EDICIÓN ESPECIAL...• Wendy Lugo Sandoval, publicación electrónica Junta Directiva Comité...

EDICIÓN ESPECIAL

Jun-ta

Presidente: Leonardo Fabio Beltrán Rodríguez, Subsecretario de Planeación y Transición Energética, Secretaría de Energía (SENER)Secretario: Geovanni Anguiano Serrano, Director General Consultivo de la Unidad de Asuntos Jurídicos, Secretaría de Energía (SENER)Prosecretario: Fernando A. Kohrs Aldape, Director de Planeación, Gestión de la Estrategia y Comercialización, Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL)Consejeros titulares: • Oliver Ulises Flores Parra Bravo, Comisión Reguladora de Energía (CRE) • Nemorio González Medina, Centro Nacional de Control de Energía (CENACE) • José Antonio Lazcano Ponce, Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) • Santiago Barcón Palomar, Cámara Nacional de Manufacturas Eléctricas (CANAME) • Francisco Barnés de Castro, Consejo Mundial de EnergíaComisario público: Mario Alberto Cervantes García, Secretaría de la Función Pública (SFP) Representantes de Universidades y Centros de Investigación: • Arturo Molina Guitiérrez, Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey (ITESM) • Jesús Antonio del Río Portilla, Instituto de Energías Renovables, UNAM • Peter F. Green, National Renewable Energy Laboratory (NREL)

• Georgina Izquierdo Montalvo, Directora General • Salvador González Castro, Director de Tecnologías Habilitadoras • José Gerardo Montoya Tena, Director de Sistemas Eléctricos • Eduardo Preciado Delgado, Director de Sistemas Mecánicos • Fernando A. Kohrs Aldape, Director de Planeación, Gestión de la Estrategia y Comercialización • Alfredo Gómez Luna Maya, Director de Administración y Finanzas

• Gladys Dávila Núñez, Jefa del Departamento de Difusión, coordinación editorial, redacción y corrección de estilo • Arturo Fragoso Malacara, diseño editorial y fotografía • Alberto Ayala García, imagen de portada • Verónica García Rodríguez, diagramación, formación y cuidado de la edición • Wendy Lugo Sandoval, publicación electrónica

Junta Directiva

Comité Editorial

ELECTRICIDAD Y ENERGÍAS LIMPIAS, Edición especial, año 2-3, 2018-2019, vol. 1, núm. 1. Publicación editada por el Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL). Reforma 113, colonia Palmira, C.P. 62490, Cuernavaca, Morelos, México. Teléfono: (777) 362 3811, www.ineel.mx, [email protected]. Editora responsable: Gladys Dávila Núñez. Reservas de derechos al uso exclusivo número en trámite, ISSN: número en trámite, ambos otorgados por el Instituto Nacional del Derecho de Autor, Licitud de Título y Contenido número en trámite, otorgado por la Comisión Calificadora de Publicaciones y Revistas Ilustradas de la Secretaría de Gobernación.

En este número especial incluimos el contenido editado en octubre de 2018, el cual es resultado de proyectos del INEEL y constituye información inédita, publicado hasta diciembre de 2019.

Los artículos firmados son responsabilidad de sus autores. El material solo puede reproducirse parcial o totalmente con la autorización escrita del INEEL.

sumario1

sumario

Editorial

DivulgaciónV2G para reforzar la red eléctrica con energía almacenada en vehículos eléctricos (VE) en la Ciudad de México / V2G to strengthen the power grid with energy stored in electric vehicles (VE) in Mexico CitySohail Khan, Ulises Cano Castillo, Javier De la Cruz Soto, Alfredo Espinosa Reza y Héctor Aguilar Valenzuela

Tendencia tecnológicaSistema prototipo para carga rápida de baterías de ion-litio basado en pulsos de corriente / Fast charging prototype system for lithium-ion batteries based on current pulses Manuel de Jesús López Pérez, Ana Cristina Peláez Hernández, Félix Loyola Morales, José Roberto Flores Hernández y Ulises Cano Castillo

Aplicaciones tecnológicasEvaluación de un sistema de almacenamiento de energía con baterías para soporte de frecuencia en la red eléctrica de Baja California Sur / Battery energy storage system assessment for frequency support in the Baja California Sur power gridMiguel Ramírez González, Rafael Castellanos Bustamante y Jorge Guillermo Calderón Guizar

Artículo técnicoDiseño, construcción y caracterización de un electrolizador tipo PEM para la generación de hidrógeno / Design, manufacture and characterization of a PEM electrolysis stack for the hydrogen generation José Roberto Flores Hernández e Irma Lorena Albarrán Sánchez

Comunidad INEEL

Breves técnicas• Las baterías con materiales convencionales nanoestructurados / Batteries with conventional

nanostructured materials Mariana Gamboa Sandoval, Daniel Fernández Rodríguez y José María Malo Tamayo • Baterías de flujo para almacenamiento de energía de gran escala / Flow batteries for large-

scale energy storage Joep Pijpers

Artículo de investigaciónPrioridades nacionales sobre almacenamiento de energía en la red eléctrica en México / National priorities on energy storage in the power grid in MexicoJosé Luis Silva Farías

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Editorial

La Reforma Energética que se está instrumentando en nuestro país, está transformando los viejos paradigmas en cuanto a la generación, transmisión, distribución y uso de la energía. Todo esto apalancado con los compromisos internacionales para la reducción de las emisiones de Gases de Efecto Invernadero (GEI) a fin de reducir los impactos del calentamiento global que nos amenaza junto con el resto de la humanidad.

Lo que estamos y seguiremos viendo en México es el crecimiento explosivo de las Energías Renovables (ER) como la solar Fotovoltaica (FV) y eólica, lo cual ocurre también en otras partes del mundo desarrollado. Los cambios en las legislaciones mexicanas y la apertura de los mercados energéticos, aunado a las necesidades de usuarios e inversionistas, fortalecen el crecimiento y el despliegue en varias partes del territorio nacional de parques solares y eólicos.

Las características intermitentes de estas dos opciones energéticas traen consigo retos tecnológicos y legislativos aun no resueltos a nivel mundial para su despliegue a gran escala; ya que afectan la estabilidad de los sistemas actuales y la forma de operación del sistema eléctrico nacional. Una solución que promete resolver estos y otros retos tecnológicos asociados a la nueva configuración de los sistemas eléctricos es el Almacenamiento de Energía.

Los tecnólogos de todo el mundo intentan encontrar opciones sustentables, confiables y económicas para el almacenamiento de energía. Hoy en día muchas tecnologías se desarrollan y prueban a diferentes escalas a nivel mundial. La carrera tecnológica para el desarrollo del almacenamiento seguro, sustentable y eficiente de la energía está en curso; y México tiene la oportunidad, sin duda, de destacar en este rubro.

Este número comparte solo algunos de los muchos esfuerzos que el Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL) realiza para el desarrollo del conocimiento, tecnología, aplicaciones y formación de recursos humanos en

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editorial

Se incluye además un artículo técnico relacionado con el Diseño, construcción y caracterización de un electrolizador tipo PEM para la generación de hidrógeno, tomando en cuenta que el hidrógeno es considerado el vector energético que sustituirá a los combustibles fósiles en el mediano y largo plazo, ya que tiene un alto contenido energético mucho mayor que el de la mayoría de los combustibles, además mediante su utilización es posible generar electricidad para uso doméstico, industrial y automotriz, entre otras aplicaciones. El electrolizador propuesto tiene una eficiencia energética cercana al 75%.

Al término de esta lectura se ofrece una revisión del caso México sobre las Prioridades nacionales sobre almacenamiento de energía en la red eléctrica de México. En dicho taller se trataron diversos tópicos como almacenamiento térmico, almacenamiento electroquímico por baterías, almacenamiento eléctrico por supercapacitores, almacenamiento mecánico y lo relacionado con el marco regulatorio, estándares, certificaciones y políticas públicas.

En las breves técnicas encontrará un trabajo sobre Las baterías con materiales convencionales nanoestructurados que explora la utilización de estos materiales altamente disponibles y de bajo costo para su prueba y caracterización con vías a su escalamiento en sistemas complementarios a las fuentes intermitentes limpias. Particularmente, se preparan y caracterizan acero y aleaciones de cobre en forma de polvo y nanoestructurados con el propósito de escalar su fabricación para aplicaciones prácticas a nivel de viviendas que cuenten con fuentes solares o de viento.

Una segunda breve técnica presenta Baterías de flujo para almacenamiento de energía a gran escala en la que se plasman los esfuerzos por desarrollar baterías de flujo más baratas mediante la exploración de compuestos electro-activos orgánicos y las baterías de flujo basadas en electrodiálisis.

Esperamos que nuestras contribuciones apoyen y estimulen el desarrollo del almacenamiento de energía y sus aplicaciones en nuestro país para el beneficio de la sociedad mexicana.

los diversos temas del almacenamiento de energía. Con lo anterior, da cumplimiento a las obligaciones que la Ley le demanda en apoyo a la ciencia e industria del país.

En este número, la sección de divulgación presenta un artículo titulado V2G para reforzar la red eléctrica con energía almacenada en vehículos eléctricos (VE) en la Ciudad de México, en el que se explora la tecnología sobre la conexión de los vehículos eléctricos a la red eléctrica, lo cual puede proporcionar un flujo de energía bidireccional entre el vehículo y la misma red con diversos beneficios: ayuda a mejorar la eficiencia y confiabilidad, reduce las pérdidas de potencia y mejora el perfil de voltaje y otros parámetros de operación de la red, siempre y cuando, la potencia inyectada no exceda la capacidad de alojamiento de la red. Este concepto es útil si una flota grande de vehículos inyecta su energía a la red y ofrece la ventaja de una rápida transferencia de energía.

El artículo de tendencia tecnológica trata sobre un Sistema prototipo para la carga rápida de baterías de ion-litio basado en pulsos de corriente que atiende la necesidad del almacenamiento de energía con alta velocidad de carga sin afectar la integridad de las baterías, lo cual es actualmente uno de los mayores retos tecnológicos en la actual industria de la energía y el transporte eléctrico. Es así que se explora un dispositivo electrónico para controlar la salida de un cargador de baterías convencional del banco de baterías de un vehículo eléctrico ligero; el control se realiza mediante pulsos en lugar de la corriente directa continua convencional que típicamente se usa para este tipo de baterías. Los resultados de la carga de la batería mostraron que el sistema de carga permitió que la batería alcanzara el 90 por ciento de su capacidad nominal en un 56% del tiempo por medios convencionales.

Se ofrece un artículo de aplicaciones tecnológicas titulado Evaluación de un Sistema de Almacenamiento de Energía con Baterías para soporte de frecuencia en la Red Eléctrica de Baja California Sur. En este trabajo se evalúa la aplicación de un Sistema de Almacenamiento de Energía con Baterías para soporte de la frecuencia en el sistema eléctrico aislado de Baja California Sur, el cual se equipa con funciones de respuesta inercial y de regulación primaria de frecuencia. Los resultados indican que se puede mejorar la confiabilidad, seguridad y flexibilidad de operación del sistema de potencia considerado.

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V2G para reforzar la red eléctrica con energía almacenada en vehículos eléctricos (VE) en la Ciudad de México

Sohail Khan1, Ulises Cano Castillo1, Javier De la Cruz Soto2, Alfredo Espinoza Reza1, Héctor Aguilar Valenzuela3

The electric transport introduction in urban areas can have important benefits over the environmental and operating costs of advanced transport, thanks to the energy stored by the electric vehicles (VE). The connection of electric vehicles to the power grid can provide a bidirectional flow energy between the vehicle and the grid with diverse benefits. The electrical grid is seen as the source of VE recharge, but the vehicle’s energy flow to the grid (V2G) can also help improve efficiency, reliability and even operation parameters power grid. The energy transfer V2G opens up a new revenue opportunity for VE, and it could reduce the investment and operation costs of the grid in urban feeders with limited demand where peak electricity prices are high. Other benefits include voltage regulation, reduction of power losses, reduction of peak load, improvement of voltage profile, etc. In this study, V2G concept is explored in a commercial feeder with nominal load values in Mexico City. Considered different scenarios, it was founded that the V2G strategy is successful in improving the parameters of the power grid, as long as the energy injection does not exceed the hosting capacity feeder.

Abstract1 Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL)

2 CONACYT-INEEL3 Comisión Federal de Electricidad

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divulgación

Resumen

La introducción del transporte eléctrico en zonas urbanas puede tener mayores beneficios que los ambientales y de costos de operación del transporte avanzado, gracias a la energía que almacenan los vehículos eléctricos (VE). La conexión de los vehículos eléctricos a la red eléctrica puede proporcionar un flujo de energía bidireccional entre el vehículo y la misma red con diversos beneficios. La red eléctrica se vislumbra como la fuente de recarga de los VE, pero el flujo de energía del Vehículo a la Red (V2G) puede también ayudar a mejorar la eficiencia, confiabilidad e incluso parámetros de operación de la red. La transferencia de energía V2G abre una nueva oportunidad de ingresos para los usuarios de VE y podría reducir los costos de inversión y operación de la red en alimentadores urbanos con demanda limitada, donde los precios pico de electricidad son altos. Los otros beneficios incluyen la regulación de voltaje, la reducción de las pérdidas de potencia, la reducción del pico de la carga, la mejora del perfil de voltaje, etcétera. En este estudio, el concepto V2G se explora en un alimentador comercial con valores de carga nominal en la Ciudad de México. De los escenarios considerados, se encuentra que la estrategia V2G es exitosa para mejorar los parámetros de la red, siempre y cuando la inyección de energía no exceda la capacidad de alojamiento del alimentador.

Introducción

La necesidad de mayor penetración de fuentes renovables en el portafolio energético de México, así como la cada vez mayor presión por mejorar la calidad del aire en zonas

urbanas del país, podría ver en el uso de los vehículos eléctricos (VE) mayores beneficios para la red eléctrica. Un VE puede verse como un sistema de almacenamiento de energía móvil cuando se estaciona por horas, por ejemplo, en horarios laborables; puede pensarse como un sistema estacionario con una capacidad nada despreciable. Un ejemplo de ello es el Tesla Modelo 3S el cual trae a bordo una capacidad de alrededor de 80 kWh o bien el Leaf de Nissan con 40 kWh a bordo, aunque su reserva permitida podría ser unos 6 kWh. Si consideramos que hoy en día, en el planeta hay más de 4 millones de vehículos eléctricos, esto significa una potencial capacidad “instalada” real muy significativa.

La independencia del consumo de combustibles fósiles es clave para abordar el problema de la contaminación, por lo que la mayoría de los países del mundo priorizan la introducción de energías renovables en sus políticas de desarrollo para satisfacer sus necesidades energéticas, y en muchos de ellos, la demanda de energía se satisface mediante estaciones generadoras centralizadas que se encuentran alejadas de los centros de carga. En países grandes como México (1.964 millones de km2), los costos y las pérdidas de la infraestructura de transmisión y distribución no se pueden ignorar, donde además la generación de energía térmica desempeña un papel importante para satisfacer la demanda de energía. De acuerdo con el Informe Anual 2017 de la CFE, México generó, en dicho año, 49,000 GWh de electricidad limpia, un 19% del total, por lo que la energía térmica aún tiene una alta participación, haciendo al almacenamiento de energía un facilitador de una mayor penetración de fuentes renovables de energía.

A través de tecnologías innovadoras se proponen diferentes estrategias para reducir la carga pico y aliviar el costo de las nuevas líneas de transmisión. Algunas de ellas incluyen Sistemas de Almacenamiento de Energía (ESS, por sus siglas en inglés) y Generación Distribuida (GD) (Khan, 2015). Sin embargo, en los últimos años, los VE significan una revolución tanto en transporte como en los sistemas de potencia, ya que ofrecen diversas aplicaciones energéticas además de la tracción mediante tecnología de flujo de energía del Vehículo a la Red (V2G). El acoplamiento de los VE con la red de distribución puede hacer que el sistema eléctrico sea confiable y rentable, por ejemplo, con una mejor regulación de frecuencia (Sortomme, 2011; Sortomme, 2012 y Lam, 2016). La integración de los vehículos eléctricos a la red puede ser benéfica, tanto para para el sistema eléctrico como para el propietario del vehículo, ya que proporciona energía y servicio auxiliar a la red

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divulgaciónElectricidad y Energías Limpias

(Ansari, 2015) incluso con la posibilidad de prestar un servicio lucrativo. Esta especie de generación distribuida no presenta emisiones dañinas en el sitio durante su operación y puede proporcionar diversos beneficios para diferentes participantes del mercado eléctrico (Sortomme, 2011; Sortomme, 2012).

Así, la transferencia de energía de vehículos eléctricos a la red se denomina tecnología de vehículo a la red (V2G). Según (Bergen, 2000) el almacenamiento de energía de corto plazo, por ejemplo, mediante baterías, es un excelente candidato como recurso de regulación debido a su respuesta rápida y su capacidad para reducir las emisiones de CO2 en el sitio. Muchos operadores de sistemas independientes, incluidos el de Nueva York, de Nueva Inglaterra y de California, han integrado recursos de almacenamiento de energía a corto plazo para regular sus mercados de energía (Lam, 2016). Un equipo compuesto por expertos de la Universidad de Delaware realizó una demostración práctica para probar que la tecnología V2G es capaz de proporcionar regulación de frecuencia en tiempo real (Kempton, 2009). Ingenieros experimentados de distribución también señalan que un VE no tiene diferencia con un generador distribuido o una carga adicional para la regulación desde el punto de vista tecnológico (Kempton, 2009). Sin embargo, existen algunas limitaciones, por ejemplo, las unidades de generación distribuida pueden colocarse en varias posiciones en la red, mientras que la energía de los VE se inyectaría a la red, por ejemplo, desde un estacionamiento amplio. El impacto en la red también depende de la ubicación en la que se inyecta la energía a la red eléctrica (Khan, 2015). De ahí que es sumamente necesario un análisis de los sitios en donde se ubicarán cargadores bidireccionales, no sólo por el impacto durante la carga de baterías, sino también durante el uso de V2G.

La Ciudad de México se considera una de las ciudades más contaminadas del mundo con más de 5 millones de vehículos registrados en el área metropolitana. México tuvo una escasez reciente de gasolina e incrementos en los costos, lo que hace pensar en la necesidad de introducir combustibles alternos, así como tecnologías de transporte más allá de los motores de combustión interna tradicionales. La preocupación mundial sobre la protección del medio ambiente definitivamente desalienta el uso de vehículos basados en combustibles fósiles, especialmente el diésel que se usa en transporte pesado. Por ello, la introducción de VE resulta no sólo beneficioso desde el punto de vista ambiental, sino que, para el usuario de un VE, el flujo de energía de V2G podrá

ser una opción económica abierta en nuevos modelos de negocio al mismo tiempo que se prestan servicios a la red eléctrica.

Este trabajo evalúa el impacto de la conexión de VE en la red eléctrica en puntos específicos en la Ciudad de México.

Integración de VE en la red eléctrica

La conexión de un VE a la red no solo carga la batería del vehículo, sino que también la red puede obtener energía de la batería del vehículo descargándola, es decir, mediante un flujo de energía de la batería del vehículo hacia la red, de ahí su nombre V2G.

México busca insertar una mayor proporción de electricidad generada por fuentes de energía renovable, sin embargo, éstas son intermitentes, lo que en la mayoría de las veces no satisface los requisitos de la red y de la demanda, incluyendo carga para VE. El consumo de energía, por otro lado, puede no coincidir en el caso de la energía renovable conectada a la red debido a la intermitencia de los generadores de energía. Los sistemas de almacenamiento con baterías pueden asistir en balancear el consumo y la generación “en el momento adecuado”. Estos sistemas pueden ser los que se encuentran a bordo del VE.

Para la aplicación exitosa de la tecnología V2G se requiere una intensa comunicación entre el vehículo y la red, lo cual es un gran desafío, ya que la red debe enviar una señal para solicitar la energía al VE (Steven, 2008) y éste tiene que “estar de acuerdo” en función de su capacidad almacenada y de la disposición del usuario en proveer su energía, quizás comprada en horarios de baja tarifa. Existen tres requisitos previos para implementar V2G: en primer lugar, la conexión de V2G debe garantizarse; en segundo lugar, se requiere de un sistema de administración para la comunicación entre el vehículo y el operador de la red (i.e. alta conectividad); finalmente, el sistema de medición define el contenido de la batería y la cantidad de transferencia de energía disponible, en función de dicho contenido y de la decisión del propietario de esa energía, en el vehículo eléctrico (Jasna, 2007).

Actualmente, los vehículos eléctricos suelen ser más caros que los vehículos con motor de combustión interna, pero como se indica en (Steven, 2008), es rentable ser capaz de actuar como fuente, descargar las

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divulgación

divulgaciónbaterías para vender energía, ya que estas transacciones son prometedoras para los servicios auxiliares porque pueden proporcionar varios servicios: suministro de energía para satisfacer la potencia pico de la demanda, regulación de voltaje, reducción de pérdidas de potencia y mejorar del perfil de voltaje.

Para aplicar esta tecnología en cualquier red debe existir un esquema de contrato y beneficio para el propietario del VE, así como reglas y estandarización de la transacción. Por ejemplo, con una “estrategia agregadora” (Kristien, 2011) ya que el contrato no se puede realizar con un solo VE debido a su baja potencia de salida. Un agregador es una parte única que representa una flota de VE. Por otra parte, es más conveniente la presencia de una gran cantidad de VE.

Circuito y casos de estudio

En este estudio se considera un alimentador comercial de 23 kV en la Ciudad de México. El alimentador tiene una longitud de alrededor de 10 kilómetros y alimenta dos ubicaciones bien conocidas con suficientes lugares de estacionamiento, como Hipódromo de las Américas y el Centro de Convenciones Banamex, entre otros. Las líneas son conductores trifásicos de 3 hilos seleccionados según el requisito de carga. El número total de cargas (concentradas) conectadas al alimentador es de 269 con 499 nodos. El alimentador también tiene 4 relevadores de sobrecorriente y 47 fusibles para fines de protección. Los datos se recopilan de la Comisión Federal de Electricidad y se implementan cuidadosamente en el software comercial y de investigación NEPLAN.

Para promover la introducción e implantación de tecnologías avanzadas de tracción eléctrica en un país como el nuestro, es importante estudiar los efectos y proponer las recomendaciones e infraestructura necesarias para ciudades como la Ciudad de México, donde los beneficios pueden ser muy altos. Conectar los VE a un alimentador para una posible transacción energética depende de muchos factores, entre ellos los hábitos de conducción y las prioridades del propietario del vehículo, el sitio de conexión, etcétera, muchos de estos factores son riesgos que enfrenta un agregador.

La tecnología V2G asume en general que los vehículos que inyectan energía a la red se cargan durante la noche en los hogares, a través del nivel de carga 1, posiblemente con tarifas bajas. Al día siguiente y en horario laborable, los vehículos se conectan a la red, por

ejemplo, desde el área de estacionamiento y entregan parte de la energía de reserva. También se asume que los vehículos están disponibles para inyectar energía a la red a través de conexiones bidireccionales con cargadores conectados a la red.

Así, en este estudio se consideraron los siguientes escenarios para llevar a cabo el análisis, además, para establecer los casos, se realizaron algunas simulaciones iniciales para encontrar los límites bajo los cuales se puede operar el alimentador de manera segura:

1. En primer lugar se investiga el estado actual de la red.

2. Se determina la cantidad mínima de energía que puede inyectarse al alimentador, mejorando los parámetros de línea.

3. Se determina la cantidad máxima de energía que se inyecta por encima de la cual el alimentador se sobrecarga.

4. Se inyecta al circuito una cantidad de energía que excede la capacidad de alojamiento para evaluar los efectos negativos en el alimentador.

Los casos considerados para el estudio se enumeran en la tabla 1. En este trabajo se considera un inversor eficiente con un factor de potencia de 0.93.

Resultados del estudio y discusión

El análisis del flujo de potencia es una herramienta recomendada para el estudio de la operación, planificación y protección de sistemas de energía eléctrica, ya que la inyección de energía de los VE puede impactar positiva o negativamente a la red: podría mejorar el perfil de voltaje, disminuir las pérdidas o sobrecargar las líneas. El NEPLAN utiliza el método Newton Raphson Extended para los estudios de flujo de potencia.

Caso 1

Como se indicó anteriormente, en primer lugar, se determina el estado actual de la red en los valores nominales de la carga concentrada conectada al alimentador. A valores de carga nominal, la corriente retirada del alimentador es alta. En este caso, la corriente es más alta que la máxima permitida, por lo que algunas líneas se sobrecargan como se muestra

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en la figura 1, en donde las líneas rojas muestran las porciones de sobrecorriente.

Los voltajes en 5 nodos seleccionados se muestran en la tabla 2. El nodo ID 480 es el nodo donde el alimentador entrega la energía, el nodo 1671 es el nodo donde se plantea inyectar la energía de una flota y el resto de los nodos se encuentran en una distancia de las ubicaciones de inyección de energía en la red para ver el impacto. Las pérdidas totales de potencia activa y reactiva en el caso 1 son 1.179 MW y 1.757 MVAR respectivamente, mostrando una caída del 6.4% de la potencia total entregada a la red. Cabe mencionar que estas pérdidas son superiores al límite estándar (4%) establecido por la empresa de servicios públicos en la Ciudad de México.

Caso 2

Para obtener las líneas en condiciones normales de funcionamiento es necesario inyectar energía adicional al alimentador. La energía se puede inyectar desde la estación central de generación de energía o conectando una fuente localmente al alimentador (GD). La inyección local es una práctica preferida para aliviar las pérdidas asociadas con la inyección de la energía adicional desde la central eléctrica.

Hay tres formas de inyectar energía al alimentador localmente: mediante generación distribuida, a través de sistemas de almacenamiento de energía y por medio de V2G. Esta última presenta ventajas como el que las empresas de servicios públicos no tienen que invertir en la instalación de unidades generadoras como en el caso de GD o baterías en caso de ESS. Por el contrario, es el cliente quien invierte en su VE.

La cantidad de energía que se requiere para que la red vuelva a su condición de funcionamiento normal es de 4.5 MW (por 1 hora). El número total de VE (por ejemplo, un Nissan Leaf) que pueden inyectar esta cantidad de energía en una hora es de 750, ya que un vehículo tiene una capacidad de reserva de 6 kWh. Después de conectar la flota, las líneas se normalizaron (como se muestra en la figura 2) con una reducción de pérdidas y la mejora del perfil de voltaje. Las pérdidas totales de potencia activa y reactiva disminuyeron a 0.5672 MW y 0.7136 MVAR respectivamente y mostraron una caída del 4.1% de la potencia total inyectada. De los resultados se desprende claramente que las pérdidas disminuyeron un 35.9% en comparación con el caso 1.

Figura 1Alimentador aún sin conectar VE.

Tabla 1Casos generados para el estudio V2G.

Caso Potencia inyectada (MW)

Potencia inyectada (MVAR)

Número de VE conectados

1 0 0 02 4.5 MW 1.77 7503 15 MW 5.925 25004 16 MW 6.32 2665

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divulgación

divulgaciónLos voltajes en los 5 nodos seleccionados se muestran en la tabla 3, donde se puede ver una mejora en el voltaje.

Hay otros VE disponibles en el mercado capaces de inyectar energía de su reserva a la red, entre se tienen: Honda FC, Toyota RAV4 EV, Ford P2000 y Mercedes-Benz Sprinter, con potencial para la implementación de V2G (Kempton, 2005).

Caso 3

Es importante evaluar un refuerzo planificado de la red considerando los servicios auxiliares de los VE para lograr la operación de una red más eficiente. Esto permite determinar la capacidad máxima de alojamiento de una red para los VE, es decir, la capacidad de potencia máxima que puede alojar una red. Este factor debe considerarse porque la inyección de energía a la red puede mejorar o deteriorar el sistema. El impacto de inyectar energía adicional en la red puede cuantificarse utilizando un conjunto de indicadores de rendimiento o medidas de calidad de energía como la magnitud del voltaje, las caídas de tensión y el riesgo de sobrecarga (Etherden, 2011).

En este estudio, la potencia máxima que se puede inyectar al alimentador es de 15 MW (lo que equivaldría a una flota de 2500 vehículos Nissan Leaf). La línea permanece saludable después de inyectar 15 MW ya que ninguna de las líneas se sobrecarga, como se muestra en la figura 2. Las pérdidas totales de potencia activa y reactiva en el caso 3 fueron de 0.3512 MW y 0.2368 MVAR, respectivamente, mostrando una caída del 1.96% en comparación con la potencia total inyectada a la red. En comparación con el caso 1 y 2 se ahorra una cantidad considerable de energía (disminuyendo 69.3% en comparación con el caso 1).

Los voltajes en los 5 nodos seleccionados se muestran en la tabla 4 en la que se aprecia que los voltajes en los nodos mejoraron, especialmente en el nodo ID 1671 donde se conecta la flota de vehículos.

Caso 4

Finalmente, se inyecta al alimentador la capacidad de reserva de una flota de 2,665 VE (16 MW) para evaluar una sobrecarga. En una de las líneas se observa una sobrecarga evidente, mientras que las restantes están en buen estado, como se muestra en la figura 3. Las pérdidas totales de potencia activa y reactiva, para este caso, son 0.4152 MW y 0.3262 MVAR (2.3%), que son más

Tabla 2Voltajes de nodos seleccionados antes de inyectar potencia.

Número ID del nodo Voltaje (kV)

1 480 232 1671 22.9493 560 22.6834 1222 22.8875 142 22.963

Figura 2Estatus de la red al inyectar 4.5 MW y 15 MW de potencia al alimentador.

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altas que en el caso 3. Esto es, al aumentar la potencia inyectada sobre de la capacidad de alojamiento, se sobrecargan las líneas y aumentan las pérdidas de potencia.

Los voltajes en los 5 nodos seleccionados se muestran en la tabla 5.

Conclusiones

Este estudio explora de una manera simple el concepto V2G en una red de distribución comercial radial típica de la Ciudad de México. Aunque los esquemas económicos y de negocios con respecto a los beneficios de los propietarios de VE y agregadores aún no se definen, V2G ofrece la ventaja de una rápida transferencia de energía. El concepto es útil si una flota grande de vehículos inyecta su energía a la red. Puede ser útil a los servicios públicos si la transferencia de energía se realiza, por ejemplo, en horas pico de demanda. Tal situación deberá considerar el reto de coordinar los diferentes estados de carga de cada banco de baterías en los VE, tarea encargada a los BMS (Battery Management Systems) de los bancos a bordo de los vehículos. Esto también incluye la capacidad de reserva del VE o cualquier otra restricción definida por la tecnología de batería específica en cada vehículo. Además de satisfacer la demanda V2G también ayuda a reducir las pérdidas de potencia y mejorar el perfil de voltaje. Sin embargo, la potencia inyectada no debe exceder la capacidad de alojamiento de la red, de lo contrario los resultados serán adversos. Esta modalidad de almacenamiento de energía, se ha considerado poco en los esquemas para servicios a la red de sistemas de almacenamiento de energía estacionarios tradicionales, pero el potencial de nuevos negocios y beneficios a la red, es muy atractivo.

Referencias

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Etherden, N. y Bollen M. H. J. Increasing the hosting capacity of distribution networks by curtailment of renewable energy resources. PowerTech, 2011, IEEE Trondheim. IEEE, 2011.

No. ID Voltaje en kV1 480 232 1671 23.0423 560 22.7734 1222 22.8615 142 22.958

Tabla 4Voltajes de nodos seleccionados después de inyectar 15 MW de potencia.

Tabla 3Voltaje en los nodos seleccionados después de inyectar 4.5 MW de energía.

Número ID Voltaje en kV1 480 232 1671 22.9783 560 22.7124 1222 22.8825 142 22.963

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divulgación

divulgaciónJasna T. y Kempton W. Using fleets of electric-drive vehicles for grid support. Journal of Power Sources, vol. 168, núm. 2, 2007, pp. 459-468.

Kempton, W.y Tomić, J. Vehicle-to-grid power fundamentals: Calculating capacity and net revenue. Journal of power sources, vol. 144, núm. 1, pp. 268-279, 2005.

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Sortomme E, y El-Sharkawi M. A. Optimal charging strategies for unidirectional vehicle-to-grid, IEEE Trans. Smart Grid, vol. 2, núm. 1, pp. 131–138, Marzo, 2011.

Sortomme E. y El-Sharkawi M. A. Optimal combined bidding of vehicle-to-grid ancillary services, IEEE Trans. Smart Grid, vol. 3, núm. 1, pp. 70–79, Marzo,. 2012.

Steven J. D., Rossmaier J. R. y Ferdowsi M. Utilization and effect of plug-in hybrid electric vehicles in the United States power grid. Vehicle Power and Propulsion Conference, 2008, VPPC’08, IEEE. IEEE, 2008.

Figura 3Estado de la red en un caso de inyección de 16 MW de potencia al alimentador.

No. ID Voltaje en kV1 480 232 1671 23.0483 560 22.7794 1222 22.8585 142 22.958

Tabla 5Voltajes de nodos seleccionados después de inyectar 16 MW de potencia.

http://www.udel.edu/V2G/resources/test-v2g-in-pjm-jan09.pdf

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Javier de la Cruz Soto[[email protected]]

Doctor en Ciencias en Ingeniería Eléctrica por el CINVESTAV, Unidad Guadalajara especializándose en turbinas eólicas de baja potencia. Maestro en Ciencias en Ingeniería Eléctrica por el Instituto Tecnológico de Morelia. Ingeniero Electricista por el Instituto Tecnológico de Sonora. Tiene 2 certi-ficaciones por la Universidad de Wisconsin-Madison, sobre Vehículo Eléctricos e Híbridos y Diseño de Máquina Síncronas de Imanes Permanentes. Desde 2014 trabaja como Catedrático CONACYT en el INEEL, en proyectos asociados a la integración de vehículos eléctricos en la red; desarrollo de celdas de combustible y tecnología de aerogeneradores. Es líder técnico de un proyecto de coope-ración internacional financiado por el FONCICYT. Es miembro del SNI nivel Candidato y cuenta con diversas publicaciones en congresos y revistas nacionales e internacionales, así como capítulos de libro. Actualmente trabaja en líneas de investigación asociadas al Almacenamiento de Energía y Energías Renovables. Desde 2010 ha impartido más de 15 cursos a nivel licenciatura y maestría.

Sohail Khan[[email protected]]

Licenciatura en Ciencias en Ingeniería Eléctrica por el Instituto Comsats de Información y Tecnología en Abbottabad, Pakistán. Maestría en Cien-cias en Ingeniería Eléctrica por la Universidad de Ingeniería y Tecno-logía de Peshawar, Pakistán. Fungió como administrador asistente en la Compañía de Telecomunicaciones de Pakistán durante 2014-2015; como ingeniero asistente en la Compañía de Suministro Eléctrico de Pakistán durante 2015-2016.

Durante los años 2016 y 2017 obtuvo una beca de excelencia del gobierno de México a través de la beca de la Secretaría de Relaciones Exteriores (SRE) para realizar una estancia como investigador asistente en el Insti-tuto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL) desempeñando investigaciones relacionadas con el impacto técnico de la carga de vehí-culos eléctricos en las redes de distribución.

Actualmente cursa su doctorado en Sistemas Eléctricos de Potencias, en la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) en la Facultad de Ingeniería (programa de maestría y doctorado en ingeniería eléctrica) a través de una beca del Conacyt. Ha escrito una decena de artículos en revistas arbitradas internacionales. Sus temas de interés son: Generación distribuida, Redes de distribución, transformador de distribución y trans-porte eléctrico.

Ulises Cano Castillo[[email protected]]

Doctor por la Universidad de Oxford, Reino Unido. Ingeniero Químico Metalúrgico por la Universidad Nacional Autónoma de México. Ingresó al INEEL en 1988 y actualmente labora en la Gerencia de Energías Renova-bles de la División de Energías Alternas. Su área de especialidad son los procesos electroquímicos relacionados con la transformación de energía y el desarrollo de sistemas energéticos que aprovechan tecnologías elec-troquímicas para un uso más eficiente, más limpio y más sustentable.

Ha desarrollado diversas tecnologías para la generación de hidrógeno como combustible limpio, a partir de fuentes renovables de energía, así como tecnologías de celdas de combustible para la generación eficiente de electricidad para diversas aplicaciones, con registro de diversas patentes otorgadas y otras en trámite. Ha dirigido diversos proyectos en baterías que incluyen desarrollo tecnológico, diagnóstico con técnicas electroquímicas y servicios especializados como tercerías. En recientes años ha trabajado en proyectos que incluyen plantas de potencia para transporte eléctrico, incluyendo el desarrollo de un vehículo híbrido todo-eléctrico, basado en la tecnología INEEL de celdas de combustible a hidrógeno, en un proyecto multi-institucional.

Co-fundador de la Sociedad Mexicana del Hidrógeno y miembro de diversas organizaciones y redes profesionales como la Sociedad Mexicana de Electroquímica, Asociación Nacional de Energía Solar, red ITIAM, red de Sustentabilidad Energética y red de Almacenamiento de Energía, entre otras. Miembro del Sistema Nacional de Investigadores (SNI) y represen-tante por México en el Acuerdo de Colaboración Tecnológica en Celdas de Combustible Avanzadas de la Agencia Internacional de Energía (AIE) por más de una década. Lidera ApTA (Alianza para la Industria del trans-porte Eléctrico en México) para promover la electromovilidad y el aprove-chamiento de oportunidades derivadas de estas tecnologías emergentes. Autor de varios trabajos publicados en revistas internacionales y libros especializadas, catedrático de cursos a nivel posgrado y forma parte de comités de especialistas de eventos y convocatorias internacionales.

divulgaciónCurrículum vítae

Manuel de Jesús López Pérez[[email protected]]

Maestro en Ciencias en Ingeniería Electrónica con especialidad en Control Automático por el Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecno-lógico (CENIDET). Ingeniero Electrónico con la especialidad en Control e Instrumentación por el Instituto Tecnológico de Tuxtla Gutiérrez. Estu-diante de doctorado en la especialidad de electrónica de potencia. Ingresó al Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL) en 2014 a la Gerencia de Energías Renovables de la División de Energías Alternas. Su área de especialidad se relaciona con la instrumentación, control, integración e interfaces de comunicación para sistemas relacionados con el aprovechamiento de energías renovables. Así como la integración de fuentes de energías limpias para sistemas de tracción eléctrica. Su acti-vidad principal se enfoca en el diseño y desarrollo de tarjetas electrónicas para la operación de generadores de energías renovables. Participó en el diseño y desarrollo del sistema de seguimiento solar automático (SiSSA) para concentradores solares de canal parabólico. También participó en la integración de la planta de potencia híbrida de un vehículo eléctrico utili-tario basado en celdas de combustible. Actualmente trabaja en el dimen-sionamiento de sistemas de híbridos para vehículos eléctricos basados en celdas de combustible. Así como en el diseño y desarrollo de una estra-tegia de manejo el uso eficiente de la energía a bordo de vehículos eléc-tricos híbridos. Es autor de varios artículos nacionales e internacionales, así como de modelos industriales y patentes.

Alfredo Espinosa Reza [[email protected]]

Ingeniero Mecánico Electricista en el área de electricidad y electrónica por la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) en 1994. Ingresó al Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL) (antes IIE) en 1995 como investigador de la Gerencia de Gestión Integral de Procesos y en 2015 fue nombrado Gerente de la misma, en donde desarrolla e integra sistemas de información en tiempo real para centrales genera-doras de energía eléctrica, subestaciones y redes de distribución.

Ha coordinado el desarrollo de diversos proyectos, como el Simulador del Sistema Eléctrico de Distribución para apoyo en la toma de decisiones en Centros de Control de Distribución de la Comisión Federal de Electri-cidad y el proyecto para establecer la arquitectura e infraestructura de interoperabilidad semántica para sistemas de información de apoyo a la Gestión de la Distribución mediante el uso del Modelo de Información Común (CIM) con enfoque a la Red Eléctrica Inteligente.

Cuenta con más de 50 artículos técnicos presentados en diversos foros y publicados en revistas nacionales e internacionales y es participante en 10 registros de derechos de autor de software y metodologías de integra-ción de sistemas. Pertenece a las redes temáticas CONACYT de Susten-tabilidad, Medio Ambiente y Sociedad (SUMAS); de Sistemas Eléctricos de Potencia/Red Inteligente (SEP/RI) y de Almacenamiento de Energía. Es profesor de la Universidad Autónoma del Estado de Morelos y en la Universidad del Sol en Morelos, México.

mailto:[email protected]

tendencia

tecnológi

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Sistema prototipo para carga rápida de baterías de ion-litio basado en pulsos de corriente

Manuel de Jesús López Pérez, Ana Cristina Peláez Hernández, Félix Loyola Morales, José Roberto Flores Hernández y Ulises Cano Castillo

Storing power in various applications would greatly benefit from rapid recharging of battery banks. A high charging rate, without affecting the integrity of the batteries, is one of the biggest technological challenges in the current industry of energy and electric transport. This paper focuses on an electronic device designed and developed to control the output of a conventional battery charger of the battery bank of a fast transit vehicle. The control is carried out by pulses, instead of the conventional direct current typically used for this type of batteries. The electronic device is an electronic switch circuit that allows the delivery of charge to the battery through current pulses, whose periods can go from milliseconds to tens of seconds. As a performance test of the proposed charging system, a lithium-ion battery of 5080 mA was used. The applied current pulse method consists of four stages in which the pulse amplitude and the working cycle, were adjusted during the test according to the pre-programmed values. Battery charge results showed that the charging system allowed the battery to reach 90 percent of its nominal capacity at 1.63 hours, instead of the 2.9 hours required by a constant current load-conventional constant voltage.

Abstract

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tendencia tecnológica

tendencia

tecnológi

Resumen

El almacenamiento de energía en diversas aplicaciones se beneficiaría grandemente con recargas rápidas de bancos de baterías. Esta alta velocidad de carga, sin afectar la integridad de las baterías, es uno de los mayores retos tecnológicos en la actual industria de la energía y el transporte eléctrico. El presente trabajo se centra en un dispositivo electrónico propuesto y desarrollado para controlar la salida de un cargador de baterías convencional del banco de baterías de un vehículo eléctrico ligero; el control se realiza mediante pulsos en lugar de la corriente directa continua convencional que típicamente se usa para este tipo de baterías. El dispositivo electrónico es un circuito conmutador electrónico que permite la entrega de carga a la batería a través de pulsos de corriente, cuyos períodos pueden ir desde milisegundos hasta decenas de segundos. Como prueba de rendimiento del sistema de carga propuesto se realizó la carga de una batería de ion-litio de 5080 mA. El método de pulsos de corriente aplicado consiste en cuatro etapas en las que la amplitud del pulso y el ciclo de trabajo se ajustaron durante la prueba de acuerdo con los valores pre-programados. Los resultados de la carga de la batería mostraron que el sistema de carga permitió que la batería alcanzara el 90 por ciento de su capacidad nominal en 1.63 horas en lugar de las 2.9 horas requeridas por una carga de corriente constante-voltaje constante convencional.

Introducción

Debido al impresionante desarrollo que la tecnología de baterías de Li-ion (ion-litio) ha visto desde su

primer producto comercial en la década de 1980, hoy es la tecnología preferida para aplicaciones portátiles y para la tracción eléctrica en transporte avanzado, particularmente en vehículos eléctricos ligeros. En comparación con las baterías de Pb-ac (plomo ácido), NiCd (níquel-cadmio), NiMeH (níquel hidruro metálico), etc., las baterías de ion-litio ofrecen las mayores densidades de energía tanto en volumen como en masa, es decir, hasta 400 kWh/m3 y 0.25 kWh/kg, respectivamente. También muestran el mayor número de ciclos de vida y cuando se diseñan y controlan adecuadamente ofrecen un funcionamiento seguro y no muestran el efecto memoria como otras tecnologías (Navigant, 2013; Yoshino, 2014).

Desafortunadamente, este tipo de tecnología, al igual que muchas otras tecnologías de baterías, aún presenta limitaciones con respecto al tiempo que necesitan para recuperar su carga, ya que esto puede tomar varias horas. En la aplicación de vehículos eléctricos, algunos proveedores de baterías y sus cargadores asociados ofrecen cargas rápidas de 1.5 a 3 horas o incluso una carga ultrarrápida de 30 minutos, después de lo cual las baterías pueden recuperar del 60 al 80% de su capacidad original. Por ejemplo, el llamado “súper cargador” de Tesla, ofrece recuperar el equivalente a 273.5 km (170 millas) en solo 30 minutos (Muller, 2017). Esta es una solución tecnológica para el uso del vehículo, pero así como las baterías entregan la energía necesaria, lamentablemente a menudo sufren daños irreversibles cuando están expuestas a altos niveles de estrés térmico que pueden reducir su vida útil. Si bien esto puede superarse con un sistema de enfriamiento adecuado que se rija por las especificaciones del banco de baterías, ambas alternativas aumentan los costos del sistema de energía.

Como alternativa a estos desafíos para la tecnología de baterías de ion-litio, en la literatura hay algunas propuestas de métodos de carga rápida basados en pulsos de corriente (o de voltaje) de cierta amplitud, frecuencia y ciclo de trabajo con el objetivo de reducir el tiempo de carga sin producir daños a la batería (Yin, 2016; Luo, 2009; Jiang, 2014 y Naznin, 2013).

Los cargadores de baterías comerciales actuales para vehículos eléctricos se consideran cargadores inteligentes, ya que pueden modificar sus parámetros operativos a través de un puerto de comunicación. Es decir, estos cargadores varían el voltaje o la corriente (o ambos) entregado a las baterías a través de un ciclo de carga programado, o pueden entregar energía en


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Electricidad y Energías Limpias

tiempo real en condiciones determinadas a través de la comunicación con una computadora integrada o con el Sistema de Administración de Batería (BMS, por sus siglas en inglés). Así como estos cargadores siguen los procedimientos de carga convencionales o estándar, no tienen la capacidad de entregar la carga mediante pulsos. Otros cargadores que pueden incluir la carga por pulsos generalmente están orientados para el mercado de baterías plomo-ácido. Éstos utilizan corriente pulsada en dos etapas diferentes, en la primera etapa se busca la desulfatación (productos cristalinos de la descarga de la batería), mientras que en la segunda etapa la corriente pretende proporcionar una carga flotante típica de este tipo de batería. A pesar de que existen sistemas y patentes de equipos de carga de baterías que pueden llevar a cabo la carga por impulsos de baterías de ion-litio (Anglin, 1981; George, 1997; Feldstein, 2003), no están disponibles comercialmente. Este trabajo presenta una propuesta de un circuito conmutador electrónico que se puede acoplar a un cargador comercial para integrar la opción de realizar la carga por pulsos con este tipo de tecnología de batería Li-ion.

Experimento

A. Circuito de conmutación y método de carga por pulsos

El dispositivo electrónico presentado en este trabajo realiza la carga de la batería mediante la aplicación de pulsos controlados a una celda de ion-litio. El dispositivo es un circuito conmutador electrónico que permite la entrega de carga a la batería mediante pulsos, cuyos períodos pueden ir desde milisegundos hasta decenas de segundos. Los componentes principales son básicamente un microcontrolador y un semiconductor de potencia. El microcontrolador se carga previamente con la frecuencia y la información del ciclo de trabajo. Dicha información se envía al circuito semiconductor de potencia que realiza la conmutación y por consiguiente los impulsos para la carga. Esto se logra mediante el acoplamiento del circuito conmutador y un cargador de batería inteligente. En la figura 1 se muestran esquemáticamente las conexiones de circuito propuestas con la batería y su cargador. En esta figura también se propone un sistema de control para aplicaciones automatizadas que puede supervisar la información entregada desde el BMS, y en caso de cualquier condición anómala, puede detener el proceso de carga apagando el cargador y el conmutador.

Figura 1Conexiones esquemáticas del circuito propuesto con batería y cargador.

B. Pruebas de generación de señal del conmutador

Antes de la validación experimental del circuito propuesto se realizaron pruebas en una batería de ion-litio conectada al dispositivo y a un osciloscopio. Durante estas pruebas se verificó el suministro de corriente de pulso de amplitud variable hacia la batería, mientras se medía el nivel de voltaje. Las pruebas se realizaron al generar y suministrar impulsos de corriente de amplitudes crecientes desde 2 A hasta 10 A y viceversa. El período del pulso utilizado fue de 9 s con un ciclo de trabajo de 0.66, es decir, se suministró energía a la batería durante 6 s con pausas de corriente cero durante 3 s.

C. Validación del esquema de carga

La validación del esquema de carga por pulsos utilizando el circuito conmutador se realizó en la configuración utilizada en la figura 2. Se usó una batería de ion-litio de 5.08 A de capacidad nominal. El cargador fue emulado


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utilizando una fuente de alimentación de corriente directa con la capacidad de suministrar hasta 30 V y 12 A. Se utilizó una fuente de alimentación auxiliar de 12 V para alimentar el circuito conmutador.

Los parámetros de operación para la validación de la carga por pulsos fueron periodos programados en el conmutador, como se muestra a continuación:

• 180 períodos de 9 s, en los que se entregan 3 s de energía a la batería y 6 s no.

• 620 períodos de 9 s, se entrega 6 s de energía a la batería y 3 s no.

Estos períodos programados corresponden con las 4 etapas del siguiente método de carga rápida:

Etapa 1. Corriente constante de múltiples etapas con aumentos graduales en la amplitud de corriente de 0.2 C a 1.7 C (donde C es la capacidad de la batería). Se aplica un pulso durante 3 s con reposo (cero corriente) de 6 s. La variación de amplitud de corriente fue la siguiente:

Corriente aplicada (A) Periodos

1.06 A (0.2 C) 25

2.65 A (0.5 C) 30

4.77 A (0.9 C) 35

6.89 A (1.3 C) 40

9.01 A (1.7 C) 50

Etapa 2. Pulso de corriente constante a 10 A, 3 s duración del pulso y 6 s en cero.

Corriente aplicada (A) Periodo

10.0 A (1.89 C) 148

Etapa 3. Pulso de corriente constante a 10 A, 6 s duración del pulso y 3 s en cero.

Corriente aplicada (A) Periodo

10.0 A (1.89 C) Hasta que el voltaje de celda de 4.3 V se alcance.

Figura 2Esquema del sistema de carga por pulsos para la prueba de validación.


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Etapa 4. Etapa con pulsos de amplitud de corriente decrecientes según el voltaje de la celda. El paso de un pulso de corriente al siguiente valor más pequeño se realiza cuando el voltaje de la celda alcanza los 4.3 V. Los valores de corriente propuestos son:

Capacidad alcanzada Corriente (A)

1.5 C 7.95

1 C 5.3

0.7 C 3.71

0.57 C 3

0.38 C 2

0.19 C 1

0.98 C 5.2

0.04 C 0.22

Finalmente, la batería se descarga a una tasa de 0.94 C y un voltaje de final de descarga de 2.75 V para determinar la capacidad de la celda. Esta descarga se realizó utilizando un equipo de pruebas de laboratorio de carga-descarga. A lo largo de las pruebas, la batería de ion-litio se mantuvo a una temperatura constante de 296.15°K (23°C) utilizando un baño de recirculación.

Resultados y análisis

A. Pruebas de generación de señales del conmutador

En la figura 3 se observan las señales generadas por el conmutador que se obtuvieron utilizando un osciloscopio. La señal amarilla representa el voltaje de la celda y la señal azul turquesa, es la corriente eléctrica aplicada a la celda. La secuencia mostrada corresponde a 6 s de pulso de corriente con 3 s de descanso. En la figura también se muestra un cambio en la amplitud de la corriente. Esto verificó que el circuito de conmutación aplica correctamente la secuencia de pulsos programada.

B. Prueba de método de carga de batería por pulsos

La figura 4 muestra el perfil de voltaje desarrollado en la celda de Li-ion (a), así como su corriente durante el método de carga por pulsos durante la prueba (b). Los resultados muestran que para completar la carga se requirieron 1.63 h.

Figura 3Pulsos generados por el circuito conmutador medidos en un osciloscopio.

Figura 4Perfiles de voltaje y corriente de una batería de ion-litio durante la carga por pulsos: a) voltaje y b) corriente, como señales de voltaje de un registrador de datos.


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La figura 5 muestra la descarga de la batería durante la medición de su capacidad después de ser cargada por pulsos. La tabla 1 presenta los valores obtenidos durante la etapa de descarga. De la figura 5, se puede observar que considerando 5080 mA como la capacidad nominal, correspondiente a un método de carga convencional con corriente constante-voltaje constante (CC-CV) más una descarga a 0.94 C, el método de carga por pulsos alcanza el 90% de la capacidad nominal en 1.63 h. Esto se puede comparar con las 2.9 h requeridas a través del método convencional para alcanzar el 100% de la carga. Si bien este resultado representa una carga de celda un 10% por debajo de su capacidad nominal, también representa un ahorro de tiempo del 44% y sin afectar significativamente la vida útil de la batería (Naznin, 2013).

En un método de carga rápida convencional, una formación de litio metálico por reducción en la interfaz del electrodo excede la velocidad a la cual el litio se intercala hacia el electrodo. Esta acumulación de litio y la polarización de la concentración en la interfaz afectan, a largo plazo, la capacidad de la batería y disminuyen su vida útil. El método de carga por pulsos tiene un menor impacto en la capacidad y en la vida útil de la batería, ya que reduce la presencia de litio y la polarización en la interfaz debido a la frecuencia de los períodos de relajación entre los pulsos de carga (Mohamed, 2015).

Figura 5Descarga del perfil de voltaje de la batería de ion-litio después de ser cargado por pulsos. La descarga se realizó a 0.94 C, utilizando un voltaje final de 2.75 V manteniendo una temperatura constante de 296.15°K (23°C).

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Conclusiones

Basado en resultados actuales, se puede concluir lo siguiente:

• El sistema de recarga propuesto para baterías de ion-litio permite probar la carga por pulsos sin estar limitado por el control y la comunicación del cargador.

• El circuito conmutador electrónico implementado demostró su funcionalidad durante el desempeño de la estrategia de carga por pulsos propuesta.

• Los resultados de la capacidad de la batería de ion-litio mostraron que al aplicar el método de carga por pulsos propuesto es posible cargar la celda en 1.63 h hasta el 90% de su valor nominal en lugar de las 2.9 horas requeridas por una carga convencional CC-CV para alcanzar el 100% de su capacidad nominal.

Este trabajo se realizó dentro del proyecto INEEL número 14852: Análisis y optimización de la vida útil del banco de baterías ion-litio del GRT autotrén basada en estrategias de carga-descarga y características eléctricas del cargador de baterías; así como con apoyo de la empresa SAIDE que contribuyó con el equipo de pruebas.

Referencias

Anglin, R. E. Battery charger with current pulse regulation, United States Patent 4355275, junio, 1981.

George E. S. Pulse-charge battery charger, United States Patent 5633574, 1997.

Feldstein, R. S. Fast pulse battery charge, International Patent Number: PCT/CA2003/00513, 2003.

Jiang J., Liu Q., Zhang C. y Zhang W. Evaluation of Acceptable Charging Current of Power Li-Ion Batteries Based on Polarization Characteristics, IEEE Trans. Ind. Electron. 61, pp. 6844–6851, 2014.

Luo Y. F., Liu Y. H. y Wang S. C. Search for an optimal multistage charging pattern for lithium-ion batteries using the Taguchi approach, Proceedings of the TENCON 2009—2009 IEEE Region 10 Conference, Singapore, 23–26 enero, 2009, pp. 1–5.

Mohamed A. M., et al. A comparative study of different fast charging methodologies for lithium-ion batteries based on aging process, EVS28, International Electric Vehicle Symposium and exhibition, Korea, 3-6 mayo, 2015.

Muller J. ChargePoint’s New Stations Promise Fast Charge In Minutes For Your Electric Car, Forbes Staff, web page: http://www.forbes.com/sites/joannmuller/2017/01/05/chargepoints-new-stations-promise-fast-charge-in-minutes-for-your-electric-car/#234c8a8c488c, febrero, 2017.

Navigant Research. Electric Vehicle Market Forecasts: Global Forecasts for Light Duty Hybrid, Plug-In Hybrid and Battery Electric Vehicles: 2013-2020, https://www.prnewswire.com/news-releases/electric-vehicle-market-forecasts-211826291.html, 2013.

Naznin F. State of Charge (SOC) Governed Fast Charging Method for Lithium Based Batteries, Excerpt from the Proceedings of the 2013 COMSOL Conference in Bangalore.

Yin M. D., Cho J. y Park D., Pulse-Based Fast Battery IoT Charger Using Dynamic Frequency and Duty Control Techniques Based on Multi-Sensing of Polarization Curve, Energies 9, 209, 2016.

Yoshino A. Development of the Lithium-Ion Battery and Recent Technological Trends, in Lithium-Ion Batteries Advances and Applications, Gianfranco Pistoia, Ed. Elsevier, ISBN: 978-0-444-59513-3, 2014.

Método de carga Tiempo de carga (h) Descarga (A) Eficiencia global (%)

Pulsos 1.63 4571.52 90

Convencional (CC-CV) 2.9 5080 100

Tabla 1Comparación de la capacidad de ion-litio después de la carga de la celda usando el método de pulsos.


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Manuel de Jesús López Pérez[[email protected]]

Maestro en Ciencias en Ingeniería Electrónica con especialidad en Control Automático por el Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecno-lógico (CENIDET). Ingeniero Electrónico con la especialidad en Control e Instrumentación por el Instituto Tecnológico de Tuxtla Gutiérrez. Estu-diante de doctorado en la especialidad de electrónica de potencia. Ingresó al Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL) en 2014 a la Gerencia de Energías Renovables de la División de Energías Alternas. Su área de especialidad se relaciona con la instrumentación, control, integración e interfaces de comunicación para sistemas relacionados con el aprovechamiento de energías renovables. Así como la integración de fuentes de energías limpias para sistemas de tracción eléctrica. Su acti-vidad principal se enfoca en el diseño y desarrollo de tarjetas electrónicas para la operación de generadores de energías renovables. Participó en el diseño y desarrollo del sistema de seguimiento solar automático (SiSSA) para concentradores solares de canal parabólico. También participó en la integración de la planta de potencia híbrida de un vehículo eléctrico utili-tario basado en celdas de combustible. Actualmente trabaja en el dimen-sionamiento de sistemas de híbridos para vehículos eléctricos basados en celdas de combustible. Así como en el diseño y desarrollo de una estra-tegia de manejo el uso eficiente de la energía a bordo de vehículos eléc-tricos híbridos. Es autor de varios artículos nacionales e internacionales, así como de modelos industriales y patentes.

Félix Loyola Morales[[email protected]]

Candidato a Doctor en Ingeniería, Maestro en Ingeniería con especialidad en Catálisis e Ingeniería de Reactores, e Ingeniero Químico por la Univer-sidad Nacional Autónoma de México (UNAM). Ingresó en 2010 al Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL) en la Gerencia de Ener-gías Renovables de la División de Energías Alternas. Su área de especia-lidad es la generación de electricidad a partir de celdas de combustible (FCs) de intercambio protónico. Su actividad principal se enfoca en el diseño, fabricación y caracterización de conjuntos de FCs, su diagnóstico de fallas a partir de mediciones de impedancia electroquímica y el almacena-miento de energía a través del uso del vector energético hidrógeno. Actual-mente trabaja en el diseño y fabricación de plantas de potencia basadas en FCs e híbridas FCs-Baterías para aplicaciones en transporte eléctrico, a través de proyectos de investigación aplicada públicos y contratados por la iniciativa privada. Ha participado en diversas conferencias nacionales como ponente y cuenta con diversos trabajos científicos en congresos nacionales e internacionales. Es autor de dos registros de diseño industrial ante el IMPI sobre FCs y de dos solicitudes de patente. Es miembro de la Sociedad Mexicana del Hidrógeno desde 2007 y miembro fundador de la Alianza para la Industria del Transporte Eléctrico Avanzado en México (ApTA).

Currículum vítae

José Roberto Flores Hernández [[email protected]]

Doctor Rerum Naturalium en electroquímica por la Albert-Ludwigs-Univer-sität Freiburg I. Br., Alemania. Maestro en Ciencias en Química con especia-lidad en electroquímica por el Centro de Graduados del Instituto Tecnológico de Tijuana. Ingeniero. Químico por la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla (BUAP). Ingresó al INEEL en 1990 como investigador de la Gerencia de Energías Renovables de la División de Energías Alternas. Su área de especia-lidad se relaciona con la generación de hidrógeno vía la electrólisis del agua.

Ha desarrollado el proceso de fabricación de Ensambles Membrana-Elec-trodos (MEAs) para la tecnología de celdas de combustibles y electroliza-dores. Ha realizado el desarrollo tecnológico del proceso de deposición automática de tinta catalítica para la fabricación de las MEAs. Actual-mente trabaja en la evaluación y caracterización de bancos de baterías (plomo-ácido y ion-litio), en la incorporación de nanocatalizadores, nano-tubos de carbono y grafeno en la estructura del electrodo para los MEAs.

Es profesor en la Universidad Politécnica de Victoria, Tamaulipas. Autor de 4 patentes otorgadas y 2 en trámite, además es coautor de dos soli-citudes de diseño industrial. Es autor de varios artículos nacionales e internacionales y miembro del Sistema Nacional de Investigadores (SIN) nivel 1. Miembro de la Red de Almacenamiento, Red de Energía Solar, Red Sumas y de la Sociedad Mexicana del Hidrógeno.

Ulises Cano Castillo[[email protected]]

Doctor por la Universidad de Oxford, Reino Unido. Ingeniero Químico Metalúrgico por la Universidad Nacional Autónoma de México. Ingresó al INEEL en 1988 y actualmente labora en la Gerencia de Energías Renova-bles de la División de Energías Alternas. Su área de especialidad son los procesos electroquímicos relacionados con la transformación de energía y el desarrollo de sistemas energéticos que aprovechan tecnologías elec-troquímicas para un uso más eficiente, más limpio y más sustentable.

Ha desarrollado diversas tecnologías para la generación de hidrógeno como combustible limpio, a partir de fuentes renovables de energía, así como tecnologías de celdas de combustible para la generación eficiente de electricidad para diversas aplicaciones, con registro de diversas patentes otorgadas y otras en trámite. Ha dirigido diversos proyectos en baterías que incluyen desarrollo tecnológico, diagnóstico con técnicas electroquímicas y servicios especializados como tercerías. En recientes años ha trabajado en proyectos que incluyen plantas de potencia para transporte eléctrico, incluyendo el desarrollo de un vehículo híbrido todo-eléctrico, basado en la tecnología INEEL de celdas de combustible a hidrógeno, en un proyecto multi-institucional.

Co-fundador de la Sociedad Mexicana del Hidrógeno y miembro de diversas organizaciones y redes profesionales como la Sociedad Mexicana de Electroquímica, Asociación Nacional de Energía Solar, red ITIAM, red de Sustentabilidad Energética y red de Almacenamiento de Energía, entre otras. Miembro del Sistema Nacional de Investigadores (SNI) y represen-tante por México en el Acuerdo de Colaboración Tecnológica en Celdas de Combustible Avanzadas de la Agencia Internacional de Energía (AIE) por más de una década. Lidera ApTA (Alianza para la Industria del trans-porte Eléctrico en México) para promover la electromovilidad y el aprove-chamiento de oportunidades derivadas de estas tecnologías emergentes. Autor de varios trabajos publicados en revistas internacionales y libros especializadas, catedrático de cursos a nivel posgrado y forma parte de comités de especialistas de eventos y convocatorias internacionales.


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Miguel Ramírez González, Rafael Castellanos Bustamante y Jorge Guillermo Calderón Guizar

The contribution to frequency support by a Battery Energy Storage System (BESS) in the BCS grid is evaluated in this work. For this purpose, considered BESS is equipped with inertial response and primary frequency control functions. With this characteristic, BESS performance and system frequency response are investigated through time domain simulations under disturbances leading to under/over frequency conditions. Impact of large-scale wind generation penetration on system frequency dynamics is also shown. Simulation results reveal BESS equipped with frequency support mechanisms can indeed enhance system reliability and security, and increase the flexibility of operation of the study grid.

Abstract

Evaluación de un Sistema de Almacenamiento de Energía con baterías para soporte de frecuencia en la red eléctrica de Baja California Sur

23

aplicaciones tecnológicas

Resumen

En este trabajo se evalúa la aplicación de un Sistema de Almacenamiento de Energía con Baterías (SAEB) para soporte de la frecuencia en el sistema aislado de Baja California Sur (BCS). Para dicho propósito, el SAEB considerado se equipa con funciones de respuesta inercial y de regulación primaria de frecuencia. El desempeño del SAEB con esta característica se evalúa mediante simulaciones en el dominio del tiempo para un conjunto de perturbaciones que dan lugar a condiciones de baja o sobre frecuencia en la red de estudio. Además, se muestra el impacto en el comportamiento de la frecuencia del sistema por la incorporación de fuentes de energía renovable basada en convertidores. Los resultados de las simulaciones indican que los SAEB equipados con funciones de soporte de la frecuencia pueden mejorar la confiabilidad, seguridad y flexibilidad de operación del sistema de potencia considerado.

Introducción

La integración a gran escala de fuentes variables de generación renovable, como la eólica y la solar, en los sistemas eléctricos de potencia puede causar problemas serios debido a los nuevos retos operativos que imponen estas tecnologías. Al incrementar la proporción de estas fuentes mediante el remplazo gradual de unidades generadoras convencionales, la inercia equivalente y las capacidades de regulación de frecuencia del sistema disminuyen, lo cual puede afectar notablemente la estabilidad de la frecuencia de la red (Jiang, 2016).

Aun cuando las unidades de las granjas eólicas y solares tienen la capacidad para proporcionar servicios de regulación de potencia activa si se equipan, por ejemplo, con funciones de soporte de respuesta inercial y regulación primaria de frecuencia, éstas tendrían que ser operadas entre 5% y 10% por debajo de su potencia nominal para cumplir con las funciones en cuestión durante condiciones de baja frecuencia. Desafortunadamente, el contexto de operación al respecto afecta naturalmente el costo-beneficio de estos proyectos (Bird, 2014).

El desarrollo continuo de tecnologías de almacenamiento a gran escala y los niveles crecientes de penetración de fuentes de generación renovable en la matriz energética, han originado un interés cada vez mayor por los Sistemas de Almacenamiento de Energía con Baterías (SAEB) como una alternativa fundamental y práctica para proveer servicios y solucionar problemáticas relacionadas con el soporte de frecuencia (Díaz-González, 2016; Moon, 2017; Xu, 2016; Adress, 2016; Knap, 2015 y Alhejaj, 2016). Por ejemplo, en Corea del Sur se analiza el efecto de un SAEB para el Control Primario de Frecuencia (CPF) en un modelo de simulación equivalente de su sistema eléctrico de potencia (Moon, 2017). Por otra parte, se reportan algunas experiencias en el desarrollo de proyectos de SAEB para diversas aplicaciones, incluyendo la de servicios de regulación primaria de la frecuencia en la red (Xu, 2016). También se presenta un análisis comparativo del impacto de SAEB distribuidos y centralizados con CPF en un modelo equivalente reducido del sistema de potencia de prueba (Adrees, 2016). Por otro lado, se estudia el efecto de un SAEB con funciones de respuesta inercial y CPF para mejorar el comportamiento de la frecuencia en un modelo genérico de 12 buses con cierto nivel de penetración de generación eólica (Knap, 2015). Finalmente, se investiga el impacto de instalar un SAEB a nivel de transmisión para servicio de respuesta rápida inercial considerando un modelo máquina-bus infinito (Alhejaj, 2016).

El sistema aislado de Baja California Sur (BCS) es una red relativamente pequeña cuya generación se basa principalmente en centrales generadoras de combustible fósil. Por lo tanto, se caracteriza por tener precios de electricidad altos y una cantidad limitada de fuentes para regulación de la frecuencia. Entre otros factores, el número relativamente pequeño de generadores conectados al sistema y la falta de interconexión con la red principal del Sistema Interconectado Nacional lo hacen vulnerable a desbalances significativos de carga/generación. Adicionalmente, la integración inminente

aplicacionestecnológicas

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de niveles importantes de generación eólica y solar en un futuro cercano harán más difícil la seguridad y confiabilidad de operación de este sistema.

Con el fin de contribuir a la exploración y uso de nuevas tecnologías para soporte de frecuencia en la red de BCS, en este trabajo se investiga el impacto de un SAEB equipado con funciones de respuesta inercial y control primario de frecuencia (CIPF) en el sistema de prueba. La efectividad del SAEB con el CIPF considerado en este análisis se evalúa mediante simulaciones en el dominio del tiempo bajo escenarios de operación que dan lugar a condiciones de baja/sobre frecuencia en la red de estudio.

Sistema de potencia de estudio

El sistema de potencia de BCS opera en forma independiente al resto del Sistema Interconectado Nacional (SIN). Esta red depende de plantas de potencia basadas en turbinas de gas, turbinas de vapor y máquinas de combustión interna para la generación de energía eléctrica. Actualmente, el sistema posee una capacidad de generación de aproximadamente 650 MW y su red de transmisión está compuesta principalmente por líneas de 115 kV y 230 kV. Debido a la falta de interconexión al SIN y al número pequeño de unidades de generación conectadas a la red, éste es altamente vulnerable a problemas de regulación de la frecuencia. Además, la confiabilidad de operación del sistema se verá aún más afectada con la incorporación de altos niveles de penetración de fuentes variables de energía renovable. Para efectos de este estudio, la red de BCS se representa esquemáticamente en la figura 1, donde los círculos blancos ilustran puntos de interconexión de centrales generadoras.

Soporte de frecuencia a partir de SAEB

La incorporación de funciones de control de respuesta inercial y de regulación primaria de frecuencia en los SAEB les permite proporcionar servicios de soporte de la frecuencia a la red (Díaz-González, 2016; Moon, 2017; Xu, 2016; Adress, 2016; Knap, 2015 y Alhejaj, 2016). De esta manera, un SAEB puede cargarse o descargarse para responder a desviaciones de frecuencia ocasionadas por desbalances de carga/generación y proporcionar los servicios en cuestión.

Figura 2Estructura de modelo del SAEB.

Figura 1Sistema de potencia de BCS.


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Modelo de simulación del SAEB

Para efectos de representar su comportamiento dinámico, el modelo de simulación del SAEB considerado en el estudio se basa en la descripción dada en (WECC, 2015). La estructura global y básica de este modelo se ilustra en la figura 2, donde el módulo REGC_A representa la interfaz Generador/Convertidor con la red, y el módulo REEC_C representa la parte de control eléctrico del SAEB. El módulo REEC_C puede ser conectado a un controlador de planta para incluir otras funcionalidades. La carga y descarga del SAEB afecta el estado actual de carga de la batería (SOC por sus siglas en inglés). Por lo tanto, el módulo REEC_C incluye un lazo de control del SOC que incorpora la constante de tiempo de descarga, el valor inicial de SOC y los valores máximos y mínimos permitidos al respecto. La descripción detallada de los componentes de estos módulos puede verse en (WECC, 2015 y WECC, 2014).

Con base en los componentes de la figura 2, se desarrolló un modelo de SAEB en la herramienta comercial TSAT (Transient Security Assessment Tool) de DSATools. Para propósitos ilustrativos, se consideró un SAEB de 30 MVA, con una capacidad de 20 MWh por 40 minutos. Sin embargo, asumiendo que los requerimientos del estado de carga del SAEB son entre el 20% y 80%, la unidad puede en realidad proveer 12 MWh en el período de tiempo indicado. Por otro lado, para fines demostrativos, el SAEB se interconectó al bus NOA de la figura 1.

Funciones de respuesta inercial y control primario de frecuencia

La respuesta inercial se refiere a la respuesta inmediata del sistema a desviaciones de frecuencia ocasionadas, por ejemplo, por la desconexión de una cantidad importante de potencia de generación o de carga. La capacidad de respuesta inercial afecta la razón de cambio de la frecuencia del sistema. Por otra parte, el control primario de frecuencia tiene que ver con la acción de los gobernadores de velocidad de los generadores síncronos para restablecer condiciones de estado estable de la frecuencia después de cualquier desbalance entre carga y generación. Para la participación del SAEB en el soporte de respuesta inercial y control primario de frecuencia en este estudio, se consideraron las funciones suplementarias de control ilustradas en la figura 3, donde f representa la frecuencia de la red, Df se refiere a la desviación de frecuencia, Kp es la ganancia del lazo de control primario de frecuencia, Kd es la ganancia del control de respuesta inercial, PREF representa la potencia de referencia y PORD es el comando de potencia activa. Estas funciones suplementarias fueron incorporadas en el lazo de control de potencia activa del convertidor del modelo del SAEB.

Figura 3Esquema de soporte de frecuencia para el SAEB.


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Resultados de las simulaciones

Para fines ilustrativos, se consideraron los siguientes casos de perturbación para someter al sistema a condiciones de operación de baja/sobre frecuencia para analizar el impacto y contribución del SAEB en el comportamiento de la red de BCS:

a) Pérdida de 49 MW de generación en la central CPP.

b) Desconexión de 34 MW de carga en el nodo NSJ.

c) Pérdida de 76 MW de generación en la central CCO.

d) Remplazo de 56 MW de generación convencional por generación eólica en la central CAO y pérdida de 76 MW de generación en la planta CCO.

La aplicación de los disturbios indicados ocurre en el tiempo de 1 seg. y se utiliza un valor de 60.0 para las constantes Kp y Kd de la figura 3. La respuesta del sistema se ilustra en las figuras 4 a 9.

Para fines comparativos, se incluye el comportamiento de la frecuencia en buses representativos del sistema sin y con el CIPF a partir del SAEB. Como puede observarse de las figuras 4, 6 y 7, el punto más bajo de la frecuencia posdisturbio y su valor de estado estable tienden a mejorar claramente con la acción del CIPF basado en SAEB para los casos de baja frecuencia considerados. Por otro lado, para el evento de sobre frecuencia ilustrado en la figura 5, es evidente que las funciones suplementarias agregadas al SAEB también contribuyen a reducir las desviaciones de frecuencia.

De acuerdo con los resultados de las figuras 6 y 7, el abatimiento de la frecuencia en estos casos dará como resultado la activación del esquema de rechazo de carga por baja frecuencia (ajustado a fmin) cuando no se cuenta con el soporte de CIPF del SAEB. Sin embargo, la contribución de la función suplementaria del CIPF al respecto contrarresta la caída de frecuencia del sistema de tal forma que ésta no alcanza el punto de ajuste de operación del esquema de rechazo mencionado. La reducción en la inercia del sistema y en la regulación primaria de frecuencia, debido al remplazo de 56 MW de generación convencional por energía eólica, puede deducirse al comparar el comportamiento mostrado en la figura 7 con respecto al de la figura 6. Es evidente que la desviación posdisturbio de la frecuencia es relativamente mayor en el escenario de operación de la figura 7. A pesar de ello, es claro que la acción del CIPF basado

Figura 4Caso de prueba (a).

Figura 5Caso de prueba (b).


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Figura 6Caso de prueba (c).

Figura 7Caso de prueba (d).

Figura 8Potencia del SAEB.

Figura 9SOC del SAEB.

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en el SAEB puede contribuir significativamente a reducir esta desviación y evitar la desconexión de carga por baja frecuencia.

Observando los resultados de las figuras 4 a 8, se puede notar que el SAEB se descarga (inyecta potencia activa) o se carga (consume potencia real) en respuesta a los eventos de baja y sobre frecuencia de la red, respectivamente. El comportamiento dinámico del estado de carga del SAEB al respecto se muestra en la figura 9 (se consideró un valor inicial de estado de carga de 0.5 p.u.).

Conclusiones

Se presentó el efecto de un SAEB equipado con funciones de CIPF para mejorar la respuesta de la frecuencia del sistema de BCS. Los resultados de simulación indican que el CIPF basado en SAEB puede reducir notablemente la desviación de frecuencia posdisturbio tanto para condiciones de baja como de sobre frecuencia. De acuerdo con los resultados obtenidos, el soporte de respuesta inercial y de regulación primaria de frecuencia a partir del SAEB puede evitar condiciones de baja frecuencia que den lugar a la operación del esquema de rechazo de carga del sistema, contribuyendo así al suministro continuo y confiable en la red de BCS. El soporte de frecuencia a partir de SAEB representa una alternativa interesante para contrarrestar el impacto en la reducción de inercia de la red y en la disminución de las capacidades de regulación primaria de frecuencia debido a la sustitución de generadores convencionales por fuentes variables de energía renovable. La alternativa en cuestión constituye un medio efectivo y valioso para resolver las problemáticas actuales y futuras de regulación de frecuencia en los sistemas de potencia.

Referencias

Adrees, A. y Milanovic J. V. Study of frequency response in power system with renewable generation and energy storage, en Power System Computation Conference, Genoa, 2016, p. 1-7.

Alhejaj, S. M. y González-Longatt F. M. Investigation on Grid-Scale BESS Providing Inertial Response Support, en IEEE International Conference on Power System Technology (POWERCON), Wollongong, 2016, p. 1-6.

Bird, L., Cochran J. y Wang J. y X. Wind and Solar Energy Curtailment: Experience and Practices in the United States, reporte NREL/TP-6A20-60983, National Renewable Energy Laboratory, 2014.

Díaz-González, F., Sumper A. y Gomis-Bellmunt O. Energy Storage in Power Systems, John Wiley & Sons Ltd, Chichester, 2016.

Jiang, J. N., Tang C. Y. y Ramakumar R. G. Control and Operation of Grid-Connected Wind Farms: Major Issues, Contemporary Solutions, and Open Challenges, Springer, Switzerland, 2016.

Knap, V., Chaudhary S. K., Stroe D. l., Swierczynski M. J., Craciun B. I. y Teodorescu R. Sizing of an Energy Storage System for Grid Inertial Response and Primary Frequency Reserve, en IEEE Transactions on Power Systems, vol. 31, diciembre de 2015, p. 3447-3456.

Moon, H. J., Yun A. Y., Kim E.S. y Moon S. I. An Analysis of Energy Storage Systems for Primary Frequency Control of Power Systems in South Korea, en Energy Procedia, vol. 107, 2017, p. 116-121.

WECC Renewable Energy Modeling Task Force (2014, 8 de mayo). WECC Solar Plant Dynamic Modeling Guidelines, [en línea]. Recuperado el 12 de septiembre de 2017, de http://www.wecc.biz/committees/StandingCommittees/PCC/TSS/MVWG/Shared%20Documents/MVWG%20Approved%20Documents/WECC%20Solar%20Plant%20Dynamic%20Modeling%20Guidelines.pdf

WECC REMTF Adhoc Group on BESS Modeling (2015, 18 de marzo). WECC Energy Storage System Model – Phase II, [en línea]. Knoxville, TN, USA: EPRI. Recuperado el 12 de septiembre de 2017, de https://www.wecc.biz/Reliability/WECC%20Approved%20Energy%20Storage%20System %20Model%20-%20Phase%20II.pdf

Xu, X., Bishop M., Oikarinen D. G. y Hao C. Application and modelling of battery energy storage in power systems, en CSEE Journal of Power and Energy Systems, vol. 2, septiembre de 2016, p. 418-425.

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Miguel Ramírez González

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Doctor (PhD) en Ingeniería Eléctrica por la Universidad de Calgary, Canadá. Maestro en Ciencias en Ingeniería Eléctrica con especialidad en Sistemas de Potencia por el Instituto Tecnológico de la Laguna. Ingeniero Eléctrico por el Instituto Politécnico Nacional. Ingresó al Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL) en 1998 en el Departamento de Simulación. Actualmente, labora en la Gerencia de Transmisión y Distri-bución. Su área de especialidad incluye el modelado, simulación, análisis y control de sistemas eléctricos de potencia, integración a gran escala de fuentes de generación eólica y solar, enlaces HVDC, dispositivos FACTS, uso en la red de sistemas de almacenamiento con baterías y la aplica-ción de técnicas de inteligencia computacional para resolver problemá-ticas relacionadas con la dinámica de sistemas de potencia. Actualmente, trabaja en el análisis del comportamiento de estado estable y dinámico del Sistema Eléctrico Nacional para evaluar en la red el impacto de la integración a gran escala de fuentes variables de energía renovable y de la incorporación de enlaces HVDC, así como para proponer alternativas de solución mediante la implementación de nuevas tecnologías. Es autor de más de 25 artículos publicados en revistas y congresos nacionales e internacionales. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores, nivel 1, y Senior Member IEEE.

Rafael Castellanos Bustamante

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Doctor en Ciencias en Ingeniería Eléctrica por el Centro de Investiga-ción y Estudios Avanzados Unidad Guadalajara. Maestro en Ciencias con especialidad en Ingeniería Eléctrica por el Instituto Politécnico Nacional, México. Ingeniero Eléctrico por la Universidad Autónoma del Estado de Morelos. En 1994 ingresó a la Gerencia de Transmisión y Distribución, Divi-sión de Sistemas Eléctricos del Instituto Nacional de Electricidad y Ener-gías Limpias (INEEL). Su área de especialidad es el modelado, análisis y control de sistemas eléctricos de potencia. Ha participado en el desarrollo de proyectos para CENACE y la CFE valorando el desempeño de estado estable y dinámico del Sistema Eléctrico Nacional con el propósito de: i) incrementar la capacidad de transferencia de potencia en enlaces de corriente alterna, ii) evitar problemas de inestabilidad de voltaje, de osci-laciones de potencia y de frecuencia, iii) valorar la factibilidad de utilizar enlaces HVDC y iv) evaluar el impacto de la penetración de fuentes reno-vables (eólica y solar) en la red eléctrica. Es autor de artículos publicados en congresos y revistas nacionales e internacionales, así como de una patente otorgada. Desde 1995 se ha desempeñado como docente en la Universidad Autónoma del Estado de Morelos. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores (N1), así como del IEEE, CIGRE.

Currículum vítae

Jorge Guillermo Calderón Guizar

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Doctor en Filosofía por el Instituto de Ciencia y Tecnología de la Universidad de Manchester, Reino Unido. Maestro en Ciencias con especia-lidad en Sistemas Eléctricos de Potencia por la Sección de Graduados de la ESIME del Instituto Politécnico Nacional, México. Ingeniero Indus-trial Electricista por el Instituto Tecnológico de Morelia. Ingresó al Instituto Nacional de Elec-tricidad y Energías Limpias (INEEL) en 1985 a la División de Sistemas de Control. Su área de especialidad se relaciona con el análisis de la operación de sistemas eléctricos de potencia en estado estable y dinámico. Su actividad prin-cipal se enfoca a los principales aspectos del comportamiento dinámico de sistemas eléc-tricos de potencia interconectados y sistemas eléctricos industriales con generación propia. Es autor de varios artículos nacionales e inter-nacionales y se ha desempeñado como docente en diversas universidades a nivel local y como examinador externo en diversas universidades a nivel nacional. Es Senior Member del IEEE y Representante de la Región 9 del IEEE de Sociedad de Potencia y Energía para México y el Caribe. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores (SNI), nivel 1.

artículo técnico

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José Roberto Flores Hernández e Irma Lorena Albarrán Sánchez

TThis paper presents the design, manufacture and characterization of a PEM (Proton Exchange Membrane) electrolysis stack, which was developed at the National Institute of Electricity and Clean Energy (INEEL by acronyms in spanish) with own technology. This electrolyzer has an energy efficiency of 74.9%, and it can generate 0.285 Nm3/ h operating at a current density of 1.10 A/cm2, at temperature of 70°C and atmospheric pressure. The electrolyzer´s power at these operating conditions is 970 W.

Abstract

Diseño, construcción y caracterización de un electrolizador tipo PEM para la generación de hidrógeno

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artículo técnico

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Resumen

En este trabajo se presenta el diseño, fabricación y caracterización de un stack de electrólisis tipo PEM (por sus siglas en inglés de Proton Exchange Membrane) el cual fue desarrollado en el Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL) con tecnología propia. Este electrolizador tiene una eficiencia energética del 74.9%, y se pueden generar 0.285 Nm3/h de hidrógeno cuando se opera a una densidad de corriente de 1,10 A/cm2, una temperatura de 70°C y presión atmosférica. La potencia del electrolizador a estas condiciones de operación es de 970 W.

Introducción

El hidrógeno es considerado el vector energético que sustituirá a los combustibles fósiles en el mediano y largo plazo, ya que mediante su utilización es posible generar electricidad para uso doméstico, industrial, automotriz, entre otras aplicaciones. El hidrógeno tiene un alto contenido energético (118 MJ/Kg a 25°C), el cual es mucho mayor que el de la mayoría de los combustibles (por ejemplo, la gasolina 44MJ/kg a 25°C) (Revankar et al, 2010). Además, el empleo del hidrógeno puede mitigar la contaminación asociada con el uso de los combustibles fósiles. En la actualidad más del 90% del hidrógeno producido en el planeta (alrededor de 65 millones de toneladas) proviene del proceso de reformación del gas natural o de derivados de otros productos químicos. Sin embargo, el hidrógeno puede ser producido también a partir del agua, el cual es un recurso renovable y ampliamente disponible en nuestro planeta. De igual manera, la energía requerida

para su producción puede provenir de las energías renovables (solar, eólica, biomasa, etc.), teniendo así un hidrógeno limpio y renovable que puede garantizar la sustentabilidad energética de la humanidad.

La electrólisis del agua es una tecnología que consiste en aplicar corriente directa entre dos electrodos (ánodo y cátodo) que están en contacto con un electrolito para separar al agua en sus componentes básicos: hidrógeno y oxígeno. Actualmente, las dos principales tecnologías de electrólisis del agua para la producción de hidrógeno son: la electrólisis alcalina (Rashid et al, 2015) y la electrólisis PEM (por sus siglas en inglés de Proton Exchange Membrane) (Langemann et al, 2015).

En este trabajo se presentan las actividades realizadas en el Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL) para el diseño, fabricación y caracterización de un electrolizador PEM para la generación de hidrógeno a partir de la electrólisis del agua.

Diseño y fabricación del electrolizador PEM

La característica principal del electrolizador PEM es que utiliza como electrolito una membrana sólida conductora de protones con espesores que pueden oscilar entre 50 y 250 µm. Debido a esto, esta tecnología es muy compacta, puede operar a altas densidades de corriente y el hidrógeno generado es de muy alta pureza. Sin embargo, debido a la característica ácida de la membrana y a los voltajes de operación, los materiales a utilizar deben ser resistentes a la corrosión. Por esta razón el titanio es el material mayormente utilizado en la fabricación de este tipo de electrolizador. Asimismo, los materiales catalíticos están limitados al grupo de la familia del platino (iridio, rutenio, etc.), lo cual encarece esta tecnología. Por otra parte, los criterios de diseño en la fabricación de un electrolizador juegan un papel muy importante en su desempeño global. Aquí deben tomarse en cuenta varios factores: buena distribución del agua a través de toda el área de las celdas, una distribución homogénea de la presión sobre el área activa de los Ensambles Membrana-Electrodos (MEAs, por sus siglas en inglés de Membrane-Electrode Assemblies), un buen contacto entre los diferentes componentes del electrolizador, entre algunos otros. En la figura 1 se muestra esquemáticamente el diseño de las placas de distribución de flujo y la simulación de la distribución

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de la presión en el electrolizador. Ambas actividades se realizaron con el software Solid-Works®.

Mediante la simulación se determinó el número de tornillos y su ubicación para obtener una distribución homogénea de la presión en toda el área de contacto del electrolizador. Para la distribución del agua a través de las celdas se utilizó una configuración de canales rectos. Estas placas y las placas finales fueron fabricadas en Titanio empleando una máquina de control numérico. De igual manera, las placas difusoras usadas son de titanio sinterizado con una porosidad del 60%. Los sellos utilizados son de material Viton y la tornillería de acero inoxidable. En la figura 2 se muestran algunos de estos componentes y el electrolizador monocelda integrado.

El MEA, el corazón de esta tecnología fue fabricado en el laboratorio mediante la técnica de atomización. Catalizadores comerciales de Pt/C (cátodo) y IrO2 (ánodo), fueron depositados sobre cada uno de los lados de una membrana Nafion® 117, respectivamente. El contenido de catalizador en el cátodo fue de 1 mg de Pt/cm2 y de 2 mg de IrO2/cm2 en el ánodo. En una segunda etapa se integró al electrolizador monocelda una placa bipolar de distribución de flujo para tener un stack de electrolisis de 2 ensambles y en una tercera etapa se integraron otras 6 placas bipolares de distribución (en total 7 placas bipolares y 2 monopolares) para integrar finalmente el stack de electrólisis con 9 MEAs.

Caracterización del electrolizador

Stand de pruebas

Para la caracterización del electrolizador PEM se implementó un stand de pruebas, el cual se integró con los siguientes componentes: una bomba peristáltica con la cual se hizo fluir agua desionizada a través del electrolizador, un baño térmico para controlar la temperatura del agua y realizar la caracterización del electrolizador a diferentes temperaturas, un sistema para el secado del hidrógeno generado, el cual consistió en una trampa de agua seguida de un tubo de vidrio lleno de sílica gel, un medidor de flujo de hidrógeno, un sensor de temperatura y dos tanques separadores, uno para hidrógeno y otro para oxígeno. En la figura 3 se muestra una fotografía de este stand de pruebas.

Para la alimentación de la corriente al electrolizador se utilizó un ciclador de baterías. El agua desionizada se alimentó en los compartimentos catódico y anódico

Figura 1Diseño del electrolizador (a) y simulación de la distribución de presión en el electrolizador (b) realizados con el software Solid-Works®.

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artículo técnico

Figura 2Vista de las placas finales, placas de distribución de flujo, placas difusoras, del MEA y del electrolizador monocelda PEM de 50 cm2 de área activa.

Figura 3Stand de pruebas utilizado en la caracterización del electrolizador PEM.

a una razón de flujo de 190 ml/min. El hidrógeno y oxígeno generados se obtuvieron a presión atmosférica. El hidrógeno fue liberado a la atmósfera después de medir su flujo, mientras que el oxígeno se liberó directamente a la atmósfera sin medir su flujo.

Resultados

El electrolizador monocelda y los stacks de electrólisis de 2 y 9 MEAs fueron caracterizados a las siguientes temperaturas: 25, 40, 50, 60 y 70°C. En la figura 4 se muestran las curvas I-V obtenidas.

Para facilitar la interpretación de los resultados, únicamente para el stack de 9 MEAs, se muestran las curvas obtenidas a todas las temperaturas, mientras que para el stack de 2 MEAs y el electrolizador monocelda se muestra solamente la curva I-V obtenida a 70°C. Se puede observar en la figura 4 que la curva I-V del stack de 2 MEAs tiene prácticamente la misma pendiente que la del electrolizador de 1 MEA, con la diferencia que los valores de voltaje son el doble a los obtenidos en el electrolizador monocelda. Asimismo, se puede observar que en el stack de 9 MEAs, las curvas I-V presentan una mayor pendiente, lo cual es debido al incremento de la resistencia al tener un mayor número de MEAs y placas en el stack. Por otro lado, se puede observar también el efecto benéfico de incrementar la temperatura de operación del stack de 9 MEAs, ya que conforme se aumenta la temperatura la pendiente de la curva disminuye, obteniendo así un mejor desempeño del electrolizador. Finalmente, otro aspecto a resaltar en la figura 4 es que debido al voltaje máximo de operación del ciclador de batería de 17 V, no fue posible caracterizar el stack de 9 MEAs a una densidad de corriente de 1 A/cm2, como sí se hizo para el stack de 2 MEAs y el electrolizador monocelda. En la figura 5 se muestra la comparación de las curvas I-V obtenidas en las

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Figura 4Curvas de I-V obtenidas en la caracterización realizada en las instalaciones del INEEL al electrolizar la monocelda, y los stack de electrólisis de 2 y 9 MEAs.monocelda PEM de 50 cm2 de área activa.

caracterizaciones del stack de 9 MEAs que se realizaron en las instalaciones del INEEL y del CIDETEQ.

En la figura 5 se puede observar una buena reproducibilidad de los resultados obtenidos en la caracterización del stack a las temperaturas de 50, 60 y 70°C, mientras que a las temperaturas de 25 y 40°C, se obtuvieron resultados un poco diferentes. Con base en los resultados obtenidos en la caracterización del stack de electrólisis de 9 MEAs, en la tabla I, se muestra la eficiencia energética obtenida.

Densidad de corriente[A/cm2]

Temperatura[°C]

Voltaje electrolizador [V]

Voltaje teórico (HHV) [V]

Eficiencia energética[tHHV]

Hidrógeno producido[Nm3/h]

1.10 70 17.93 13.42 74.86 0.285

1.10 60 18.47 13.40 72.56 0.278

1.10 50 18.88 13.38 70.87 0.248

0.87 40 19.53 13.36 68.41 0.215

0.54 25 19.38 13.33 68.78 0.122

Tabla 1Eficiencia energética del stack de electrólisis de 9 MEAs a diferentes densidades de corriente y temperatura de operación.

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Figura 5Curvas de I-V obtenidas en la caracterización realizada en las instalaciones del INEEL y del CIDETEQ al stack de electrólisis de 9 MEAs.

Eficiencias energéticas mayores al 70% se obtienen al operar el stack de electrólisis diseñado y fabricado en el INEEL cuando se opera a temperaturas de 50, 60 y 70°C y una densidad de corriente de 1.10 A/cm2. Cuando se opera a temperaturas de 40 y 25°C y densidades de corriente de 0.87 y 0.54 A/cm2, la eficiencia es de alrededor del 68%. Los valores de eficiencia obtenidos son muy alentadores, ya que en la literatura se reporta que la mayoría de los electrolizadores industriales tienen una eficiencia de alrededor del 70% (Fatima et al, 2017).

Conclusiones

Como conclusiones de este trabajo se puede comentar los siguiente:

• Se diseñó, fabricó y caracterizó un stack de electrolizador con tecnología INEEL.

• La eficiencia obtenida en la caracterización del stack fue cercana al 75% cuando se operó a una densidad de corriente de 1.10 A/cm2, 70°C y presión atmosférica.

• El volumen de hidrógeno generado fue de 0.285 Nm3/h operando el electrolizador a 1.10 A/cm2 y 70°C, con una potencia de alrededor de 970 W.

• La eficiencia del electrolizador puede ser incrementada al disminuir la resistencia total en el stack, lo cual es posible mejorando el contacto entre los MEAs, las placas distribuidoras de flujo y las placas finales del stack.

Agradecimientos. Los autores agradecen al INEEL por el apoyo al proyecto de infraestructura 14261 con el que fue posible realizar este trabajo, al CIDETEQ y de manera especial al Dr. Gerardo Arriaga por su apoyo en la caracterización del stack de electrólisis en sus instalaciones.

Referencias

Fatima E. C., Mohammed K. y Mohammed M. Effect of operating parameters on hydrogen production by electrolysis of water, International Journal of Hydrogen Energy, vol. 42, issue 40, octubre 2017, p. 25550-25557.

Langemann M., Fritz D.L., Müller M. y Stolten D. Validation and characterization of

suitable materials for bipolar plates in PEM water electrolysis. International Journal of Hydrogen Energy, vol. 40, issue 35, septiembre 2015, p. 11385–11391.

Rashid M. M., Al Mesfer M. K., Naseem H. y Danish M. Hydrogen production by water electrolysis: a review of alkaline water electrolysis, PEM water electrolysis and high temperature water electrolysis. International Journal of Engineering and Advance Technology, vol. 4, issue 3, febrero 2015, ISSN: 2249–8958, p. 80-93.

Revankar S. T., Brown N. R., Kane C. y Oh S. Development of efficient flowsheet and transient modeling for nuclear heat coupled sulfur iodine cycle for hydrogen production. Project No. 06-060: 2010, Purdue University, USA.

artículo técnico

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José Roberto Flores Hernández [[email protected]]

Doctor Rerum Naturalium en electroquímica por la Albert-Ludwigs-Uni-versität Freiburg I. Br., Alemania. Maestro en Ciencias en Química con especialidad en electroquímica por el Centro de Graduados del Instituto Tecnológico de Tijuana. Ingeniero. Químico por la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla (BUAP). Ingresó al INEEL en 1990 como investigador de la Gerencia de Energías Renovables de la División de Energías Alternas. Su área de especialidad se relaciona con la generación de hidrógeno vía la electrólisis del agua.

Ha desarrollado el proceso de fabricación de Ensambles Membrana-Elec-trodos (MEAs) para la tecnología de celdas de combustibles y electroliza-dores. Ha realizado el desarrollo tecnológico del proceso de deposición automática de tinta catalítica para la fabricación de las MEAs. Actual-mente trabaja en la evaluación y caracterización de bancos de baterías (plomo-ácido y ion-litio), en la incorporación de nanocatalizadores, nano-tubos de carbono y grafeno en la estructura del electrodo para los MEAs.

Es profesor en la Universidad Politécnica de Victoria, Tamaulipas. Autor de 4 patentes otorgadas y 2 en trámite, además es coautor de dos soli-citudes de diseño industrial. Es autor de varios artículos nacionales e internacionales y miembro del Sistema Nacional de Investigadores (SIN) nivel 1. Miembro de la Red de Almacenamiento, Red de Energía Solar, Red Sumas y de la Sociedad Mexicana del Hidrógeno.

Irma Lorena Albarrán Sánchez([email protected])

Maestra en Ciencias por el Instituto de Ciencia y Tecnología de la Univer-sidad de Manchester, Inglaterra con especialidad en Procesos de Separa-ción de Partículas. Ingeniera Química egresada de la Universidad Autó-noma del Estado de Morelos. Ingresó al Departamento de Materiales del Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL) en 1991 cola-borando en el desarrollo de materiales poliméricos. Reingresó al INEEL en 1994 en el Departamento de Combustión, ahora Gerencia de Procesos Térmicos, colaborando en la caracterización de fichas de atomización para centrales termoeléctricas mediante técnicas de difractometría láser. Actualmente trabaja en la Gerencia de Energías Renovables participando en el desarrollo de elementos y sistemas de generación eléctrica con celdas de combustible e hidrogeno, así como en la fabricación de ensam-bles Membrana–Electrodo para las tecnologías de celdas de combustible y electrolizadores. Es autora de diversas publicaciones en revistas nacio-nales e internacionales. Su tesis de licenciatura, desarrollada en el INEEL, obtuvo el 2° Lugar del V Concurso Nacional de Tesis CONACYT-CFE-IIE. Además de tiene tres patentes otorgadas y una en diseño industrial. Es miembro de la Sociedad de Hidrógeno.

Currículum vítae


artículo técnico

Jun-ta

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Comunidad INEELComunidad INEEL

INEEL y GE Power firman Memorándum de Entendimiento

Se busca promover proyectos de Transmisión y Distri-bución y ampliar los conocimientos de la tecnología y soluciones disponibles en el sector para la conexión de energía renovable a la red y su almacenamiento. El centro de ingeniería en Querétaro cuenta con especialistas en energía y aviación, por lo que la colaboración entre ambas organizaciones ayudará a compartir información y experiencia en proyectos de energía térmica y renovable, así como soluciones centradas en la transmisión y distri-bución de energía eléctrica, redes eléctricas inteligentes, fuentes alternas de energía, gestión y eficiencia energé-tica, energía sostenible y nuevas tecnologías.

Con este convenio de colaboración se impulsa el desa-rrollo tecnológico y la investigación en el sector ener-gético mexicano y se definen sinergias para impulsar y consolidar las energías renovables en la industria eléc-trica nacional dentro del nuevo esquema del mercado eléctrico, red eléctrica inteligente y la digitalización de la operación de tecnologías, además se busca desarro-llar en nuestro país uno de los primeros semilleros de especialistas en tecnologías digitales orientadas a temas energéticos.

Taller de prioridades nacionales en redes y microrredes eléctricas

El INEEL, líder del Centro Mexicano de Innovación en Redes y Microrredes Eléctricas Inteligentes (CEMIE-Redes), llevó a cabo un taller para identificar las “Prio-ridades Nacionales en redes y microrredes eléctricas inteligentes” con la finalidad de identificar las necesi-dades nacionales de investigación, desarrollo tecnoló-gico y formación de recursos humanos más relevantes en la transformación de la red eléctrica mexicana, así como identificar y reunir a expertos del ámbito nacional e internacional para discutir los retos del sector energía de México en temas relacionados con las redes y micro-rredes eléctricas inteligentes.

Convenio de colaboración entre el INEEL y Siemens

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Comunidad INEEL

El INEEL y VTT (Technical Research Centre of Finland) suscribieron un memorándum de entendimiento con el que buscan desarrollar proyectos conjuntos en materia de investigación y desarrollo en el sector energético en materia de energías limpias en temas como bioenergía, biocombustibles, desechos energéticos, aprovechamiento de las fuentes de energías renovables, redes inteligentes, realidad virtual, turbomaquinaria, control, electrónica y comunicaciones.

Taller sobre almacenamiento de energía en la red eléctrica

Organizado por el INEEL con el interés en el desarrollo de sistemas de almacenamiento de energía eléctrica su objetivo fue definir las prioridades nacionales de inves-tigación, desarrollo tecnológico, principales retos, forma-ción de recursos humanos y desarrollar una estrategia que organice las prioridades nacionales por tempora-lidad, prioridad y por actor clave. Se contó con la parti-cipación de expertos nacionales e internacionales en temas como: el valor económico del almacenamiento en el contexto del mercado eléctrico mexicano; reque-rimientos y aplicación de tecnologías relacionadas con sistemas de almacenamiento electroquímico, químico, eléctrico y mecánico; desarrollo de políticas públicas, estándares y normatividad.

INEEL y VTT Finlandia acuerdan colaborar en materia de energías limpias

INEEL y Universidad de Birmingham trabajan en un sistema de almacenamiento de energía

La Universidad de Birmingham del Reino Unido y el INEEL desarrollan un proyecto con financiamiento del Programa Newton Fund Institutional Links, para realizar un análisis de factibilidad de un sistema de almacenamiento de energía para una población rural. El INEEL presenta las oportunidades de almacenamiento de energía en México y la Universidad de Birmingham presenta opciones de almacenamiento y la metodología a usar. Con el almace-namiento de energía se desarrollan sistemas de energía de bajo carbono en México.

Jun-ta

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Comunidad INEELComunidad INEEL

Recibe el INEEL su primera patente en China

La oficina de patentes de China otorgó al INEEL una patente para la invención denominada: “Sistema de comunicación inteligente para fondo de pozo, basado en la caracterización en tiempo real de la atenuación de señales en cable coaxial usado como medio de transmisión”. La tecnología permite obtener y comunicar datos en condiciones extremas, en donde las señales están expuestas a perturbaciones provo-cadas por el ambiente de operación. Por esta razón, la tecnología se ha enfocado en aplicaciones de monitoreo en fondo de pozos de petróleo y gas que presentan condi-ciones de alta presión y alta temperatura, para lo cual el INEEL desarrolló una sonda que ha sido utilizada para probar de forma exitosa el sistema de comunicación.

Sistema de climatización mediante Bomba de Calor Geotérmico en el INEEL

Se llevó a cabo la inauguración y la puesta en operación del Sistema de Bombas de Calor Geotérmico (BCG) que proveerá climatización a una sala de juntas del INEEL. Esta sala será la sede del Centro de Evaluación, Certificación y Capacitación en Bombas de Calor Geotérmico (CECCAB). El objetivo de este Centro es promover los usos directos de la geotermia, en particular las BCG y en ella será posible: medir los parámetros requeridos en un estudio de eficiencia energética; comparar los consumos eléctricos de una BCG con un equipo de aire acondicionado, además, se realizarán videoconferencias y cursos en línea en temas de los usos directos de la geotermia. Esta es una tecnología limpia, sustentable y altamente eficiente para acondicionamiento de espacios que requieren climatización.

La Dra. Georgina Izquierdo Montalvo asume la Dirección General del INEEL

El 2 de julio de 2019 se llevó a cabo la transición de la Dirección General del INEEL, la Ing. Norma Rocío Nahle García, Secretaria de Energía, informó el nombramiento de la Dra. Georgina Izquierdo Montalvo como nueva Direc-tora General. Este es un evento histórico, ya que por primera vez una mujer es nombrada Directora General, lo cual es resultado de su trayectoria y reconocimiento nacional e internacional dentro del sector energético.

La Ing. Nahle dirigió unas emotivas palabras en las que destacó la preocupación de la nueva administración federal en el sector energético y su empuje para fortalecerlo en beneficio del país e hizo hincapié en la importancia de esta institución dentro del escenario estratégico del sector.

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Comunidad INEELLa Secretaria de Energía, Ing. Rocío Nahle, visita el INEEL y reconoce sus capacidades

La Secretaria de Energía, Ing. Norma Rocío Nahle García, visitó las instalaciones del INEEL en un encuentro para fortalecer la colaboración entre el Instituto y las empresas del estado. En total disposición de conocer y visitar los laboratorios, la Ing. Nahle, interactuó con personal de investigación y especialistas del INEEL en los diversos temas que se le presentaron, interesada en conocer las soluciones tecnológicas que demanda el actual Sistema Eléctrico Nacional e Industria Energética. Se mostró muy complacida y resaltó la relevancia del Instituto en la investigación científica y tecnológica.

Apertura del Laboratorio de Electromovilidad del INEEL

Para contribuir con soluciones que asistan a reducir emisiones contaminantes y mejoren la eficiencia del uso de energía para la movilidad, el INEEL desarrolló el Labo-ratorio de Electromovilidad, y así reforzar las capacidades institucionales y nacionales que permitirán aprovechar oportunidades de desarrollo y atender retos tecnológicos de la electromovilidad. Esta línea de trabajo surgió hace una década a partir de proyectos con el sector privado, fondos sectoriales SENER de sustentabilidad y fondos de innovación CONACYT. Como resultado de esta fructífera experiencia, el INEEL ha desarrollado tecnología propia de celdas de combustible, y generación de hidrógeno para vehículos eléctricos, así como ha aprovechado su experiencia de más de 3 décadas en almacenamiento de energía con baterías electroquímicas.

El INEEL participa en la XXXII Reunión Internacional de Verano de Potencia

El Lic. Manuel Bartlett Díaz, Director General de la CFE, inauguró la Reunión y reconoció a los ingenieros por su presencia y trabajo en el sector, así como el compromiso del IEEE (organizador del evento) para fortalecer el sistema eléctrico en el país. En su recorrido por la exposición, el Director de la CFE visitó el stand del INEEL, la Dra. Georgina Izquierdo y el Mtro. Fernando Kohrs le explicaron sobre los proyectos de alto impacto con los que se ha colaborado con la CFE por más de 40 años, así como de los apoyos cien-tíficos y tecnológicos que se ha dado a la CENACE y a la SENER. Asimismo, se mostraron las capacidades en temas que, de acuerdo con la situación actual, representan un reto para la CFE: recursos renovables, fortalecimiento en gene-ración hidroeléctrica, impulso a la reactivación y moderni-zación en centrales de vapor y ciclo combinado, entre otros.


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Breves técnicas

Breve técnica

La creciente demanda de energía, el agotamiento del suministro de combustibles fósiles y la creciente preocupación por la contaminación ambiental ha alentado el desarrollo y uso de fuentes alternativas y de recursos de energías renovables. Debido al cuidado del medio ambiente y en virtud de su abundancia, las fuentes renovables tienen potencial para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero al tiempo que ofrecen una forma práctica de reducir nuestra dependencia de los combustibles fósiles; por lo que no sorprende que la mayoría de los países estén tomando medidas serias para implementar políticas efectivas que acelerarán nuestro uso de tales tecnologías.

La generación de energía a partir de fuentes renovables no siempre es posible cuando es más necesitada (perfiles eólicos temporales, disponibilidad estacional de recursos tales como agua, luz solar, etc.). El almacenamiento de la energía durante periodos de baja demanda para luego liberarla durante la demanda pico, puede superar estos problemas. Por lo tanto, combinar energías renovables con almacenamiento de energía proporciona una solución natural al problema asincrónico entre la generación de energía de fuentes de energía intermitentes y la demanda, lo cual ayuda a balancear la red eléctrica.

Se estima que la generación de electricidad a través de fuentes renovables (excluida la hidráulica) representa

Las baterías con materiales convencionales nanoestructurados

Mariana Gamboa Sandoval, Daniel Fernández Rodríguez y José María Malo Tamayo

cerca del 10% de la generación eléctrica mundial y seguirá creciendo. En los últimos años, las fuentes de energía renovables como el viento y la energía solar, se ha convertido en una solución adecuada para aumentar la energía, la seguridad, el suministro de electricidad y la mitigación del impacto ambiental.

Dentro de las tecnologías de almacenamiento, las baterías son una opción viable al lado de otras formas de almacenamiento como la térmica, mecánica o eléctrica.

La complejidad de los sistemas de baterías modernos involucra materiales altamente procesados y purificados, materiales sensibles al aire, y/o electrolitos inflamables, que sostienen una industria de las baterías dedicada a la entrega segura, de alta densidad de energía y soluciones portátiles de almacenamiento de energía.

Sin embargo, el desarrollo temprano de las primeras baterías conocidas dependía de una lógica muy diferente, donde los materiales fueran fácilmente accesibles y se combinaran a escalas locales para almacenar energía.

El primer ejemplo, se especula, es la “batería de Bagdad” que se remonta al primer siglo a. C. que consiste en una olla de terracota (cerámica) con una lámina de cobre y una barra de hierro. Los ejemplos más recientes incluyen el sistema de cobre y zinc descubierto por Volta y la

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batería de níquel-hierro desarrollada por Edison, donde los metales comunes son inmersos en electrolitos simples para el almacenamiento de energía local.

Actualmente, los esfuerzos por desarrollar almacenamiento de energía con baterías están enfocados a obtener estructuras a escala nanométrica de los materiales con los que son elaborados los electrodos, ya que, a mayor área específica de la superficie del electrodo, se tendría mayor capacidad de almacenamiento de energía.

Dentro de las técnicas para aumentar el área específica de los materiales convencionales se tienen:

• Anodizado: Se trata de una capa de óxido que crece de manera controlada sobre la superficie.

• Polvo metálico: El polvo que se obtiene al desbastar piezas metálicas sobre un electrodo también funciona como almacenador de energía.

• Sinterización de metales: Tratamiento que cambia la forma de un material convirtiéndolo en una pieza altamente porosa, semejante a una esponja.

• Adhesión de iones: El potencial de cada material provoca en ciertos medios la adsorción de iones, éstos son atraídos por la placa eléctrica del material.

Figura 1Electrodos de polvo de acero y cobre nanoestructurados.


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Dentro de los tratamientos de los materiales que provocan cambios en la superficie, el anodizado crea una capa en la superficie, que será el material activo responsable de almacenamiento de energía. El material más comúnmente anodizado es el aluminio, donde el fin útil de este tratamiento es brindar una capa que proteja al aluminio de la corrosión. Sin embargo, este mismo tratamiento utilizado en otros materiales como el latón y el acero pueden incrementar las reacciones de óxido-reducción asociadas al almacenamiento de energía.

En este frente, el efecto secundario de la fabricación a gran escala impulsada por los consumidores es la depreciación de los materiales fabricados y la eventual eliminación del material como desecho. Los metales de desecho representan más de 130 millones de toneladas de residuos cada año con aceros que representan 84 millones de toneladas, aluminio que representa 7,3 millones de toneladas y latón (cobre) que representa 1,38 millones de toneladas al año.

En el INEEL actualmente se explora la utilización de estos materiales altamente disponibles y de bajo costo para su prueba y caracterización con vías a su escalamiento en sistemas complementarios a las fuentes intermitentes limpias. Particularmente, se preparan y caracterizan acero y aleaciones de cobre en forma de polvo y nanoestructurados con el propósito de escalar su fabricación para aplicaciones prácticas a nivel de viviendas que cuenten con fuentes solares o de viento.

Figura 2Ejemplos de metales convencionales oxidados para su uso como electrodos

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Breves técnicasBreve técnica

Baterías de flujo para almacenamiento de energía de gran escala

Joep Pijpers

El aumento en la penetración de la generación intermitente de energías renovables requiere de la instalación de grandes capacidades de almacenamiento de energía para balancear el suplemento y la demanda de electricidad, así como para mantener la estabilidad de la red eléctrica. Si bien la penetración de los renovables es un impulso importante, muchas otras aplicaciones para el almacenamiento de energía dentro de la red eléctrica han surgido en los últimos años. Además de permitir la integración de las fuentes renovables, los sistemas de almacenamiento de energía pueden también proporcionar capacidad pico, pueden ayudar a regular la frecuencia de la red eléctrica y pueden instalarse para posponer inversiones en la infraestructura de transmisión y distribución.

La necesidad de almacenamiento de energía a gran escala se predice que crecerá exponencialmente en la próxima década. Existen diversas tecnologías posibles para atender el almacenamiento del exceso de la electricidad generada por renovables, tales como las tecnologías de almacenamiento mecánicas (p. e. hidroeléctrico o de aire comprimido), térmicas y electroquímicas. Con respecto a las tecnologías electroquímicas, las baterías de iones de litio constituyen el estándar actual. Si bien es cierto que se tienen avances recientes en términos de desarrollo tecnológico y reducción en costos de las baterías de litio, los precios de las baterías basadas en litio son aún demasiado altos y los tiempos típicos de

descarga demasiado cortos para poder emplearse en el almacenamiento de energía en la red eléctrica. En la figura 1, se muestran tiempos típicos de descarga y potencias de salida para una variedad de tecnologías de almacenamiento.

Las baterías de flujo se proponen como una alternativa tecnológica para el almacenamiento de energía con el potencial de proporcionar almacenamiento duradero (> 4 horas) a bajo costo. En una batería de flujo, los materiales electroactivos (que se pueden cargar y descargar) son presentes como líquidos. Los dos líquidos (los electrolitos positivos y negativos) fluyen de tanques hacia un reactor electroquímico (el “stack”) donde tienen lugar los procesos de carga y descarga.

El INEEL desarrolla e impulsa esta tecnología innovadora, a través de la exploración de conceptos de baterías de flujo más baratas. En particular, evalúa conceptos de baterías de flujo que usan materiales más económicos comparado con los conceptos ya existentes. Específicamente, los electrolitos y los materiales de los stacks dominan el costo de almacenamiento en todos los tipos de batería de flujo. Con socios nacionales e internacionales, estableció un proyecto de desarrollo tecnológico con el objetivo de innovar en materiales más económicos, tanto para los electrolitos como para los materiales del stack. Este proyecto se enfocará en dos temas:

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• Exploración de compuestos electro-activos orgánicos: en baterías de flujo del estado de arte, se usan metales de alto precio como compuesto electro-activo. El INEEL investiga moléculas orgánicas con propiedades electroactivas que evitan el uso de metales caros. La optimización de la estabilidad química y electroquímica será un enfoque de este proyecto para asegurar una vida útil de las baterías de más de 10 años.

• Exploración del concepto de baterías de flujo basado en electrodiálisis. En un stack de electrodiálisis, los iones se mueven por un campo eléctrico a través de membranas entre dos o tres soluciones. Sobre la base de este principio, se puede almacenar energía por convertir una solución salina (por ejemplo, cloruro de sodio) en dos soluciones: una muy concentrada y una muy diluida. Al revés, se puede liberar la energía almacenada (generando electricidad) al neutralizar las soluciones (la concentrada y la diluida) a través de membranas selectivas. Para este concepto, se enfocará en la optimización de las membranas y de los stacks de electrodiálisis que debe resultar en un concepto de batería de flujo con electrolitos y stacks mas económicos.

La investigación en estos dos subproyectos resultará en la realización de prototipos de batería de flujo con perfil de costo más bajo, que serán interconectados con la red eléctrica del INEEL. Para realizar estos prototipos, se aprovechan varias disciplinas con las que cuenta el INEEL, entre otras, la ingeniería química, ciencia de materiales, ingeniería mecánica, ingeniería eléctrica y la experiencia en sistemas de control. Por lo tanto, el INEEL estará innovando en tecnologías de almacenamiento que puedan competir con tecnologías ya existentes (por ejemplo, baterías de ion-litio) y que son relevantes para el futuro sustentable hacia el que la red eléctrica mexicana se está transformando.

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Figura 1Típicos tiempos de descarga y potencias para una variedad de tecnologías de almacenamiento. Se muestran los costos nivelados de almacenamiento.

breve técnica

José Luis Silva Farías

Prioridades Nacionales sobre almacenamiento de energía en la red eléctrica de México

Artículo de investigación

AbstractIn this work, the results of the Workshop for the definition of National Priorities for Research, Technological Development and Training of Human Resources for the Energy Sector in the theme of energy storage in the electrical grid are compiled. The proposed strategy will enable face the significant technical challenges that must be overcome in order to achieve the goals of integration of clean energy in the National Electric System.

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Resumen

En este trabajo se compilan los resultados del Taller para la definición de las Prioridades Nacionales de Investigación, Desarrollo Tecnológico y Formación de Recursos Humanos para el Sector Energía en el tema de Almacenamiento de Energía en la Red Eléctrica en México. La estrategia propuesta permitirá enfrentar los importantes retos técnicos que deberán superarse para lograr que se alcancen las metas de integración de energía limpia en el Sistema Eléctrico Nacional.

Introducción

El tema de almacenamiento de energía se incluye en el Artículo 38 de la Ley de la Transición Energética al considerar en su programa de Redes Eléctricas Inteligentes el desarrollo e integración de tecnologías avanzadas para el almacenamiento de electricidad.

La integración de las fuentes de energía variables, como la eólica y solar, con alta incertidumbre en los sistemas eléctricos, genera repercusiones importantes en la

flexibilidad del sistema. Esto debido a la alta variabilidad de este tipo de fuentes y de la demanda, por otro lado, la potencia generada por estas fuentes desplaza a otras fuentes tradicionales que cuentan con mayor flexibilidad, por lo que el efecto total es una mayor exigencia de esta capacidad.

La flexibilidad de un sistema de potencia puede mejorarse por varios mecanismos, principalmente los siguientes: esquemas de respuesta a la demanda, inclusión de fuentes de generación flexibles, expansión del sistema y los sistemas de almacenamiento de energía.

Tópicos tratados

Valor y beneficios del almacenamiento de energía en las redes eléctricas

Se abordaron los mecanismos para monetizar los beneficios del almacenamiento de energía en el contexto del Mercado Eléctrico Mayorista (MEM), los productos

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y servicios que el almacenamiento de energía puede proporcionar y sus aspectos regulatorios.

La participación del almacenamiento en los mercados competitivos de electricidad es un tema que se continúa tratando en diferentes partes del mundo. En los Estados Unidos de América el regulador acelera sus esfuerzos para potenciar los beneficios del almacenamiento y para la remoción de barreras en la participación de recursos de almacenamiento y de los agregadores de recursos de energía distribuidos en los mercados.

Se proponen las siguientes líneas de acción: desarrollar modelos de proyección de los precios de los productos y servicios del MEM; adaptar las metodologías de planeación de la Red de Transmisión y Redes Distribución; adaptar la metodología de selección de la tecnología de generación de referencia; valorar la conveniencia de incluir en el MEM un nuevo servicio conexo de regulación rápida de frecuencia y desarrollar metodología para determinar el valor económico del almacenamiento por bombeo hídrico.

Almacenamiento térmico

El objetivo principal de este tópico fue establecer la viabilidad de implementación y desarrollo de las tecnologías de almacenamiento térmico en el contexto nacional y proponer estrategias a corto, mediano y largo plazo. El panel principalmente se enfocó en los materiales con cambio de fase (PCM, por sus siglas en inglés).

Dentro de los avances en esta área se menciona el desarrollo y prueba de un sistema de almacenamiento de calor por reflujo para producir vapor sobrecalentado en un rango de temperaturas de 350-400°C con una aleación de zinc-estaño (Zn-Sn), actuando como el PCM.

Se identificaron cinco oportunidades de proyectos: prospectiva del almacenamiento térmico para centrales con concentración solar; centrales híbridas; almacenamiento térmico con materiales con cambio de fase; integración de almacenamiento termo solar a parques industriales y la formación de redes de colaboración y recursos humanos.

Almacenamiento electroquímico y químico

Almacenamiento electroquímico – baterías

El principal objetivo fue establecer qué tecnologías de baterías son más atractivas para las necesidades del sistema eléctrico mexicano y proponer estrategias a corto, mediano y largo plazo para su implementación.

Actualmente la tecnología de batería más utilizada en los proyectos de almacenamiento de energía es la batería ion-litio, seguida de la batería de fosfato de litio.

Las oportunidades identificadas fueron las siguientes: desarrollo de sistemas de baterías de iones metálicos y metal–aire; químicas nueva y materiales para baterías de flujo, así como un centro de conocimiento en sistemas de almacenamiento con baterías.

Hidrógeno como almacén de energía

El hidrógeno no existe en forma natural, sino que forma compuestos, incluida la biomasa y el agua. Es decir, el hidrógeno puede producirse a partir de muchas fuentes de energía primaria, incluidas la energía renovable.

Las oportunidades que se identificaron fueron: desarrollo de electrólisis con membranas de intercambio aniónico; ciclos termoquímicos a concentración solar para producción “verde” de hidrógeno empleando óxidos mixtos; mapa de sitios para la producción “verde” de hidrógeno y su uso industrial; materiales para la producción y almacenamiento de hidrógeno; reelectrificación de hidrógeno (G2P por sus siglas en inglés de gas to power) y producción “verde” de amoniaco como vector de almacenamiento.

Almacenamiento eléctrico- supercapacitores

El objetivo fue establecer la viabilidad de desarrollo e implementación de la tecnología de supercapacitores en el contexto nacional y proponer una estrategia a mediano y largo plazo para optimar su proceso de adopción.

Para mejorar las características y la diversificación de su empleo, se requiere mejorar la fisicoquímica de las interacciones entre electrodos, relaciones interfaciales,

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propiedades de los electrolitos y procesos de carga y descarga; así como diseñar electrodos porosos o nanoestructurados.

Las oportunidades que se identificaron son: aplicación de supercapacitores en conjunto con otras tecnologías de almacenamiento; laboratorio para la simulación y evaluación de tecnologías de almacenamiento de energía y el desarrollo de supercapacitores sustentables.

Almacenamiento mecánico

Volantes de Inercia

Un volante de inercia almacena energía basándose en el principio de la masa giratoria. Es un dispositivo de almacenamiento mecánico que emula el almacenamiento de energía eléctrica convirtiéndola en energía giratoria cinética y puede convertir la energía cinética, de nuevo, a energía eléctrica cuando se requiera.

Las oportunidades identificadas fueron: capacitación y formación de recursos humanos; investigación en nuevos materiales y tecnologías; identificación de requerimientos de almacenamiento; generación de modelos de volantes de inercia y su efecto en la red e integración de sistemas prototipos y evaluación de su desempeño técnico y económico.

Almacenamiento de aire

Un sistema de almacenamiento de energía de aire comprimido (CAES, por sus siglas en inglés de Compressed Air Energy Storage) comprime un gas (generalmente aire) a altas presiones (70 a 100+ Bar) y lo inyecta en una estructura subterránea o un sistema de tanques o tuberías sobre la superficie. Para generar electricidad, el aire se mezcla con un combustible, se quema y se expande a través de una turbina de gas convencional que mueve un generador.

La primera planta de potencia a escala de empresa eléctrica del mundo fue la de potencia Huntorf instalada en Alemania en el año de 1978. Esta planta funciona en un ciclo diario de 8 h de carga de aire comprimido y 2 h de operación a una potencia nominal de 290 MW.

Al respecto se identificaron las siguientes oportunidades: posibilidad de realizar un estudio de viabilidad técnica–económica para un proyecto con tecnología CAES de segunda generación; análisis de prospectivas de

integración de sistemas CAES; definición de líneas de investigación en sistemas CAES de segunda generación; formación de recursos humanos especializados y necesidad de mejorar la eficiencia de los compresores y buscar nuevos materiales.

Estándares, certificación, marco regulatorio y políticas públicas

Se abordaron los siguientes temas: los estándares aplicables en el almacenamiento de energía; las nuevas capacidades de los inversores; las pruebas y certificación de los equipos; y los aspectos que merecen una mayor definición en regulaciones nacionales.

Para las tecnologías de almacenamiento de energía maduras, tales como bombeo hidráulico y para algunos tipos de baterías existen varios estándares IEC.

Se identificaron cinco oportunidades de investigación: normas y estándares para el almacenamiento e interconexión; modelos de negocio claros; aprovechar la rapidez de respuesta de los sistemas; el manual de interconexión de generación distribuida debe transformarse en un manual de recursos distribuidos y definir una entidad para la prueba y certificación de inversores.

Experiencias en la aplicación de los sistemas de almacenamiento

Este tópico se enfocó en identificar tecnologías de almacenamiento, participantes en proyectos, metodologías de evaluación, estándares que han sido utilizados en aplicaciones de sistemas de almacenamiento para impulsar su despliegue en el Sistema Eléctrico Mexicano.

Los Sistemas de Almacenamiento de Energía (SAE) se implementan, entre otros propósitos, para mejorar la confiabilidad, estabilidad y eficiencia del sistema eléctrico y para incrementar la integración de fuentes de energía renovable.

Al respecto se identifican las siguientes cuatro oportunidades: descongestión de la red eléctrica; regulación de frecuencia; resiliencia en microrredes e incremento de capacidad en alimentadores de distribución.

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Utilidad de proyectos demostrativos

Se reflexionó sobre la importancia de desarrollar proyectos demostrativos para la adopción de tecnologías de almacenamiento de energía, así como deliberar sobre los proyectos demostrativos de aplicaciones potenciales y de utilidad en el Sistema Eléctrico Nacional.

Los diversos usos identificados de los SAE fueron:

a) Aplicaciones en mercado mayorista: Reducir/compensar variabilidad de la generación renovable variable eólica y solar; regulación y control de la frecuencia; control de voltaje y soporte de rampas de demanda.

Completar y en su caso ajustar las Reglas del Mercado Eléctrico para el pleno aprovechamiento del valor económico del almacenamiento de energía

• Valorar la conveniencia de incluir un nuevo Servicio Conexo de Regulación Rápida de Frecuencia en el Mercado Mayorista, que algunas tecnologías de almacenamiento pueden ofrecer.

• Considerar el almacenamiento combinado con capacidad de generación para reducir el Precio Neto de Potencia del Mercado de Balance de Potencia.

• Adaptar las metodologías de planeación de las redes de transmisión y de distribución considerando las opciones de inversión en tecnologías de almacenamiento de energía como activos de las redes eléctricas.

• Desarrollar una metodología para la proyección de precios de productos y servicios del Mercado Eléctrico Mayorista.

Elaborar la regulación y la normativa para la prueba, certificación e interconexión de los sistemas de almacenamiento

• Elaborar la normativa para la instalación de los sistemas de almacenamiento de energía.

• Elaborar la normativa para la prueba y certificación de equipos y sistemas de almacenamiento de energía.

• Elaborar la normativa que aborde el tema de seguridad de los sistemas de almacenamiento de energía.

Impulsar la investigación aplicada y el desarrollo tecnológico de dispositivos y sistemas de almacenamiento de energía

• Desarrollar sistemas de baterías de iones metálicos y metal-aire.

• Desarrollar químicas de electrolitos de bajo costo y materiales de apilamiento para baterías de flujo.

• Desarrollar supercapacitores sustentables.

• Desarrollar dispositivos de almacenamiento basados en supercapacitores para la integración de renovables.

Formar Recursos Humanos especializados en las diversas tecnologías de almacenamiento de energía

• Establecer un centro del conocimiento focalizado en sistemas de almacenamiento de baterías.

• Formar redes temáticas de colaboración y formación de recursos humanos especializados en diversas tecnologías de almacenamiento de energía.

• Equipar un laboratorio para la simulación y evaluación de tecnologías de almacenamiento de energía.

Difundir la viabilidad técnico-económica de proyectos de almacenamiento en aplicaciones relevantes, poco conocidas en México, que faciliten su aceptación en el sector eléctrico

• Realizar estudio de viabilidad técnica-económica de proyectos demostrativos de almacenamiento para proporcionar simultáneamente servicios conexos de control de voltaje y arranque negro (arranque de emergencia).

• Realizar estudio de viabilidad técnica-económica de proyectos demostrativos de almacenamiento para abatir problemas de congestión en la Red de Transmisión.

• Realizar estudio de viabilidad técnica-económica de proyectos demostrativos de almacenamiento para lograr el incremento de capacidad en alimentadores de distribución.

• Realizar estudio de viabilidad técnica-económica de proyectos demostrativos de almacenamiento de energía por aire comprimido (CAES) en un sistema minero.

• Desarrollar metodología para determinar el valor económico del almacenamiento por bombeo hídrico en el contexto del MEM.

b) Aplicaciones en las redes eléctricas: Reducción de congestión.

c) Aplicaciones “detrás del medidor”: Reducción de picos de carga.

Estrategia y temas prioritarios

En la siguiente tabla se presenta la estrategia propuesta para el caso México, considerando los temas prioritarios y las líneas de acción, para investigación, desarrollo tecnológico y formación de recursos humanos en materia de almacenamiento de energía.

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Conclusiones

México cuenta con un gran potencial de recursos energéticos, que le permitirán cumplir con las metas de energías limpias: de 25 % para el 2018 y 35 % para el 2024. Esto requerirá integrar al Sistema Eléctrico Nacional, en gran escala, generación eólica y solar, así como generación distribuida basada en fuentes renovables. Así, se reducirán las emisiones de dióxido de carbono (CO2) al medio ambiente, contribuyendo a los esfuerzos de mitigación del calentamiento global del planeta.

Los SAE contribuirán al aporte de la flexibilidad operativa del Sistema Eléctrico Nacional, que se requerirá como consecuencia de la integración creciente de energía renovable variable, eólica y solar.

Referencias

International Electrotechnical Commission, IEC TS 62933-5-1 ED1. Electrical Energy Storage (EES) systems - Part 5-1: Safety considerations related to grid integrated electrical storage (EES) systems, Edition 1.0, 07, 2017.

SENER, Reporte de prioridades nacionales sobre el tema: Almacenamiento de Energía en la Red Eléctrica, marzo del 2018.

SENER–INEEL, Perspectivas Tecnológicas: Almacenamiento de Energía en la Red Eléctrica, noviembre de 2017.

SENER, Programa Especial de la Transición Energética, Diario Oficial de la Federación, 31 mayo 2017.

Currículum vítae

José Luis Silva Farías[[email protected]]

Ingeniero Electricista por la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo en 1982. En 1985 se incorporó como investigador al Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE), actualmente Instituto Nacional de Elec-tricidad y Energías Limpias (INEEL), desde entonces realiza funciones de jefe de proyecto. Durante 1988 a 1989 llevó a cabo sus estudios de Maestría en Ingeniería con la especialidad en Sistemas Eléctricos de Potencia en el Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monte-rrey (ITESM), Campus Monterrey.

Sus principales tópicos de investigación son: la protección contra sobre-corriente en sistemas eléctricos industriales y de empresas eléctricas, protección de redes eléctricas de alto y extra alto voltaje, confiabilidad en redes de distribución y aspectos económicos relacionados, interco-nexión de la generación distribuida a la red de la empresa eléctrica y estudios y aplicaciones de elementos de la red eléctrica inteligente en sistemas eléctricos.

En 2015 recibió la distinción: “IEEE_PES Chapter Outstanding Engi-neer Award”, reconocimiento otorgado por la IEEE Power Engineering Society, por sus contribuciones en aplicaciones de elementos de redes inteligentes en los sistemas de energía eléctrica.

http://www.iec.ch/dyn/www/f?p=103:38:11661634167515::::FSP_ORG_ID,FSP_APEX_PAGE,FSP_PROJECT_ID:9463,23,21836


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