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ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA
MATERIAL DEL CAPÍTULO
Bibliografía
R. Hammerschlag y C.P. Schaber. Handbook of energy efficiency and renewable energy.
Energy Storage Technologies. Capítulo 18, sección 18.1, pp. 1-20.
B. Sørensen. Energy storage. Renewable Energy
Capítulo 5, sección 5.2, pp. 530 a 588.
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Muy importante en el contexto de las energías renovables
Muchas de las fuentes renovables son intermitentes (e.g. solar y eólica) y no pueden “despacharse” de acuerdo a la demanda.
Las aplicaciones en transporte requieren portabilidad, y su autonomía depende de la capacidad de almacenamiento.
El medio o tecnología de almacenamiento debe elegirse para recibir y entregar una forma de energía compatible con la fuente y con la aplicación final.
Formas en las que puede almacenarse
Eléctrica
Mecánica
Térmica
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Calidad del almacenamiento
La forma térmica está condicionada por la temperatura.
Está limitada por el principio de Carnot y no puede convertirse de manera eficiente a las otras dos.
Las tecnologías que reciben o aportan calor deberían utilizarse sólo con fuentes de calor o con producción de calor (e.g. aplicaciones térmicas de la energía solar).
Las formas eléctrica y mecánica se consideran de mejor calidad.
Pueden convertirse a las otras formas con alta eficiencia.
Los dispositivos de almacenamiento que reciben y/o entregan energía eléctrica son más versátiles
La energía eléctrica es fácil de transmitir.
Mayor número de aplicaciones finales utilizan electricidad.
Varias tecnologías de renovables entregan energía eléctrica.
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ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA
Aplicaciones relacionadas con la energía eléctrica
Regulación del sistema eléctrico
Se necesita gran capacidad para:
Satisfacer la demanda cuando las fuentes renovables no generan lo suficiente.
Almacenar el excedente de la generación.
Calidad de energía
Se emplea para mejorar la calidad del suministro (e.g. compensar caídas de tensión y sobretensiones causadas por perturbaciones en la red, pequeños cortes, regular frecuencia y tensión, etc.)
Requiere respuesta rápida (para evitar daños y disparo de protecciones) con grandes cambios en la salida en un lapso de tiempo relativamente corto.
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ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA
Aplicaciones relacionadas con la energía eléctrica (cont.)
Generación distribuida
Habilita la generación y almacenamiento en los lugares de consumo.
Automotriz
Vehículos eléctricos (EV), híbridos (HEV), híbridos plug-in (PHEV), hidrógeno.
En el futuro se pueden relacionar con la regulación del servicio eléctrico (cantidad de unidades).
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ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA
Especificaciones de los dispositivos
Todos los dispositivos de almacenamiento se pueden caracterizar por una serie de parámetros comunes (independientes de la tecnología).
Parámetros principales
Tiempo de autodescarga
Tamaño
Eficiencia
Ciclo de vida
Potencia específica y energía específica
Densidad de potencia y densidad de energía
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ESPECIFICACIONES DE LOS DISPOSITIVOS
Parámetros
Tiempo de autodescarga
Es el tiempo que tarda un dispositivo, completamente cargado y desconectado, en alcanzar una determinada profundidad de descarga (DOD, depth of discharge).
Se da en porcentaje de la carga útil: p. ej. 10% DOD significa que le queda un 90% de carga.
La relación entre el tiempo de autodescarga y el DOD en general es no lineal por lo cual los dispositivos deben compararse para DOD uniformes.
Dependiendo de la tecnología puede variar desde minutos (calidad de energía) hasta años (regulación).
Tamaño
Define la escala intrínseca de la tecnología, es decir la cantidad de energía que es posible almacenar con una determinada tecnología.
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ESPECIFICACIONES DE LOS DISPOSITIVOS
Parámetros (cont.)
Tiempo de autodescarga vs. tamaño intrínseco
día
mes
año
hora
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ESPECIFICACIONES DE LOS DISPOSITIVOS
Parámetros (cont.)
Eficiencia
Relación entre la energía que ingresa y la que egresa.
Considerar el sistema completo desde la fuente hasta la carga
Ejemplo parque eólico: almacenamiento en baterías vs. hidrógeno.
Está relacionada con la autodescarga.
Tiempos de autodescarga cortos implican baja de la eficiencia (se requiere inyectar energía para mantener la carga).
Ciclo de vida (vida útil)
Número de ciclos consecutivos de carga y descarga que puede tolerar el dispositivo manteniendo las especificaciones.
Depende de la profundidad de las descargas (DOD).
En general el ciclo de vida es mayor para menores DODs.
Deben compararse teniendo en cuenta el DOD
Ej. HEV a hidrógeno vs. HEV a batería.
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ESPECIFICACIONES DE LOS DISPOSITIVOS
Parámetros (cont.)
Eficiencia vs. ciclo de vida
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ESPECIFICACIONES DE LOS DISPOSITIVOS
Parámetros (cont.)
Energía específica
Es una medida del peso de la tecnología (MJ/kg)
Cuanto mayor es la energía específica más liviano es el dispositivo.
Es necesario incluir todas las partes, como por ejemplo el contenedor.
Densidad de energía
Es una medida del volumen (MJ/l)
Cuanto mayor es la densidad de energía más pequeño es el dispositivo.
También es necesario incluir todas las partes.
Potencia específica
Es la tasa o velocidad con la que puede extraerse la energía en función del peso (W/kg).
Densidad de potencia
Tasa o velocidad con la que puede extraerse la energía en función del tamaño (W/l).
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ESPECIFICACIONES DE LOS DISPOSITIVOS
Parámetros (cont.)
Tiempo de descarga máximo vs. potencia
Fuente: EPRI PEAC
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ALMACENAMIENTO EN ENERGÍA MECÁNICA
Formas y tecnologías disponibles
Energía potencial
Elevación: hidrobombeado
Compresión: aire comprimido (CAES: Compressed Air Energy Storage)
Energía cinética
Rotación: volantes de inercia (flywheels)
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HIDROBOMBEADO
Características
Utiliza dos reservorios separados verticalmente. La energía se almacena moviendo agua del inferior al superior.
Es la tecnología más antigua y más grande (~1000 MW)
Muy práctica en gran escala con ~100GW en operación en el mundo (3% de la potencia instalada).
Tiempos de construcción extensos y grandes inversiones.
Eficiencias del orden del 80%.
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HIDROBOMBEADO
Reservorio sobre-elevado
Reservorios abiertos
Se hacen en zonas montañosas con mucha pendiente.
Descarga en un lago, represa o en el mar.
Componentes
Tubería de presión (penstock)
Chimenea de equilibrio de presiones
Sala de máquinas en caverna
Conducto de descarga
Equipamiento adicional
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HIDROBOMBEADO
Reservorio subterráneo
Superior: lago o mar.
Inferior: cavernas naturales o excavadas.
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HIDROBOMBEADO
Reservorios de las centrales hidráulicas.
Desplazamiento de carga (no se genera).
Almacenamiento (bombeo hacia el reservorio) cuando hay exceso de energía generada por otras fuentes.
Funcionamiento como centrales de pico.
Se bombea en los valles de consumo y se genera en los picos.
Almacenamiento diario o semanal.
Factibilidad económica relativa a la diferencia de precios de la energía.
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Los Reyunos, Mendoza
HIDROBOMBEADO
Planta de Goldisthal, Alemania
1060 MW
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HIDROBOMBEADO
Planta de Goldisthal, Alemania (cont.)
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HIDROBOMBEADO
Planta Yanbaru, Okinawa, Japón (1999)
30 MW, 50 m, agua de mar.
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AIRE COMPRIMIDO
Características
También conocido como CAES (Compressed Air Energy Storage)
Generalmente se combina con una turbina a gas, dando un sistema híbrido de almacenamiento/generación.
En una unidad de generación eléctrica con turbina a gas se consume parte de la energía mecánica generada para comprimir el aire que ingresa a la cámara de combustión.
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AIRE COMPRIMIDO
Características (cont.) El aire se comprime previamente con energía barata o excedente (valle de
consumo) y luego se inyecta en la cámara de combustión de un ciclo de gas (evitando usar el compresor) para generar electricidad cuando el precio es mayor.
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AIRE COMPRIMIDO
Ejemplo tren para 110 MW
Compresor alta
Compresor media
Compresor baja
Caja aumento
velocidad
Embragues
Motor/generador
Expansor de baja
Expansor de alta
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AIRE COMPRIMIDO
Cavidades
Tipos
Cavernas de sal
Cavernas de roca
Acuíferos
Características
La selección del lugar y su preparación es un proceso delicado
Las propiedades de la cavidad se conocen completamente una vez que se completa la instalación y se realizan los ensayos
La estabilidad de la caverna está influenciada por las variaciones de temperatura y presión (se pueden mantener constantes)
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AIRE COMPRIMIDO
Compresión
Volumen (aproximado) para almacenar 1500 MWh
2.000.000 m3 @10 bar
64.000 m3 @ 100 bar
Formas de realizar la compresión
Adiabática
Isotérmica (suficientemente lento, poco práctico)
La eficiencia está limitada por el calor producido en la compresión y ronda el 70%
No puede funcionar sin combustión. La temperatura del aire sería muy baja a la salida del expansor.
Para hacerlo 100% renovable se pueden utilizar biocombustibles.
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Ciclos con dos enfriamientos en la compresión
Sin recuperación de calor (Huntorf) Con recuperación de calor
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AIRE COMPRIMIDO
Aplicaciones
Planta de Huntorf, Alemania (1978 - 290 MW )
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Aplicaciones (cont.)
Planta de Huntorf, Alemania (1978 - 290 MW )
Cavernas
Máquinas
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Aplicaciones (cont.)
Planta de Mc Intosh, Alabama (1991 - 110 MW)
Caverna de sal de 5.8 millones de m3, que comienza a 457 m de profundidad, con 230 m de alto y 72 m de diámetro.
Presiones: 45-74 bar
Arranque: 14 minutos
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VOLANTES DE INERCIA (FLYWHEELS)
Generalidades
Almacenan energía cinética en un disco rotante
Se busca minimizar las pérdidas por fricción.
Existen diferencias constructivas de acuerdo a la velocidad de rotación
Baja velocidad
Predomina la inercia J
Se construyen de acero, aluminio, titanio, etc.
Alta velocidad
Predomina la velocidad angular ω
Se construyen de fibra de carbono (baja densidad)
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2sE J
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VOLANTES DE INERCIA (FLYWHEELS)
Características constructivas
La densidad de energía está limitada por el esfuerzo máximo al que puede someterse el material
Densidad de energía
No depende de la velocidad, es mayor para materiales livianos y para σ grandes.
El máximo σ define la máxima energía que se podrá almacenar y de allí la máxima velocidad del disco sin que se deforme o desintegre.
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s mE k
m
m: masa total de la flywheel
σ: máximo esfuerzo aceptable del material
km: factor de forma (depende de la geometría)
ρ: densidad (material homogéneo)
VOLANTES DE INERCIA (FLYWHEELS)
Características constructivas (cont.)
Esfuerzos máximos de diseño para diferentes materiales
Pueden usarse materiales compuestos para reducir las variaciones en el esfuerzo en los distintos radios.
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VOLANTES DE INERCIA (FLYWHEELS)
Características constructivas (cont.)
Componentes principales
Rodamientos magnéticos (activos y/o pasivos)
Se practica vacío en su interior
Motor(carga)-generador(descarga) en el estator
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VOLANTES DE INERCIA (FLYWHEELS)
Características funcionales
Bajo mantenimiento, 20 años de vida útil
Aplicaciones de corto tiempo
Ciclo de vida de más de 10000 ciclos
Rendimientos del 90%
Beacon Power
Disco compuesto de fibra de carbono
8000 a 16000 rpm
25 kWh
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ALMACENAMIENTO ELÉCTRICO
Formas
Directo
Supercapacitores
Superconductores (SMES)
Electroquímico
Baterías secundarias o recargables
Baterías de flujo
Hidrógeno
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ALMACENAMIENTO ELÉCTRICO DIRECTO
Supercapacitores electroquímicos
Fundamentos
Están compuestos por dos electrodos (parte más importante), un electrolito y un separador que aísla eléctricamente los electrodos (similar a batería).
Los electrodos son porosos, tienen área extensa (partículas de carbón o de óxidos metálicos) y se fabrican a escala nanométrica.
A medida que se inyecta carga, se almacena en la interfaz entre la superficie del electrodo y el electrolito formando dos capas cargadas (modelo de Helmholtz). Por esto suelen llamarse de doble capa.
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28Fuente: G. Wang, L. Zhang y J. Zhang. A review of electrode materials for
electrochemical supercapacitors. Chem. Soc. Rev., 2012, 41, pp. 797-828.
ALMACENAMIENTO ELÉCTRICO DIRECTO
Supercapacitores electroquímicos (cont.)
Energía almacenada
La capacidad de cada una de las capas está dada por
Si los electrodos son iguales la capacidad total (serie) es
La energía almacenada y la potencia resultan
La tensión V está limitada (1V electrolitos acuosos y 3-3.5V orgánicos)
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AC
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A: superficie efectiva del electrodo poroso
ε: constante dieléctrica
d: separación efectiva para cada capa (nm)
/ 2iC C
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2E CV V: tensión
Ri: resistencia interna
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P VR
ALMACENAMIENTO ELÉCTRICO DIRECTO
Supercapacitores electroquímicos (cont.)
Supercapacitores electrostáticos (EDLS)
El almacenamiento es electrostático (descripción anterior), por separación de cargas entre el electrodo y el electrolito (similar a un capacitor convencional).
No existe reacción química durante la carga o descarga, el electrolito aporta los iones y su concentración se mantiene constante.
Los electrodos normalmente son de carbón poroso, para incrementar la superficie. Actualmente se utilizan nanotubos de carbón y otros.
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ALMACENAMIENTO ELÉCTRICO DIRECTO
Supercapacitores electroquímicos (cont.)
Pseudocapacitores
Cuando se aplica una tensión se producen reacciones químicas rápidas y reversibles (redox) en los electrodos, que involucra el pasaje de cargas por la capa doble (similar a las baterías).
En lugar de partículas de carbón se utilizan polímeros u óxidos metálicos.
Esta tecnología permite aumentar la tensión, la capacidad (entre 10 y 100 veces) y la densidad de energía respecto al EDLS, pero la densidad de potencia es menor (el proceso es más lento) y no es tan estable ante ciclados.
Híbridos
Un electrodo se construye como EDLS y el otro como pseudocapacitor buscando compatibilizar las ventajas de ambas configuraciones.
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ALMACENAMIENTO ELÉCTRICO DIRECTO
Supercapacitores electroquímicos (cont.)
Características
Admiten cargas y descargas rápidas. Baja densidad de energía
Elevada autodescarga (10-40% por día).
Soportan más de 100.000 ciclos, 10-12 años de vida útil.
Costo elevado.
Aplicaciones de calidad de energía y vehículos (en conjunto con las baterías).
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http://www.maxwell.com
ALMACENAMIENTO ELÉCTRICO DIRECTO
Superconductores (SMES)
Fundamentos
Almacenan energía en el campo magnético generado por una corriente continua en una bobina superconductora
Componentes principales
Bobina de material superconductor (elimina pérdidas efecto Joule).
Sistema de enfriamiento criogénico (mantiene superconductividad).
Acondicionador que controla la corriente desde y hacia el SMES.
Estructura que soporta la bobina frente a las fuerzas magnéticas.
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2E L I
ALMACENAMIENTO ELÉCTRICO DIRECTO
Superconductores (cont.)
Bobina
Como material superconductor suele usarse una aleación de niobio y titanio (Nb-Ti) que tiene temperatura crítica de 9.2K.
Existen de baja temperatura ~5K (más desarrollada) y de alta temperatura ~70K.
El enfriamiento se realiza con helio o nitrógeno líquido.
La carga es susceptible a las variaciones de temperatura.
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ALMACENAMIENTO ELÉCTRICO DIRECTO
Superconductores (cont.)
Características funcionales
Alta densidad de potencia (~4000W/L). Respuesta rápida, puede alcanzar la potencia máxima en 100 ms.
Bajas pérdidas. Eficiencias de 95-98%.
Larga vida útil, aún con descargas totales.
Costosos
Autodescarga diaria del 10-15%.
Aplicaciones en calidad de energía, almacenamiento por corto tiempo y densidades de potencia muy altas.
Industrias que requieren muy buena calidad de energía (e.g. fábricas de semiconductores) .
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ALMACENAMIENTO ELÉCTROQUÍMICO
Baterías recargables o secundarias
Fundamentos
La energía eléctrica se transforma en energía química, se almacena y luego puede reconvertirse en energía eléctrica.
La reacción química entre electrodos y electrolito habilita la circulación de electrones por el circuito externo.
Componentes básicos de una celda
Electrodo negativo (aporta electrones)
Electrodo positivo (recibe electrones)
Electrolito (provee las cargas necesarias)
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ALMACENAMIENTO ELÉCTROQUÍMICO
Baterías recargables o secundarias (cont.)
Principales tecnologías
Plomo-ácido
Litio (litio-ion, litio-polímero, etc.)
Níquel-cadmio (NiCd)
Níquel-metal (NiMH)
Sodio-azufre (NaS)
Zebra
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BATERÍAS DE PLOMO-ÁCIDO
Características generales
Dominaron el mercado por mucho tiempo
Populares en aplicaciones de calidad de energía, renovables, vehículos (arranque). Pocas aplicaciones en gran escala.
Bajo costo relativo y fácil construcción
Vida útil menor que otras tecnologías (1500 ciclos en el mejor de los casos).
Energía específica: 0.09-0.15 MJ/kg (25-40 Wh/kg)
Densidad de energía: 0.25MJ/l (70Wh/l)
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BATERÍAS DE NÍQUEL-CADMIO (NICD)
Características generales
Tensión nominal de celda 1.2V
Baja resistencia interna (comparada con plomo-ácido).
Alta densidad de potencia. Pueden proveer hasta tres veces más corriente para la misma capacidad.
Los electrodos son de acero y no reaccionan con el electrolito. Robustas, mayor cantidad de ciclos.
Admiten muy bajas temperaturas (hasta -40°C). El electrolito mantiene la densidad.
Efecto memoria. Problemas con ciclado parcial.
El Cd es tóxico, riesgo por deposición final.
Energía específica 0.27 MJ/kg (75 Wh/kg)
Densidad de energía 0.41 MJ/L (110 Wh/L)
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BATERÍAS DE NÍQUEL-CADMIO (NICD)
Estructura básica
Electrodo positivo
Oxidróxido de níquel (NiOOH)
Electrodo negativo
Cadmio (Cd)
Electrolito: hidróxido de potasio (KOH)
No interviene en las reacciones de los electrodos
Permite la conducción de iones oxidrilo y aporta H2O a las reacciones en los electrodos
www.saftbatteries.com www.sbsbattery.com
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BATERÍAS DE NÍQUEL-CADMIO (NICD)
Ejemplo a gran escala
Golden Valley Electric Association, Alaska
Sistema de resguardo de 27 MW durante 15 min. Ante una falla en el suministro, da tiempo suficiente para encender los generadores locales.
13760 celdas de Ni-Cd de electrolito líquido (Saft). El tamaño de cada batería es como el de una PC y pesa 75 kg. Peso total 1500 toneladas.
Vida útil 20-30 años
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http://www.gvea.com/about/bess/
BATERÍAS DE NÍQUEL-METAL (NIMH)
Características generales
Menor efecto memoria que NiCd
No emplea Cd.
Mayor autodescarga que NiCd
Menor eficiencia. Se calientan más durante la carga y descarga
Energía específica >0.29 MJ/kg (>80Wh/kg)
Densidad de energía 0.54 MJ/l (150 Wh/L).
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BATERÍAS DE NÍQUEL-METAL (NIMH)
Estructura básica
Electrodo positivo
Oxidróxido de níquel (NiOOH)
Electrodo negativo
Aleación de hidruro metálico que absorbe y libera hidrógeno
Electrolito
Hidróxido de potasio (KOH)
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BATERÍAS DE LITIO
Características generales
Importante desarrollo y proyección.
Comenzaron en dispositivos electrónicos portátiles y extendieron su penetración en el mercado a través de los vehículos eléctricos e híbridos. También se utilizan en almacenamiento masivo.
Ventajas
Tensiones de celdas mayores que con otros metales alcalinos (mejor calidad de almacenamiento).
Energías específicas altas (por el bajo peso del litio elemental).
Retención de carga por más tiempo (menor autodescarga)
Desventajas
Problemas por el uso de litio elemental en los electrodos (seguridad, vida útil, etc.) principalmente durante la recarga.
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BATERÍAS DE LITIO
Electrodos
Negativo
Diferentes materiales
Litio (metal): su alta reactividad causa problemas durante la carga. Deposición en lugares indeseados; cambio en la morfología (rugosidad de la superficie); corrida térmica y problemas serios de seguridad.
Carbono: utilizan materiales de carbono que pueden aceptar y donar cantidades significativas de litio. Potencial similar al litio metálico
Aleaciones de litio: utilizan compuestos con estructuras de capas en los cuales se pueden intercalar los iones de litio.
Positivo
Los más utilizados son compuestos que permiten que el litio se inserte o intercale en su estructura durante la descarga, y que se extraiga durante la carga. Ej. MnO2, LiCoO2, LiNiO2.
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BATERÍAS DE LITIO-IÓN
Electrodos
Ambos electrodos utilizan compuestos que permiten intercalar iones de litio.
Los más difundidos son
Electrodo negativo: litio-carbono (grafito)
Electrodo positivo: óxidos metálicos
Óxido de cobalto (LiCoO2) con 60% Co (costoso, tóxico)
Óxido de manganeso (LiMn2O4) (menos costosa)
Fosfato de hierro y litio (LiFePO4)
LiNiMnCoO2 - 20% Co
LiNiCoAlOO2 - 9% Co
Electrolito: sales de litio disueltas en carbonatos (LiPF6)
Orgánico (litio-ion)
Polimérico (litio-ión-polímero ó litio-polímero).
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BATERÍAS DE LITIO-IÓN
Características
Ventajas
Selladas, sin mantenimiento. Vida útil prolongada (>1000 ciclos).
Rango de temperatura amplio (-40 a 60°C). Baja autodescarga (2-8% por mes). Alta eficiencia. Sin efecto memoria.
Se pueden cargar rápido.
Se pueden descargar rápido (típico 1C, hasta 5C o 25C pulsada) y con alta potencia
Tensiones de celda en el rango de 4.2 a 2.5 V.
Alta energía específica (~150 Wh/kg) y densidad de energía (~400Wh/l)
Desventajas
Costo moderado
Se degradan con altas temperaturas (65°C)
Requieren circuito de protección
Pérdida de capacidad y corrida térmica cuando se sobrecargan
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BATERÍAS DE LITIO-IÓN
Aplicaciones
Potencialmente aplicables en todos los sectores
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BATERÍAS DE SODIO-AZUFRE (NAS)
Características generales
Aplicaciones en medianas y grandes escalas
Las tecnologías avanzadas (incluyendo litio) comenzaron con el descubrimiento (en los laboratorios de Ford Motors Co.) de la alta conductividad iónica que presentaba la beta-alúmina de sodio (NaAl11O17) en fase sólida.
Hasta ese momento los electrolitos de las baterías eran líquidos y la estructura básica de tipo sólido/líquido/sólido.
Operan entre 270 y 350°C para mantener el sodio líquido.
Eficiencia del 90%.
Energía específica 0.86 MJ/kg (240Wh/kg)
Densidad de energía 0.65 MJ/l (180Wh/L)
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BATERÍAS DE SODIO-AZUFRE (NAS)
Aplicaciones
Vehículos
Ensayos exhaustivos realizados en Europa durante los años ´90 dieron resultados desalentadores (seguridad ante colisiones) y se discontinuaron los programas en EE.UU. y Europa.
Almacenamiento en gran escala
NGK Insulators: dispositivos de 40 x 50 kW
Instalación de 34 MW para granja eólica de 51 MW en Japón.
Otras instalaciones en Japón y EE.UU.
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https://www.ngk.co.jp/nas/case_studies
BATERÍAS SODIO – CLORURO NÍQUEL
Características generales
Evolucionó a partir de las baterías de sodio-azufre.
Se inventó en Sudáfrica y originalmente se pensaba usar zeolita para el electrolito, de aquí el nombre ZEBRA (Zeolite Battery Research Africa).
Se configuran como las de sodio-azufre (las celdas tienen los electrodos invertidos).
Eficiencias superiores al 90%.
Operan entre 270 y 350°C. Se encapsulan en un contenedor controlado térmicamente.
Energía específica 0.32 MJ/kg (90Wh/kg).
Densidad de energía 0.49 MJ/l (140Wh/l)
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BATERÍAS DE SODIO – CLORURO DE NÍQUEL
Aplicaciones
Vehículos terrestres
Son significativamente más seguras que las de sodio-azufre, por lo que tienen potencial para vehículos.
Algunas versiones de automóviles en Suiza e Italia fueron equipados con estas baterías.
General Electric estaba trabajando con esta tecnología.
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BATERÍAS DE FLUJO
Características generales
Configuración similar a las baterías líquidas
Utilizan reactivos líquidos que se almacenan en tanques fuera de la batería.
La capacidad es escalable y no está limitada por el tamaño de la batería sino por el volumen de los tanques de almacenamiento.
Se pueden descargar completamente. Baja autodescarga.
Contienen un electrodo sólido (grafito) para conducir la corriente y una placa de contacto.
Las reacciones electroquímicas son reversibles.
Tres tecnologías
Redox de Vanadio
Bromuro polisulfuro
Bromuro de zinc
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BATERÍAS DE FLUJO
Redox (reducción-oxidación) de Vanadio (VRB)
Utiliza sulfatos de vanadio (V) con diferentes valencias, y una membrana selectiva (intercambio de iones) para separalos.
Ciclos de vida extensos, eficiencias del 80%.
15Wh/Kg, 18Wh/l
Tensiones de 1.5V/celda
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2 3V V e 5 4V e V
BATERÍAS DE FLUJO
Redox de Vanadio (cont.)
Algunas aplicaciones
Plantas de 800kWh en Australia, 2MWh y 6MWh en USA, 1MWh Japón.
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BATERÍAS DE FLUJO
Redox de Vanadio (cont.)
Algunas aplicaciones (cont.)
300KWh en DMG MORI SEIKI CO. LTD (Tokyo)
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https://www.vsunenergy.com.au/
BATERÍAS DE FLUJO
Brumuro polisulfuro (PSB)
Utilizan bromuro y polisulfuro de sodio como electrolitos
Las soluciones son medianamente tóxicas pero ante una falla puede liberarse bromo (altamente tóxico).
Eficiencias del 75%
Aplicaciones
Tennessee Valley Authority 12 MW para parque eólico de 20MW.
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BATERÍAS DE FLUJO
Bromuro de zinc
El electrolito es una solución acuosa de bromuro de zinc
Eficiencias del 80-90%
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Z-BESS: 500kWh, 10 unidades
de 50 kWh en dos filas de 5
HIDRÓGENO
Generalidades
Se incluye en la categoría electroquímica cuando el H2 se produce mediante electrólisis del agua.
El H2 puede almacenarse para combustionarlo (calor) o utilizarlo en celdas de combustible (electricidad).
Debe comprimirse para aumentar la densidad de energía (mínimo de 350 bar). También puede fijarse a hidruros con presiones de 30 bar.
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ALMACENAMIENTO TÉRMICO
Formas y tecnologías disponibles
Directo
Calor sensible
Calor latente
Termoquímico
Biomasa sólida
Etanol
Biodiesel
Syngas
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ALMACENAMIENTO TÉRMICO DIRECTO
Generalidades
Almacenan energía de menor calidad, pero resultan útiles en varias aplicaciones
Fuentes cuya salida natural es en forma de calor
Solar térmica, geotérmica, etc.
Sistemas donde la aplicación final requiere energía térmica
Calefacción, secado, etc.
La transferencia de calor a la entrada y a la salida del sistema normalmente se realiza utilizando intercambiadores.
Parámetro importante
Rango de temperatura de servicio (amplio o reducido)
Formas
Calor sensible
Calor latente (menor variación de temperatura)
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ALMACENAMIENTO COMO CALOR SENSIBLE
Características
Está asociado al cambio de temperatura de la sustancia, sin que haya cambios en su fase o en su composición química
Convienen sustancias con calor específico grande porque absorben mayor cantidad de energía para la misma diferencia de temperaturas
Pueden ser sustancias líquidas o sólidas.
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2 1sE T T c M
c: calor específico [J/(kg º)]
M: masa de la sustancia [kg]
T1,2: temperaturas inicial y final [º]
ALMACENAMIENTO COMO CALOR SENSIBLE
Líquidos
El líquido debe tener calor específico elevado, estabilidad en el intervalo de temp. de interés, y facilidad para el intercambio de calor
Depende de la temperatura de funcionamiento
Entre 0°C y 100°C: se utiliza agua por su alto calor específico (4186 J/kg°C), es económica y segura.
Sobre 100°C o debajo de 0°C: se deben elegir otros líquidos tales como aceites minerales, sintéticos o siliconados.
Muy altas temperaturas: sales disueltas (p.ej. nitrato de sodio).
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ALMACENAMIENTO COMO CALOR SENSIBLE
Líquidos (cont.)
Arquitecturas de los sistemas de almacenamiento
Tanques separados
Uno para la sustancia fría y otro para la caliente
Un tanque
El agua fría se acumula en el fondo y la caliente en la parte superior. Diseño cuidadoso para evitar la mezcla.
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ALMACENAMIENTO COMO CALOR SENSIBLE
Líquidos (cont.)
Tanques separados en planta termosolar Andasol (España)
Tanques de 14 m de altura y 36 m de diámetro, con capacidad para 28.500 t de medio térmico (sales fundidas)
El acumulador completamente cargado puede seguir impulsando la turbina de la central a plena carga durante aprox. 7,5 horas.
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ALMACENAMIENTO COMO CALOR SENSIBLE
Líquidos (cont.)
Un tanque
Es la solución más común para almacenar agua caliente en bajas temperaturas (inferior a 100°C).
Provisión de agua caliente sanitaria o calefacción
La mayoría tiene capacidad para menos de 1 día.
Pueden lograrse diferencias de 50°C
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Calefón solar (150 a 450 lts)
Tanque con provisión
auxiliar de calor
ALMACENAMIENTO COMO CALOR SENSIBLE
Líquidos (cont.)
Estanque solar
Aprovecha el gradiente térmico generado por la diferencia de densidad del agua salada.
El calor se almacena en el fondo pero al ser más densa el agua caliente no puede subir
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Estanque salino en Beit Ha'Arava (Israel)
ALMACENAMIENTO COMO CALOR SENSIBLE
Sólidos
La transferencia de calor desde y hacia el lecho es mayor cuanto mayor es la relación entre la superficie/volumen.
Compactos: la transferencia es porconducción desde la superficie exterior
Granulados o porosos: se puede hacer circular aire o algún gas (menor conductividad)
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Porosos
Sólidos (concreto)
ALMACENAMIENTO COMO CALOR LATENTE
Características
Es absorbido o liberado durante un cambio de fase o durante un cambio en la estructura de una sustancia.
Ocurre a temperatura constante.
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sE l M M: masa de la sustancia [kg]
l: calor latente de vaporización
o de fusión [J/kg]
ALMACENAMIENTO COMO CALOR LATENTE
Cambio de fase
Sólido-sólido
Se debe a la reorganización de estructura molecular de algunas sustancias por efecto de la temperatura.
El sulfato de litio (Li2SO4) cambia su estructura a 578,8°C absorbiendo 214 J/g .
Sólido-líquido
Se debe al cambio de fase propiamente dicho.
Se investigó para utilizar en paredes húmedas, para estabilizar la temperatura interior de un recinto.
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ALMACENAMIENTO COMO CALOR LATENTE
Otros métodos
Hidratación/deshidratación
Algunos hidratos de sales (sal disuelta en agua) forman redes cristalinas cuando la temperatura está debajo de la de fusión.
Al calentarse liberan agua y al formarse liberan calor.
El sulfato de sodio (Na2SO4), forma un cristal con 10 moléculas de agua (Na2SO4 10H2O). Absorbe/libera 241 J/g a 32°C.
No se han tenido usos significativos en renovables.
Reacción química
Una gran variedad de reacciones químicas producen o liberan calor.
La combustión es un ejemplo, pero es irreversible. Para recuperar la energía almacenada se necesita reversibilidad (excluye combustión).
Podrían utilizarse para almacenamiento térmico operando a altas temperaturas. Un candidato es el metano.
Hasta el momento existen muy pocos experimentos.
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