Departamento de Electroenergética
Almacenamiento de energía en las redes eléctricas
inteligentes
Autor: Pedro Ndala Mulangui
Tutores: Dr. C. Lesyani León Viltre
Electroenergetic Department
Thesis Director: Dr. C. Lesyani León Viltre
Author: Pedro Ndala Mulangui
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PENSAMIENTO
Cuando Josué era ya bastante anciano, el señor le dijo: "ya estás muy
viejo, y todavía queda mucho territorio por conquistar(josue-13-1).
Toda la escritura es inspirada por Dios y útil para enseñar, para
reprender, para corregir y para instruir en la justicia; a fin de que el
siervo de Dios esté enteramente capacitado para toda buena
obra(2timoteo-3-16/17).
DEDICATORIA
A mis padres João
Bernardo Domingos Pedro y Faustina Wimba Mulangui
A todos mis hermanos los 8+5
AGRADECIMIENTO
A Dios todo poderoso por la vida y por ser mi mentor, protector y por
haber me dado la oportunidad de llegar aquí en gracia y
misericordia victorioso.
A mis padres Joao Bernardo Domingos Pedro y Faustina Wimba
Mulangui por engendrarme, a mis hermanos 8+5 sois mi razón de
luchar y a toda la familia gracias.
A mi tutora Lesyani León Viltre por aceptarme como estudiante,
fuiste paciente y me has dado la ayuda que he necesitado por
intermedio de sms, correo, llamadas y personalmente gracias porque
eres nota Diez.
A mi querida compañera, amiga, confidente y futura esposa Juliana
da Graca Escrita por el apoyo moral, por mostrarme el optimismo
que muchas veces me faltaba para seguir y llegar al final.
Mis compañeros de cuarto Amuchimba y Jgama sin palabras.
A los que me guiaron espiritualmente y en oración pastores, líderes,
amigos, a M.G.E., Fátima Sula gracias por los consejos; a todos que
Dios los bendiga.
A todos mis compañeros de clase particularmente a Domingos,
A.Kaila, Demaison, J.Gama, L.Vunza, L.Nsue que fueron mi reloj
para darme cuenta que sí podía llegar a este día, sin olvidarse de
Daniel “Xixi” Pérez.
A todos mis profesores sin excepción de ninguno, por la maestría y
excelencia con la que me han enseñado y dirigido hasta aquí.
A todo aquel que de una u otra forma ha contribuido para que se
hiciera realidad este Proyecto que lo tuve como sueño.
RESUMEN
Ante el crecimiento de la densidad poblacional surgen nuevas necesidades y con ella la nueva perspectiva energética mundial, con un nuevo concepto de generación distribuida dentro del marco eléctrico, surgiendo así una nueva forma de generación, la red eléctrica inteligente o Smart Grids con autonomía en su control y tecnologías de la información para transmitir y manejar todos los parámetros de la red. Esto marca el desarrollo de Redes Inteligentes con las fuentes renovables de energía como uno de sus principales componentes. En este proyecto se hace un análisis de las tecnologías de almacenamiento de energía en una red inteligente, analizando sus ventajas y desventajas, así como las comparaciones entre las mismas. Además, se lleva a cabo un estudio práctico de simulación de la gestión de la energía en una red inteligente, que integre generación distribuida de origen renovable, cargas locales, cargas con servicio ininterrumpido, cargas críticas y sistemas de almacenamiento de energía eléctrica, aportando resultados sobre los diversos casos analizados.
ABSTRACT
Given the growth of population density, new needs arise and with it the new global energy perspective, with the focus on a new concept of distributed generation within the electric framework, thus creating a new generation of smart grid or Smart Grids with autonomy in its control and information technologies to transmit and manage all the parameters of the network. So this marks a future task in the development of new Intelligent Networks with the renewable energy sources as main, looking at the demand curve. In this project an analysis is made of energy storage technologies, their advantages and disadvantages, as well as the comparisons between them. In addition, a practical study of simulation of energy management in an intelligent network is carried out, which integrates distributed generation from renewable sources, local loads, loads with uninterruptible service, critical loads and electrical energy storage systems, contributing results on the various cases analyze
Tabla de contenido
Introducción ... 1
CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE UNA RED INTELIGENTE (SMART GRID) ... 1
1.1 Funcionamiento de una micro red ... 2
1.1.1 Modo conectado. ... 5
1.1.2 Modo aislado o no conectado. ... 6
1.2 Impacto y aplicaciones de las micro redes en los sistemas eléctricos actuales. ... 6
1.3 Métodos de almacenamiento de energía ... 7
1.4 Curva de demanda ... 8
1.5 Desafíos para implementar una red inteligente... 9
1.6 Integración de FRE y diferentes tipos de generación ... 10
1.7 Diferencia entre redes inteligentes y convencionales ... 11
1.8 Conclusiones del capítulo ... 13
CAPÍTULO 2 ANÁLISIS DE LAS TECNOLOGÍAS EXISTENTES EN ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA ... 14
2.1 Clasificación de las tecnologías de almacenamiento ... 15
2.2 Almacenamiento Electro-químico ... 17
2.2.1 Almacenamiento en batería ... 17
2.2.2 Celdas de combustible ... 22
2.2.3 Almacenamiento de hidrógeno ... 23
2.3 Electro-magnético: ... 26
2.2.1 supercondutores magnéticos - (SMES) ... 26
2.2.3 Supercondensadores- (ECDL) ... 28
2.4 Almacenamiento de energía térmica - (TES) ... 32
2.3.1 Calor latente ... 32
2.3.2 Calor sensible ... 33
2.3.3 Almacenamiento Subterráneo de Energía Térmica (ASET): ... 34
2.5 Almacenamiento mecánico ... 35
2.4.2 Almacenamiento Hidráulico de bombeo- (PHS) ... 36
2.4.3 Almacenamiento de energía mediante aire comprimido- (CAES) ... 37
2.6 Comparación de eficiencia, energía y potencia de los sistemas de almacenamiento de energía ... 39
2.7 Conclusiones del capítulo ... 40
CAPÍTULO 3. MODELO SIMPLIFICADO DE UNA MICRO-RED A PEQUEÑA ESCALA ... 41
3.1 Descripción del modelo implementado en Simulink. ... 41
3.2 Simulación ... 43
3.2.1 Estados indeseables o fallas ... 45
3.3 Conclusiones del capítulo ... 47
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 49
Conclusiones ... 49
Recomendaciones... 50
Introducción
Hoy en día nos es difícil poder llegar a imaginar un mundo en el cual no se tenga un suministro eléctrico capaz de iluminar los hogares o que ponga en funcionamiento las fábricas. La energía eléctrica se ha convertido en un componente indispensable, ya que se encuentra en constante contacto con dispositivos que nos ayudan a realizar múltiples tareas. Actualmente, la demanda de energía, con miras al desarrollo social y económico y a la mejora del bienestar y la salud de las personas, va en aumento. Todas las sociedades necesitan de servicios energéticos para cubrir necesidades como iluminación, cocina, movilidad, comunicación, etc.
Evidentemente, no son iguales las necesidades eléctricas de la actualidad frente a las de hace más de 50 años atrás. Sin embargo, todo este crecimiento conlleva que sea necesaria una mayor generación de electricidad, la cual es obtenida en la mayoría de los casos a partir de los combustibles fósiles (carbón, gas, petróleo). El uso generalizado de estos combustibles y la destrucción de grandes masas forestales está favoreciendo, en el contexto del cambio climático, el aumento de la temperatura de la tierra, lo que a corto plazo puede producir efectos altamente negativos para la vida en nuestro planeta [1].
Otro problema añadido es que ésta energía que se obtiene del carbón, del petróleo y del gas no se renueva y se va agotando año tras año.
Lo inteligente es ir aprovechando otras fuentes de energía que están a nuestro lado: viento, sol, residuos, etc., las cuales son renovables año tras año, no se agotan y, además, en la mayoría de los casos, no contaminan el ambiente y cuando lo hacen es en pequeña escala comparando con los combustibles convencionales.
Las energías renovables se han convertido en elementos indispensables en la generación energética a nivel mundial. Sin embargo, algunas de estas tecnologías ofrecen escasas garantías de capacidad frente a las energías más tradicionales. Esto implica que tiene que existir un equilibrio entre la energía demandada y la energía generada, ya que todavía no existen tecnologías que permitan un almacenamiento de energía lo suficientemente grande en la red eléctrica.
Por otro lado, las energías renovables favorecen un nuevo concepto de generación distribuida dentro del marco eléctrico, surgiendo así una nueva generación de red eléctrica inteligente o Smart Grids.
Actualmente existen proyectos concretos y avances reconocidos en diversos países, e iniciativas regionales e internacionales que tienen como finalidad la promoción y el fomento de la tecnología aplicada a las redes inteligentes, desde la I+D hasta su comercialización, y que apuntan a la consecución de importantes logros en la aplicación de esta tecnología. Uno de los más significativos es el conocido proyecto SmartCity, que se convertirá en un referente mundial en el desarrollo de tecnologías energéticas de vanguardia, compartiendo protagonismo con otras iniciativas ya operativas en Estocolmo (Suecia), Dubai, Malta, Ohio y Colorado (USA), y que se enmarca dentro del PLAN 20-20-20, diseñado por la Unión Europea [2].
Las Smart Grid permiten la bidireccionalidad de la energía eléctrica, convirtiendo a viviendas o negocios en productores a pequeña escala, pudiendo así aportar energía a la red o recibirla. Entra aquí el concepto de generación distribuida, lo que probablemente marcará el futuro eléctrico en todo el mundo [1] [3].
Todos los clientes que participarán en el proyecto dispondrán de contadores inteligentes y se instalarán sistemas inteligentes y sistemas avanzados de telecomunicaciones y telecontrol para actuar en tiempo real y de forma automática sobre la red de distribución, haciendo posible una nueva gestión de la energía y potenciando la calidad del servicio. En América Latina también se trabaja en esta dirección. Países como Brasil, Argentina, Chile y Colombia tienen grupos de trabajo para el desarrollo y asimilación de tecnología Smart Grid [2].
En el caso de Cuba, aunque todavía no existen proyectos específicos para el desarrollo de una red eléctrica inteligente, se han llevado a cabo inversiones encaminadas a actualizar tecnológicamente la infraestructura existente, incrementando la eficiencia de las redes, esto puede ser la base para el desarrollo futuro de la tecnología de redes inteligentes; estas inversiones han tenido diferentes factores impulsores, entre los que se encuentran fundamentalmente los económicos, medioambientales y sociales [2].
Por todo lo anterior, es importante que el esfuerzo que se realiza en Cuba para aumentar la participación de fuentes renovables en la matriz energética nacional, se realice de cara al futuro, con la visión de una red eléctrica más inteligente. Para ello es imprescindible que las actividades necesarias para desarrollar acciones en el ámbito nacional, se realicen en estrecha coordinación con otros avances mundiales, a fin de limitar duplicaciones, tener en cuenta las peculiaridades nacionales, disminuir las brechas y optimizar los gastos [2].
La importancia del almacenamiento energético radica en tres factores principalmente, como son la reducción de las diferencias de la curva de demanda y de generación, la integración de las fuentes de energía renovables y el desarrollo de las SmartGrid.
Aplanando la curva de demanda se consigue una mayor calidad en el suministro, una mayor estabilidad del sistema y se evita el sobredimensionamiento del mismo, aumentando así su eficiencia.
Por otro lado, las fuentes renovables tienen una producción imprevisible y en muchas ocasiones será necesario el almacenamiento de una producción de energía descompensada con la demanda.
Teniendo en cuenta lo anterior el problema científico de la investigación es: ¿Cómo utilizar el almacenamiento de energía en las redes eléctricas inteligentes?
Objetivo general
Analizar diferentes sistemas de almacenamiento de energía en redes eléctricas inteligentes
Objetivos específicos
1) Describir las características de una red inteligente
2) Analizar las tecnologías existentes en almacenamiento de energía
3) Implementar y evaluar diferentes métodos de almacenamiento de energía utilizando el Simulink del Matlab
Tareas Técnicas
El análisis de la literatura actual existente sobre las características de una red inteligente y los métodos de almacenamiento de energía.
La implementación en el Simulink de diferentes formas de almacenamiento de energía.
CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE UNA RED
INTELIGENTE (SMART GRID)
Teniendo en cuenta las previsiones del paulatino crecimiento del modo de vida urbano, las ciudades del siglo XXI deben jugar un papel protagonista en la lucha contra el cambio climático, ya que para 2050 se espera que dos tercios de la población mundial viva en ciudades. Naciones Unidas advierte de que el aumento de la población de las ciudades puede convertirse en un auténtico problema, a no ser que se logre mantener la armonía entre los aspectos espacial, social y ambiental de los núcleos urbanos, así como entre sus habitantes [1] [4].
Esta elevada concentración de la población quizás tendría como consecuencia que el modelo urbano actual pudiera no garantizar ni el suministro a los habitantes ni la preservación de los recursos necesarios. Por este motivo, la ciudad tradicional deberá evolucionar hacia una inteligente, en la que el procesado de información y la automatización de los procesos serán factores claves para garantizar su sostenibilidad [1] [4].
Una Smart Grid es un sistema que permite la comunicación bidireccional entre el consumidor final (usuarios particulares o industriales) y las compañías eléctricas, de forma que la información proporcionada por los consumidores se utiliza por las compañías para permitir una operación más eficiente de la red eléctrica. Además, toda esa información permitirá ofrecer nuevos servicios a los clientes de forma complementaria a la propia energía eléctrica [1] [4].
Fig. 1.1 Representación de redes eléctricas inteligentes
Un aspecto importante asociado a las redes inteligentes es que deben facilitar la incorporación de las energías renovables, con las particularidades asociadas a las propias limitaciones de las fuentes de energía alternativas (principalmente la producción de forma irregular) y la falta de infraestructura eléctrica en sus ubicaciones habituales. También hay que destacar las ventajas que las redes inteligentes proporcionan para la integración del vehículo eléctrico. Como parte de las Smart Grids y en un primer nivel se encuentran las micro redes [1] [4].
1.1 Funcionamiento de una micro red
El estudio de sistemas de generación distribuida de energía eléctrica es en la actualidad uno de los campos en los que se están invirtiendo los mayores esfuerzos, tanto en recursos humanos como financieros, por parte de gobiernos y compañías eléctricas. Esto es debido, a que la integración en la red eléctrica de distribución de los recursos procedentes de las energías renovables ha propiciado el auge de pequeños sistemas de generación, que se conectan a un sistema de generación centralizado acarreando nuevas problemáticas que deben ser estudiadas y solventadas para poder realizar esta integración con éxito [3]. Definición: Las micro redes comprenden pequeños sistemas de distribución en baja tensión junto con fuentes de generación distribuida, así como dispositivos de almacenamiento autogestionados localmente, de forma que puedan funcionar tanto conectados a la red pública de distribución como aislados de la misma así como se puede observar en la siguiente figura [1] [3] [5].
Fig. 1.2 Representación de microredes con almacenamiento
Son capaces de reducir las pérdidas de transmisión y mejorar la eficiencia de utilización de electricidad y el calor. Normalmente están conectadas a una red centralizada convencional. Este único punto de conexión se puede desconectar, permitiendo que funcione de forma autónoma. Además, el sistema de gestión y generación inteligente permite reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. De esta forma, las micro redes implantadas en grandes consumidores de electricidad, que incluirán sistemas avanzados para el almacenamiento y la gestión de la electricidad, van a contribuir a resolver este problema ambiental.
En esa línea, algunos de los principales beneficios medioambientales que se obtendrán con la utilización mayoritaria de micro redes en entornos de consumo eléctrico medio-alto serán los siguientes:
Incentivar el uso de las energías renovables, reduciendo las emisiones de CO2. Reducir picos de consumo de potencia y proporcionar servicios auxiliares,
incrementando la fiabilidad de las redes, y reduciendo la necesidad de generación de capacidad de reserva en el sistema eléctrico.
Reducir el consumo eléctrico debido al establecimiento de cargas gestionables, reduciendo emisiones de CO2.
Reducir el uso de terreno.
Reducir las pérdidas por transmisión y distribución de electricidad
El uso de transporte eléctrico es especialmente beneficioso cuando la electricidad proviene de orígenes de bajas emisiones de CO2.
Por otro lado, a medida que el despliegue de estos sistemas de redes eléctricas “independientes” vaya realizándose, y sus resultados sean más conocidos y utilizados, se creará una mayor concienciación y entendimiento de la eficiencia energética lo que, a su vez, conllevará [1]:
Un incremento de la generación de electricidad a partir de fuentes libres de
CO2, como la energía solar fotovoltaica y la eólica. Gracias a las tecnologías de
almacenamiento energético, toda la energía renovable generada será consumida incluso en zonas con una alta disponibilidad de energías renovables.
Una mayor estabilidad de la red, lo que permitirá aumentar la generación de energía renovable en más de un 40% para el año 2020. Además, el almacenamiento distribuido permitirá reducir la necesidad de la capacidad de generación de reserva. La operación de sus elementos puede proporcionar beneficios globales al sistema si se gestionan y coordinan de manera eficiente. Dentro de la óptica de la red principal una micro red puede observarse como una entidad controlada que puede ser operada como sí de una única carga o generador agregado se tratase y que, si fuera económicamente viable, podría funcionar como fuente de energía a incorporar a la red o como un medio para proporcionar servicios auxiliares que contribuyese a la estabilidad y regulación de la red principal. Además, el impacto externo de la micro red en la red de distribución externa es mínimo siempre que dentro de la micro red se consiga el equilibrio entre generación y consumo, a pesar de disponer de un nivel de generación potencialmente significativo de fuentes de energía intermitentes. Así pues, con la adopción del sistema de micro redes se incrementa la penetración de las energías renovables dentro del sistema de distribución [5].
Las micro redes se componen básicamente de los siguientes elementos [5]:
Una red de distribución en baja tensión en la que se conectan una serie de fuentes de energía distribuidas para proporcionar electricidad y calor a un conjunto de consumidores
Una infraestructura de comunicación local; Un sistema jerárquico de control y gestión; Sistemas de almacenamiento de energía;
Controladores inteligentes para cargas y consumes.
Las micro redes se plantean como una solución para consumidores comprometidos con el desarrollo sostenible e interesados en que sus fuentes de energía sean eficientes, fiables y seguras. Este tipo de instalaciones se pueden diseñar para adaptarse a las necesidades energéticas específicas de cada cliente y pueden trabajar tanto en modo aislado como
conectadas a la red eléctrica. La integración de vehículos eléctricos con puntos de recarga bidireccionales proporciona capacidad de almacenamiento eléctrico adicional, a la vez que se cubren las necesidades de movilidad sostenible de corta y media distancia. La gestión optimizada del almacenamiento eléctrico reduce las incidencias de corta duración y los cortes de suministro. La alta eficiencia de las baterías electroquímicas, que permiten descargas completas sin deteriorar el estado de la batería, es fundamental, con un coste inferior al de otras tecnologías y medioambientalmente favorables, permitiendo minimizar la compra de energía en horas de tarifa máxima y disminuir la potencia contratada. Las nuevas tecnologías de control de las micro redes permitirán a la sociedad una participación activa en su gestión energética, modulando su demanda para minimizar los costes y optimizar los recursos.
La micro red es gestionada por un controlador central que está a la cabeza del sistema jerárquico de control. Este controlador central (MGCC: micro red Gestionada controlador central) proporcionará las consignas a los controladores del resto de los equipos, tales como fuentes de generación, sistemas de almacenamiento de energía y cargas inteligentes [2].
La micro red podrá funcionar de dos modos distintos [5]: conectado a la red principal y aislada de la misma en caso de existir algún problema en esta última.
1.1.1 Modo conectado.
Cuando la micro red funciona en modo conectado con la red principal, ésta
proporcionará las referencias de tensión y frecuencia necesarias para que el resto de elementos de generación de la micro red funcionen sin ningún problema. Así pues, no existirán problemas de estabilidad en la micro red cuando ésta funcione conectada a la red principal.
En este modo de funcionamiento, el MGCC funciona como una suerte de gestor de mercado realizando el despacho económico de la generación de la micro red. Para ello deberá tener en cuenta las siguientes entradas:
Precios del mercado
Ofertas de las fuentes de generación
Ofertas del lado de la demanda para cargas de alta y baja prioridad
Tras resolver el despacho económico, el MGCC envía a los controladores de las fuentes y de las cargas inteligentes, las consignas de potencia activa u reactiva así como las señales a aquellas cargas que han de mantenerse en servicio y a aquellas que han de desconectarse.
Además de realizar el despacho económico, el MGCC debe comprobar que no se incumplen ninguna de las restricciones técnicas impuestas a la micro red y que no perturba al funcionamiento de la red externa.
1.1.2 Modo aislado o no conectado.
Cuando la micro red funciona en modo aislado de la red principal, los generadores
tienen que ser capaces de responder con rapidez a los cambios en el consumo para que así tanto la tensión como la frecuencia se mantengan estables.
Al tratarse de equipos con interfaces de electrónica de potencia los generadores de la micro red no tienen inercia para asumir los desequilibrios puntuales entre generación y consumo del modo que ocurre en los sistemas eléctricos convencionales con los grandes generadores síncronos.
Además, los generadores de la micro red suelen tener una respuesta lenta, caso por ejemplo de las microturbinas y pilas de combustible, del orden de decenas de segundos, lo que puede ocasionar problemas de seguimiento de la demanda de la micro red y provocar por tanto problemas de estabilidad al no mantenerse la frecuencia dentro de los márgenes de seguridad establecidos.
Así pues, un conjunto de generadores de la micro red necesitará una serie de sistemas de almacenamiento para asegurar el balance energético inicial. El déficit energético provocado cuando la micro red pasa a modo aislado o el debido a variaciones en la generación o en la demanda cuando se funciona aislado de la red general, deberá ser compensado por dichos sistemas de almacenamiento. Estos sistemas deberán asumir las labores de proporcionar las referencias de tensión y frecuencia al resto de elementos de la generación. De este modo emularán la funcionalidad que aporta tener la micro red conectada a la red general.
Para funcionar así, los sistemas de almacenamiento deberán estar conectados a la micro red a través de un inversor con controles adecuados para mantener la estabilidad en tensión y frecuencia de la micro red [5] [6].
1.2 Impacto y aplicaciones de las micro redes en los sistemas eléctricos
actuales.
Las micro redes energéticas tienen un campo de aplicación muy amplio ya que son un concepto personalizado que se adapta a las necesidades y características de cada usuario o consumidor. Las sociedades con interés por las nuevas tecnologías y el desarrollo sostenible aplicarán pronto estos sistemas, ya que contribuyen a la eficiencia de sus
infraestructuras. Además, este nuevo concepto se adapta tanto a ubicaciones aisladas como a entornos urbanos e instalaciones de pequeña y media potencia. Además, al ser una solución que permite cubrir de forma sostenible las necesidades energéticas y de transporte con un servicio garantizado y disminuyendo los costes operativos, es un concepto que se puede implantar no sólo en fábricas y centros comerciales u operativos, sino también en complejos hoteleros, instalaciones agrícolas, minería, canteras[1][3].
Tres de los aspectos tecnológicos principales con una infraestructura que sirve de base al resto de elementos del sistema y que se consideran en el ámbito de las ciudades inteligentes son [1], [2], [4], [7]:
Edificios inteligentes: Un edificio inteligente, según la definición del Instituto de Edificios Inteligentes (TSBI4), es aquel que proporciona un ambiente de trabajo (o descanso) productivo y eficiente a través de la optimización de sus cuatro elementos básicos: estructura, sistemas, servicios y administración, incluidas las interrelaciones entre ellos. La eficiencia energética y la edificación inteligente están íntimamente relacionadas, ya que ambos conceptos buscan la sostenibilidad y el ahorro. Un ejemplo de lo anterior es el Proyecto Smart City, impulsado por un grupo de once empresas y liderado por la empresa española ENDESA y con el que se pretende beneficiar 300 clientes industriales, 900 de servicios y 11 000 clientes domésticos durante cuatro años.
Transporte inteligente: Un sistema de transporte inteligente urbano es aquel que logra satisfacer los requisitos de movilidad de los ciudadanos, mejorando su calidad, disminuyendo su consumo energético y aumentando su sostenibilidad.
Servicios inteligentes: Este apartado engloba el consumo sostenible de los recursos necesarios para una ciudad y, en particular, la gestión inteligente de los servicios energéticos, como la iluminación o las redes de calefacción y refrigeración a nivel de distrito.
1.3 Métodos de almacenamiento de energía
Los sistemas de almacenamiento brindan la confiabilidad, disponibilidad y calidad del servicio que se requiere. Sin embargo, la selección del sistema de almacenamiento debe ser parte del diseño de la micro red, teniendo en cuenta los objetivos y las características requeridas. El análisis muestra que la implementación de sistemas de almacenamiento de energía en una micro red mejora los transitorios, la capacidad, aumenta la potencia
instantánea y permite la introducción de sistemas renovables de energía. Los sistemas de almacenamiento pueden ser [8]:
Electro-químicos Electro-magnético Térmico
Mecánico
1.4 Curva de demanda
La demanda de energía eléctrica depende del estilo de vida y del desarrollo tecnológico. El estilo de vida expresa la forma de emplear el tiempo y el dinero, y el desarrollo tecnológico, las aplicaciones a las que se tiene acceso. La energía de base es la que, por ser capaz de ser producida de forma continua y en condiciones económicas aceptables para el mercado, ocupa la "base" de la curva de carga [9].
La cobertura de la curva de demanda se realiza, por consiguiente, añadiendo a la energía base el resto de energías producidas por las diferentes tecnologías, según su disponibilidad y sus costes variables, entonces la solución energética diaria que garantiza el abastecimiento depende de cada país y de cada situación. Solo un parque diversificado con una "cesta" de combustibles disponible y coherente con los condicionantes locales es capaz de superar el reto diario de seguir eficazmente la curva de carga de la demanda eléctrica [9], [10].
Sin embargo, para que esto sea efectivo, será necesario el desarrollo de un sistema de gestión de recarga inteligente, que sea lo suficientemente flexible para adaptarse a las preferencias de los consumidores y, atendiendo a las necesidades del sistema eléctrico [9] [11].
Como aun no existen tecnologías que permitan el almacenamiento de grandes cantidades de energía en la red eléctrica, es indispensable que hay un equilibrio entre la generación y la demanda de energía en tiempo real. En la fig. 1.3 se observan dos picos de demanda durante el día (sobre las 13:30 y sobre las 21h), debido principalmente a la actividad industrial y al sector servicios, mientras que durante la noche vemos que hay un periodo donde el consumo se reduce considerablemente.
Fig. 1.3 Grafica del aplanamiento de la curva de demanda [11].
1.5 Desafíos para implementar una red inteligente
Las redes eléctricas inteligentes vienen para garantizar la seguridad, fiabilidad y flexibilidad para el usuario de la misma, pero para que se pueda garantizar las condiciones ácima citadas ay que estabilizar ciertos parámetros que vienen siendo como desafíos para implementar las redes inteligentes, de los cuales se tiene [2], [12]:
Período de transición sin pérdida de confiabilidad: no es posible transformar la red eléctrica actual en una red inteligente mediante un único paso. Cualquier incorporación de equipamiento es gradual y requiere la convivencia de la nueva tecnología con las anteriores. Muchas de las experiencias se han iniciado comenzando por el cambio de los medidores de energía, o incorporando módulos de fuentes renovables como resultado de un plan piloto.
Sistemas de comunicación: se deberán tener en cuenta los protocolos de comunicación que permitan la convivencia de equipos de las más variadas procedencias. Se deberán adoptar equipos con protocolos maduros que respeten la normativa internacional.
Seguridad informática: deberán aplicarse todos los medios de seguridad que aseguren la inviolabilidad de la red. La información que fluye por la misma deberá ser protegida contra la acción de posibles hackers. Asimismo, deberán instrumentarse elementos de redundancia y resguardo que permitan evitar posibles fallas y pérdidas de información.
Generación distribuida: deberá especificarse si el sistema admitirá el funcionamiento en isla. En caso contrario, se deberán proveer elementos que contemplen la desconexión de todas las fuentes cuando cese la alimentación principal.
Coordinación de protecciones con generación distribuida: se deberá tener especial cuidado con la coordinación de las protecciones, teniendo en cuenta que la incorporación de la generación distribuida modifica las potencias de cortocircuito y puede provocar inversiones en los flujos de potencia.
Almacenamiento de energía: las tecnologías de generación no convencionales más difundidas (solar y eólica) son intrínsecamente discontinuas y de carácter aleatorio. Si se dispone de un sistema con alto grado de penetración, será conveniente contar con medios de acumulación que permitan compensar diferencias entre generación y demanda. Con estos fines se piensa en la incorporación del auto eléctrico.
1.6 Integración de FRE y diferentes tipos de generación
La tecnología de redes inteligentes permitirá adaptarse mejor a las dinámicas propias de las energías renovables y de la generación distribuida, facilitando a las redes y a los consumidores un acceso más directo a los beneficios vinculados con dichos recursos. Las habilidades de una red inteligente permitirán el control de manera fácil y directa del flujo bidireccional de energía eléctrica, además de facilitar las acciones de monitoreo, control y respaldo de los recursos a nivel de distribución.
En la moderna red eléctrica deben tener cabida no solamente la generación centralizada de las grandes plantas, cualquiera que sea la fuente utilizada, sino también el creciente abanico de recursos energéticos distribuidos.
Para poder gestionar eficientemente este abanico de nuevas oportunidades (micro generación renovable, generación distribuida, almacenamiento de energía y generación centralizada con fuentes renovables), es necesario entregar a la red una nueva funcionalidad. Mejoras en la medición del consumo, instalación de sensores y mecanismos de control inteligente en todos los puntos clave de la red, utilización de nuevos software de gestión y previsión de la demanda, y definición de nuevos estándares que favorezcan la medición y las interconexiones entre las diferentes partes de un mismo sistema, son expedientes requeridos a la hora de modernizar la red hacia un mayor nivel de inteligencia. El objetivo principal es la flexibilización del sistema para que pueda albergar tanto la generación renovable centralizada, como todas las opciones de generación y almacenamiento vinculadas con el sistema de distribución.
Los beneficios de esta operación involucran numerosos aspectos. Desde el punto de vista de la fiabilidad del sistema, la combinación de diferentes tipos de generación con las oportunidades ofrecidas por el almacenamiento reducirá la dependencia del segmento de transmisión, incrementando a su vez la flexibilidad operacional. Desde el punto de vista de la seguridad del sistema, aportará un cambio radical, tanto en el ámbito de abastecimiento como ante la ocurrencia de desastres, dado que la descentralización de la generación reducirá el número de objetivos sensibles, como las grandes centrales eléctricas. También económicamente las ventajas son relevantes, y transitan desde la reducción de las pérdidas técnicas, derivada del acercamiento entre los sitios de generación y de carga, hasta la reducción y reorientación de las inversiones, originariamente destinadas a la construcción de grandes centrales, subestaciones y nuevas líneas de transmisión y distribución.
Finalmente, desde el punto de vista medioambiental, la modernización del sistema aportará mucho a la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero, mediante el fomento aún mayor de la generación distribuida (sobre todo por lo que concierne a la micro generación a través de tecnologías limpias), así como por el surgimiento de sólidos emplazamientos de fuentes renovables, en particular la hidráulica y la solar, al evitar los problemas vinculados con la intermitencia del suministro y la reducción de la necesidad de invertir en generación centralizada de fuente fósil.
Por todo lo anterior, es importante que el esfuerzo que se realiza en Cuba para aumentar la participación de fuentes renovables en la matriz energética nacional, se realice de cara al futuro, con la visión de una red eléctrica más inteligente. Para ello es imprescindible que las actividades necesarias para desarrollar acciones en el ámbito nacional, se realicen en estrecha coordinación con otros avances mundiales, a fin de limitar duplicaciones, tener en cuenta las peculiaridades nacionales, disminuir las brechas y optimizar los gastos [3], [5].
1.7 Diferencia entre redes inteligentes y convencionales
El proyecto de una red eléctrica inteligente deberá tener en cuenta las intervenciones a realizar en cada uno de los tramos de la cadena de abastecimiento eléctrico.
Para que se pueda hacer esta comparación se requerirá tener en cuenta las siguientes consideraciones [2], [6], [13]:
Equipos de generación más pequeños y equipos de almacenamiento plug-and-play: los equipos deben cubrir también el lado primario de la red, como switches inteligentes, equipos de alta capacidad de almacenamiento de energía de bajo precio y alta calidad.
Mayor interacción con los usuarios: interacción bidireccional entre usuarios y el proveedor de energía. Esto permitiría interactuar con los equipos del usuario durante la operación y consideraría al usuario como un agente con importante participación activa dentro del sistema eléctrico.
La evaluación del riesgo de SG es más compleja cuando se trata el tema de RES, debido a que estas pueden provenir de diferentes fuentes y métodos, como la solar, eólica y marítima, entre otras. Estas RES pueden ser afectadas por condiciones ambientales como la radiación solar o la velocidad del viento, y ser más estocásticas que la generación de energía en hidroeléctricas o por quema de carbón.
Fig. 1.4 Diferencias de infraestructuras entre redes convencionales vs redes inteligentes [13].
Las infraestructuras marcan una diferencia considerable una vez que las convencionales no están preparadas para tal funcionamiento, por el tipo de servicio que se busca y eficiencia con la implementación de las redes inteligente, así como se ve en la figura 1.4.
Tabla 1.1 Diferencias entre redes convencional vs redes inteligentes [6] [14] [15].
Red convencional Red inteligente
Comunicaciones Ninguna o unidireccional Bidireccional
Interacción con energía Limitada Generalizada
Operación y mantenimiento Chequeo manual de equipos
Monitorización a distancia
Generación de electricidad Centralizada Centralizada y distribuida
Control de flujos de energía Limitado Generalizado y flexible
Fiabilidad de suministro Fallos e interrupciones Protecciones adaptativas y funcionamiento en isla
Restablecimiento del suministro
Manuel Autor restablecimiento
Topología Radial Mallada
1.8 Conclusiones del capítulo
Las redes inteligentes son sistemas que permiten la comunicación bilateral entre el consumidor final y las compañías eléctricas, por eso la generación distribuida es en la actualidad uno de los campos en los que se invierten los mayores esfuerzos financieros y humanos. Las redes inteligentes son capaces de reducir las pérdidas de transmisión y mejorar la eficiencia de utilización de electricidad, y se hace énfasis en la utilización de FRE como hidráulica, solar, eólica, disminuyendo así fuentes fósiles para permitir reducir la contaminación del medio ambiente que va creciendo con el pasar del tiempo.
La implantación de infraestructuras tiendo en cuenta que las redes inteligentes funcionan en dos modos: conectados y aislados, las mismas tienen una gran aplicabilidad según el tipo de infraestructura inteligente (edificios, transportes y servicios).
No hay posibilidad de mejorar la curva de demanda futura sin el desarrollo de gestión inteligente para que sea flexible y adaptable a las preferencias de los consumidores.
CAPÍTULO 2 ANÁLISIS DE LAS TECNOLOGÍAS EXISTENTES EN
ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA
El almacenamiento de energía comprende los métodos que tiene la humanidad para conservar en la medida de lo posible una cierta parte de la electricidad se almacena en las pilas es decir es energía almacenada de cierta cantidad en cualquier forma, para liberarla cuando se requiera en la misma forma en que se recolectó o en otra diferente. Las formas de energía pueden ser energía potencial (gravitacional, química, elástica, etc.) o energía cinética. Muchos sistemas mecánicos funcionan almacenando energía y consumiéndola lentamente: un ejemplo es el reloj mecánico que almacena en el muelle la energía para ir consumiéndola vía un regulador. En un ordenador los condensadores existentes en un chip almacenan la energía suficiente para que al volver a encenderse tengan la memoria de algunas de las funciones previas. Incluso los alimentos son una forma que la naturaleza tiene de almacenar la energía procedente del Sol [16].
El almacenamiento de energía es un proceso complejo que se lleva haciendo por la naturaleza desde miles de millones de años por ejemplo, la energía presente en la creación inicial del universo ha sido puesta en libertad en forma de estrellas como el Sol, y ahora está siendo utilizada directamente por los seres vivos (a través de la energía solar), o indirectamente (por ejemplo por el aumento de los cultivos o de la conversión en electricidad en las células solares). Los sistemas de almacenamiento de energía en el uso comercial de la actualidad se traducen en términos generales, en sistemas de almacenamiento mecánicos, eléctricos, químicos, biológicos, nucleares y térmicos [1], [16].
Como actividad útil, el almacenamiento de energía ha existido desde la prehistoria, aunque en muchos casos no explícitamente reconocido como tal. Un ejemplo deliberado de almacenamiento de energía mecánica es el uso de troncos o rocas como medidas defensivas en las antiguas fortalezas que se iban recolectando en la cima de una colina o pared, y, por lo tanto, la energía almacenada era finalmente empleada para atacar a invasores que vinieran al radio de alcance de dichas piedras. Una aplicación más reciente es el de control de los cursos de agua que son dirigidos a los molinos de agua para el procesamiento de granos. Los sistemas complejos de embalses y presas se construyeron para almacenar y liberar agua (y la energía potencial que contienen) cuando sea necesario [1], [16].
El almacenamiento de energía se convirtió en un factor dominante en el desarrollo económico con la introducción generalizada de electricidad y químicos combustibles refinados, como la gasolina, el queroseno y el gas natural en 1800. A diferencia de otros métodos comunes de almacenamiento de energía utilizadas empleados anteriormente, como la madera o el carbón, la electricidad debe emplearse, ya que se genera y no puede ser almacenada en otra cosa que no sean dispositivos de menor escala. La electricidad se transmite por medio de un circuito cerrado, para emplearse en cualquier propósito práctico, y no puede ser almacenada como energía eléctrica. Esto significa que los cambios de la demanda no pueden tener cabida, sin corte de los suministros, ya sea (por ejemplo, a través de brownouts o apagones) o disponer de una técnica de almacenamiento fiable, algo imposible en la actualidad.
2.1 Clasificación de las tecnologías de almacenamiento
La columna vertebral de un sistema energético se basa en la capacidad para generar energía suficiente, con el fin de atender la demanda a precios razonables y en condiciones medioambientales y de confiabilidad adecuadas. Por lo tanto, el almacenamiento de energía eléctrica ha sido un desafío en la implementación de sistemas energéticos, en razón a que diferentes factores afectan la generación de energía eléctrica, como son, la época del año (energía hidroeléctrica y eólica) y la intermitencia (solar), esto sin tener en cuenta los cambios de carga presentes en el sistema. Entonces las tecnologías nos ayudan a mantener el control y la estabilidad en el manejo de la energía almacenada [8].
En la Tabla. 2.1 se presenta una clasificación de las aplicaciones de los sistemas de almacenamiento de energía en los sistemas eléctricos de potencia. Dependiendo dela capacidad del sistema eléctrico, los requerimientos de los sistemas de almacenamiento cambian, es decir, si se trata de sistemas de alta potencia los sistemas de almacenamiento deben tener la capacidad de mantener la calidad de la energía y asegurar la continuidad del servicio (descargas de energía en fracciones de segundo), mientras que en los sistemas basados en generación distribuida la premisa es el almacenamiento de energía con el fin de entregarla en los momentos (horas) en los cuales la generación no está presente.
Tabla 2.1 Clasificación de las aplicaciones de los sistemas de almacenamiento de energía
[8]
En la actualidad existen diversas tecnologías que permiten el almacenamiento de energía eléctrica, como baterías, volantes de inercia, condensadores electroquímicos ("súper" o "ultra" condensadores). El almacenamiento de aire comprimido, el almacenamiento térmico, y el bombeo de agua, son usualmente grandes con importantes requerimientos de instalación, y los superconductores magnéticos son dispositivos de almacenamiento de corta duración utilizados especialmente en aplicaciones de calidad de potencia.
Se reconoce que beneficio principal del uso de sistemas de almacenamiento es la reducción del consumo de combustibles fósiles, sumando los beneficios técnicos que ofrecen las micro redes se mejoran los niveles de eficiencia de las unidades de generación también reducen las emisiones y permite diferir las inversiones en unidades de generación y en sistemas de transmisión.
Las micro redes son sistemas con baja inercia en contraste con los sistemas de generación convencionales, ante cambios de carga y suministro, la inercia de los sistemas sincrónicos y generadores de inducción entregan o absorben cualquier diferencia de potencia entre la generación y la demanda. En el modo de conexión a red la estabilidad depende de la habilidad de ajustar rápidamente la potencia activa o reactiva por medio de la electrónica de potencia, para controlar las oscilaciones de tensión o de frecuencia. Considerando a la red una fuente mucho más fuerte, los sistemas electrónicos de la micro red se deben ajustar a las condiciones de operación de la red de manera transparente para la carga [8].
A continuación, se presentan las tecnologías de los sistemas de almacenamiento de energía, más representativos utilizados en micro redes eléctricas, así como algunos ejemplos aplicados en diferentes partes de mundo, sus ventajas y desventajas [8] [17].
2.2 Almacenamiento Electro-químico
2.2.1 Almacenamiento en batería
Las baterías son dispositivos que almacenan energía eléctrica en forma química y la liberan después como corriente continua de forma controlada. Todos los tipos de baterías contienen un electrodo positivo y uno negativo sumergidos en un electrolito, y el conjunto completo se encuentra dentro de un recipiente.
Las baterías suponen actualmente la principal forma de almacenamiento a pequeña escala, aunque están tomando importancia actualmente su utilización a gran escala; cuentan con multitud de aplicaciones, muchas más que cualquier otro tipo de sistema de almacenamiento, debido en parte, a que son el método más antiguo para almacenar energía.
Las baterías utilizadas en micro redes son las llamadas secundarias que permiten recargarse a partir de energía eléctrica revirtiendo el proceso electroquímico. El principio de funcionamiento de una batería es la reacción electroquímica entre dos electrodos separados por un electrolito como se muestra en la Fig. 2.1 [8], las reacciones químicas en los componentes producen una corriente de iones en el electrolito que a su vez producen una corriente eléctrica en los electrodos. Las diferencias en las tecnologías de fabricación de baterías definen el costo, la capacidad, vida útil y tamaño entre otras. Entre los distintos tipos de tecnologías aplicadas al almacenamiento en baterías se encuentran las siguientes:
1. Plomo - Ácido: Es la más madura con más de un siglo de desarrollo. Sus desventajas son la limitación en el número de ciclos de carga y descarga (alrededor de 1000), la contaminación debida al electrolito, y la densidad de energía que se traduce en peso y tamaño por lo que no son recomendables para sistemas que requieran movilidad o portabilidad. Gracias a su bajo costo, a una eficiencia cercana a 75% y la auto descarga moderada que presentan, han comprobado su eficacia en grandes sistemas de almacenamiento instalados en la década de 1980 a 1990, desde pequeños sistemas de KW hasta sistemas más grandes de algunas decenas de MW.
2. Níquel - Cadmio (Ni-Cd): Estas baterías poseen un ánodo de níquel y un cátodo de cadmio.
3. Níquel - Metal - Hidruro (NiMH): Se consideran la evolución de las de Ni-Ca, y son muy similares, con la ventaja de que no tiene cadmio entre sus componentes. El cátodo es de oxihidróxido de níquel (NiOOH), el ánodo está formado por una aleación que puede insertar hidrógeno y elelectrolito de hidróxido potásico (KOH). 4. Ión de Litio: El litio es un material muy ligero, con un gran potencial electroquímico
y puede acumular grandes cantidades de energía. Es característico de las baterías de ión-litio que los dos electrodos pueden absorber o devolver iones reversiblemente, y sólo el ánodo 62 estará compuesto de litio. En su primera versión se utilizaba como cátodo un electrodo de carbón, pero actualmente son de grafito, debido a sus características de descarga. Se descubrió que este tipo de baterías, debido a la ciclabilidad, reducían la estabilidad térmica de la misma y aumentaba potencialmente la fuga térmica (pueden llegar a arder de forma espontánea). 5. Sodio – sulfuro (NaS): Estas baterías son de sales fundidas, como las anteriores,
pero en este caso son azufre fundido y sodio fundido (electrodos positivo y negativo respectivamente). El electrolito es un material cerámico sólido, a través del cual se realiza el intercambio de iones.
6. litio polímero: La batería ion de litio polímero o más comúnmente batería de polímero de litio son pilas recargables, compuestas generalmente de varias células secundarias idénticas en paralelo para aumentar la capacidad de la corriente de descarga, y están a menudo disponibles en serie de "packs" para aumentar el voltaje total disponible.
Las baterías LiPo se caracterizan por ser ligeras y por poder almacenar una gran cantidad de energía. Normalmente las baterías LiPo están compuestas por multitud de celdas. Cada celda tiene un voltaje máximo de entre 3,7 y 4,2V dependiendo de los materiales con los que se ha hecho la batería.
Las baterías LiPo son bastante delicadas. Si bien, una batería con buen uso y bien mantenida puede llegar a realizar más de 300 ciclos de carga y descarga, una batería mal cuidada puede no llegar ni a los 50 ciclos.
Además, el uso incorrecto, en especial las sobrecargas, puede producir que las baterías LiPo ardan.
Por eso, para manejar las baterías de forma segura y para alargar la vida útil de las mismas, es importante seguir unos ciertos cuidados:
Nunca deje desatendidas las baterías mientras se cargan, pueden arder. Cárgalas en un lugar donde no haya materiales inflamables.
Es necesario cargarlas con un cargador específico. A ser posible con un cargador balanceador que cargue cada celda de manera independiente. Usar un cargador inadecuado dañará la batería y puede hacer que se incendie.
Nunca cargar las baterías por encima del voltaje indicado por el fabricante. Hay peligro de que ardan.
La mejor forma de almacenar las baterías durante mucho tiempo es dejarlas con alrededor de un 40% de carga.
Existen fundas especiales ignífugas que se usan para almacenar las baterías de forma segura.
Por motivos de seguridad, no se deben cargar las baterías que se encuentran ni muy frías (menos de 5ºC) ni muy calientes.
La temperatura de funcionamiento ideal de una batería LiPo se encuentra entre los 30 y 40ºC. Por debajo, la batería no rendirá al 100%. Por encima de 60ºC, la batería empieza a dañarse.
Nunca debemos usar una batería que se observe que esté dañada o abultada.
Para prolongar la vida útil de la batería no hay que descargarla del todo. Hay que intentar que se quede con un mínimo de un 30% de carga.
Hay que almacenar las baterías en un lugar seco, a una temperatura entre 5 y 25ºC, y a ser posible dentro de una bolsa de seguridad para baterías LiPo.
Cuando acabe la vida útil de la batería (no conserve el 80% de carga máxima), se puede reciclar en un centro autorizado, siempre y cuando se haya descargado previamente.
7. Níquel-metal hidruro:
En comparación con la electroquímica del plomo-ácido, el níquel-cadmio ofrece una mayor densidad de energía, presenta un mayor número de ciclos de carga y descarga (cerca de 3500), con bajo mantenimiento. En Europa su uso está restringido a
aplicaciones médicas específicas, es una tecnología de mayor costo de fabricación y contaminante por la toxicidad del cadmio. Otra tecnología de fabricación de baterías aún en desarrollo, es la de Níquel-metal hidruro, en reemplazo del Níquel-Cadmio, es una tecnología con menores costos de fabricación y que reduce la contaminación, con alta densidad de energía y ciclos de vida similares, reduciendo el efecto memoria. Sin embargo, su desarrollo se ha estancado por el auge de las baterías de ion de litio.
Inicialmente se presentaron las baterías de ion de litio y posteriormente las de litio polímero, presentan la mayor densidad de energía, aunque su coste es alto se ha reducido por el aumento de producción y aceptación en el mercado de electrónica portátil de consumo. Las baterías de litio son la tecnología más prometedora en el campo de sistemas de almacenamiento de fuentes de energía renovables de pequeña escala a pesar de la necesidad de sistemas de carga complejos y a la falta de desarrollo de técnicas de gran escala.
Ejemplo de una instalación se presenta en South Salem Oregon, un sistema de almacenamiento de baterías de ion de litio de 5 MW desarrollado por Portland General Electric. En una micro red de prueba del almacenamiento de energía eólica y solar, atiende a cerca de 500 usuarios comerciales y residenciales, hace parte del proyecto de demostración Pacific Northwest Smart Grid. Además de los beneficios en confiabilidad y calidad de potencia se tiene la capacidad de soportar la micro red durante 30 minutos. Con la colaboración de los usuarios y un software especializado, permite almacenar energía cuando los precios del mercado son bajos y consumirla cuando aumentan.
2.2.1.1 Baterías de flujo
La principal característica de las baterías de flujo, es la independencia entre la capacidad de potencia y la energía que pueden manejar. La capacidad de almacenamiento depende exclusivamente de la cantidad de los electrolitos utilizados, mientras que la potencia depende del área activa de la celda. En la Fig. 2.2 se muestra un esquema de una célula de la batería de flujo.
Fig. 2.2 Célula de la batería de flujo[8]
Los electrolitos son almacenados en diferentes tanques y se hacen circular a través de la celda que los separa a través de una membrana micro porosa que permite la corriente de iones, que, a través de los electrodos, se transmiten como corriente eléctrica.
Las reacciones que se producen son de reducción-oxidación, por lo cual también se conocen como baterías REDOX, las tecnologías de fabricación de las celdas de flujo en desarrollo son: Zinc-Bromuro, ZnBr, Reducción de Vanadio VRB, Zinc - Air, entre otros. Presentan una eficiencia entre el 50 y el 80%, alta capacidad de potencia y energía, son de recarga rápida, los electrolitos no son tóxicos y pueden reemplazarse fácilmente, trabajan a bajas temperaturas y pueden tener una vida útil bastante alta. La desventaja de las baterías de flujo, es la movilidad de los electrolitos y la necesidad de bombeo con su correspondiente consumo de energía. Aunque su uso es limitado, se ha comprobado su funcionamiento en sistemas de capacidad de almacenamiento de 15MW-120MWh con la tecnología VBr con una eficiencia de cerca del 75%.
En mayo de 2013 se inauguró una micro red en el fuerte Bliss, en Texas con un arreglo de 120 KW de energía solar que incluye un sistema de almacenamiento de baterías de flujo
de Zinc-bromuro, de 300 KW construido por Primus, permite una descarga profunda del 100% sin daño de las baterías para una vida útil de 20 años. En esta aplicación también se pretende atender la carga que atiende a cerca de 8600 personas en ausencia de la red gracias a su capacidad de energía de cerca de 1 MWh.
2.2.2 Celdas de combustible
Este sistema se basa en el almacenamiento de energía en forma de combustible. Una celda de combustible es un dispositivo electroquímico, la electricidad se genera a partir de una fuente externa de combustible (habitualmente hidrógeno) y de oxígeno, sin combustión. Una celda de combustible no se agota ni requiere recarga. Producirá energía en forma de electricidad y calor mientras se le provea de combustible. El único subproducto que se genera es agua. En la Fig. 2.3 se muestra el esquema básico de la configuración del sistema.
El combustible necesario para la generación de energía en las celdas de combustible es el hidrógeno. Sin embargo, a pesar de su abundancia en la atmósfera, el hidrógeno no es de libre disposición y se produce principalmente en combinación con otros compuestos moleculares. La separación de hidrógeno a partir de estos compuestos es un proceso que demanda una gran cantidad de energía. La eliminación de hidrógeno a partir de combustibles fósiles es fácil ya que estos se encuentran en un estado de energía más alto. No obstante, tal proceso es altamente contaminante. La separación de hidrógeno a partir de agua necesita más energía, pero no libera ningún agente contaminante. El proceso de extracción de hidrógeno a partir de agua se llama electrólisis y se realiza a través de un electrolizador.
Fig. 2.3 Esquema de una celda de combustible [8]
Los reactivos típicos utilizados en una celda de combustible son hidrógeno en el lado del ánodo y oxígeno en el lado del cátodo (si se trata de una celda de hidrógeno). La eficiencia total de una planta de proceso reversible (de electricidad a hidrógeno y de hidrógeno a electricidad), se encuentra en valores del 30 - 40%. En el caso de centrales con cogeneración en la que se aprovecha el calor, el rendimiento se sitúa alrededor del 80%. La respuesta de este sistema es lenta en comparación con las baterías. Entre todos los tipos de celdas de combustible, la celda de combustible de membrana de intercambio protónico es muy prometedora debido a su funcionamiento a baja temperatura y la rápida puesta en funcionamiento.
Ejemplo del uso de celdas de combustible es la micro red de la cárcel Santa Rita en el condado de Alameda en California, con una capacidad de 4000 personas, la celda de hidrógeno de 1 MW, provee de calidad de potencia al sistema y adicionalmente cogeneración para calentamiento de agua y aire acondicionado. Reduce el consumo de energía del alimentador en cerca de un 80% de la demanda pico en los meses de verano.
2.2.3 Almacenamiento de hidrógeno
El almacenamiento gracias al hidrógeno trata de, gracias a la energía eléctrica o
térmica procedente de centrales térmicas, nucleares, eólicas, etc, convertir
compuestos químicos para transfórmalo más adelante en energía eléctrica.
El hidrógeno es un combustible en el que se están depositando muchas esperanzas y al que se está dedicando un gran esfuerzo investigador. Sin embargo, el hidrógeno no es un combustible más. Por una parte, tiene unas propiedades físicas y químicas bastante
diferenciadas de los demás combustibles; por otra, no es un recurso natural, es decir, no se encuentra de forma aislada en la naturaleza, sino que se encuentra combinado en otros compuestos, como los hidrocarburos o el agua.
Este sistema de almacenamiento permite tanto el almacenamiento masivo como el almacenamiento a pequeña escala, sin embargo, es más atractiva la idea de almacenamiento masivo, debido a la reducción de costes. Puede combinarse con cualquier fuente de energía, renovable o no, además de poder utilizarse incluso como fuente de energía en sí mismo.
Entre los diferentes métodos para la obtención del hidrógeno se pueden encontrar: Procesos termoquímicos: gracias al calor solar concentrado a altas temperaturas se
desarrolla un proceso endotérmico termoquímico. Una característica muy beneficiosa de este tipo es que, al aumentar la temperatura de reacción, aumenta el rendimiento de la conversión (aunque también aumentan las pérdidas de calor). La eficiencia de este método es mayor que la de los dos siguientes.
Procesos electroquímicos: se utilizan las plantas solares o las eólicas para la transformación gracias a un proceso electrolítico.
Fotólisis del agua: se refiere a la conversión de agua y energía solar (utilizada) a hidrógeno.
El hidrógeno es un elemento complejo de almacenar y costoso, debido a su baja densidad y alta característica difusa, lo que deriva en que los contenedores deban estar perfectamente sellados.
Es posible tener almacenamiento del material en los tres estados. Debido a que su producción resulta en estado gaseoso puede pensarse que este sería el mejor modo de almacenamiento. Sin embargo, nada más lejos de la realidad el almacenamiento en estado gaseoso no es competitivo frente al resto de combustibles, porque su densidad es muy baja y por el coste que suponen los recipientes con la presión necesaria.
Se suele almacenar el hidrógeno en estado líquido (criogenizado) debido a su menor volumen ocupado. Los recipientes para este almacenamiento deben estar aislados por vacío o refrigerados gracias a una doble capa con otro elemento criogenizado, por ejemplo, nitrógeno. Estos sistemas son complejos y caros, Así como se observa en la fig. 2.4. Por último, se puede almacenar el hidrógeno en estado sólido, permitiendo que sea absorbido por otro material, como hidruros metálicos o materiales muy porosos. Así se logra
aumentar la densidad de almacenamiento.
Fig. 2.4 Sistema de almacenamiento de hidrógeno
Las principales aplicaciones del almacenamiento de hidrógeno se basan en la producción de energía eléctrica a partir del hidrógeno son:
Combustión de hidrógeno: se quema el hidrógeno para generar electricidad gracias a unas turbinas de gas, ciclos combinados o utilizado simplemente a modo de combustible (de motores, por ejemplo). Esta aplicación tiene un potencial inconveniente: la temperatura en la llama supera los 3000oC.
Pilas de combustible de hidrógeno: se trata de la principal aplicación del hidrógeno, en el que el hidrógeno actúa como combustible en la pila, la cual genera electricidad a partir de la reacción química. Aunque la pila de combustible también funciona con combustibles fósiles, su rendimiento es mayor con hidrógeno, debido a su mayor densidad energética.
Este método de almacenamiento actualmente se encuentra todavía en fase de investigación, pero en un futuro puede llegar a convertirse en una forma principal de almacenamiento, pudiendo incluso utilizarse como almacenamiento intermedio.
Su lado más prometedor es la sinergia con las plantas de producción eólicas y fotovoltaicas, donde se están realizando diversos progresos. La producción de hidrógeno gracias a fuentes de energías renovables podría aumentar hasta un punto que se impusiera el hidrógeno como fuente principal de energía. Sin embargo, actualmente existe la barrera de ser comercialmente inviable, debido al alto coste de producción de la materia prima.
2.3 Electro-magnético:
2.2.1 Supercondutores magnéticos - (SMES)
Los sistemas SMES (siglas del inglés Superconducting Magnetic Energy Storage)
almacenan energía eléctrica en un campo magnético creado por un flujo de corriente
continua en una bobina superconductora. Esta bobina superconductora es
refrigerada criogénicamente a una temperatura inferior a la temperatura critica de
superconducción. Un sistema SMES suele estar compuesto por la bobina
superconductora, el sistema de acondicionamiento de potencia y el refrigerador
criogénico como se representa en la Fig. 2.5.
Fig. 2.5. Esquema de sistema de almacenamiento de energía en superconductores magnéticos [8]
La energía almacenada puede ser devuelta a la red mediante la descarga de la bobina. El sistema de acondicionamiento de potencia suele estar compuesto por un inversor bidireccional que permite sacar energía de la red hacia la bobina e inyectar la energía de la bobina en la red. Estos sistemas también pueden ser empleados conectados a una línea de alterna mediante inversores o a líneas de corriente continua.
Este dispositivo de almacenamiento guardará en su interior energía procedente de un campo magnético que es generado mediante la aplicación de una corriente continua
aplicada a la bobina. Su funcionamiento es idéntico al de una inductancia convencional, sin embargo, es el carácter superconductor lo que produce que se elimine la resistencia conductiva. Que se elimine esta resistencia implica que no se produce calor en la bobina, y no ocurrirán pérdidas por disipación térmica.
Los superconductores están formados por una bobina superconductora que se conecta a una fuente de tensión. Esta bobina estará criogenizada mediante Helio líquido o Nitrógeno líquido a una temperatura inferior a la crítica con el fin de que la bobina pueda mostrar su propiedad de superconducción. Una vez que se consigue que la bobina se cargue completamente, la corriente se mantiene constante y la energía (magnética) permanece, en teoría, almacenada sin límite de tiempo.
La energía almacenada en el campo electromagnético es:
Ecuación 1
𝑬 =
𝟏𝟐
𝑳𝑰
𝟐
siendo: E = energía almacenada [J], L = Inductancia [H], I = Corriente [A] Entre los distintos tipos de superconductores se encuentran los siguientes:
SMES de baja temperatura crítica: se emplean con Helio líquido a 4 K y utilizan bobinados. Esta temperatura está tan próxima a la temperatura de cero absolutos que resulta inviable para dispositivos comerciales con la tecnología disponible actualmente.
SMES de alta temperatura crítica: utilizan Nitrógeno Líquido a 77 K y también poseen bobinados. Aunque presenta problemas similares al caso anterior con el Helio, el Nitrógeno líquido es menos costoso económicamente.
SMES de alta temperatura crítica sin bobinado: posee una ciclabilidad ilimitada y elimina los problemas que puedan surgir dependientes del bobinado.
Algunas de las principales aplicaciones que tienen son:
La utilización de dicha energía almacenada para aportarla a la red y mejorar así la calidad del suministro, ayudando a suplir micro cortes y huecos de tensión.
Almacenamiento y recuperación de energía procedente de excedentes de centrales eléctricas.
Recuperación y acumulación de energía cinética procedente de frenada de vehículos de transporte pesados y automóviles.
Las pérdidas del sistema de acondicionamiento de energía suelen estar en torno al 2-3% en cada dirección por lo que teniendo en cuenta la carga y la descarga, la eficiencia total del sistema será mayor del 95%. Una de las ventajas de estos sistemas es que pueden ser
