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TECNOLOGIAS PARA EL ALMACENAMIENTO DE LA ENERGIA ELECTRICA

Una propuesta de la iniciativa GAMESA:“Tecnologias para la sostenibilidad energética”

Mauro Villanueva MonzónDirector Desarrollo Tecnológico

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24.06.09 Copyright 2008 Gamesa Corporación Tecnológica, S.A. 2

REFLEXION

BIENES BÁSICOS REQUERIDOS POR LA HUMANIDAD:- AGUA- ALIMENTOS- ENERGÍASIN EMBARGO, LAS RELACIONES ENTRE ELLOS, Y POR ENDE, SU RELEVANCIA PARA NOSOTROS, NO ES HOMOGÉNEA:- Se puede obtener agua a partir de la energía.- Idem. con alimentos.- El agua sólo produce energía en determinadas situaciones.- Utilizar alimentos (en términos amplios) para obtener energía ha sido socialmente cuestionado.LUEGO LA ENERGÍA ES EL BIEN MÁS VALIOSO: SOMOS ENERGIDEPENDIENTES.


REFLEXION

LA NATURALEZA HA APORTADO ALGUNAS “TECNOLOGÍAS” RUDIMENTARIAS DE ALMACENAMIENTO PARA LOS CITADOS BIENES:- CONSERVACIÓN ALIMENTARIA: CONGELACIÓN- FORMACIONES GEOLÓGICAS: LAGOS..Y EL PROGRESO LAS HA MEJORADO NOTABLEMENTE:- CONSERVACIÓN ALIMENTARIA: SALAZÓN, AHUMADOS, CONSERVAS, LIOFILIZACIÓN, ETC.- GRANDES OBRAS HIDRAÚLICAS: PANTANOS, POZOS, ACUADUCTOS, DEPOSITOS, ETC.


REFLEXION

SIN EMBARGO, EN LA ENERGÍA LA SITUACIÓN ES INVERSA:- LA NATURALEZA HA APORTADO ALGUNAS “TECNOLOGÍAS”

MUY SOFISTICADAS DE ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA:* TÉRMICA: GEOTERMIA, SOLAR.* POTENCIAL: GEOLÓGICA (AGUA Y AIRE

COMPRIMIDO)* QUÍMICA: COMBUSTIBLES FÓSILES, NUCLEAR,

BIOMASA.* ELÉCTRICA: INSIGNIFICANTES.

- EL PROGRESO SE HA CENTRADO EN CÓMO EXTRAER ENERGÍA DE ELLAS, PERO NO TANTO EN DESARROLLARLAS, CON ALGUNA MODESTA EXCEPCIÓN:

* ELÉCTRICA: BATERÍAS?


SITUACIÓN ACTUAL

- LAS TECNOLOGÍAS DE ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA ELÉCTRICA SIGUEN SIENDO UNA ASIGNATURA PENDIENTEPARA CIENTÍFICOS, TECNÓLOGOS Y LA INDUSTRIA.

- NO SE HAN DESARROLLADO PORQUE NO HAN SIDO NECESARIAS EN UN ESCENARIO ENERGÉTICO INTENSIVO EN FUENTES NATURALMENTE “CONCENTRADAS Y ALMACENABLES”, FUNDAMENTALMENTE FÓSILES.

- PERO EL ESCENARIO MUTA HACIA OTRO CON IMPORTANTE DESPLIEGUE DE RENOVABLES.

- LUEGO HAY QUE PLANTEARSE LA NECESIDAD DE SU:- INVESTIGACION Y DESARROLLO.- INDUSTRIALIZACIÓN.


CARACTERÍSTICAS DE LA E. EOLICA

LA ENERGÍA EÓLICA ES VARIABLE O INTERMITENTE, PERO SOBRE TODO:

- SU PARTICIPACIÓN EN LA GENERACIÓN ELÉCTRICA TIENE OBJETIVOS FIRMES: 20%

- SU VARIABILIDAD PUEDE SER RÁPIDA (MINUTOS): El 26 Feb. 2008 en Texas la eólica dejó de entregar 1200 MW en 10 minutos (sibien esto es extraordinario).

- NORMALMENTE DESACOPLADAS DE LA DEMANDA:- TEMPERATURAS EXTREMAS ALTAS O BAJAS.- DIURNA / NOCTURNA

- LAS FLUCTUACIONES PROCEDENTES DE DIFERENTES ZONAS GEOGRAFICAS NO NECESARIAMENTE SE COMPENSAN ENTRE SI: - REFORZAR LAS REDES ELECTRICAS TRANSNACIONALES

EUROPEAS NO ES LA “SILVER BULLET”.


EL RETO

NO ES UNA OPORTUNIDAD, SINO UNA NECESIDAD:“El almacenamiento de energía es una tecnologiadisruptiva cuya adopcion causará un cambio de paradigma en toda la industria eléctrica” (ImreGuyk, Program manager, Energy Storage Research, DoE, EE.UU.“El almacenamiento de energía es un recurso de operación del sistema eléctrico” (J.L. Mata, REE, 21/10/2008)


EL RETO


SITUACIÓN ACTUAL

SI NO SE DESARROLLASEN LAS TECNOLOGÍAS DE ALMACENAMIENTO:- Habría que adelantar la inversión para reforzarlas infraestructuras de red.- Habría que construir más centrales fósiles queaportasen “reserva rodante” a las renovables.- Habría que empezar a detener algunos parqueseólicos para evitar saturaciones en nudos de la red eléctrica.


ENERGIA Y POTENCIA

Energía (Wh): La cantidad de liquido almacenadaPotencia (W): El caudal al que se puede vaciar el líquido.

Energía(cantidad)

Potencia(caudal)


FUNCIONES DEL ALMACENAMIENTO

Calidad de potencia: La energía almacenada se aplica durante segundos o menos, para asegurar la continuidad de la calidad del suministro.Potencia de transferencia: La energía almacenada se aplica durante segundos ó minutos, para asegurar la continuidad del servicio cuando se conmuta de una fuente de generación a otra.Gestión de la Energía: El almacenamiento se utiliza para desacoplar varias horas la generación de la demanda. Una aplicación típica es el nivelado de la carga, que requiere almacenar cuando la generación es excedentaria, para inyectarlo cuando es deficitaria.


ESTRATEGIAS DE ALMACENAMIENTO

Centralizado:La energía se almacena en equipos de gran dimensión, si bien esta no es una restricción.Conectados a la red en los puntos más idóneos.Requiere elevadas inversiones.Los equipos son muy eficientes y fácilmente gestionables.

Descentralizado:La energía se almacena de manera distribuída, en múltiples pequeñas baterías.Ubicuos.Requiere elevadas inversiones, si bien su financiación está abierta a posibilidades creativas.Requiere desarrollar tecnologías de TIC´s (comms. y control).



TECNOLOGÍAS PARA EL ALMACENAMIENTO CENTRALIZADO DE ENERGÍA ELÉCTRICA


TECNOLOGIAS DE ALMACENAMIENTO


TECNOLOGIAS / PRESTACIONES


PESO / VOLUMEN


COSTES DE CAPITAL


EFICIENCIA A LO LARGO DE LA VIDA


COSTE POR CICLO CARGA/DESCARGA


BOMBEO HIDRAULICO

Fuente: Ignacio Cruz, Presentacion “Tecnologías almacenamiento”, PowerExpo, Jornadas Técnicas, 26 sept. 2008, ZaragozaDatos del 2006.


AIRE COMPRIMIDO

La energía excedente se usapara comprimir aire que se introduce en un grandepósito natural.

Dos versiones:- Con emisiones: El aire se

aprovecha para operar unaturbina de combustión con un consumo de gas un 40% inferior al convencional.

- Sin emisiones: El airealmacenado recupera el calor que se le ha detraídoantes de almacenarlo, y opera una turbina. Requierede un sistema de almacenamiento térmico.


BATERIAS SULFURO SODIO (NaS)

75% eficiencia.Opera a 300º ÷ 350 ºC.2000 ÷3000 ciclos.Líder mundial: NGK Insulators, Ltd (Japón).190 instalaciones quetotalizan 270 MW de 6 horas de media.La más grande es de 34 MW, 245 MWh en el nortede Japón.


PROYECTO NaS

Fuente: Ignacio Cruz, Presentacion “Tecnologías almacenamiento”, PowerExpo, Jornadas Técnicas, 26 sept. 2008, Zaragoza


BATERIAS DE FLUJO: VRB y ZnBr


BATERIAS DE FLUJO

Basadas en almacenamiento electroquímico: 2 electrodos y un electrolito.Pero en este tipo de baterías el electrolito se almacena en depósitos y se trasiega por los electrodos mediante bombeo, por lo que la energía almacenada puede ser muy elevada.Es una versión “concentrada” del bombeo hidraulico.Las tecnologías más conocidas son:

Redox Vanadio / Vanadio (VRB, propiedad de Prudent Energy, China)Bromuro de Zinc (ZBB Energy, hasta 500 KWh, Premium Power)Bromo Polisulfuro de Sodio (Regenesys, adquirido porVBR)Zinc Cerio (Plurion)…..


BATERIAS DE FLUJO

La eficiencia esta entre el 65 y el 85%, con unaautodescarga del 0,1% por día.Los costes de capital facilitados por los fabricantes (VRB) para una potencia entre 10 y 8 MW y 2 a 4 horas son entre 1800 y 2800 €/kWh.Su vida útil es entre 10 y 15 años, si bien algunoscomponentes son más longevos.Su tiempo de respuesta es del orden de segundos.Su zona de trabajo esta entre 1 MWh to 1 GWh y 50 kW a 50 MW, idónea para parques eolicos.

Proyecto de InvestigaciónAplicada:

SUSTAINERGY®


RESUMEN

Desarrollar una tecnología propia española paraalmacenar energia en el rango de los cientos de MWh.Con el objetivo de fabricar, suministra, operar y mantener estas instalaciones, propiedad de IPP o eléctricas.Hitos fundamentales:

Prototipo a escala reducida listo a mediados 2011Pruebas finalizan finales 2012.Industrialización y salida a mercado a finales 2014.

Contemplado en una propuesta Cénit 2009.


OBJETIVO DEL PROYECTO

Obtener un “prueba de concepto”, a escala reducida, de una tecnología electroquímica viable, libre de patentes.GAMESA no tenía experiencia previa en tecnologíaselectroquímicas y seleccionó a TECNICAS REUNIDAS.Fases del proyecto:

Selección de tecnologías potenciales.Diseño y construcción de un sistema a escalalaboratorio (in vitro) para validar selección previa.Diseño y construcción de un prototipo a escala reducida(5kWh) para validar operación.Traslado a Jaulín para conexión a G10XPruebas de operación y ajuste.

Presupuesto 2009-2012: 2,5 Meur.



TECNOLOGÍAS PARA EL ALMACENAMIENTO DESCENTRALIZADO DE ENERGÍA ELÉCTRICA

WINDFUEL®

EL COCHE ELÉCTRICO COMOELEMENTO DE APOYO EN LA GESTIÓN

DEL SISTEMA ELÉCTRICOCON FUENTES DE EE. RR.


BACKGROUND

THE PROJECT´S AIM IS TO PROOF A CONCEPT (“VISION”) THAT WILL ALLOW ELECTRIC CARS OWNERS WILLING TO CONTRIBUTE TO RENEWABLE ENERGIES DEPLOYMENT BY PLAYING A FUNCTION EASING ELECTRIC SYSTEM MANAGEMENT STRAINS.CONTRIBUTING IN SUCH A WAY WILL PROVIDE AN INCOME (ACTUALLY A LESSER EXPENSE) TO VEHICLE OWNER: The larger the vehicle battery capacity, the greater the vehicle tag price, but the greater the income through vehicle life.THIS MULTI-WIN VISION INTEGRATES THOSE FROM SPECIFIC STAKEHOLDERS:

CAR & COMPONENT MANUFACTURERS.ELECTRIC EQUIPMENT MANUFACTURERSUTILITIESTSO (ELECTRIC SYSTEM OPERATORS).WINDFARM OWNERS (UTILITIES & IPP´S).ADMINISTRATIONS


SCHUCKO® IMAGEIS JUST ANIDEALLIZATION

EV or PLUG-IN HYBRID ELECTRIC VEHICLE (PHEV).VEHICLE ON-BOARD ENERGY MANAGEMENT SYSTEM (VOBEMS)UTILITY CENTRALIZED ENERGY MANAGEMENT SYSTEM (UCEMS)WIRELESS VOBEMS-UCEMS COMMUNICATION

NOTE: VEHICLES SHOULD IDEALLY BE LEFT PLUGGED WHEN PARKED > 15 MIN.(PLUGS SHOULD BE AS STANDARD AS POSSIBLE AND AVAILABLE UBITIQUOUSLY).

CONCEPT DESCRIPTION & KEY ELEMENTS Wind Farm

Electric grid

VOBEMSUCEMS

ELECTRIC UTILITYCOMPANY

SMS

PLC drivenrelay


VEHICLE ON-BOARD ENERGY MANAGEMENT SYSTEM (VOBEMS)

Contains smart control, grid-battery power interface and communications module in a sealed unit to avoid tampering.365/24 supervises & manages battery condition and dialogues withutility centralized energy management system (UCEMS).Records & predicts daily vehicle usage patterns (not transmitted to ucems for privacy reasons) for present & future vehicle & stored energy availabity reporting to ucems.Receives the command of a driver “priority use” button that overrides energy flowing into the grid.Receives energy management commands (take / give from grid) from UCEMS.Assures vehicle availability by taking final decision & management of grid electricity exchange.Records real time information of nett grid electricity exchange (charge / discharge) and transmits to UCEMS.Handshakes via plc (power line communications) with local relay for plug (de) energization.Equipped at car factory or retrofitted by owner.


UTILITY CENTRALIZED ENERGY MANAGEMENT SYSTEM (UCEMS)

Commands energy exchange between electric grid and eachvehicle according to electric system needs.Knows each vehicle battery condition, as well as present andfuture availablity.Request energy from vehicles assuring that its owner´savailability is not jeopardized.Sequences adequately each vehicle exchange to avoid electricsystem overloads in both ways (inflow / outflow).Records nett energy exchange of each vehicle for billing purposes.It contemplates roaming outside default utility service range (european wide).It will be installed at utilities.


WIRELESS VOBEMS-UCEMS COMMUNICATION

Ubiquotous wireless communications via currently available GPRS / UMTS / PLC.Strictly real-time not required.Non propietary communications protocol (allowing vehicle roaming, etc.)


THE CHARGING SURGE PROBLEM

Utilities argue that electric residential distribution grid willbe subjected to excessive demand when all EV´s request charging overnight.This proposal reduces the problem by fully managing the charging process, that is, sequencing each vehicle´scharge start and end, as well as the charging rate.The problem could be solved by distributing Centralized Energy Storage devices in residential areas.

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