portada ^estudio de almacenadores cinÉticos de energÍa
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Universidad Politécnica de Sinaloa
Programa Académico de Ingeniería en Energía
Portada
“ESTUDIO DE ALMACENADORES CINÉTICOS
DE ENERGÍA”
LUIS DAVID ALCALDE FLORES
Tesina presentada como requisito parcial para optar al título de:
Licenciado en Ingeniería en Energía
Asesores:
M. en I. Jorge Moreno
Dr. Néstor Daniel Galán Hernández
Mazatlán, Sinaloa a Enero de 2016
Página destinada para el dictamen
III
IV
Dedicatoria
Este trabajo va dedicado a todos los futuros ingenieros en energía,
que confió que cada uno de nosotros ira descubriendo e innovando
con nuevas tecnologías.
V
Agradecimientos
Quiero agradecer enormemente a mis padres por todo el apoyo
que me brindaron y por todo lo que me han enseñado sobre la
vida. También quiero agradecer a toda la asociación LiCore A.C pues
aprendí muchísimo en la estadía.
VI
VII
Resumen.
El siguiente estudio engloba las características de los almacenadores de energía
siendo el enfoque principal la tecnología de almacenadores cinéticos de energía.
Incluyendo aspectos tanto técnicos como económicos. Se define un almacenador
cinético de energía a través de sus características físicas y eléctricas, como lo son
su masa cilíndrica o disco (volante), su motor eléctrico, y sus rodamientos, los
volantes de inercia transforma la energía cinética, inducida del motor, a energía
eléctrica y se puede reabastecer en el tiempo, según sus características que
dependen directamente de los materiales de los cuales está conformado cada uno
de sus componentes, el cual puede ser desde segundos hasta horas, incluso días,
según su escala de generación. Se presenta una comparativa de la maquina
eléctrica, sus respectivos costos y eficiencias. Se exponen diferentes aplicaciones
y antecedentes de la tecnología cinética, demostrando así todas las áreas de
oportunidad en mejora e implementación. Cabe resaltar que actualmente el
mercado de los sistemas de alimentación ininterrumpida está teniendo gran
influencia como sistemas de restablecimiento del sistema eléctrico en muchos
países. Ofreciendo soluciones en materia de calidad de energía. El resultado de
esta investigación son resultados teóricos del diseño de un volante de inercia de
masa cilíndrica de hierro con rodamientos axiales, el cual cuenta una máquina de
reluctancia variable. Todo esto bajo la supervisión del laboratorio de investigación
en control reconfigurable (LiCore A.C) en la ciudad de Santiago de Querétaro,
Querétaro.
Palabras clave: Almacenamiento de energía, Volantes de inercia, Maquinas
eléctricas, Alimentación ininterrumpida, Calidad de energía.
VIII
Abstract
The following discussion covers the characteristics of energy storage being the
main focus technology kinetic energy storage. Including technical and economic
aspects. A kinetic energy storage system is defined by its physical and electrical
characteristics, such as its cylindrical mass or disc (wheel), the electric motor and
bearings, flywheels converts the kinetic energy, induced by the engine, into
electricity and can be replenished in time, according to their characteristics which
depend directly on the materials of which is made each of its components, which
can be from seconds to hours, even days, depending on the scale of generation. A
comparison of the electrical machine, their costs and efficiencies are presented.
Different applications and technology background kinetics are presented, showing
all the areas of opportunity for its improvements and implementations. It should be
noted that currently the market for uninterruptible power supplies is having great
influence as restoration systems for electrical system in many countries. Offering
solutions for power quality. The result of this research are tests to determine the
mass-energy relation, and efficiency to the design of a flywheel of cylindrical mass
of iron with thrust bearings, which has variable reluctance machine. All this under
the supervision of the Laboratorio de investigación en Control reconfigurable
(LiCore AC) in the city of Santiago de Queretaro, Queretaro.
Keywords: Energy storage, Flywheels, electrical machines, uninterruptible power
supplies, power quality.
IX
Contenido. Portada ................................................................................................................................................. I
Página destinada para el dictamen ..................................................................................................... II
Dedicatoria ......................................................................................................................................... IV
Agradecimientos ................................................................................................................................. V
Resumen. ........................................................................................................................................... VII
Abstract ............................................................................................................................................ VIII
Contenido. .......................................................................................................................................... IX
Introducción. ..................................................................................................................................... 13
Alcance. ............................................................................................................................................. 13
Capítulo 1: Marco contextual ............................................................................................................ 16
1.1 La empresa. ....................................................................................................................... 16
1.1.1 Descripción general. .................................................................................................. 16
1.1 Misión. ............................................................................................................................... 16
1.2 Visión ................................................................................................................................. 17
1.3 Valores ............................................................................................................................... 17
1.4 Organigrama. ..................................................................................................................... 18
1.5 Planteamiento del problema. ........................................................................................... 18
1.6 Justificación. ...................................................................................................................... 19
1.7 Objetivos. .......................................................................................................................... 20
1.7.1 Objetivo general. ....................................................................................................... 20
1.7.2 Objetivos específicos. ................................................................................................ 20
Capítulo 2: Marco teórico ................................................................................................................. 21
2.1 Antecedentes .................................................................................................................... 21
2.1.1 1800: Primer volante de inercia en máquina de vapor. ............................................ 21
2.1.2 1909: giro buses ........................................................................................................ 22
2.1.3 1950: Primer Autobús eléctrico. ............................................................................... 22
2.1.4 1956: Retirados parcialmente del mercado, “poco rentables”. ............................... 22
2.1.5 1993: Primer Vehículo hibrido. ................................................................................. 23
2.1.6 Actualidad: Aplicaciones en la energía renovable. ................................................... 23
2.2 Fundamentación teórica. .................................................................................................. 24
X
2.3 Almacenamiento energético. ............................................................................................ 24
2.3.1 Tecnologías de almacenamiento de energía. ............................................................ 24
2.3.2 Volantes de Inercia. ................................................................................................... 26
2.3.3 Clasificación de almacenadores de energía mecánicos: ........................................... 27
2.3.4 Partes que componen un acumulador cinético. ....................................................... 28
2.3.5 Comparativo de la máquina eléctrica. ...................................................................... 29
2.4 Aplicaciones. ...................................................................................................................... 30
2.4.1 Regulación de frecuencia .......................................................................................... 30
2.4.2 Suavizado de rampa de recursos renovables. ........................................................... 31
2.4.3 Fuentes de alimentación ininterrumpida (UPS). ....................................................... 32
2.4.4 Transporte ................................................................................................................. 33
2.4.5 Minería ...................................................................................................................... 33
2.4.6 Motorsport ................................................................................................................ 34
2.4.7 Naves espaciales ........................................................................................................ 35
2.5 El mercado. ........................................................................................................................ 36
2.6.1 Generalidades ........................................................................................................... 36
2.6.2 Beacon Power ............................................................................................................ 37
2.6.3 Tribology Systems Inc. ............................................................................................... 38
2.6.4 Velkess Flywheel ....................................................................................................... 40
2.6.5 Amber Kinetics .......................................................................................................... 40
2.6.6 Active Power & VYCON energy ................................................................................. 41
2.6.7 Vycon Energy ............................................................................................................. 42
2.6.8 Ventajas y desventajas de la tecnología cinética ...................................................... 43
Capítulo 3: Metodología y desarrollo del proyecto. ......................................................................... 47
Capítulo 4: Resultados obtenidos. .................................................................................................... 53
Capítulo 5: Conclusiones y recomendaciones. .................................................................................. 56
Bibliografía ........................................................................................................................................ 58
Anexos. .............................................................................................................................................. 61
XI
Lista de figuras.
Figura 1.4.1 Organigrama LiCore AC. ........................................................................................ 18
Figura 2.1.1. Motor Corliss Centennial ........................................................................................ 21
Figura 2.1.2. Girobus en una estación de recarga en Kinshasa ............................................. 22
Figura 2.3.1. Curva de madurez de las tecnologías. ................................................................ 25
Figura 2.3.2. Tecnologías de almacenamiento de energía, Potencia vs Capacidad de
descarga en tiempo. ....................................................................................................................... 26
Figura 2.3.3. Partes de un volante de inercia. ........................................................................... 28
Figura 2.4.1. UPS rotativo a diésel con Flywheel ...................................................................... 33
Figura 2.4.2. Volante de inercia de la mina de carbón Usibelli Foto: Western Mining
Electrical Association. .................................................................................................................... 34
Figura 2.4.3. Flywheel Audi R8 Quattro. ..................................................................................... 35
Figura 2.4.4. Rueda de acción del transbordador Discovery. ................................................. 35
Figura 2.5.1. Beacon Power 20mW, New York. ........................................................................ 37
Figura 2.5.2. Flywheel desarrollado por Tribology Systems Inc. ............................................ 39
Figura 2.5.3. Volante de inercia Velkess utilizado en telecomunicaciones. .......................... 40
Figura 2.5.4. Flywheel Amber Kinectics, a la derecha la red CAISO. .................................... 41
Figura 2.5.5. Componentes del Flywheel VYCON. ................................................................... 43
Figura 2.5.6. Costo por unidad de potencia vs costo por unidad de energía ....................... 44
Figura 3.1.1. Motor de reluctancia variable utilizado. ............................................................... 47
Figura 3.1.2. Rodamiento INA GS81110, utilizado en el diseño............................................. 48
Figura 3.1.3. Prototipo Flywheel. ................................................................................................. 48
Figura 3.1.4. Circuito básico del volante de inercia. ................................................................. 52
Figura 4.1.1. Gráficos de comportamiento de la máquina eléctrica, Voltaje, Angulo y señal de
control. .............................................................................................................................................. 54
Figura 4.1.2 Simulación del motor de reluctancia funcionando como generador, a) flujo, b)
corriente, c) torque, d) velocidad...................................................................................................... 55
Lista de tablas
Tabla 2.1. Características de los volantes de inercia según su clasificación de velocidad.27
Tabla 2.2. Características de las maquinas eléctricas. ............................................................ 29
Tabla 2.3. Coste por energía y demanda de cada tecnología de almacenamiento. ........... 44
Tabla 4.1. Características del volante diseñado ........................................................................ 53
Introducción.
En la actualidad los sistemas de generación de energía se han vuelto un foco de
atención para los investigadores y personas afines al tema energético, debido al
incremento de la población en las últimas décadas. Lo cual ha provocado que la
demanda de energía alcance a la oferta de la misma, teniendo algunos problemas
con la calidad de energía lo que se resume en una mayor explotación de los
recursos para generación de diferentes productos, no solo la energía en sí. Sin
embargo, se han ido implementando diferentes métodos para mitigar el impacto
climático que pueda demandar la sobre explotación de estos recursos, ya sean
leyes, bonos de carbono, o la investigación y desarrollo de nuevas y mejores
tecnologías para control, distribución y generación de la energía. Las recientes
investigaciones arrogan resultados que resaltan la importancia que ocupa el
almacenamiento y control de la energía, pues teniendo estos dos factores, se
puede lograr una estabilidad en las redes y así cubrir con mayor calidad la
demanda. Es por ello que este estudio tiene como objetivo proporcionar
información detallada sobre los almacenadores cinéticos de energía o Volantes de
inercia y determinar así su viabilidad según sus aplicaciones. Se hablara sobre sus
costos de generación y se tomara de referencia a algunas empresas dedicadas a
la implementación de volantes para diferentes motivos. La mayoría de estas
empresas lo utilizan para mejora o soporte de las redes, es decir, calidad
energética.
Alcance.
Este estudio tiene el propósito de exponer las ventajas de la implementación de
las tecnologías de almacenamiento cinético y presentar a detalle cada
característica de la tecnología, ventajas y desventajas, costos por energía, y
14
distintas aplicaciones, de este modo dar a conocer las limitantes que se puedan
presentar en cualquier aspecto de la misma.
15
16
Capítulo 1: Marco contextual
1.1 La empresa.
El siguiente estudio fue evaluado y supervisado por el laboratorio de investigación en control
reconfigurable (LiCore A.C) en la ciudad de Santiago de Querétaro, Querétaro.
1.1.1 Descripción general.
LiCore A.C es una Organización Civil no lucrativa dedicada a impulsar el
Desarrollo, Investigación e Innovación (I+D+i) de nuevos sistemas electrónicos
para incrementar la eficiencia energética, contribuir en la preservación del medio
ambiente y mitigar los efectos del cambio climático; Dicha contribución se realiza a
través de programas de investigación, educación y capacitación que colaboren en
resolver los problemas de instituciones académicas nacionales y extranjeras
(universidades, institutos, tecnológicos y centros de investigación), instituciones
federales, estatales, municipales y paraestatales, así como empresas privadas,
relacionados con la falta o actualización de esta tecnología.
Lu herramienta principal de programación es la tecnología FPGA (Field
programable gate array) con aplicaciones en las siguientes áreas:
Pi-Core Bio-Core TI-Core
Control, potencia y
distribución de energía
eléctrica.
Automatización de
invernaderos, riego
automatizado y medición
de variables ambientales.
Tecnologías de la
información, aplicaciones
para dispositivos móviles
y monitoreo web.
1.1 Misión.
Impulsar el desarrollo tecnológico de México con el fin de posicionarlo en el
mercado de productos y procesos de alto valor agregado e innovación tecnológica.
17
1.2 Visión
Ser una asociación líder a nivel nacional, que promueva la excelencia en
investigación y el desarrollo tecnológico dentro del área de los dispositivos lógicos
programables.
1.3 Valores
Compromiso social: En LICORE A.C tenemos el compromiso de enfocar
nuestros esfuerzos en fomentar la investigación y el desarrollo tecnológico, para
posicionar al país dentro del ámbito tecnológico internacional.
Trabajo en equipo: Unimos conocimiento, fuerza y talento para cumplir con los
objetivos de la Organización, dirigiéndonos siempre con respeto y honestidad.
Auto superación: Los pilares principales del proyecto LiCORE son la dedicación
y el esfuerzo que aportamos cada uno de los integrantes.
Responsabilidad: Conociendo los alcances que tiene la tecnología en la
actualidad y teniendo la capacidad para desarrollarla, somos conscientes de que
nuestro esfuerzo deberá ser aplicado únicamente en proyectos que eleven la
misión de la Organización. Nunca representará para nosotros una opción el
desarrollo de proyectos, cuyo fin traiga consigo el deterioro del medio ambiente o
represente algún daño directo a la sociedad.
18
1.4 Organigrama.
Figura 1.4.1 Organigrama LiCore AC.
El área asignada para trabajar en la investigación del sistema de almacenamiento
de energía, fue el laboratorio de electrónica de potencia a cargo del M. en I. Jorge
Moreno. Ahí se realizan trabajos diversos enfocados a la electrónica que van
desde la manufactura de tarjetas programables hasta el desarrollo de dispositivos
electrónicos para control, además de investigación en una amplia gama de
proyectos en energía y electrónica de potencia.
1.5 Planteamiento del problema.
La generación de energía eléctrica tiene ciertos factores importantes que hay que
cuidar en materia de calidad de energía, los cuales dependen según su método de
generación o tipo de energía a utilizar, es decir, la eficiencia de generación en una
termoeléctrica dependerá de la calidad de su combustible, en una hidroeléctrica
del nivel del agua almacenada, etc.. Sin embargo, en la mayoría de los sistemas
de generación renovable se tiene cierta variación de frecuencia pues el recurso
que se utiliza para generación no siempre es constante, sobre todo el viento.
Consejo
directivo
Voluntarios
Consejo de
asesores
Administración Gestión
tecnológica
I + D + I
Pi-Core
Bio-Core
Ti-Core
Laboratorio
Biblioteca
OTT
Comunicación
y RR PP.
19
Entonces, ¿Que podría pasar si no se regulan estas variaciones? ¿Cómo podría
ser más eficiente la generación de las energías renovables?
1.6 Justificación.
Los sistemas de generación de energía son difíciles de operar ya que la oferta y la
demanda deben ser balanceadas con precisión en todo momento. Como
resultado, los sistemas de energía siempre han tenido que ser flexibles.
El almacenamiento de la electricidad es un proceso de tres pasos que consiste en
retirar electricidad de la red, almacenarla y devolverla a su primera etapa. Se
compone de dos dimensiones: la capacidad de potencia de la carga y las fases de
descarga; y la capacidad de energía de la fase de almacenamiento. Como
consecuencia, almacenamiento de electricidad tiene usos muy diferentes,
dependiendo de la combinación de la potencia de descarga y el tiempo de un
dispositivo, su ubicación dentro de la red y su tiempo de respuesta [1].
Acumuladores de energía electromecánicos presentan cualidades muy atractivas
para estimular el uso de dispositivos de almacenamiento de alto rendimiento
dentro de un contexto de la producción descentralizada de energía eléctrica
híbrida y, especialmente cuando se basa en sistemas fotovoltaicos o generadores
eólicos.
Es por ello que se propone un sistema de almacenamiento mecánico que da
solución a este problema de calidad de energía, así como a otros problemas de
alimentación de energía y ofrece soluciones en la automoción y otras aplicaciones
electromecánicas.
20
1.7 Objetivos.
1.7.1 Objetivo general.
Desarrollar un estudio sobre de los sistemas mecánicos de almacenamiento de
energía que permita demostrar su viabilidad y desarrollar un diseño de un volante
de inercia.
1.7.2 Objetivos específicos.
Realizar un estudio técnico y comparar los diferentes tipos de volantes de
almacenamiento;
Diseñar un prototipo de volante de inercia para pruebas posteriores de
laboratorio;
Realizar estudio de mercado, resaltar los principales proveedores e
instalaciones y aplicaciones en distintos países.
21
Capítulo 2: Marco teórico
2.1 Antecedentes
Los antecedentes de cualquier desarrollo de tecnología o trabajo de investigación
nos dan una visión clara del tiempo, madurez y evolución de una tecnología en
desarrollo, así como sus primeras aplicaciones. En el siguiente apartado se
presenta de manera cronológica las diferentes aplicaciones y se destaca como
han ido evolucionando los sistemas cinéticos tanto en eficiencia como en tamaño.
Llegando hasta los sistemas más complejos de hoy en día, implementados en
sistemas de energía renovable.
2.1.1 1800: Primer volante de inercia en máquina de vapor.
Las máquinas que emplean volantes de inercia han sido modificadas en las
épocas modernas, sin embargo, los masivos motores de vapor estacionario a
finales de 1800, tales como el motor Centenario mostrado en la Figura 2.1.1,
produjeron en su entonces aproximadamente 1,04 MW, con más de 12 m de
altura, y 9 m de diámetro [1].
Figura 2.1.1. Motor Corliss Centennial
Mientras que los volantes modernos funcionan a una velocidad superficial de 500
m/s o más, volantes en las máquinas de vapor estacionarias rara vez corrían a
una velocidad de superficie superior a 20 m/s. En consecuencia, con 50 toneladas,
el volante de la era industrial almacenaría solo 5 kWh. En comparación con un
22
volante moderno de hoy en día que para la estabilización de la red eléctrica pesa
alrededor de 1 tonelada y almacena más de 25 kWh de energía utilizable [2].
2.1.2 1909: giro buses
La primera aplicación en el mundo de la automoción fue el de los girobuses. Los
girobuses son autobuses con motor eléctrico en el que la batería era un pesado
volante de inercia.
Figura 2.1.2. Girobus en una estación de recarga en Kinshasa
El principio de funcionamiento fue puesto a punto por August Scherl en Berlín ya
durante el año 1909 aunque en tal época el auge de los motores de explosión hizo
despreciar al nuevo invento [3].
2.1.3 1950: Primer Autobús eléctrico.
En 1950 se construye en Suiza el primer prototipo de autobús eléctrico con batería
inercial. La batería de este prototipo eran acumuladores de energía, estas baterías
primigenias eran una rueda pesada que alcanzaba hasta 3000 rpm.
Como el eje está conectado con el rotor de un generador de corriente, esta
corriente se utilizaba para poner en marcha el motor del vehículo eléctrico. Al
contrario que con las baterías, el volante adquiere su velocidad en poco tiempo,
estando listo para seguir su viaje en escasos minutos [3].
2.1.4 1956: Retirados parcialmente del mercado, “poco rentables”.
En 1956 la importante ciudad belga de Gante estableció una prolongada línea de
girobuses que comunica el sur de la ciudad con las poblaciones de Zwjnaarde y
23
Merelbeke. El motivo del abandono de esta tecnología fue que se consideraron
poco rentables por la empresa operadora, declarando que “pasaban más tiempo
fuera de las carreteras que en ellas” y que su peso dañaba el pavimento. Otra de
las razones fue que el consumo eléctrico era superior al sistema de tranvías,
consumían entre 2.0 y 2.4 kWh/km [4].
2.1.5 1993: Primer Vehículo hibrido.
En 1993 se diseña y construye el primer prototipo de vehículo hibrido ligero con
batería inercial, suponiendo un avance importante en el mundo de la automoción.
Poco tiempo después se instaló otra línea de girobuses en Leopoldville cuando
existía aún el llamado Congo Belga, usándose girobuses de 10,4 metros de
longitud, con 90 plazas de capacidad y 10,9 toneladas de peso total [3].
La electricidad se generaba con un turbogenerador y esta se almacenaba en una
batería inercial, un motor eléctrico en cada rueda trasera generaba el movimiento
en fases de aceleración y recuperaba energía durante las frenadas. De todos los
componentes usados, hay dos que a pesar de sus beneficios, aun no son
utilizados de manera habitual: turbogenerador y batería inercial.
2.1.6 Actualidad: Aplicaciones en la energía renovable.
En 2003 se instaló en la isla de Fuji (Japón) un sistema de 200 kW en
combinación con tres aerogeneradores de 600 kW cada uno [5]. La misión de
estos volantes de inercia es estabilizar la frecuencia y capturar la energía de las
ráfagas cortas de viento.
Beacon Energy con sede en Massachusetts Tyngsboro, empezó a construir en
Stephentown, Nueva York, lo que se promociona como la primera planta de 20
MW para regulación de frecuencia, construida en 2010 [5].
La regulación de frecuencia es un componente esencial de una red inteligente,
siendo el objetivo principal la eficiencia. Se realiza mediante el mantenimiento de
un equilibrio ajustado entre la oferta y la demanda de electricidad. La planta de
Beacon proporcionará regulación de frecuencia mediante la absorción y el
24
almacenamiento de electricidad de la red cuando esta se supere, enviando
energía a la red cuando no hay suficiente energía para satisfacer la demanda.
2.2 Fundamentación teórica.
El desarrollo de nuevas tecnologías para la generación, gestión y almacenamiento
de la energía se han implementado desde tiempo atrás, sin embargo, los nuevos
logros tecnológicos han provocado que las antiguas tecnologías como lo son la
eólica, biomasa, termo-solar entre otras, vayan tornándose más complejas y a la
vez más eficientes, incluso se han descubierto nuevas formas para ello y se han
creado otras tecnologías.
2.3 Almacenamiento energético.
La función del almacenamiento energético es mejorar la eficiencia del sistema
eléctrico además de actuar como herramienta al servicio de la operación del
sistema, evitando vertidos indeseados de energía en periodos valle, y al mismo
tiempo aportara más seguridad al sistema eléctrico.
2.3.1 Tecnologías de almacenamiento de energía.
La generación, transportación y transformación de la energía eléctrica se realiza
con cierta facilidad comparando su almacenamiento masivo. Sin embargo aun
siendo un gran reto, existen diversos métodos de almacenamiento de energía a lo
largo de la cadena de suministro [5]:
A gran escala (GW): hidroeléctrica reversible (bombeo), almacenamiento
térmico.
Almacenamiento en redes (MW): pilas y baterías; condensadores y
superconductores; volantes de inercia.
A nivel de usuario final (kW): baterías, superconductores, volantes de
inercia.
La siguiente figura (2.3.1) muestra muy variados niveles de madurez de las
diferentes tecnologías de almacenamiento contra su costo de desarrollo y riesgos.
25
Figura 2.3.1. Curva de madurez de las tecnologías.
El área azul muestra que la tecnología de volantes de inercia aún se encuentran
en fase de desarrollo, por lo que se espera una mejora en sus características a
mediano plazo y también es posible encontrarlos de manera comercial. En la
figura 2.3.2, se aprecia la clasificación de potencia del sistema contra su tiempo de
carga y descarga.
En el caso de la figura 2.3.2, la tecnología de mayor capacidad de descarga son
las celdas de hidrogeno, sin embargo, su producción es muy costosa y su
eficiencia por el orden del 30-45% lo que no lo hace una tecnología factible
actualmente, a lo que corresponde a los volantes de inercia, se puede notar dos
tipos, de larga duración y de alta potencia, el primero con duración de casi un día y
el segundo con potencia de hasta 10mW, ambos tienen diferentes razones de ser,
es decir, diferente aplicación. Es por ello que nos enfocaremos al estudio de esta
tecnología a lo largo del estudio.
26
Figura 2.3.2. Tecnologías de almacenamiento de energía, Potencia vs Capacidad de descarga en tiempo.
2.3.2 Volantes de Inercia.
En vez de utilizar energía mecánica potencial podemos recurrir a la energía
cinética, almacenando el movimiento en forma de velocidad de giro. Los sistemas
de almacenamiento cinético o volantes de inercias, podrían proporcionar una
solución para mejorar tanto la calidad de energía como la seguridad del sistema
sea cual sea su nivelación de carga o carga máxima.
La mayoría de estos sistemas consisten en una masa cilíndrica rotativa que es
soportada en un estator mediante cojinetes en levitación magnética que eliminan
el desgaste de los cojinetes e incrementan la vida del sistema [7].
Con el fin de mantener la eficiencia, el sistema de los volantes de inercia funciona
en un entorno de vacío que permite reducir la resistencia aerodinámica. El volante
de inercia se conecta a un motor-generador montado sobre el estator que, a través
de la electrónica de potencia, interacciona con la red eléctrica.
27
2.3.3 Clasificación de almacenadores de energía mecánicos:
Dentro de los almacenamientos energéticos mecánicos podemos encontrar varios
tipos de los mismos, que se diferencian básicamente por su construcción (basados
en componentes mecánico-eléctricos o solamente mecánicos) o por su
funcionamiento, a altas o bajas velocidades, siendo por tanto sus diseños
diferentes para optimizar el funcionamiento.
Tabla 2.1. Características de los volantes de inercia según su clasificación de
velocidad.
Velocidades Bajas Velocidades Altas
Rango de velocidad. <10.000 rpm >10.000-60.000 rpm
Material del volante de
inercia.
Metales. Materiales compuestos.
Tipo de maquina
eléctrica.
Asíncrona, de imanes
permanentes y de
reluctancia.
De imanes permanentes
y de reluctancia.
Integración del volante y
la maquina eléctrica
Sin integración o con
integración parcial.
Integración total o parcial.
Eficiencia
Atmosfera de
confinamiento
Vacío parcial o gas
ligero.
Vacío total.
Peso de la carcasa 2 x peso del volante de
inercia
½ x peso del volante de
inercia
Tipo de rodamientos Mecánicos o mixtos
(mecánicos o
magnéticos)
Magnéticos
Principales aplicaciones Aplicaciones
estacionarias: Calidad de
la energía.
Aplicaciones móviles:
Tracción e industria
aeroespacial.
Costo promedio 27US$/kW 42US$/kW
28
2.3.4 Partes que componen un acumulador cinético.
El volante incorporara un motor-generador eléctrico propio, conectado al exterior
únicamente por cables eléctricos igual que una batería eléctrica. Su principal
ventaja es la versatilidad porque se adapta fácilmente a cualquier necesidad
energética mediante un adecuado control electrónico. Físicamente está formado
por cinco elementos básicos, figura 2.3.3: (1) el rotor, (2) rodamientos, (3) el
motor-generador, (4) base (5) el sistema de control.
Figura 2.3.3. Partes de un volante de inercia.
1. El rotor es el elemento al que se le aplica la inercia, es decir, donde se
almacena la energía. Puede presentarse como masa cilíndrica o disco.
2. Los cojinetes de giro o rodamientos suelen soportar alta velocidad. En
modelos más sofisticados se montan cojinetes de levitación magnética que
eliminan las pérdidas por rozamiento. Logrando así una mayor eficiencia y
duración del ciclo, alargando su vida útil.
3. El motor eléctrico generalmente es de paso a paso, debido a su cualidad de
convertir la energía eléctrica a cinética y viceversa. Gira solidario al rotor y
puede estar situado en paralelo con el disco, o concéntrico a la masa
29
circular. Las bobinas estatóricas se pueden situar sobre el eje central fijo y
las rotóricas en el interior de la masa cilíndrica.
4. El conjunto está sentado sobre una estructura de hierro, sin embargo, en
casos más complejos se efectúa el vacío para eliminar el rozamiento
aerodinámico.
5. Además de las partes mecánicas, incorpora un equipo de control de la
potencia que gestiona el flujo de energía variando la velocidad de entrada y
otras variables.
2.3.5 Comparativo de la máquina eléctrica.
Las maquinas AC son las más usadas como unidades motor/generador en los
volantes de inercia. En la siguiente tabla se presentan las características de las
maquinas eléctricas utilizadas (las cifras son aproximadas):
Tabla 2.2. Características de las maquinas eléctricas.
Maquina Asíncrona Reluctancia
Variable
Imanes
Permanentes
Potencia Alta Media y baja Media y baja
Potencia especifica Media ( 0,7
kW/kg)
Media ( 0,7
kW/kg)
Alta ( 12 kW/kg)
Perdidas en el rotor Hierro y cobre Hierro debido a las
ranuras
Ninguna
Perdidas rodantes Eliminables
anulando el flujo
Eliminables
anulando el flujo
No eliminables,
flujo estático
Eficiencia Alta (93.4%) Alta (93%) Muy alta (95.2%)
Tamaño 1,81 l/kW 2,61 l/kW 2,31 l/kW
Velocidad máxima /
base
Media
(>3000RPM)
Alta(>4000RPM) Baja
(<2000RPM)
Riesgo de
desmagnetización
No No Si
30
Precio Bajo (24US$/kW) Bajo (26US$/kW) Alto (42US$/kW)
Las maquinas asíncronas se emplean principalmente para aplicaciones de
almacenamiento de energía mecánica por su construcción robusta, elevado par y
bajo coste. Debido a las pérdidas del cobre en el rotor, estas máquinas no son
adecuadas para su utilización en confinamientos al vacío en los que resulta difícil
evacuar el calor. Para potencias muy elevadas la utilización de la maquina
asíncrona de rotor bobinado es ventajosa ya que la electrónica de potencia
asociada se dimensiona solo entre un quinto y un séptimo de la potencia total [9].
2.4 Aplicaciones.
La tecnología de almacenamiento cinético es utilizada para dar seguridad a la red,
eliminando puntas de consumo, estabilizando las fluctuaciones de energía
provocadas por los sistemas de generación renovable, además de otras
aplicaciones como aceleración y frenado regenerativo en el transporte y
automoción.
2.4.1 Regulación de frecuencia
Una gran red eléctrica debe operar a una frecuencia casi constante para que los
generadores permanezcan sincronizados. Cuando la cantidad de electricidad
consumida cambia, la salida del generador debe controlarse para mantener la
carga. Por ejemplo, si la carga aumenta más rápido de lo que el generador o
turbina puede responder, el generador se relentiza momentáneamente, operando
a una frecuencia más baja. Si los cambios de carga son suficientemente graves, o
si un gran activo de generación se coloca fuera de línea súbitamente, los otros
generadores podrían desfasarse y provocar un apagón de luz. La regulación de
frecuencia es proporcionada por los generadores como un servicio auxiliar para
mejorar la estabilidad de la red [1].
Con el fin de proporcionar este servicio de manera efectiva, la central debe ser
capaz de controlar los picos rápidamente, en respuesta a una señal de control del
operador de la red que puede cambiar cada pocos segundos o menos. Los
31
volantes son ideales para esta aplicación, ya que son capaces de dar tiempos de
respuesta de milisegundos y ciclos casi constante.
La comercialización de almacenamiento de energía para la regulación de
frecuencia se realiza a través de la construcción de una planta de almacenamiento
de energía. La planta es normalmente propiedad de una entidad privada en el
lugar de la utilidad y se instala normalmente en una subestación existente para
facilitar la interconexión. Una vez en funcionamiento, la entidad privada vende
servicios de regulación de frecuencia al operador de la red [2].
2.4.2 Suavizado de rampa de recursos renovables.
Para las grandes redes, el impacto de las variaciones en la carga y la generación
se gestiona a través de la regulación de frecuencia. Islas y redes aisladas son aún
más susceptibles a la inestabilidad. Aquí el problema se manifiesta como rampa
excesiva de la salida de los generadores convencionales que se utilizan en
conjunción con fuentes de energía renovables.
El aumento gradual de la potencia en los activos de generación convencionales
resulta de bajo rendimiento, de alto funcionamiento y altos costes de
mantenimiento. Esto se hace más problemático con la implementación de las
energías renovables, el impacto en la red se hace cada vez más difícil de manejar
sin almacenamiento [10]. Algunas islas muy grandes se dirigen a la
implementación eólica superior a 40% en una base de la capacidad de
almacenamiento, la cual es un área de oportunidad para la aplicación de los
volantes [11].
Las fluctuaciones de la energía producida por el viento y la energía solar varían
considerablemente en frecuencia, severidad y duración. Las variaciones en la
energía solar son generalmente gradual y se producen en el transcurso de un día.
El viento, por el contrario, puede tener variaciones frecuentes de ± 20% que dura
menos de dos minutos. Los volantes son especialmente adecuados para suavizar
las frecuentes variaciones de corta duración de la electricidad generada a partir
del viento [1].
32
2.4.3 Fuentes de alimentación ininterrumpida (UPS).
Los sistemas de volante son también comúnmente usados para proporcionar
energía eléctrica de respaldo temporal. El propósito del volante en esta aplicación
es soportar la carga de una instalación o sistema crítico durante un corte de
energía hasta que los generadores diésel de respaldo puedan restablecerse a la
velocidad de sincronía.
Los volantes compiten directamente con las baterías y ofrecen las ventajas de una
vida útil mucho más larga y evitan la necesidad de reemplazar periódicamente y
reciclar como las baterías. En este sentido los volantes se implementan en una de
dos maneras:
Cuando se utiliza un dispositivo de almacenamiento de energía
independiente, el sistema se conoce como un UPS de volante.
El volante proporciona energía eléctrica a un bus de CC y un inversor
convierte esta en electricidad de CA para alimentar la carga. En esta
aplicación, el volante de inercia reemplaza o aumenta una batería.
El tiempo típico de descarga es casi siempre de diez de segundos [8]. Los rotores
en sistemas UPS de volante generalmente giran alrededor de un eje vertical en
vacío o presión reducida. La potencia del generador puede estar disponible en tan
sólo 3s después de que comience un corte de luz.
En Europa, donde los UPS rotativos híbridos funcionan con un motor diésel y la
tecnología de volante de inercia (figura 2.4.1) están bien establecidos, la mitad de
todas las nuevas instalaciones de UPS que están clasificados en más de 1 MW. El
mercado mundial de sistemas de UPS es del orden US$8B - US$ 10B por año.
Los sistemas rotativos representan alrededor del 5% del total del mercado de
UPS. Sin embargo, cuando se consideran sólo los sistemas de gran tamaño (>
2MW), los UPS rotativos abarcan el 35% del mercado [14].
33
Figura 2.4.1. UPS rotativo a diésel con Flywheel
2.4.4 Transporte
En este tipo de aplicaciones los volantes captan energía recuperada a través de
frenado regenerativo y utiliza esta energía para acelerar el tren, ya que deja su
parada. Esto permite a los trenes más pesados y más largos sin aumentar la
capacidad de línea de transmisión o distribución.
A nivel mundial, más de 190 sistemas de metro operan aproximadamente 9 477
estaciones y más de 11 800 km de pista. El uso de almacenamiento de energía
para recuperar la energía perdida en el frenado tiene el potencial de reducir el
consumo de electricidad del carril del metro en el orden del 10%, el logro de un
ahorro de costes de energía es de US$ 90 000 por estación. Cuando se instala en
regiones en las que la estructura arancelaria incluye cargos por demanda, el
ahorro adicional es de hasta US$ 250,000 por estación por año son alcanzables
por lo que resultó ser una solución eficaz para su aplicación en carril del metro
[12].
2.4.5 Minería
Los volantes tienen potencial de aplicación en la minería. Minas a cielo abierto de
todo el mundo utilizan dragas de propulsión eléctrica para excavar material. El
perfil de carga de una draga es cíclico, altamente no uniforme, y produce
34
electricidad que generalmente se pierde. La reducción de la carga en un medio de
transporte se regenera hasta 3 MW.
Figura 2.4.2. Volante de inercia de la mina de carbón Usibelli Foto: Western Mining Electrical
Association.
Como caso particular, la mina de carbón en Usibelli Healy, Alaska, opera una red
de arrastre 6 MW que es totalmente eléctrico y que está conectado a la red
Asociación Golden Valley Electric (GVEA). El impacto de la carga fluctuante fue
tan grave que la operación dragas de propulsión eléctrica de rutina causó que las
luces de otros clientes de GVEA parpadeen. Desde 1982 la mina Usibelli ha
operado un volante para suavizar la carga elaborada por la red de arrastre. El
volante de inercia de 40 t consta de tres placas de acero, con 8 ft de diámetro y 1
ft espesor, está conectado a la red GVEA en paralelo con la red de arrastre,
mitigando así con éxito el problema [13].
2.4.6 Motorsport
Desde finales del 2000 los sistemas híbridos de propulsión han impulsado los
coches en el automovilismo de primer nivel en Fórmula 1, seguido de la clase más
alta de las carreras la WEC (Campeonato del Mundo de Resistencia): la serie de
LMP1 de Le Mans. Los sistemas de propulsión híbridos mejoran la eficiencia del
combustible reduciendo el número de paradas en boxes necesarios para
completar 24 horas de carrera que cubre aproximadamente 5000 kilómetros.
35
Volantes WHP se utilizaron con éxito en el Audi R18 e-tron LMP1s que ganaron en
Le Mans en 2012, 2013 y 2014 [15].
Figura 2.4.3. Flywheel Audi R8 Quattro.
2.4.7 Naves espaciales
A lo largo de la historia de los vuelos espaciales, distintos volantes de inercia se
han utilizado para estabilizar todo tipo de naves. Estos volantes de inercia se
implementan como giroscopio de control de momento (Control Moment Gyros,
CMGs) o ruedas de acción.
Figura 2.4.4. Rueda de acción del transbordador Discovery.
Una rueda de acción puede tener una velocidad de centrifugado fijo nominal o una
velocidad de centrifugado nominal de cero. Cuando se aplica par a la rueda, el
36
momento opuesto gira la nave espacial. Las ruedas de acción son útiles cuando la
nave espacial debe ser girada en un ángulo muy específico, por ejemplo cuando
apunta a una estrella o cualquier otro destino. Las ruedas de acción son más
comunes en las naves espaciales más pequeñas. Por el contrario, CMGs crea
continuamente movimiento giroscópico. Montado en cardanes motorizados, la
inclinación del eje de rotación de la CMG con respecto al marco de inercia de la
nave espacial puede producir par de dirección grande con muy poca energía.
CMGs se encuentran en las naves espaciales de todos los tamaños, incluyendo la
Estación Espacial Internacional.
Para cualquiera de las ruedas de acción o girondinos, el uso de una rueda de
inercia desplaza la carga de control de actitud de propelente limitada a la energía
solar inagotable. Miles de ruedas inerciales han volado y existe una industria
madura [16].
2.5 El mercado.
2.6.1 Generalidades
La economía del almacenamiento de electricidad es difícil de evaluar, ya que está
influenciada por una amplia gama de factores: el tipo de tecnología de
almacenamiento, los requisitos de cada aplicación y el sistema en el que se
encuentra la instalación de almacenamiento.
La inversión inicial en una instalación de almacenamiento consta de dos
componentes principales: un costo por unidad de potencia (US$ / kW) y un costo
por unidad de energía (US$ / kWh). Estos costos varían significativamente según
la tecnología que se despliega. Los volantes de inercia y súper-condensadores se
caracterizan por ser los de bajo costo de capital del orden de los US$ 200- US$
400 / kW, sin embargo, a pesar de los bajos costos de capital, exige alta inversión
en capacidad de energía. Por el contrario el almacenamiento de energía de aire
comprimido tiene costos relativamente altos de capital por unidad de potencia de
US$400 a US$800 por kW, pero es considerablemente más barato por unidad de
37
energía. La combinación de potencia y capacidad de energía es crucial en la
evaluación de la competitividad de las diferentes tecnologías [6]. Los principales
fabricantes de volantes incluyen Beacon Power, Tribology Systems Inc. (TSI),
Velkess Flywheels y Amber Kinetics, con cerca de la mitad de los fabricantes que
utilizan rotores de acero, lo que es apropiado para aplicaciones de calidad de bajo
consumo de energía [17].
2.6.2 Beacon Power
Entre los fabricantes actuales, Beacon Power ha desarrollado volantes que
pueden proporcionar 25 kWh a una potencia de 100 kW, y actualmente está
desarrollando módulos de 100 kW / 100 kWh. Utilizando dichos módulos que se
están desarrollando se podrá proporcionar 20 MW de potencia y energía de 5
MWh, el objetivo de los sistemas de montaje es obtener capacidades de 100
MWh.
Figura 2.5.1. Beacon Power 20mW, New York.
Beacon Power firmó un contrato con la Autoridad de Investigación y Desarrollo de
Energía del Estado de Nueva York (NYSERDA) para la financiación parcial de su
planta de regulación de frecuencia 5MWh/20 MW en Stephentown, Nueva York
[2]. La planta consta de 25 volantes (100 kW, 25 kWh), con un coste total estimado
de US$ 25 millones, de los cuales se estimó US$ 5 millones a ser el costo de
instalación [4]. Esto corresponde a US$ 1.000 / kW para el sistema excluyendo los
costos de instalación. El volante es un sistema con un convertidor DC-DC paso a
38
paso de 480V en DC, seguido por un inversor bidireccional y un transformador
para la conversión a 115 kV AC. Esto se resume en un aumento significativo de
US$ 10 - US$ 12 millones de lo reportado anteriormente [4].
En términos de pérdidas, con base en las pruebas de módulos de 100 kW en las
redes de los operadores de sistemas independientes en California y Nueva York
(CAISO y NYISO, respectivamente), las pérdidas totales fueron de 7.09 por ciento
por año, con un 7 por ciento correspondiente a las pérdidas de eficiencia y 0,09
por ciento en pérdidas en standby. Por su módulo 25-kWh/100 kW, toda la energía
se puede utilizar, debido a la sobredimensión su diseño de capacidad de
almacenamiento a 40 kWh [4].
2.6.3 Tribology Systems Inc.
El volante desarrollado por Tribology Systems Inc. (TSI), utiliza un motor de alta
velocidad de imán permanente. Para este módulo, la eficiencia del sistema de ida
y vuelta fue de 85%, con 13% de pérdidas. Los sistemas de 40 kWh funcionando a
potencia de pico 25 kW y la potencia 4 kW continua, tienen cojinetes de cerámica,
con una pérdida de energía estimada de <0,03 % por hora, lo que permite a los
volantes de inercia operan sin alimentación adicional durante más de 4 meses
[18].
39
Figura 2.5.2. Flywheel desarrollado por Tribology Systems Inc.
El costo estimado para un sistema de volantes de 250 kWh de TSI fue de US$
200/kWh, y de US$ 165/kWh para un sistema de 1 MWh, con el costo incluye el
costo del motor/generador para cargar y descargar el volante. Estas estimaciones
se basan en los precios actuales de fibra de carbono, y son principalmente
sensibles a la energía contenida en el sistema debido a los periodos de carga y
descarga mayores a 1 h [3].
40
2.6.4 Velkess Flywheel
Figura 2.5.3. Volante de inercia Velkess utilizado en telecomunicaciones.
Velkess ha desarrollado sistemas de 10kW/80kWh dirigidas a aplicaciones de
telecomunicaciones (figura 2.12). Los volantes Velkess tienen un rotor flexible y un
imán permanente, con un coste de construcción asociada inferior. Para un sistema
con tamaño de MW/MWh, los costos se estimaron en US$ 200/kW y US$ 100/kWh
2.6.5 Amber Kinetics
Amber Kinetics presentó en 2013 un prototipo para la red CAISO , con el
desarrollo inicial de un sistema de 20kW, 5kWh, su siguiente objetivo es de 125
kWh, un sistema prototipo a escala comercial de 500 kW y un sistema conectado a
la red con nivel de MWh. Utiliza cojinetes comerciales off the-shelf y rotores de
acero de alta resistencia de bajo costo, con el objetivo de reducir el costo por
unidad energía para los rotores en un factor de 15% [19].
41
Figura 2.5.4. Flywheel Amber Kinectics, a la derecha la red CAISO.
2.6.6 Active Power & VYCON energy
Active Power y Vycon Energy se dirigen a mercados de UPS. Active Power ha
desplegado más de 2000 volantes de UPS con un generador diésel para entregar
15 segundos de paseo a través del pico de potencia y 30 segundos a 50% de la
potencia pico [6]. Mientras que el costo por kW se dice que es US$ 330/kW, este
bajo costo podría ser debido al pequeño tiempo durante el cual estos sistemas
están diseñados. Actualmente, Active Power no está participando en el mercado
de la regulación energética.
42
HD series Active Power Flywheel [20].
2.6.7 Vycon Energy
Vycon Energy ha desarrollado sistemas de volante, orientados al servicio de UPS
de 300 kW y 1,1 kWh [21]. Los sistemas de respaldo UPS de Vycon tienen
aplicaciones en los centros de datos, hospitales, estudios de televisión, centros de
juegos de casino y plantas de fabricación. Utilizando almacenamiento de energía
limpia de la tecnología patentada de Vycon Flywheel.
43
Figura 2.5.5. Componentes del Flywheel VYCON.
Otros mercados a los que actualmente Vycon se está dirigiendo es en la captura y
redireccionamiento del poder regenerativo de grúas, trenes eléctricos y autobuses.
El mercado de UPS tiene bajos requerimientos en su ciclo de vida. Sus sistemas
tienen pérdidas de reserva de 2 kW, y una eficiencia durante la operación continua
de alrededor de 97% [21].
2.6.8 Ventajas y desventajas de la tecnología cinética
La ESA (Electricity Storage Association) entrega los rangos aproximados de
costos para una serie de tecnologías de almacenamiento de energía. El costo de
la energía fue dividido por la eficiencia de almacenamiento para obtener un costo
unitario de energía útil.
Debido a que los volantes se consideran generalmente una tecnología de corta
duración, el coste por kWh es muy alto, mientras que el coste por kW es
relativamente menor.
44
Figura 2.5.6. Costo por unidad de potencia vs costo por unidad de energía
El ancho (horizontal) de cada bloque corresponde al costo de inversión por unidad
de potencia, y el alto (vertical) al costo de operación por unidad de energía.
Además, en la figura 2.5.6, existen 2 flechas que direccionan hacia qué lado del
gráfico cada tecnología es mejor. La horizontal señala hacia donde una tecnología
es mejor para UPS y aplicaciones de potencia de calidad, y la vertical para
aplicaciones de manejo de energía.
Tabla 2.3. Coste por energía y demanda de cada tecnología de almacenamiento.
Tecnología Descripción Costo de inversión
US$/kW
Costo de Operación
US$/kWh
Hidroeléctrica 700-1500 80-300
CAES 600-1000 50-100
Baterías Plomo-acido, 400-900 400-1000
45
Níquel-
Cadmio,
Sodio-Azufre,
Ion-Litio
800-1400
1000-2900
1200-5000
500-1000
420-1000
800-5000
Supercondensadores Alta potencia.
Larga
Duración
0-600
200-700
9000-10000
100-500
Almacenamiento
térmico
CSP1 2500-4000 120-180
Flywheel Alta potencia
Larga
duración
250-650
4000-1000
5000-9000
1000-6000
Celdas de Hidrogeno 3200-3500 (N/A2)
Cuantificar en dinero los beneficios que pueden aportar los sistemas de
almacenamiento de energía es muy difícil, debido a que el valor de los beneficios
varía mucho dependiendo de las características del consumidor. Las tecnologías
de almacenamiento de energía entregan muchos beneficios a toda la cadena
energética. Ya sea generación, transmisión y distribución, y consumo final.
Específicamente, los sistemas de almacenamiento son un componente clave para
la integración de altos niveles de generación de energía renovable, y esenciales
para lograr redes eléctricas inteligentes. También tienen beneficios sociales, como
reducción de emisiones o ser una herramienta para manejar la demanda.
1 Concentración de calor.
2 Es difícil de dar un costo exacto para los sistemas que utilizan hidrógeno. Esto, debido a que necesitan de
un sistema adicional para producir la hidrólisis. Para esto puede utilizar, por ejemplo energía nuclear o gas natural. Con esa energía, se deben de utilizar, como mínimo 35kWh de electricidad para producir 1kg de hidrógeno gaseoso.
46
Sus ventajas más comunes son los siguientes [23]:
Alta fiabilidad,
Facilidad de control,
Respuesta rápida,
Larga vida útil,
Bajo costo por ciclo,
Tecnología "verde",
Buen conocimiento del estado de la carga.
Se estima que los volantes pueden durar 25 años, con un ciclo de vida de 125 000
a 100% profundidad de descarga [18]. Mientras profundidad de descarga
determina típicamente el ciclo de vida de las baterías, para volantes de inercia, el
desgaste depende principalmente de la velocidad de rotación de los rotores. Por lo
tanto, el número de cargas a 100% del estado de carga se espera reduzca la vida
a un número similar de cargas a 50% [3].
En contraste, el montaje y la integración de todos estos elementos en un producto
comercialmente viable sigue siendo complejo de implementar, especialmente
teniendo en cuenta los aspectos de seguridad y de vacío involucrados. Un diseño
eficiente e integrado requiere, en efecto, reunir un estudio multidisciplinar no solo
mecánico y electromecánico.
El Dr. Mohammad Dasseh en su publicación “A Study on Maximizing the Energy
Density of a System by Choosing a Suitable Flywheel” en “Global Journal of
Technology & Optimization”, señala: “Un sistema de almacenamiento de energía
del volante puede ser pensado como una batería mecánica que almacena energía
cinética de energía...” , “...El reto es tener una velocidad angular alta, sin embargo
el no tener control de esta causará un fallo que se reproducirá rápidamente” [3], se
reconoce que al trabajar a altas potencias la energía cinética que contiene las
grandes masas de los volantes debe ser controlada pues una falla puede provocar
un colapso del sistema y puede provocar un accidente fatal.
47
Capítulo 3: Metodología y desarrollo del
proyecto. A lo largo de este estudio, se han expuesto diversos temas tanto técnicos como
económicos, a continuación se presenta el desarrollo y diseño del prototipo
elaborado en este trabajo. Se realizó un diseño de un volante de inercia, tipo masa
cilíndrica de hierro con 12cm de diámetro y 20cm de alto, la masa es soportada
por un rodamiento axial, y cuatro postes de 20cm de alto, que evitan la vibración y
brindan estabilidad al estar en funcionamiento. Se le acopla un motor de
reluctancia variable modelo H55PWBKB-1833 (figura 3.1.1), con una potencia de
250w a 120v, y una velocidad base de 1200rpm.
Figura 2.5.1. Motor de reluctancia variable utilizado.
Esta máquina eléctrica tiene la particularidad de funcionar como motor y
generador, es por ello que ha sido seleccionada para este trabajo, los motores
eléctricos de reluctancia conmutada tienen un diseño simple, pues no requieren de
un complejo rotor de imán permanente y son generalmente más robustos. Su
funcionamiento es sencillo y consta de un eje de hierro que puede girar apoyado
sobre unos rodamientos, o también los dientes de un rotor de hierro, se orientan
en un campo magnético producido gracias a una corriente eléctrica en los polos
del estator. Su tamaño y torque es ideal para su implementación en el diseño del
volante.
48
Figura 2.5.2. Rodamiento INA GS81110, utilizado en el diseño.
En base a la relación del peso del rotor cilíndrico del volante de inercia diseñado,
se seleccionó el rodamiento, se utilizaron rodamientos axiales de marca INA
modelo GS81110 (Figura 3.1.2), que permite el rodamiento de la masa cilíndrica
sobre su propio eje y soporta 177 kN de carga estática. Con un límite de velocidad
de 1500 RPM. El tipo de rodamiento afecta directamente a la eficiencia del
sistema, debido a la fricción que hay entre la masa y la base del prototipo. En un
diseño de altas prestaciones se utilizaría rodamientos de levitación magnética y la
masa estaría en un ambiente de vacío. En la figura 3.1.3 se observa el prototipo
del volante de inercia.
Figura 2.5.3. Prototipo Flywheel.
49
La energía almacenada se calcula mediante la siguiente expresión (Ec. 3.1):
(3.1)
Dónde:
E= Energía almacenada [Nm o J]
I= Momento de inercia que es función de la masa y la distancia al eje de giro
[kgm2]
ω= Velocidad angular [rad/s]
Por tanto a mayor masa ubicada a mayor distancia del centro de giro mayor será
la energía almacenada. Como la velocidad angular esta al cuadrado, la energía
almacenada será mayor cuando aumente el número de revoluciones respecto al
peso del volante, debido a que aumentara de manera exponencial respecto a la
lineal del peso. Lógicamente existen limitaciones físicas de los materiales con los
que se construyen los volantes. Debido a que los volantes pueden llegar a superar
la velocidad del sonido en su extremo, las fuerzas a las que son sometidos son
significativas, y las tensiones de rotura limitan la formula anterior, la velocidad
angular máxima se expresara como ωf, que es la velocidad a la que el material
con el cual está construido el volante, rompe. Entonces la fórmula de la energía
almacenada máxima se expresara:
(Ec. 3.2)
f dependerá tanto del material como de la construcción del mismo; El momento
de inercia ( ) esta determinado por:
50
(Ec. 3.3)
Donde m es la masa del volante y r el radio. En general, el aumento del momento
de inercia depende directamente de estas dos variables, en un objeto con simetría
radial, aumentando también la energía cinética almacenada. Otra estrategia para
aumentar el momento de inercia es aumentando la velocidad angular, esto es lo
más eficiente pues la energía cinética depende del cuadrado de la velocidad
angular (Ec. 3.1).
La máxima velocidad a la que puede operar un Flywheel está limitada por la fuerza
del material del rotor. El estrés experimentado por el rotor debe estar por debajo
del margen de seguridad. Para un disco uniforme o cilindro solido el máximo
estrés ocurre en el centro y sus valores están determinados por:
(Ec. 3.4)
Donde max es el estrés máximo, es la densidad del material del rotor y v es la
relación de Poisson del material del rotor. El estrés en un cilindro de pared
delgada de rotación viene dada por:
(Ec. 3.5)
Donde es la tensión en la dirección circunferencial. La velocidad superficial de
un Flywheel está dada por y la energía específica, o energía por unidad
de masa, de un rotor Flywheel puede ser expresado de forma simplificada como:
(Ec. 2.6)
51
Donde K es el factor forma con un valor a 0.5 para un cilindro de pared delgada y
0.25 para un disco. Los rotores de los volantes suelen estar diseñados para
funcionar a la velocidad de la superficie más alta permitida por el material del rotor.
Rotores compuestos de carbono de alto rendimiento tienen una velocidad máxima
de la superficie de operación en el rango de (500 - 1000) m/s, mientras que los
rotores de acero de alto rendimiento tienen una velocidad máxima de la superficie
de operación en el rango de (200-400) m/s [2].
La energía específica puede ser expresada también en términos de las
propiedades del material del rotor:
(Ec. 2.7)
Donde Ks es el segundo factor forma con un valor de 0.5 para un cilindro de pared
delgada y 0.606 para un disco con una relación de Poisson de 0.3. Esta ecuación
revela que un material ligero, fuerte, tal como los compuestos de carbono
almacenan considerablemente más energía por unidad de masa que un material
fuerte pesado tal como acero de alta resistencia, y que un disco almacena más
energía por unidad de masa que un cilindro hueco con la misma fuerza [2].
El circuito básico consiste en un sistema de almacenamiento de energía, la
interfaz de electrónica de potencia y un transformador serie como se muestra en la
figura 3.1.4. El sistema de almacenamiento de energía en este caso es un volante
de inercia acoplado a una máquina de inducción. La máquina de inducción se
utiliza para la conversión de energía. La interfaz electrónica de potencia consiste
en dos convertidores alimentados por voltaje conectados a través de un vínculo
común de CC. Uno conectado con la conversión de energía y el sistema de
almacenamiento, y el otro con la placa de control de energía.
52
El sistema de almacenamiento de energía del volante tiene tres modos de
funcionamiento:
• Modo de carga
• Modo de espera
• El modo de descarga
Durante el modo de carga, un convertidor interconecta la tarjeta de control de
energía y se ejecuta como un rectificador y el otro como un inversor, con la
energía transferida acelera el volante de inercia a su velocidad nominal. En este
modo, la energía se almacena en el volante de inercia en forma de energía
cinética. El flujo de energía va de la tarjeta de control de energía al volante con la
máquina de inducción como convertidor de energía.
Figura 2.5.4. Circuito básico del volante de inercia.
Una vez que el volante de inercia alcanza su velocidad de carga, el sistema pasa
a modo de espera y está listo para descargar cuando la carga crítica demande
tensión. En este modo un poco de energía de la placa de control se utiliza para
satisfacer las pérdidas del convertidor y de la máquina.
Durante el modo de descarga, los convertidores de voltaje junto con el sistema de
control otorgan el voltaje requerido en serie con la línea para corregir la caída de
tensión. El volante de inercia se ejecuta como un rectificador. El volante se
desacelera a medida que se descarga [5] .
53
Capítulo 4: Resultados obtenidos.
En base a los parámetros antes mencionados se comprobaron las ecuaciones del
apartado anterior (capitulo 3) para determinar sus características teóricas y así ir
desarrollando mejoras del prototipo.
Tabla 4.1. Características del volante diseñado
En la tabla 4.1, se pueden apreciar que el sistema de control energiza el motor
llevándolo a su máxima velocidad (1200 rpm) la masa girara por inercia hasta que
su velocidad sea reducida a 1000 rpm entonces el sistema de control energizará
nuevamente a la maquina eléctrica, completando así un ciclo de energía.
Se graficó en la herramienta simulink de mathlab el comportamiento de la maquina
eléctrica actuando como motor y generador con un control PID (figura 4.1) el cual
fue mencionado en el capítulo 3.
Ambas gráficas son del motor funcionando tanto en modo motor como generador.
Características Valores Unidad
Velocidad Angular 125 RAD/S
Radio 0.1 M
Masa 30 KG
Densidad 7870 KG/M^3
Inercia 0.3 KGM^2
Energía Almacenada 2343.75 J
Energía Max. Almacenada 3697.43 J
Máximo estrés 507.24 Mpa
Energía Por unidad de masa 78.12 J/kg
Energía Especifica 39.05 J/kg
54
Figura 2.5.1. Gráficos de comportamiento de la máquina eléctrica, Voltaje, Angulo y señal de control.
En la figura 4.1.1 la línea color cian representa el comportamiento de la maquina
cuando consume voltaje y cuando entregando desde 0 a 50 V, la línea color
purpura representa el ángulo de disparo el angulo de apagado para el
funcionamiento como generador, y la línea amarilla representa la señal de control
del sistema.
A continuación se presenta la simulación de caracterización del motor; en la figura
4.1.2 se grafican el flujo (a), la corriente (b), el torque (c) y la velocidad (d). La
corriente siempre será positiva sin importar el modo de funcionamiento debido a
que está al cuadrado, sin embargo, el torque cuando empieza a funcionar como
generador se vuelve negativo, cuando el motor alcanza las 200 RPM, el sistema
de control hace que funcione como generador.
55
a)
b)
c)
d)
Figura 2.5.2 Simulación del motor de reluctancia funcionando como generador, a) flujo, b) corriente, c) torque, d)
velocidad.
56
Capítulo 5: Conclusiones y recomendaciones.
Este estudio resalta la importancia de la implementación de los almacenadores de
energía cinética y la gran ventaja que presentan en las instalaciones de energía
renovable debido a su aplicación en regulación de frecuencia y su relevancia en
los sistemas UPS. Este proyecto solo abarco la etapa de diseño, sin embargo, la
tecnología de volantes de inercia presenta buenas expectativas de
comercialización y puede ser destinada a incursionar en los crecientes mercados
globales de redes inteligentes y energías renovables.
Los planes a futuro son realizar más pruebas al sistema y adaptarlo a un sistema
eólico para regulación de frecuencia. Otras mejoras se enfocaran al diseño
mecánico del sistema cinético para aumentar la eficiencia del sistema. El objetivo
del desarrollo de esta tecnología es su implementación en las redes inteligentes
de energía, para lograr una mejor en los sistemas de distribución eléctrica en
México.
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Anexos.
Anexo 1. Diseño de base, Hecho en solidworks 3D.
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Anexo 2. Base superior, barrenos para motor.
Anexo 3. Masa cilíndrica del volante de inercia.
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Anexo 4. Ensamblado de las todas partes del volante de inercia, Vistas en 3D
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