Nuevos desarrollos en: Baterías de flujo redox y Volantes

Cristóbal Villasante (Responsable del área de Energías Renovables)

• Crecimiento de las fuentes de energía renovable• Movimiento hacia generación distribuida / microredes• Requerimientos medioambientales más exigentes• Garantía de calidad de suministro de electricidad

Factores que hacen necesario su desarrollo

Necesidad de almacenamiento de energía eléctrica

Aplicaciones y soluciones de almacenamiento eléctrico

Características de diferentes sistemas de almacenamiento

Potencia específica Energía específica T descarga

Plomo-ácido 75-300 kW 30-50 kwh

Ni-Cd 150-300 kw 75 kwh

NiMH

Li-ion 200-315 kW 150-200 kwh

Flywheel 500kW-1 MW 100 kwh < 5 min

CAES 25-300 MW 200MW-10 GWh 1-20 h

NaS 90-230 kW 150-240 kwh 1 h

SMES 10 kW-10 MW 10kwh-1 MWh 1-30 min

Supercondensadores < 250 kW 10 kwh < 1min

Batería flujo vanadio 100 kW-10MW 1-100 MWh 10 h

Batería flujo Zn/ Br 100kW-10 MW 1-100 MWh 10 h

Bombeo 100-4.000MW 500MW-15 GWh 4-12 h

Desarrollo de sistemas de almacenamiento

ZIGOR TEKNIKER-IK4Empresa dedicada a la electrónica de potencia y conversión de energía.

Amplia experiencia en almacenamiento de energía eléctrica para aplicaciones estacionarias.

Interés por las tecnologías que puedan ser sustitutivas de las ya existentes.

TEKNIKER es un Centro Tecnológico cuya misión es la de contribuir a incrementar la capacidad de innovación del tejido industrial, para mejorar su competitividad, a través de aplicar su experiencia en proyectos de I+D científico y tecnológico.

Con una gran experiencia en diseño mecánico, con años de trabajo en el desarrollo de dispositivos levitados magnéticamente. Experiencia y capacidad para el ámbito de la química, especialmente orientadas al almacenamiento térmico y eléctrico.

DESARROLLO DE SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO ENERGÍA ELÉCTRICA

VOLANTES DE INERCIA BATERÍAS DE FLUJO

Baterías de flujo REDOX

En las baterías de flujo redox los procesos de carga y descarga tienen lugar mediante reacciones químicas (reversibles) de las especies electroactivas presentes en las disoluciones electrolíticas.

Una forma de electrolito se oxida y la otra se reduce favoreciendo la aparición de una corriente eléctrica

Electrolitos externos a la batería: en tanques separados FLEXIBILIDAD (potencia y energía DESLIGADOS):

Almacenamiento (kWh) ↑↑ cantidad de electrolito ↑↑Potencia (kW) ↑↑ área de electrodo ↑↑

número de celdas ↑↑No hay autodescarga si no circulan los electrolitos

Baterías de flujo REDOX: COMPONENTES

Componentes de la batería

Electrodos Materiales carbonosos de elevada superficie específica contenidos en el stackFuncionan como lugares para que tenga lugar la reacción y como colectores de corriente

Electrolito Hay distintas opciones (tecnología más madura Full-Vanadium RFB)

Membrana Reduce el transporte de especies reactivas entre los compartimentos de ánodo y cátodoPermite el transporte de especies no reactivas y aguaMantiene la electroneutralidad y el balance de electrolito

Placas bipolares

Material carbonoso de alta conductividad eléctrica Conduce la corriente entre el electrodo negativo de una celda y el positivo de la siguiente

• Diseño de potencia y energía acumulada desacoplado

• Potencia tan grande como se necesite

• Larga duración • Más de 200.000 ciclos ya demostrados en Japón

• No presenta descarga en circuito abierto• Los electrolitos no reaccionan al almacenarse por separado.

• Tiempo de reacción muy corto • Cambio de modo de carga a descarga (1/1000 s).

• Eficiencia total de la batería relativamente alta (75 – 80%).

• Modulables

• Rellenables y regenerables (V)

Baterías de flujo REDOX: Ventajas frente a otras alternativas

Potencia específica Energía específica

Plomo-ácido 75-300 kW 30-50 kwh

Ni-Cd 150-300 kw 75 kwh

NiMH

Li-ion 200-315 kW 150-200 kwh

Flywheel 500kW-1 MW 100 kwh

CAES 25-300 MW 200MW-10 GWh

NaS 90-230 kW 150-240 kwh

SMES 10 kW-10 MW 10kwh-1 MWh

Supercondensadores < 250 kW 10 kwh

Batería flujo vanadio 100 kW-10MW 1-100 MWh

Batería flujo Zn/ Br 100kW-10 MW 1-100 MWh

Bombeo 100-4.000MW 500MW-15 GWh

Teniendo en cuenta la vida útil de los diferentes sistemas

Normalmente se consideran para aplicaciones estacionarias relativamente grandes (1 kW·h - 10 MW·h)Aplicación a baterías automóvil en estudio

Baterías de flujo REDOX: Aplicaciones

Load balancing Almacenar el exceso de energía eléctrica fuera de las horas puntaLiberar a la red energía eléctrica durante los períodos de mayor demanda

Renovables Almacena la energía procedente de fuentes renovables como la eólica o la solar

Peak shaving Los picos de demanda se cubren con la batería

UPS La batería se utiliza si la corriente principal cae para obtener un suministro ininterrumpido

Vehículos eléctricos Las pilas pueden ser rápidamente "recargadas" por sustitución del electrolito

Nivel de desarrollo: Nueva implantación: Pocos productos comerciales y en estado de prototipo Electrolito corrosivo/tóxico precauciones

mantenimiento, almacenamiento, transporte y gestión La membrana necesita especial atención: Rotura mezcla de electrolitos. Coste electrolito aún elevado (15% - 45% del coste de la batería) Resistencia interna mejorable eficiencia energética limitada

Función del diseño del stack y de la elección de los componentes

Oportunidades de mejora/líneas de trabajo: Optimización del stack (reducción de resistencias, montaje y mantenimiento más sencillo) Reducción de costes (fabricación) Desarrollo de electrolitos alternativos

Menor coste, corrosividad, mantenimiento y potencial uso en aplicaciones móviles (kWh/l) Desarrollo de membranas mejoradas

Baterías de flujo REDOX: Nivel de desarrollo y campos de mejora

(Buesa Arena) (HC Gijón )

Unidad de 5kW (Suecia ABB)

Baterías de flujo REDOX: Desarrollos Zigor + Ik4-Tekniker

Volantes de Inercia de alta densidad

Volantes de Inercia de alta densidad: COMPONENTES

• Máquina eléctrica (entrada y salida de energía)

• Cojinetes magnéticos y sensórica asociada

• Volante de materiales avanzados (composites)

• Eje (rotor dinámica compleja)

• Sistema de vacío

• Carcasa de seguridad

Volantes de Inercia de alta densidad: Ventajas frente a otras alternativas

• Alta densidad de potencia

• Alta dinámica y/o número de ciclos de carga y descarga diarios elevado

• Rapidez de respuesta (UPS)

• Número de ciclos “ilimitado” (objetivo: 20 años sin mantenimiento)

• Los ciclos carga/descarga no afectan a la capacidad de almacenamiento

• No es necesaria una carga o descarga completa

• No generan emisiones, ni residuos

Volantes de Inercia de alta densidad: Aplicaciones

• UPS (mayor calidad y vida que las baterías pero mayor coste)

• Telecomunicaciones (lugares inaccesibles con alto coste de mantenimiento)

• Consumo discontinuo (metro ≡ Kers estacionario)

• Absorción de diferencias oferta-demanda de energía:• Modificación de alta frecuencia de la energía• Ruido en la energía producida (renovables)

Volantes de Inercia de alta densidad: Nivel de desarrollo y campos de mejora

Nivel de desarrollo:

• Nueva implantación: Pocos productos comerciales y en estado de prototipo.

Oportunidades de mejora/líneas de trabajo:

• Reducción de costes (rotor, cojinetes, componentes standard, ...)

• Reducción de peso y tamaño

• Diseño para fabricación en serie

• Ensayo sistemático y fiabilización de prototipos:

• 2013 Instalación en I-Sare

Volantes de Inercia de alta densidad: Desarrollos Zigor + Ik4-Tekniker

Primera generación(2006-2011)

Segunda generación(2011-2013)

100kW – 20s 100kW - 20s

15000 rpm 50000 rpm

1 mbar10-3 mbar

(cámara pequeña a 1 mbar)

Volante acero Volante fibra carbono

Bomba en continuo

Zeolitas, y bomba trabajando

ocasionalmente

Carcasa soporta rotura de volante

Cojinetes sobredimensiona-

dosCojinetes pequeños

800 kg 400 kg

Volantes de Inercia de alta densidad: Desarrollos Zigor + Ik4-Tekniker

• Julio 2012 inauguración de nuevas instalaciones (30MJ)

• Segunda generación ensayada a 10.000 rev.

• Ensayo destructivo previsto para 2013

Eskerrik asko

Gracias

Thank you

cristobal.villasante@tekniker.es