de diversa naturaleza (eléctrica, térmica, mecánica, cinética) y para su transporte cada vez más rápido y ligero. Los materiales son, cada vez más, una variable clave en cada tec-nología energética y los escenarios futuros aseguran un incremento seguro de la demanda de las prestaciones extremas de estos materiales con respecto a esfuerzos, tensiones, temperatura, pre-sión, reactividad química, radiación y campos magnéticos o eléctricos.

En los apartados a continuación, el estudio se ha centrado en los materiales activos desde el punto de vista energético destacando dos tipologías:

• Los Materiales de Cambio de Fase (Phase Change Materials – PCM), actualmente en pleno auge por su relevancia como acumulador o transmisor de energía térmica.

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• Los nanomateriales, que están permitiendo una drástica mejora en el comportamiento térmico, eléctrico mecánico, etc. tanto de los existentes como de los nuevos materiales que conforman los sistemas energéticos.

Como tercera tipología podría considerarse la de los materiales composites empleados en energía principalmente para el almacenamiento de la misma. Los materiales compuestos (composites), como el Grafito o la Fibra de Vidrio, están hechos de dos o más materiales que se combinan de forma que el material resultante supera las características de sus componentes. Estos materiales presentan la ven-taja de que la fortaleza de sus diferentes materiales se refuerzan unos con otros para ser capaces de resistir impactos y solicitaciones extremas de su entorno. En otros Composites, la mezcla de materiales seleccionados interaccionan entre ellos químicamente de una manera sinérgica para producir otras pro-piedades funcionalidades deseables. En este sentido, la próxima generación de baterías y tecnología de almacenamiento de energía está basada en este segmento de la ciencia de los materiales.

3.1 Materiales de cambio de Fase (pcM)

Los Materiales de Cambio de Fase, conocidos por sus siglas en inglés (PCM) se asocian generalmen-te a las sales térmicas, componente importante en los sistemas solares térmicos de gran capacidad. Son materiales capaces de almacenar energía latente y utilizan la energía química de enlace para almacenar y liberar energía.

La transferencia de energía térmica ocurre cuando el material cambia de sólido a líquido, o de líqui-do a sólido, a lo cual se denomina cambio de estado o de fase. El hielo cambia de fase cuando se calienta a 0ºC y se convierte en agua, el hielo es un excelente PCM. Absorbe una gran cantidad de calor en el proceso de cambio de sólido a líquido y como resultado, enfría el entorno.

Pero cuando se requiere esto a otras temperaturas distintas de 0ºC hay que recurrir a otro tipo de materiales que presenten igualmente esta propiedad. un ejemplo es el de las sales térmicas que liberan el calor latente en un amplio rango de temperaturas, que van desde por debajo de cero hasta varios cientos de grados. Este requerimiento de “calor bajo demanda” puede ser satisfecho por PCM que trabajen a las temperaturas especificadas. Para que un determinado material pueda ser utilizado como PCM debe presentar determinadas propiedades como son:

• Tener un punto de fusión dentro del rango deseado de temperatura

• Tener un alto calor de fusión que reduzca el volumen de almacenamiento y la demanda de material

• Presentar cambios de volumen pequeños durante la fase de transición

• Actuar a presiones de vapor bajas

• Permanecer siendo homogéneos cuando se utilicen mezclas de distintos materiales

Los PCM, dada su gran capacidad de almacenamiento de calor en un reducido volumen, presentan un gran interés en el campo de la eficiencia energética térmica, en aplicaciones tales como la construcción, climatización y en la generación de electricidad, en particular cuando se trata de energías renovables o residuales, muy impredecibles en el tiempo. Los PCM a emplear requieren que sean estables en el tiempo y con los ciclos, de bajo costo y sin problemas secundarios de manipulación y riesgos persona-les, pero implicando gran cantidad de energía a la temperatura deseada. Es de esperar que con un uso generalizado de los PCM se pueda disponer de más materiales y a precios más competitivos.


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Dentro de este tipo de materiales existen 2 tipos de familias diferentes:

• pcM Orgánicos. Los PCM orgánicos más habituales son compuestos alifáticos (parafinas) y, normalmente su rango de temperaturas de funcionamiento son temperaturas no muy elevadas aunque presentan un amplio rango de puntos de fusión. Son materiales caros, tienen calores latentes medios, baja densidad y son combustibles.

• pcM inorgánicos. Los PCM inorgánicos más habituales son materiales basados en sales inorgánicas hidratadas, como el sulfato sódico decahidratado, Na2SO4●10 H2O (sales de Glaubert) o similares como Na2HPO4●12 H2O o CaCl2●6 H2O, mezclas de sales inorgánicas, sus disoluciones y sales eutécticas (mezcla de Na2SO4●10 H2O NaCl y Na2SO4●10 H2O KCl) .

Las sales hidratadas son compuestos cristalinos cuya fórmula general es S●nH2O, donde S es la sal anhidra, y que presentan distintas formas hidratadas o anhídridas que provocan la estratificación del material y la pérdida del poder de recuperación del calor latente con el tiempo. Además, presentan cierta tendencia al sub-enfriamiento por lo que son añadidos a otros compuestos para poder soportan más o menos 100 ciclos, pero no se conocen las causas por las que ocurre la degradación y el sub-enfriamiento.

uno de los tipos de PCM inorgánicos utilizados son mezclas de sales inorgánicas, baratas, algunas de las cuales necesitan un volumen hasta 100 veces menor que el agua para dar la misma potencia. Presentan como inconvenientes que necesitan sistemas de intercambio de calor más complejos, tanques de almacenamiento resistentes a la corrosión, etc. Estos PCM igualmente tienen aplicaciones para la modificación de las propiedades de los fluidos térmicos mediante la adición de PCM microencapsulados.

Los materiales de cambio de fase (MCF – PCM) son muy versátiles y pueden ser utilizados tanto para el almacenamiento de energía como para el aislamiento en edificación. El almacenamiento se puede llevar a cabo a través de:

• Elementos de suelo con PCM: la calefacción de suelo hace que estos materiales almacenen calor. Cuando la calefacción se apaga el calor se liberado paulatinamente.

• Tanque de agua caliente latente: el material PCM se sitúa dentro del depósito y está en contacto directo con el agua. De esta forma se aumenta la capacidad de almacenamiento térmico del tanque con lo que el volumen del almacenamiento podría disminuir.

• Espacios de aire con PCM: un recipiente lleno de PCM transforma la temperatura del aire que entra al mismo desde el exterior. El PCM se puede calentar bien por gases de escape de una máquina o por agua calentada mediante instalaciones solares, por ejemplo. Este sistema podría ser utilizado como una unidad de precalentamiento en edificios grandes de oficinas, en las que el coste pueda ser asumible y rentable.

• Aislamiento con PCM: se puede incrementar el nivel de almacenamiento térmico de una pared por medio de la utilización de materiales de cambio de fase. una de las aplicaciones es proteger las casas de las temperaturas altas en verano ya que hay materiales con tem-peraturas de fusión cercanas a los 26ºC. un problema puede ser que para que la tempera-tura del PCM se incremente la temperatura de la habitación debería ser mucho mayor (por las pérdidas de la conducción térmica), por lo que podría ser necesario calentar la pared.

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3.2 Nanomateriales

Los aportes de la nanotecnología parecen ser inacabables, ya que está abriendo nuevos mundos donde los materiales se comportan de forma diferente a la habitual cuando son llevados a escala de una billonésima parte del metro (nanómetro). La investigación e innovación en materia de energía, entre las renovables, la solar principalmente, está sacando un gran provecho de ello.

A continuación se exponen algunos campos de aplicación más relevantes de los nanomateriales en el dominio de la energía.

EnergíaFotovoltaica

En el caso de la energía solar, la limitación teórica de las células solares tiene que ver con la cantidad muy variable de energía de que disponen los fotones de la luz solar y que varía en función del color de la luz. Sin importar la energía de los fotones entrantes, las células solares sólo pueden convertir un fotón en un electrón con una cantidad definida de energía, perdiéndose toda la energía extra en forma de calor. Los nanomateriales pueden ayudar a las células solares a convertir más luz solar en electricidad.

Aunque los investigadores han continuado aumentando la cantidad de electricidad que las células solares pueden producir, se enfrentan a límites fundamentales de la física involucrada en la conver-sión de fotones a electrones en los materiales semiconductores.

La universidad de Wyoming ha desarrollado nanomateriales a los que ha denominado “puntos cuánticos” que pueden hacer posible exceder estos límites y conseguir células solares ultra eficien-tes. Estos puntos cuánticos debido a las propiedades electrónicas inusuales que presentan pueden llegar a convertir parte de la energía extra en electrones, incrementado así hasta un 50% la eficien-cia máxima teórica de las celdas solares.

El avance clave llevado a cabo por esta Universidad ha sido modificar la química superficial de los puntos cuánticos (sulfuro de plomo) y del electrodo cristalino de dióxido de titanio al que están fijados, creando así un fuerte vínculo que permite a los electrones escapar de estos puntos a velo-cidades nunca alcanzadas, además de ser más eficaces en la generación de electrones adicionales, cerca de 3 veces más para algunas longitudes de onda de la luz.

Otra de las investigaciones realizadas en este campo (en este caso por la universidad de Stanford) ha sido el desarrollo de células solares ultradelgadas que pueden absorber la luz solar de forma mucho más eficiente que las células más gruesas, caras y realizadas a base de silicio. La clave re-side en que la luz se comporta de manera diferente a escalas cercanas al nanómetro y al combinar diferentes capas delgadas de filmes de polímeros orgánicos se absorbe 10 veces más luz de lo es-perado, debido a que se consigue retener la luz dentro de la celda solar más tiempo, y cuanto más tiempo permanezca el fotón rebotando en la célula, más energía puede obtenerse. un factor clave para conseguir esto es la utilización de materiales ásperos.

Energía térmica

Otra de las aplicaciones dentro de este campo son los nanofluidos (fluidos a los que se les ha aña-dido algún nano material) cuya principal ventaja es el incremento que presentan su conductividad térmica, la transferencia de calor y el flujo crítico de calor de dichos fluidos.

De esta forma, se trata de alcanzar las características térmicas de los materiales sólidos, en cuanto a su elevado índice de transmisión de calor, pero con las ventajas de materiales fluidos, que pueden


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hacerse circular, lo que supondría un importante avance y mejora especialmente en los sistemas de refrigeración de grandes centrales nucleares o térmicas.

Los experimentos iniciales con estos nanofluidos, o suspensiones de diminutas partículas nanomé-tricas, fueron muy prometedores. La presencia de nanopartículas parecía incrementar la conducti-vidad térmica (una medida de la capacidad para absorber el calor) en varios órdenes de magnitud, superior a lo predicho por la teoría de la conducción térmica conocida como la Teoría de Maxwell.

En años recientes, se ofrecieron varias nuevas teorías para explicar esta conducta anómala. Entre ellas, la teoría de la «microconvección» que predijo un asombroso incremento de varios órdenes de magnitud en la conductividad térmica del fluido agregando sólo ligeras nanopartículas de menos de diez nanómetros de diámetro.

En este línea cabe citar el proyecto europeo Nanohex-Enhanced Nano-Fluid Heat Exchange (Eu Pro-ject: HENIX Ref:228882), el cuál estudia la mejora en estos líquidos de aplicación industrial gracias a la acción de las nanopartículas.

superconducción

Una de las manifestaciones sorprendentes de la superconductividad es que este «flujo ordenado de parejas» que la posibilitan puede propagarse a través de un medio que no es superconductor como puede ser el formado por nanotubos de carbono. El fenómeno fue descubierto por Brian David Jose-phson en 1962, quien mostró que los pares de electrones pueden atravesar sin resistencia una capa aislante entre dos superconductores, algo imposible para los electrones individuales. Los nanotubos de carbono no son intrínsecamente superconductores pero sí pueden conducir una supercorriente cuando se los conecta a electrodos superconductores.

Los nanotubos superconductores se podrían utilizar para el estudio de efectos cuánticos funda-mentales en una dimensión, así como para la búsqueda de aplicaciones prácticas en la informática cuántica molecular. Esto es debido a que pueden actuar como “conductores cuánticos”, es decir, si se representa el voltaje, o diferencia de potencial frente a la intensidad de corriente no se obtiene una línea recta, sino escalonada.

Estas estructuras podrían tener multitud de propiedades eléctricas. Con respecto a la capacidad para transportar corriente, se sabe que puede llegar a cantidades de, aproximadamente, mil millo-nes de Amperios por cm2, mientras que los alambres de cobre convencionales se funden al llegar a densidades de corriente del orden del millón de A/cm2. Conviene precisar que todas estas propie-dades no dependen del largo del tubo, a diferencia de lo que ocurre en los cables de uso cotidiano, por lo que podrían resolverse en gran medida el problema de las pérdidas energéticas debidas al transporte, en este caso, de la energía eléctrica.

Almacenamiento de Hidrógeno

El Hidrógeno, como se mostró en el apartado 2.3. Almacenamiento químico, es considerado una alternativa prometedora a los combustibles fósiles. Sin embargo su desarrollo se ve frenado debido a las dificultades que presenta encontrar vías seguras de almacenamiento de dicho gas.

Recientemente, las investigaciones se han centrado en el almacenamiento de Hidrógeno en sólidos, buscando el almacenamiento de grandes cantidades en volúmenes más pequeños y con una baja reactividad. Sin embargo, la mayoría de estos sólidos sólo puede absorber una pequeña cantidad de Hidrógeno y requieren calor o frío extremo para incrementar su eficiencia energética.

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Científicos del Lawrence Berkeley National Laboratory han diseñado un nuevo material compuesto para el almacenamiento de Hidrógeno, formado por nanopartículas de magnesio dispersadas en una matriz polimérica de polimetil metacrilato aportando una gran flexibilidad. Este nanocompuesto absorbe y libera rápidamente el Hidrógeno a temperaturas moderadas sin oxidar el metal, lo que lo convierte en un material ideal para su aplicación en almacenamiento de Hidrógeno, en baterías y en pilas de combustible.

Esta investigación ha sido publicada en la revista Nature Materials con el título “Air-stable magnesium nanocomposites provide rapid and high-capacity hydrogen storage without using heavy-metal catalysts”.

4. Necesidades de i+d+i

un punto a resaltar es que toda apuesta estratégica, sostenible a medio y largo plazo, tiene que basarse en la capacidad innovadora y el posicionamiento tecnológico. En el caso de las energías re-novables los 3 grandes objetivos, generales, de la I+D+i son: la mejora de la calidad de la energía producida, el incremento de la disponibilidad y la reducción de costes.

un área directamente relacionada con los 3 grandes objetivos indicados en el párrafo anterior, es sin duda ninguna el almacenamiento de energía, del que se puede decir que es el gran reto del futuro del sector eléctrico, y a la vez, una gran oportunidad. Encontrar una solución viable técnica y económicamente a este reto de futuro, es uno de los grandes campos de la I+D+i en el campo de las energías renovables.

El tema de la energía es la quinta prioridad del Programa de Cooperación del VII Programa Marco con un presupuesto global para el periodo 2007 – 2013 de 2.300 M€, con el objetivo de adaptar el sistema energético actual en uno más sostenible con menor dependencia de los combustibles importados y basados en la diversificación de fuentes energéticas, particularmente renovables y no contaminantes, otorgando especial importancia a temas de eficiencia energética, incluido el uso racional y el almacenamiento de energía. Asimismo se abordan retos como la seguridad de sumi-nistro y el cambio climático, a la vez que incrementa la competitividad de las industrias europeas.

Las acciones de I+D+i se estructuran en torno a los siguientes temas:

• Mejora de la eficiencia energética a lo largo de todo el sistema energético

• Aceleración de la introducción de las fuentes de energías renovables

• Descarbonización de la generación energética; aplicación al transporte

• Reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero

• Diversificación de las fuentes de energía europeas

• Incremento de la competitividad de la industria europea, incluyendo una menor implicación de PYMES

un área de trabajo que afecta a todas las áreas relacionadas con las energías renovables es el caso de los nuevos materiales para la energía, en el que existen algunos temas de futuro que deberán seguir siendo desarrollados en los próximos años hasta conseguir poder ser aplicados. Entre ellos destaca el desarrollo de alternativas en fluidos calo-portadores-almacenamiento:

1. Materiales metálicos encapsulados. El metal es entendido como material de cambio de fase en esta aplicación. La idea es la producción de esferas metálicas y recubrirlas con un


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material adecuado, de manera que pueda obtenerse cápsulas. En función de la temperatu-ra deseada del fluido caloportador, se emplearán metales que presenten el cambio de fase en el entorno de los 300-400ºC. La cápsula exterior, con una mayor temperatura de fusión, actuaría como un protector de tal manera que el metal interior mantenga su integridad y sus propiedades térmicas. Las principales cuestiones a abordar son las propiedades de los materiales, métodos de producción, tamaño óptimo de las cápsulas, espesor del recubri-miento en términos resistencia-transmisión de calor etc. Es esta una alternativa abordable en el corto-medio plazo.

2. Composites de alta conductividad desarrollados a partir de PCM y grafito. Los materiales de cambio de fase suponen una alternativa prometedora en el ámbito del alma-cenamiento de energía térmica. No obstante, su implantación se está retrasando debido a que, en la mayor parte de los casos, a su gran capacidad de almacenamiento térmico oponen una baja conductividad, lo que les penaliza a la hora de transmitir la energía rete-nida. La conductividad típica de los PCM está en el orden de 1Wm-1m-1 y se ha estimado en investigaciones previas que la requerida sería en torno a 8 1Wm-1m-1. En la literatura se refieren diversos intentos para otorgarles una mayor conductividad térmica y se apunta como alternativa la elaboración de composites PCM-grafito. Esto se ha probado ya para PCM orgánicos no aplicables en transporte/almacenamiento solar ya que sus temperaturas de trabajo son inferiores a 150ºC. Es necesario estudiar diversos tipos de PCM con tempe-raturas de trabajo entre 220 y 380ºC. Las tareas fundamentales a desarrollar deberán ser la determinación de la cantidad y tipo óptimos de grafito, los diferentes modos de inclusión, la conductividad y los posibles cambios en las propiedades térmicas de los PCM, así como las características de almacenamiento, y en última instancia, la simulación/aplicación prác-tica. Existen en la actualidad algunas investigaciones en esta dirección.

Basadas en estas posibilidades, se contempla otra alternativa de mayor riesgo tecnológi-co: la suspensión de nanotubos de carbono en PCM de aplicación en solar, con lo que se obtendría una mejora en la conductividad térmica y en otras propiedades relacionadas con la transferencia de calor.

3. Nanofluidos. Esta es una aplicación prometedora para fluidos caloportadores y de al-macenamiento en la que ya se está trabajando de manera incipiente en laboratorios de algunos países como Sandía, NREL, etc., siendo esta una línea de investigación de largo recorrido y riesgo tecnológico. Las principales tareas que se están llevando a cabo son la selección de materiales para fluido y nanopartículas, caracterización de las nanopartículas, alternativas de producción de las mismas, modelización, etc. una cuestión a valorar es la modificación de los fluidos que se emplean en la actualidad.

4. Nano-pcM. Es otra de las alternativas prometedoras a futuro basada en el posible desa-rrollo de estructuras encapsuladas, de orden de magnitud nano (50-500 átomos) capaces de experimentar transiciones de fase sólido/sólido, sólido/líquido o sólido/gas (nanoPCM’s). un ejemplo de ésto en el que se está trabajando es los “clústeres” de átomos de aluminio, con capacidad para cumplir las transiciones antes citadas.

5. Dentro de este área de los nuevos materiales se está igualmente trabajando en el desarro-llo de nuevos materiales basados en nanotecnologías para recubrimientos de superficies multifuncionales.

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Dentro del área de almacenamiento de energía cabe destacar el desarrollo de baterías de iones de litio de alta capacidad y baterías basadas en otro tipo de reacciones electroquímicas con elemen-tos más baratos y abundantes como silicio, hierro o aluminio.

La producción de combustible a partir de energía solar, especialmente Hidrógeno, es uno de los temas que se encuentra como línea prioritaria en todos los programas nacionales e internacionales de investigación entre los que se pueden citar el VII Programa Marco de la uE, el Solar Chemist Research de la IEA, el “Hydrogen and Fuel Cell Joint Technology Initiative (ITT) y el Hydrogen program del uS DOE, etc.

Por otro lado, el desarrollo del Hidrógeno como vector energético futuro (economía del Hidrógeno) lleva asociado el desarrollo de otras áreas como pueden ser el desarrollo de materiales y compo-nentes que aseguren procesos termoquímicos seguros y eficientes (catalizadores; celdas electro-líticas cerámicas; materiales metálicos baratos y recubrimientos para protegerlos de la corrosión; intercambiadores iónicos; membranas; etc.

A nivel europeo, la estrategia de investigación a medio plazo la marcan principalmente el Séptimo Programa Marco Europeo, el Plan Estratégico de Tecnología en Energía Europeo (SETPlan) y las pla-taformas tecnológicas, tanto europeas como españolas. A continuación se incluye cómo estos tres ámbitos están considerando la estrategia de investigación en el Almacenamiento y los Materiales asociados a las Energías Renovables.

• plan Estratégico de tecnología en Energía. (strategic Energy technology plan - sEtplan )

http://ec.europa.eu/energy/technology/set_plan/set_plan_en.htm

Entre los ámbitos que contempla el Plan (energía eólica, energía solar, redes eléctricas, bioenergía, captura y almacenamiento de Carbono, fisión nuclear y la iniciativa de efi-ciencia energética y ciudades inteligentes), el Almacenamiento no aparece como un área específica aunque sí se considera en todos ellos.

De forma más explícita se considera en los siguientes ámbitos:

- Energía Solar: el programa de I+D se focaliza en aumentar el rendimiento y extender la vida de los componentes y los sistemas fotovoltaicos y en las tecnologías clave de interconexión con la red como son los inversores y los dispositivos de almacenamiento.

- Tecnologías de integración de red para la penetración a gran escala de fuentes va-riables de electricidad: demostración de la fiabilidad de los sistemas de equilibrado de energía con grandes sistemas de energía eólica mediante al uso de sistemas de almacenamiento de gran escala e interconexión de Corriente Alterna de Alta Tensión o Corriente Continua de Alta Tensión.

- Integración de generación fotovoltaica, considerando como indicador de rendimiento el costo de almacenamiento en baterías para alcanzar valores menores de 0.06 €/kWh y una vida útil de 25 años.

- Energía Solar Concentrada: desarrollo y mejora del almacenamiento térmico de energía junto a hibridación de centrales de energía con gas natural y potencialmente con biomasa. Considera un programa de I+D y de demostración específico en esta área focalizado en el desarrollo y verificación en nuevos y mejorados conceptos y materiales para este almace-namiento térmico junto a sistemas de transmisión de calor (fluidos de transmisión, mate-riales de llenado, sistema de cambio de fase, sales fundidas, ultra condensadores, etc.).


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• programa de trabajo 2010 del área de Energía del 7 programa marco europeo.

El concepto de almacenamiento es también transversal a todo el programa y se cita explí-citamente como objeto de investigación en todas las áreas.

Sin embargo se cita de forma más explícita en las siguientes áreas o acciones:

- áreas transversales: entre los focos considerados como transversales se encuentra la demostración de nuevos sistemas avanzados de almacenamiento de calor y frío, compactos y económicos, con mayor densidad energética que el agua o que mezclas de agua/glicol, siendo de particular interés a medio y largo plazo los sistemas de al-macenamiento térmico in combinación con energía solar térmica.

- ENERGY.2010.7.3-1: sistemas de almacenamiento de energía para redes de distribu-ción de energía, considerando el desarrollo tecnológico de sistemas de almacenamien-to para aplicaciones fijas en el rango de varias decenas de kW a 1 MW y superiores. Se persiguen aplicaciones de sistemas de almacenamiento que soporten la integración de fuentes de energía eléctrica renovable y variable tales como la eólica, la undimotriz y la fotovoltaica.

- GC-ENERGY 2010.10.2-2: materiales, tecnologías y procesos para aplicaciones de almacenamiento sostenible electroquímico en el automóvil. Se persiguen proyectos sobre baterías y/o condensadores electroquímicos. En el caso de las baterías, la in-vestigación debe centrarse en nuevos desarrollos en tecnologías de almacenamiento basadas en el Litio mejorando la seguridad y la densidad energética. Otro proyectos pueden focalizarse en tecnologías, arquitecturas o química completamente diferentes como las celdas abiertas para mayores densidades energéticas.

• plataformas tecnológicas Europeas de investigación:

Dentro de las Plataformas Tecnológicas Europeas del área de Energía no se observa nin-guna específica de Almacenamiento en el área de energía. Sin embargo, las plataformas asociadas a las energías renovables (Biocombustibles, Redes Inteligentes, Energía Eólica, Energía Fotovoltaica y Calefacción y Refrigeración Renovables) incluyen de forma transver-sal líneas de investigación en materia de almacenamiento.

En cuanto a Materiales, existe la plataforma europea Materiales y Tecnologías Avanzados de Ingeniería (Advanced Engineering Materials and Technologies - http://eumat.eu/). Su agenda de investigación estratégica incluye el área de “Necesidades de Materiales para Tecnologías Energéticas” en la que, en cuanto al Almacenamiento, establece los siguientes requerimientos para futuras aplicaciones de materiales.

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ENErGíApLANtA/ cOMpONENtEs MAtEriALEs

MAtEriALEs FuNciONALEs

MAtEriALEs MuLtiFuNciO-NALEs

BiOMAtE-riALEs

Almacenamiento (Eléctrico)

Ej. Baterías Cerámicas, aleaciones no férricas

Materiales para electrodos

Electrolitos, materiales para sistemas de energía integrados

Almacenamiento (Hidrógeno)

Ej. Conducciones, compresores, depósitos de presión

Acero, aceros en aleación, composites

Nanoestructuras de Carbono, membranas de carbono activado

Alta capacidad/ materiales para integridad

Propone, entre los posibles contenidos para programas de trabajo en investigación, la línea de “Materiales para el Suministro de Energía y Protección Medio Ambiental” que podría contener los siguientes contenidos:

- Materiales para la generación de electricidad, calor y combustibles limpios (p.e. hi-drógeno, biocombustibles, etc.). Esto incluye materiales de alta temperatura, recu-brimiento y materiales funcionales para plantas de energía de combustibles sólidos o de residuos, nucleares o de biomasa de emisiones Cero, incluyendo células de com-bustible, así como materiales para otras tecnologías de energía renovable como solar (fotovoltaica y térmica), de las olas o las mareas y eólica.

- Materiales para la transmisión y almacenamiento de energía, incluyendo materiales para la distribución de Hidrógeno, gas y electricidad, conducciones para la captura de CO2, así como almacenamiento de Hidrógeno, tecnologías de baterías avanzadas y otros métodos de almacenamiento de energía.

- Materiales para la conservación de la energía y la eficiencia de su uso. Esto incluye materiales para la construcción (vidrio, materiales aislantes, cerámicos, recubrimien-tos, etc. Incluye también el desarrollo de materiales ligeros para los sectores de au-tomoción y aeroespacial que reduzcan el consumo de combustibles y las emisiones.

• plataformas tecnológicas Españolas de investigación:

Entre las plataformas tecnológicas españolas, la Plataforma Tecnológica de Energía Solar Térmica de Concentración (SOLAR CONCENTRA) (www.solarconcentra.org), la Plataforma Tecnológica Española del Hidrógeno y Pilas de Combustible (www.ptehpc.org), la Platafor-ma Tecnológica Española Fotovoltaica (www.ptfv.org) y la Plataforma Española de Redes Eléctricas (FuTuRED) (http://futured.es/).

De nuevo el tema del almacenamiento resulta transversal aunque las plataformas SOLAR CONCENTRA y FuTuRED los tratan más en detalle.

Los temas de Almacenamiento y Nuevos materiales son especialmente relevantes, como ya se expuso en capítulos anteriores, en el ámbito solar térmico. Sin embargo, la formación de la Plataforma Tecnológica de Energía Solar Térmica de Concentración (SOLAR CONCEN-TRA) es reciente y no ha definido aún su agenda estratégica de investigación.

En el caso de la Plataforma Española de Redes Eléctricas (FuTuRED), en su “Documento de Visión Estratégica”, considera el almacenamiento como un elemento medular presente en todos los ámbitos de las redes. Sin embargo considera un capítulo específico de “Gestión


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de Almacenamiento” como garante del equilibrio de las redes en el que incluye los aspectos de almacenamiento a gran escala, almacenamiento vía el vehículo eléctrico y los sistemas de almacenamiento local a pequeña escala como parte de la Gestión de la Demanda.

La estrategia indica que en el año 2030 varios conceptos comenzarán a ser una realidad, como los siguientes ejemplos de uso del almacenamiento:

- Almacenamiento a gran escala para la gestionabilidad de las energías renovables. El desarrollo de técnicas de aprovechamiento del H2, así como la evolución de otras téc-nicas de almacenamiento, tales como el aire comprimido, los volantes de inercia, el almacenamiento entálpico etc., comenzarán a proporcionar sistemas complementarios capaces de proporcionar la regulación y la estabilización de un suministro energético de alta calidad.

- Almacenamientos asociados a la red de distribución. En centros de transformación de compañía o abonado, asociados a la minigeneración distribuida.

- Almacenamiento intermedio como interfaz entre la red de distribución y los vehículos eléctricos. Se tratarían de equipos de almacenamiento de mayor capacidad entre la red y el vehículo con los que realizar el arbitra-je de energía.

- En el ámbito rural, también existirán técnicas de almacenamiento en energía potencial mediante un aprovechamiento óptimo de los recursos hídricos, eólicos y solares.

- Los avances en sistemas más eficientes, tales como los sistemas micro-CHP, elemen-tos combinados de generación de energía eléctrica, calor y frío, aumentarán el número de instalaciones en los sectores doméstico, terciario e industrial.

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Ejemplos prácticos


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5. Ejemplos prácticos

Los sistemas de almacenamiento y, obviamente los materiales van mayoritariamente asociados a iniciativas prácticas de despliegue e implantación de las Energías Renovables. Por ello, los casos presentados corresponden en origen a instalaciones de Energías Renovables. En cada una de ellas, además de presentarla como tal, se ha tratado de mostrar con más detalle los aspectos de alma-cenamiento que pudieran albergar.

1. BOMBEO HidráuLicO: HidrOEóLicA dE LA isLA dE EL HiErrO (Fuente: Gorona del Viento)

NOMBrE dE LA iNstALAcióN:Central Hidroeólica de la isla de El Hierro

promotor:El proyecto, con un coste de 64,7 millones de euros está promovido por Gorona del Viento El Hierro, S.A., participada por el Cabildo Insular (60%), Endesa (30%) y el Instituto Tecnológico de Canarias (10%). Para esta inversión se han contemplado ayudas consignadas en los Presupuestos Generales del Estado por un importe de hasta 35 millones de euros que serán transferidos al IDAE como subvenciones nominativas para su concesión a Gorona del Viento El Hierro, S.A.

Localización:Isla de El Hierro (Canarias)

Fecha de puesta en funcionamiento:2009-2010

Objeto/finalidad instalación: Central de energía eólica con capacidad de bombeo hidráulico iniciada en 2009 que, en tres años, convierte a El Hierro en la primera isla del mundo que logra abastecerse al cien por cien con energías limpias. Esta iniciativa, apoyada por instituciones regionales e insulares, ha sumado el apoyo decisivo del Ministerio de Industria, Turismo y Comercio que aportará el 65% de los 54,3 millones de euros necesarios para ejecutar el proyecto.La instalación eólica de la central se ubicará en la Montaña de Rivera, en el municipio de Valverde: se trata de un espacio situado entre la Loma del Gamonal y la cresta del Pico de Los Espárragos, al Sur de la capital herreña y al este de la carretera TF 912.

descripción general de la instalación:El proyecto Hidroeólico de El Hierro comprende los elementos que se relacionan a continuación:

• Depósito Superior: situado en el cráter de “La Caldera”, tendrá una capacidad máxima de 500.000 m3 y dos tomas sumidero con impermeabilización en lámina PVC reparable bajo el agua.

• Depósito Inferior: situado en las proximidades de la C.T. Llanos Blancos, tendrá una capacidad útil de 150.000 m3, conformado por una presa construida a tal fin de materiales sueltos y impermeabilización en lámina PVC reparable bajo agua. La diferencia de altura entre los depósitos supone un salto neto de 682 metros.

• Conducciones forzadas, compuestas por dos tuberías aéreas con tramo de 530 m bajo cardonal en galería. Conducción de impulsión de 3015 m de 0,8 m de diámetro, conducción de turbinación de 2.350 m de 1 m de diámetro y conducción de aspiración de 188 m de 1 m de diámetro.

• Central de Bombeo: instalado en un edificio de nueva construcción, estará constituido por 2 grupos bomba de 1500 kW y 6 grupos bomba de 500 kW, con una potencia total de 6 MW. Con variadores de 1500/500 kW.

• Central de Turbinación: constituida por 4 grupos Pelton de 2.830 kW de potencia cada uno, con una potencia total de 11,32 MW. El caudal máximo en generación es de 2,0 m3/s, con un salto bruto de 655 metros.

• Parque eólico: constituido por un conjunto de 5 aerogeneradores (Enercon E-70) de 2,3 MW de potencia cada uno, con una potencia total de 11,5 MW.

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1. BOMBEO HidráuLicO: HidrOEóLicA dE LA isLA dE EL HiErrO (Fuente: Gorona del Viento)

descripción general de la instalación:• Subestación Eléctrica de Interconexión entre central hidráulica, central de bombeo y parque eólico. Se situará en

zona anexa a la Subestación de Llanos Blancos, de doble embarrado y doble interruptor y punto de enganche en la SE Llanos Blancos.

• Se mantendrá una central de motores diesel ya existente que entraría en funcionamiento en casos excepcionales en los que no hubiera ni agua ni viento suficientes para cubrir la demanda.

• El sistema de control regulará el funcionamiento del conjunto de forma que se garantice el suministro en condiciones adecuadas para mantener la estabilidad de la red de distribución.

• Con el sistema hidroeólico se conseguirá transformar una fuente de energía intermitente en un suministro controlado y constante de electricidad, maximizando el aprovechamiento de la energía eólica. La mayor parte de la energía vertida a la red de distribución de la isla provendrá de la central hidroeléctrica, utilizándose la mayoría de la energía eólica generada para alimentar el sistema de bombeo y, por tanto, ser almacenada en forma de energía potencial en el depósito superior, lo que garantiza la estabilidad de la red de distribución. El excedente de energía eólica se verterá directamente a la red, sirviendo para la desalación de agua.

El siguiente esquema representa la configuración básica de la Central Hidroeólica:

Figura 27. Configuración de la Central Hidroeólica de El Hierro. Fuentes: Cabildo de El Hierro, Gorona del Viento S.A.

Figura 28. Esquema de la Central Hidroeólica de El Hierro.

Fuentes: Cabildo de El Hierro, Gorona del Viento S.A.

imágenes de la instalación:

A continuación se muestran algunas fotografías y fotomontajes de esta instalación.

Depósito superior. Depósito inferior.


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Depósito inferior junto a las instalaciones Parque eólico (fotocomposición). complemetarias (bombeo, subestación, central hidroeléctrica, etc.).

Disposición espacial de los sistemas componentes de la central.

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2. AirE cOMpriMidO (cAEs). “ENErGy BAG” dE tHiN rEd LiNE AErOspAcE

Por su relación con la energía marina, de gran potencial e interés en el área del mar Cantábrico, se ha seleccionado como referencia la experiencia “Energy Bag”de la empresa canadiense Thin Red Line Aerospace. Soluciones de esta naturaleza permitirán a medio plazo la instalación de sistemas captadores de energía (eólica off-shore, undimotriz) con dificultades para realizar una interconexión directa con tierra firme

NOMBrE dE LA iNstALAcióN:Energy Bag

promotor:Thin Red Line Aerospace con el apoyo de la empresa E.ON

Localización:Costa de Escocia

Fecha de puesta en funcionamiento:2011

Objeto/finalidad instalación:Almacenamiento de aire comprimido utilizando la energía de captadores de energía situados en el mar (eólica off-shore, undimotriz o de las mareas)

descripción general de la instalación:

En el entorno marino, la empresa canadiense Thin Red Line Aerospace está realizando las primeras pruebas de un sistema real para almacenar energía en los parques eólicos marinos, de los captadores de la energía de las olas o de las mareas. La denominada Energy Bag (bolsa de energía) almacena aire comprimido en el fondo marino y lo libera en función de la demanda para generar energía. El prototipo tan sólo pesa 75 Kg. pero es capaz de desplazar 40 toneladas de agua de mar. Se instalará a 600 metros de profundidad donde la presión es 60 o 70 veces mayor que en la atmósfera. La energía almacenada en una sola bolsa puede ser considerable (> 30 MJ/m3 a 700 m de profundidad).Estos depósitos flexibles se anclan en el suelo marino por un conjunto de tiradores de fibra Vectran® capaces de resistir una carga de 250 toneladas, aunque el peso del sistema completo ronda los 75 Kg., Desde ahí liberan su aire a presión hacía turbinas haciéndolas girar y generando energía eléctrica en períodos de alta demanda o intermitencia en el suministro o para la conversión y posterior evacuación de esta energía del mar. Esta tecnología es especialmente adecuada para países con aguas relativamente profundas en sus costas.A una profundidad de 600 m hay suficiente presión para que una bolsa de 20 m de diámetro almacene cerca de 70MW hora de energía. Eso es equivalente a unas 14 horas de generación eólica en condiciones normales. Su aplicabilidad no se limita sólo a los parques eólicos marinos de alta mar sino también, a escalas más pequeñas, a instalaciones de aprovechamiento de energía de las olas o de las mareas.Thin Red Line Aerospace está apoyando al Profesor Seamus Garvey en su proyecto ICARES en la universidad de Nottingham (Reino unido), en el diseño y fabricación de depósitos sumergidos a 50 m3. El proyecto incluye también el desarrollo conceptual para volúmenes de 6.000 m3.


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2. AirE cOMpriMidO (cAEs). “ENErGy BAG” dE tHiN rEd LiNE AErOspAcE

descripción general de la instalación: La estructura se va a instalar en la costa de Escocia y será pionera en la experimentación de almacenamiento de energía por aire comprimido a gran escala en entrono marino proveniente de energía eólica, de las olas y de las mareas.

imágenes de la instalación: (fuente Thin Red line Aerospace).

Referencia del tamaño del dispositivo.

Experimentación en inmersión.

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3. pLANtA dE ALMAcENAMiENtO dE ENErGíA pOr VOLANtEs dE iNErciA dE BAcON pOWEr

NOMBrE dE LA iNstALAcióN:Planta de almacenamiento de energía mediante un conjunto de volantes de inercia

promotor:NYISO (New York Independent System Operator)

Localización:Stephentown, Nueva York (EE.uu.)

Fecha de puesta en funcionamiento:Construcción iniciada en 2009

Objeto/finalidad instalación:El sistema aporta dos ámbitos de funcionalidad:1. Contribución al mantenimiento de la adecuada estabilidad de la red a la que se conecta:

• Regulación de frecuencia• Mitigación de las situaciones de pico• Sistema de alimentación ininterrumpida• Control de la inestabilidad de fase• Apoyo de potencia reactiva

2. Integración de Energías Renovables• Mitigación de situaciones de nublado para instalaciones solares fotovoltaicas• Mitigación situaciones de viento inestable• Instalaciones híbridas eólicas/motor Diesel/volante de inercia• Estabilización de los sistemas de generación distribuida

descripción general de la instalación:Los operadores de red como New York ISO (NYISO) tienen el compromiso de mantener constantemente un equilibrio entre el suministro de energía y su demanda reaccionando a las subidas y bajas de ésta a lo largo del día. Junto a las plantas de almacenamiento por bombeo existe poco acceso a energía almacenada como una opción de operaciones de equilibrado de redes. La tecnología de volantes de inercia de Beacon’s Innovative proporciona esta posibilidad en la operación de la red aportando capacidad de almacenamiento de energía eléctrica como energía rotacional. Cuando no sopla en el viento o cuando se necesita más energía en momentos pico, el operador de la red puede suministrar más energía frenando los volantes de inercia.El sistema nació en Noviembre de 2008 como programa piloto de Regulación de Tecnologías Alternativas del Operador de Sistema Independiente (ISO)-NE, operando hasta 3 MW. ubicado en la sede central de Baecon Power en Tyngsboro (Massachusetts), la instalación de regulación de ISO-NE incluye un pago por rendimiento del sistema.La instalación de NYISO presenta una potencia de 20 MW y está específicamente diseñada para regulación de frecuencia. Arrancó con 4 MW de los 20 MW previstos en el cuarto trimestre de 2010. Los 16 MW restantes, sobre una infraestructura de un valor de $69 Millones, están previstos durante 2011.La instalación en 20 contenedores transportables sobre palés de cemento con 200 volantes de 3x6 pies de diámetro girando por debajo. Beacon espera ser capaz de suministrar a New York ISO el 10% de su demanda diaria de regulación de frecuencia de sus 200MW.Beacon espera recuperar la inversión ($43 millones de préstamo garantizado por Departamento de Energía de una reserva adaptable de $69 millones del gobierno federal) en 6 u 8 años dependiendo del retorno generado vendiendo servicios complementarios de regulación de red a NYISO.Fuentes de la industria esperan que el precio de venta de los sistemas de almacenamiento por volante de inercia bajen en la medida en que más sistemas entren en operación.El sistema instalado en Stephenson tiene un diseño de 20 años pero Beacon espera que el sistema funcione más tiempo dado que el desgaste está minimizado por la falta de fricción del montaje en una cámara de vacío.Las necesidades de mantenimiento se centran únicamente en la parte electrónica lo que lo hace mucho más barato que otros sistemas de almacenamiento.


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3. pLANtA dE ALMAcENAMiENtO dE ENErGíA pOr VOLANtEs dE iNErciA dE BAcON pOWEr

descripción general de la instalación:La planta de Beacon en Stephenton ha sido premiada por la Casa Blanca como uno de los “100 proyectos de la Ley de Recuperación que están cambiando América”. Está previsto que el coste de los futuros sistemas de volantes de inercia será del orden de $1.500/kW o de $30 Millones para Sistemas de Almacenamiento por Volante de Inercia de 20 MW.


Imagen virtual de la instalación de volantes de inercia de 20 MW de Beacon Power en Stephenville, Nnueva York (Fuente: Beacon Power).

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4. ALMAcENAMiENtO térMicO MEdiANtE sALEs FuNdidAs

NOMBrE dE LA iNstALAcióN:Plataforma SOLuCAR (Fuente: Abengoa Solar). Almacenamiento mediante sales

promotor:Abengoa Solar

Localización:Sanlucar la mayor (Sevilla)

Fecha de puesta en funcionamiento:30 de marzo de 2007

Objeto/finalidad instalación:Elemento de almacenamiento térmico de alta capacidad componentes de plantas de energía solar térmica concentrada

descripción general de la instalación:La plataforma constará de 300 MW, 50MW a partir de tecnología de torre, 250 MW obtenidos de colectores cilindroparabólicos, 3 MW los produce la tecnología fotovoltaica y 80 KW a partir de tecnología disco Stirling.La plataforma situada en Sanlúcar la Mayor terminará su construcción en 2013. Con una potencia de 300 MW, proporcionará electricidad limpia para 153 000 hogares y evitará la emisión de 185 000 t anuales de CO2, un total de 4 millones de t durante su vida útil.El proyecto de 1200 millones de inversión ocupará un área de 800 hectáreas y generará empleo para 300 operarios.Actualmente, la plataforma tiene seis plantas en operación (Sevilla PV, Casaquemada, PS10 , PS20, Solnova 1 y Solnova 3) inyectando energía a la red y una en construcción (Solnova 4).

plantas en operación 1. Sevilla PV (1,2 MW)

La mayor planta del mundo de tecnología fotovoltaica de baja concentración (1,5x, 2,2x). Cuenta con 154 dispositivos seguidores en dos ejes de 100 m 2 cada uno. Produce 2,1 GWh al año de energía suficientes para abastecer unos 650 hogares evitando la emisión de 1800 t de CO 2 al año. Estos 2,1 GWh de energía serán evacuados a la red eléctrica como instalación de producción acogida al Régimen Especial.

La primera planta comercial con tecnología fotovoltaica de baja concentración del mundo, con una potencia de 1,2 MW.

Se puso en marcha en mayo del 2006 y desde entonces su operación y explotación se han llevado a cabo superando los valores estimados de diseño.

En la planta se instaló nuestra tecnología propia (Sevilla PV)

2. Casaquemada PV (1,9 MW)Es una planta fotovoltaica de 1,9 MW, con tecnología de seguidor a dos ejes que entró en operación en septiembre del 2008. Esta planta tiene la particularidad de servir como campo de ensayo para la tecnología de alta concentración que permite concentrar el sol unas quinientas veces sobre un módulo especial. Esta es la primera planta comercial de Abengoa Solar que incorpora esta nueva tecnología en parte de su instalación.

3. PS10 (11 MW)Primera planta comercial de tecnología de torre del mundo. Está formada por 624 heliostatos de 120 m 2 (Sanlúcar 120) que concentran la radiación solar en una torre de 115 metros de altura. La electricidad producida abastecerá a 5.500 hogares.

La planta utiliza heliostatos diseñados y construidos por Abengoa Solar, Sanlúcar 120 y nuestra torre PS.

4. PS20 (20MW)La PS20, la segunda planta comercial de torre del mundo, incorpora avances tecnológicos muy importantes, desarrollados por Abengoa Solar, respecto a la primera torre, la PS10: un receptor con más eficiencia, y diversas mejoras en los sistemas de control y operación, y en el sistema de almacenamiento térmico de energía.


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4. ALMAcENAMiENtO térMicO MEdiANtE sALEs FuNdidAs

descripción general de la instalación:Con 20 megavatios de potencia, el doble que la PS10, la nueva central solar PS20 producirá la energía limpia suficiente para alimentar a 10 000 hogares y evitará la emisión a la atmósfera de aproximadamente 12 000 toneladas de CO2. PS20 está formada por un campo solar de 1 255 heliostatos, diseñados por Abengoa Solar. Cada heliostato de 120 metros cuadrados de superficie refleja la radiación solar que reciben sobre el receptor situado en la torre de 165 metros de altura produciendo el vapor que permite la generación de electricidad en la turbina.

5. Solnova 1, 3 y 4 (50 MW cada una)Solnova 1, Solnova 3 y Solnova 4 han sido las tres primeras plantas cilindroparabólicas de un total de cinco (Solnova 1, 2, 3, 4 y 5) que están en operación comercial en la Plataforma Solúcar, Sevilla (España)

Cada una de estas plantas de 50 megavatios, Solnova 1, Solnova 3 y Solnova 4, producen la energía limpia suficiente para abastecer la demanda de 25 700 hogares, y evitará la emisión a la atmósfera de aproximadamente 31 400 toneladas de CO2 anuales.

plantas en promociónDentro de la plataforma de Sanlúcar, tres plantas están en promoción:1. Solnova 2 y Solnova 5 (100 MW):

Dos plantas de 50 MW cada una, basadas en tecnología de colector cilindroparabólico con características parecida a Solnova 1, 3 y 4

2. AZ20 (20 MW):Planta de tecnología de torre de características semejantes a PS20

Centrándonos en la parte de almacenamiento, Abengoa Solar New Technologies está construyendo una instalación demostración de almacenamiento de sales de 8 MWh. La instalación almacena el calor procedente de la planta demostración cilindro-parabólica de aceite sintético y alimenta a la turbina de PS10.La siguiente figura muestra la ubicación del tanque de almacenamiento de sales (Hota Salt Tank / Cold Slat Tank) dentro del esquema general de la planta de energía solar térmica concentrada.

Figura 29. Esquema de funcionamiento de almacenamiento de sales fundidas.

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TES (almacenamiento de sales), actualmente en operación en la Plataforma Solúcar. Vista general de Solnova 1, Solnova 3 y Solnova 4

Vista aérea de la plataforma Solúcar Seguidores de Sevilla PV

Espejos con seguidores de dos ejes de la instalación de Casaquemada PV (1,9 MW). Torre PS10


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5. ALMAcENAMiENtO QuíMicO/BAtEríAs dE ácidO-pLOMO

NOMBrE dE LA iNstALAcióN:Sistema de (10.4MWh)de Baterías de Plomo regulado por válvula (VRLA –Valve Regulated Lead Acid) para almacenamiento de energía en parques eólicos. Parque eólico de Shiura Yuza

promotor:Prefectura de Aomori, Japón

Localización:Ciudad de Goshogawara, Prefecture de Aomori (Japón)

Fecha de puesta en funcionamiento:Inaugurado en 2009El parque eólico de 15MW de Shiura se encuentra en el proceso de verificación tecnológica desde enero de 2010

Objeto/finalidad instalación:Regulación de la energía generada en parques eólicos

descripción general de la instalación:Ya de forma anticipada al aumento del uso de baterías en parques eólicos, Shin-Kobe Electric Machinery recibió un pedido de baterías con una vida útil equivalente a la duración de un período en que la potencia eléctrica es suministrada y consumida. En consecuencia, esta compañía abordó el desarrollo de una batería de larga duración con un período de vida útil de 17 años cuando se utilizaba para estabilizar las fluctuaciones de la salida de sistemas de energía eólica.

Shin-Kobe Electric Machinery ha comercializado su sistema “sefla” de nivelado de carga y produce baterías de Ácido-Plomo reguladas por válvula (modelos LL y LL-S) con una larga vida útil que pueden ser utilizadas para almacenar el exceso de energía eléctrica excedente durante la noche y para aportar energía en los momentos de picos de demanda.

Incorporando mejoras como la durabilidad de la placa positiva y el rendimiento de la placa negativa y la prevención de la estratificación, la vida útil estimada de esta baterías de almacenamiento de energía, cuando se utilizan en las condiciones recomendadas, se ha mejorado significativamente en torno a 3.000 ciclos para el modelo LL y 4.500 ciclos para el modelo LL-S. ésto supone una mejora de vida útil del orden de 6 y 9 veces respectivamente respecto de los modelos anteriores.

El desarrollo incluyó una encuesta sobre batería LL ya en uso en parques eólicos y consideró los resultados de estudios de las condiciones de uso y la degradación de las baterías basada en experimentos en los que se sometía a la batería a pruebas de ciclos de carga/descarga en períodos cortos de tiempo similares a los esperados en condiciones reales de trabajo. ésto ha permitido mejorar considerablemente la duración de las baterías incluyendo placas positivas de larga duración que utilizan aleaciones resistentes a la corrosión y materiales activos de alta densidad junto a aditivos que previenen la sulfatación.

Utilizando las condiciones de operación y las especificaciones de la batería basadas en estas tecnologías de ampliación de la vida de la batería, Shin-Kobe Electric Machinery desarrolló en 2009 la batería de ácido-Plomo de larga duración regulada por válvula LL1500-W (2 V-1.500 Ah), con una vida útil de 17 años cuando se utilizaba para estabilizar las fluctuaciones de la salida de sistemas de energía eólica.

Estas nuevas baterías fueron instaladas en el parque eólico de Shiura en la ciudad de Goshogawara, prefectura de Aomoro (Japón) donde fueron verificadas desde febrero 2010.

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cArActErísticAs dE LA iNstALAcióN

Capacidad de parque eólico 15.44 MW

Aerogeneradores 8 unidades E-82 de 1.93-MW

Sistema de Almacenamiento Baterías de ácido-Plomo:Baterías 3.456 LL1500-W (10,4 MWh) (Conjunto de 6 unidades consistentes en dos bloques de 288 series de celdas conectadas en paralelo)Máxima entrada/salida:4,5 MVA (capacidad de la unidad de conversión CA/CC)Potencia de Descarga: 3.700 kW (aprox.)Potencia de Carga: 2.600 kW (aprox.)Inversores: 6 × 750 kVA

CA: Corriente Alterna CC: Corriente Continua

La arquitectura de la instalación global aparece en la siguiente figura.

Figura 30. Esquema del uso de baterías de almacenamiento en el punto de generación para estabilizar fluctuaciones de salida mediante la carga/descarga de estas baterías.

La siguiente figura muestra la potencia combinada eólica-baterías (línea Gris clara) frente a la que se obtendría únicamente con el sistema eólico. El gráfico muestra cómo las variaciones en la salida del sistema se pueden estabilizar coordinando con la misma la carga (picos de generación del sis-tema) o descarga (valles de generación del sistema) de las baterías.


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Figura 31. Ejemplo de la nivelación de salida en el sistema de generación de energía eólica incorporando almacenamiento en baterías.

Otro sistema de tamaño similar en el que las baterías se instalarán en un parque eólico actualmente en construcción en Yuza, prefectura de Yamagata, también en Japón.

También se está llevando a cabo una investigación sobre baterías que han sido utilizadas para es-tabilizar las fluctuaciones de salida de un sistema de generación de energía eólica de 1,2 MW para aproximadamente 7 años, verificando que son capaces de mantener un período de vida útil de 9 años, confirmando que este tipo de baterías son adecuadas para el nivelado de carga de la gene-ración solar y eólica.


Parque eólico de Shiura (Japón). Instalación de baterías.Fuente: “Expansionary Methods of Wind Installation” (Ponencia: MAKOTO TOYOMA, THE FEDERATION OF ELECTRIC POWER COM-PANIES, Sep 13, 2010).

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6. ALMAcENAMiENtO QuíMicO/BAtEríAs dE sOdiO-AZuFrE (NAs)

NOMBrE dE LA iNstALAcióN:Proyecto de parque eólico de Xcel Energy con almacenamiento por baterías NaS

promotor/participantesProyecto “Wind to Battery”, con la participación de entidades como Great Plains Institute, Gridpoint, Minwind Energy, National Renewable Energy Laboratory-REL, NGK Insulators, S&C Electric, universidad de Minnesota y Xcel Energy (proveedor de energía eólica)

Localización:Luverne, en el estado de Minnesota (Estados unidos)


Objeto/finalidad instalación:El sistema de baterías está destinado a proporcionar las siguientes prestaciones en el parque eólico:

• Arbitraje de energía• Regulación de frecuencia• Nivelado de rampa de energía suministrada• Integración de EE.RR. con carácter general

descripción general de la instalación:El sistema de almacenamiento presenta unas características energéticas de 1 MW / 7.2 MWh con una eficiencia del sistema del 68% – 79% (con requerimientos de energía auxiliar) y del 85% – 92% (sin requerimientos de energía auxiliar). Este sistema se conecta a un parque eólico de 11, 5 MW. Los participantes en el proyecto seleccionaron la tecnología Sodio-Azufre (NaS) dada su alta capacidad de almacenamiento. Puede manejar un gran número de ciclos de carga y descarga, es capaz de operación dinámica, ha demostrado su eficiencia comercial y es capaz de un despliegue a gran escala de forma inmediata. Simultáneamente, se abordó la instalación de la batería muy cercana a la planta eólica de 11,5 MW para evitar posibles efectos de latencia cuando se intentara transmitir los datos de salida desde los aerogeneradores a la batería.Los objetivos de investigación del piloto del operador de red, el primer intento en Estados unidos de utilizar baterías NaS como dispositivo directo de almacenamiento de energía preveniente de sistemas eólicos, incluían:

• Evaluar la capacidad de la batería para enlazar con la energía eólica y nivelar efectivamente las situaciones de picos de energía.

• Evaluar la capacidad del sistema de almacenamiento de energía distribuida para reducir la necesidad de Xcel Energy de compensar la variabilidad e incertidumbre del viento frente a los procedimientos de equilibrado de la red.

• Evaluación de la relación óptima entre el almacenamiento de energía y la capacidad eólica total que permitiera al sistema de almacenamiento de energía eólica ser un recurso de carga-pico más atractivo.

• Evaluar el potencial de la tecnología de baterías de proporcionar soporte de servicios complementarios de red como compensación de carga reactiva, regulación de frecuencia, reserva de contingencia, etc.

• Verificar el valor alcanzable de almacenamiento en el mercado del Operador de Sistema Independiente Midwest para diversos escenarios de penetración eólica.

• Verificar las características globales de operación del sistema de almacenamiento, incluyendo su impacto sobre el rendimiento del sistema global como una función del modo operacional y las condiciones climáticas externas (p.e. capacidad de carga/descarga a buffer y/o el allanamiento de las rampas de la salida de la generación eólica.


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6. ALMAcENAMiENtO QuíMicO/BAtEríAs dE sOdiO-AZuFrE (NAs)

descripción general de la instalación:Para alcanzar estos objetivos, Xcel comprobó la batería de NaS bajo múltiples modos de operación para obtener una detallada compresión del rango de capacidad es del sistema. Estos modos de operación se desarrollaron durante la primera fase de pruebas del proyecto a finales de 2008 y comienzo de 2009 incluyendo:

• Almacenamiento básico de generación (desplazamiento de tiempo: carga/descarga de la batería durante períodos definidos de sobre y bajo pico

• Despacho económico: carga/descarga de batería basada en precios de mercado que captura beneficios de arbitraje

• Regulación de frecuencia: carga/descarga de batería basada en la señal de regulación de frecuencia• uniformidad eólica (control de pendiente de rampa): carga/descarga de batería para reducir la variabilidad e la

energía del viento y su efecto en la forma de las curvas de potencia• Nivelado eólico (control de salida constante): carga/descarga de batería para limitar la desviación entre la salida

de energía actual y la programada desde el vientoAdicionalmente, la operadora de red verificó la batería bajo escenario de capacidad de viento de 1-MW, 5-MW, y 10-MW.La siguiente y última fase del estudio continuará recopilando información de rendimiento y se realizarán análisis adicionales para determinar mejor la capacidad del sistema de almacenamiento , facilitar la integración de instalaciones más grandes de energía eólica en la red y verificar el adecuado costo de la tecnología. La emisión del informe final está previsto en Agosto de 2011.El costo de las baterías NaS en el piloto de Xcel fue parcialmente cubierto en $1 Millón por una subvención del Fondo de Desarrollo de Energías Renovables.


Sistema de almacenamiento mediante baterías NaS.

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7. sistEMA dE ALMAcENAMiENtO pArA rEdEs iNtELiGENtEs BAsAdO EN BAtEríAs dE iON-LitiO

NOMBrE dE LA iNstALAcióN:Sistema de almacenamiento basado en baterías avanzadas de Ion-Litio para el programa de Red Inteligente de Portland General Electric

promotor:Departamento de Energía de Estados unidos (proporcionando la mitad de los $178 Millones siendo el resto aportado por las operadoras eléctricas y otros participantes) y Portland General Electric

Localización:Salem, en el estado de Oregon (Estados unidos)


Objeto/finalidad instalación:Integración de EERR, equilibrado de picos, desplazamiento de carga, aislamiento, regulación de frecuencia, salvaguarda

descripción general de la instalación:El sistema consta de 5 unidades de almacenamiento de Ion-Litio, cada una de 1 MW / 250 kWh.

Estas unidades fueron suministradas por EnerDel y está previsto que este tipo de sistema sea instalado en 15 puntos más en los próximos dos años después de que el equipo de desarrollo haya dedicado del orden de 2-3 años a verificar el rendimiento de la instalación bajo una amplia variedad de condiciones geográficas y meteorológicas. Este proyecto se incluye entre uno de los 16 proyectos de esta naturaleza anunciados por el Departamento de Energía de Estados unidos.

Cada uno de los sistemas de cinco baterías de EnerDel es capaz de almacenar energía suficiente para alimentar simultáneamente 400 hogares de tipo medio hasta una hora. Por otra parte, utiliza la misma base química que las baterías de EnerDel que se utilizan para la nueva generación emergente de vehículos eléctricos híbridos enchufables.

El nuevo sistema se utilizará en conjunción con una variedad de soluciones hardware y software que mejoren la fiabilidad del sistema durante los picos de demanda de carga.

En la experiencia de Salem, el sistema alimenta entornos tanto residenciales como comerciales.


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8. BAtEríAs rEdOx dE VANAdiO EN EL pArQuE EóLicO dE sOrNE HiLL (irLANdA) (Fuente: “Vanadium Redox Flow Bateries. An In-Deth Analysis” Electric Power Resaarch Institute. 1014836.)

NOMBrE dE LA iNstALAcióN:Sistema de almacenamiento basado en baterías Redox de Vanadio en el parque eólico de Sorne Hill (Irlanda)

promotor:El parque eólico es gestionado por Tapbury Management Limited

Localización:Buncrana, Inishowen Donegal (Irlanda)

Fecha de puesta en funcionamiento:2006-2007

Objeto/finalidad instalación:Estabilización y almacenamiento para eólica

descripción general de la instalación:VRB Power Systemas Inc., empresa canadiense, ha establecido un acuerdo con Tapbury Management Limited, de Letterkenny, Condado de Donegal, Irlanda (“Tapbury”) para la venta de un sistema de bateria redox de vanadio de 2 MW x 6 horas (12 MWh). Tapbury realiza la gestión del parque eólico de SorneHill, de 32 MW, localizada en Buncrana, Inishowen, Co. Donegal, Irlanda (“Soner”). La ocupación de la planta de 12 MWh de Irlanda era de 25 m. x 30 m. para un único edificio.Este sistema de batería de 12 MWh se acoplaba a la fase II del proyecto Sorne que supone 6,9 MW adicionales de energía eólica para el que las turbinas ya habían sido solicitadas e instaladas a finales d 2007. Esto hacía de Sorne, con 38 MW, uno de los parques eólicos más grandes de Irlanda.El valor del contrato total para VRB Power Systems era aproximadamente $9 millones. La venta estaba sujeta a la ejecución final del contrato entre VRB Power Systems y Tapbury.Sujeto a los resultados de rendimiento de este sistema inicial de 12MWh, Tapbury tenía la opción de extender los elementos de almacenamiento y energía del sistema para cubrir los 32 MW de energía eólica existentes en Sorne, los cuáles equivaldrían a aproximadamente 50 MWh de almacenamiento de energía de batería redox de Vanadio.La presencia de los 12 MWh de almacenamiento de energía en batería redox de Vanadio permite a Sorne Fase II proporcionar más electricidad a la red bajo bases más estables mejorando la fiabilidad y previsibilidad de la generación eléctrica aliviando además situaciones de intermitencia. Esto, junto con la capacidad de almacenar el excedente de energía eólica, que de otra forma se perdería, posiciona a Soner para negociar términos comerciales mejores que los usuales tanto por la retribución de generación de energía como por la provisión de servicios complementarios de red. Estas vías de valor añadido proporcionan un buen posicionamiento competitivo a os operadores de parques eólicos, tanto en Irlanda como en otros territorios en el mundo.Por otra parte, comparada con otras tecnologías de baterías, la tecnología basada en redox Vanadio es medioambientalmente más amigable y tiene la ventaja de que nos e degrada como resultado de descargas profundas repetidas.

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9. BAtEríAs dE FLujO dE ZiNc-BrOMO

NOMBrE dE LA iNstALAcióN:Demostración de un sistema de almacenamiento distribuido de energía

promotor:El proyecto está principalmente promovido por el Departamento de Energía de Estados unidos con un presupuesto de $16.0 Millones.Participan además Premium Power, Sacramento Municipal utility District (SMu), National GRID y Science Applications International Corporation (SAIC).El proyecto supone uno de los 16 únicos proyectos subvencionados de demostración de Redes Inteligentes y penetración rápida de la tecnología de energía solar bajo la Ley de Recuperación y Reinversión Americana.

Localización:El proyecto contempla tres ubicaciones de instalación, todas ellas en Estados unidos: Sacramento, en el estado de California; Everett, en el estado Massachusetts y Syracuse, en el estado de Nueva York

Fecha de puesta en funcionamiento:El proyecto presenta una duración de tres años con fecha de inicio del 13/08/2010 y fecha prevista de finalización de 12/12/2013

Objeto/finalidad de la instalación:Integración de Energías Renovables a través de sistemas de almacenamiento basados en baterías de flujo de Zinc-Bromo

descripción general de la instalación:Proyecto de demostración de 3 años que incorpora ingeniería de control, fabricación e instalación de 7 unidades de sistemas de almacenamiento de energía de 500-kW/6-hora (3 MWh). La instalación estaba prevista para el tercer cuatrimestre de 2010.El proyecto pretende validar la tecnología de flujo de Zinc-Bromo de la empresa Premium Power particularmente en aplicaciones fotovoltaicas y de microrred. Entre los objetivos planteados destacan:

• Ampliar la gestión de picos de carga• Demostrar múltiples aproximaciones la integración del almacenamiento con la intermitencia de las Energías

Renovables• Desarrollar y verificar algoritmos de control para gestionar operación y almacenamiento de energía no co-

localizadas• Mejorar el rendimiento de la microrred mediante el despliegue de almacenamiento de energía avanzado y con

sistemas de control sofisticados• Demostrar en general la competitividad de las soluciones de almacenamiento Zinc-Bromo, su competitividad en

precio, su capacidad en rangos de MW y su larga duración para aplicaciones en redesEl proyecto se basa en el sistema de almacenamiento de energía de 500 KW, 6 horas TransFlow 2000 montado en un trailer que proporciona capacidad bajo demanda. Se trata de un sistema completamente integrado que comprende almacenamiento de energía, acondicionamiento de potencia, sistema de control y subsistemas de gestión térmica.La operadoras National Grid y Sacramento Municipal utility District (SMuD) han experimentado este sistema habiéndose instalado 3 unidades de energía en Syracuse, Nueva York, 2 unidades en la subestación de Rock Cut Road de National Grid y una unidad cerca de la universidad de Syracuse, punto intermedio de alimentación que es servida por la subestación de Rock Cut Road.Estas unidades se controlan como una flota desde la subestación para explorar los métodos de control de almacenamiento de la subestación alimentadora. Adicionalmente, se instará una flota de dos sistemas de almacenamiento de energía en Sacramente, California. una en la sede central de la subestación de SMuD que sirve a la microrred del campus de SMuD, y la otra al desarrollo de la comunidad Anatolia III SolarSmart HomesSM que tiene 600 hogares que totalizan 1.2 MW de capacidad de generación fotovoltaica. El sistema de almacenamiento de esta sede central mejorará las operaciones de la microrred, las de emergencia debido a la aparición de picos de generación de energía eléctrica. Tanto National Grid como SMuD desplegarán, operarán y monitorizarán las unidades TF2000 en sus respectivos sistemas de 2 años.

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10. ALMAcENAMiENtO EN cAMpOs MAGNéticOs dE supErcONductOrEs (sMEs) VAriAs ExpEriENciAs

NOMBrEs dE LAs iNstALAciONEs:1. Chubu Electric: iImplementación de pruebas de validación sobre SMES para el control de sistemas de energía2. Superpower Inc.: Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES) Project3. American Superconductor: SMES distribuidos (D-SMES) para la fiabilidad de la red

promotores:1. Chubu Electric Power Company y Furukawa Electric Co.2. SuperPower Inc., en asociación con ABB Inc., Brookhaven National Laboratory (BNL) y Texas Center for

Superconductivity (TcSUH) en la Universidad de Houston. Proyecto financiado en parte por un premio de la Agency-Energy (ARPA-E) para Proeyctos de Investigación Avanzados

3. American Superconductor y Wisconsin Public Service Corp

Localizaciones:Varias localizaciones

Fechas de puesta en funcionamiento:1. 2006 en adelante2. 2010 en adelante3. 2011-2013

Objeto/finalidad de las instalaciones:En general, mejora de la calidad y operatividad de las redes eléctricas

descripción general de las instalaciones:1. Chubu Electric: implementación de pruebas de validación sobre SMES para el control de sistemas de energía.

Chubu Electric es una empresa fabricante de sistema SMES que inicialmente los instalaba y probaba en dependencias de sus clientes para proteger su equipamiento cortes temporales de tensión como resultado de rayos u otras causas. Estas pruebas confirmaron la capacidad de los sistemas SMES en los casos de rayos para establecer instantáneamente la energía eléctrica según se estableciera.

Esta experiencia le ha permitido abordar el desarrollo de nuevos sistemas SMES destinados a conectarse y proteger los sistemas de potencia.

Estos nuevos sistemas para el control de sistemas de potencia son capaces de almacenar y liberar repetidamente energía eléctrica según se necesite. Incluso en casos en los que la tensión y la frecuencia varían debido a las fluctuaciones repentinas de la carga o a otras razones, los sistemas SMES pueden proteger a los usuarios de la red de estas situaciones y asegurar un suministro eléctrico estable y de alta calidad.

En cooperación con Furukawa Electric Co., Ltd., Chubu Electric está instalando un sistema SMES con 10 MW de energía de salida en la Estación de Generación de Energía Eléctrica de Hosso de Furukawa Nikko Power Generation Inc. en la ciudad de Nikko, Prefectura de Tochigi. En esta instalación se iniciaron las pruebas de verificación de la capacidad del sistema para estabilizar el suministro eléctrico dentro del sistema energético.

Estas pruebas ayudaron a crear un sistema total SMES más completo mediante la verificación y evaluación de las siguientes cuestiones, las cuales no podían ser verificadas en pruebas de fábrica:

• Durabilidad y estabilidad (los sistemas repitieron su operación 20.000 veces o más)• Caracerísticas de operación y respuesta de control durante fluctuaciones no anticipadas• Función de detección y monitorización de caídas del sistema• Impacto y efectos sobre la red eléctrica cuando operan las SMESA modo de referencia, las pruebas de verificación eran parte del Proyecto de Desarrollo Tecnológico de control de Red Eléctrica mediante Magnetismo de Superconducción de la Agencia para Recursos Naturales y Energía del Ministerio de Economía, Comercio y Turismo de Japón como comisionado por la Organización para el Desarrollo de Nueva Tecnología Industrial y de Energía.

Otros participantes en el proyecto eran Kyushu Electric Power Co., Inc. y el International Superconductivity Technology Center.


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10. ALMAcENAMiENtO EN cAMpOs MAGNéticOs dE supErcONductOrEs (sMEs) VAriAs ExpEriENciAs

descripción general de las instalaciones:2. Superpower Inc.: Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES) ProjectProyecto cuyo objetivo es desarrollar y construir dispositivos SMES avanzados y en el que participan los siguientes socios:

• ABB Inc. Líder del proyecto, convertidos de potencia de interfaz a red, integración del sistema y demostración en laboratorio

• Brookhaven National Laboratory (BNL), diseño, construcción, protección y pruebas del magneto del SMES, juntas superconductoras y conmutadores

• SuperPower Inc. cable 2G HTS, asistencia a BNL en el desarrollo de la bobina• university of Houston, TcSuH. Mejora de la fabricación de 2G HTS para la reducción del costo del cable

La financiación era de $5.25M de costo global de los cuáles $4.2M eran aportados por ARPA-E del Departamento de Energía de Estados unidos. La apuesta de ARPA-E en esta tecnología es clara.

Las especificaciones del Demostrador de SMES eran las siguientes:

• Sistema SMES de 20 kW ultra-high field (UHF) con una capacidad de hasta 2,5 MJ• Campo magnético de hasta 25 T a 4,2 K• Capaz de despliegue flexible y directo en redes de distribución de media tensión a 15-36 kV• Cable 2G HTS con altas intensidades críticas

Se trata en principio de una tecnología muy cara pero que presenta un gran potencial si, quizás, pudiera escalarse hasta el punto de hacerla competitiva con las baterías de ácido-Plomo y otros medios de almacenamiento de grandes cantidades de energía.

En este sentido ABB, Brookhaven National Lab, la universidad de Houston, y el fabricante de cable superconductor SuperPower están colaborando también en el último reto de crear un dispositivo SMES de escala de red de 1 o 2 MW que pueda competir con otros sistemas de almacenamiento como las baterías, el hidro-bombeo o el aire comprimido.

3. American Superconductor: SMES distribuidos (D-SMES) para la fiabilidad de la red.

Programa con una duración de 36 meses con un desarrollo previsto a lo largo de 2011 hasta 2013.

American Superconductor y Wisconsin Public Service Corp. (WPS) han anunciado el éxito de la operación de la primera solución comercial basada en superconductores para la fiabilidad de la red eléctrica.

La solución consiste en múltiples unidades distribuidas de almacenamiento magnético de superconducción (D-SMES) desplegadas en las subestaciones eléctricas de las 200 millas del Lazo de Transmisión del Norte de WPS. Estos sistemas D-SMES incrementarán la fiabilidad y la capacidad de esta red previniendo de cortes y fluctuaciones de tensión.

WPS está utilizando 5 unidades de almacenamiento en este Lazo de su red eléctrica de los 6 que adquirió por un valor de $4.8 millones.

Los sistemas SMES distribuidos actúan como generadores virtuales que pueden instantáneamente inyectar grandes cantidades de energía en la red cuando se necesita. Dada la movilidad de estas unidades, pueden ser fácilmente desplazadas para adaptarse a los cambios de la red.

American Superconductor había desplegado sistemas similares SMES de calidad de potencia en los pasados años en entornos industriales y centros de proceso de datos pero esta puede considerarse como la primera aplicación comercial de tecnología de superconductores como un elemento distribuido integral y coordinado en las redes eléctricas.

Los componentes de SMES se ubican en trailers semi-tractores y se conectan a los transformadores de las subestaciones en lugares estratégicos de la red eléctrica (configuración D-SMES) o bien se instalan entre un suministro de red y un usuario industrial para mejorar su calidad de red (configuración Power Quality, PQ-SMES). Cuando se detecta una caída de tensión, instantáneamente SMES aporta la cantidad precisa de energía real y reactiva en el sistema protegiéndolo y manteniendo los niveles de tensión estables.

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Foto general de la instalación:

Ejemplo de una instalación de SMES. Source: Sharp Electronics


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11. uLtrAcONdENsAdOrEs (FuENtE: MAxWELL ELEctrONics)

NOMBrE dE LA iNstALAcióN :Sistema de almacenamieto por ultracondensadores PureWave® Electronic Shock Absorber (ESA)

promotor :Maxwell Electronix, Hawaia Electric CO y S&C Electric Company

Localización:Parque eólico de Lalamilo, cerca de Waikoloa en la Gran Isla de Hawai


Objeto/finalidad instalación:Estabilización en general de la red eléctrica

descripción general de la instalación:Como ejemplo de la aplicación de almacenamiento energético por ultracondensadores en el ámbito eólico, cabe citar como ejemplo PureWave® Electronic Shock Absorber (ESA), un innovador dispositivo de estabilización de red para parques eólicos que trata de solucionar este problema. Hawaiian Electric Company, Inc. (HECO) and S&C Electric Company instalaron el primer sistema ESA en el parque eólico de Lalamilo en Hawai. ubicado en un trailer de casi 10 m., el sistema inicial ESE utiliza 1.200 ultracondensadores almacenando 6 Mj. de energía capaces de entregar 500 KVA a una tensión nominal de 480 V de Corriente Alterna (CA). Opera en un rango de temperaturas de 25 a 50 ºC actuando como una interfaz única entre el parque eólico completo y la red en vez de en cada uno de los aerogeneradores.Las condiciones eólicas en Lalamilo proporcionan una ubicación ideal para probar el sistema. Este sistema ha demostrado su potencial para incrementar la energía eólica que puede ser generada para redes eléctricas pequeñas o aisladas como la de Hawai. El uso de ultracondensadores como buffers de energía, sistemas como PureWave® ESA pueden proporcionar almacenamiento de energía a corto plazo y mejorar el soporte de tensión y la estabilidad global del sistema de transmisión. Adicionalmente, para redes interconectadas más grandes, estos sistemas presentan un potencial significativo de uniformización de los cambios rápidos de las salidas de energía eólica.

Figura 32. Diagrama unifilar del sistema ESA

Resumiendo las principales características del sistema inicial:• Tensión Nominal 800 V de Corriente Continua• Número de ultracondensadores: 640• Energía almacenada: 3 MJ• Máxima potencia: 263 kW• Temperatura de funcionamiento: .25 a 50 °C

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Disposición de componentes en el trailer

Trailer contenedor del sistema SAS.


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