tecnologÍas de almacenamiento de energÍa
TRANSCRIPT
JORNADAS TECNICASZaragoza,
26 de Septiembre de 2008
TECNOLOGÍAS DE ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA
D. Ignacio Cruz, Rble. Unidad Energía Eólica. División Energías Renovables
CIEMAT
JORNADAS TECNICASZaragoza,
26 de Septiembre de 2008
INDICE
• Características de la demanda eléctrica.• Características de le energía eléctrica.• Posibles vías de mejora de la integración
eólica.• Tecnologías de almacenamiento de
energía a medio-largo plazo• Conclusiones
JORNADAS TECNICASZaragoza,
26 de Septiembre de 2008
Características de la demanda de energía eléctrica en España
• En los últimos tiempos, la demanda de energía eléctrica crece en los meses de verano.
• La demanda de energía eléctrica es siempre alta en periodos de muy baja temperatura.
• Durante el día los picos de demanda no coinciden con los picos de producción
JORNADAS TECNICASZaragoza,
26 de Septiembre de 2008
Características de la energía eólica
• Energía con potencia intermitente.• Energía fluyente, no regulable.• Falta de garantía -> requiere de reserva rodante• Falta de capacidad de respuesta inercial.• Recurso definido en la micro-escala espacial y
temporal. Dificultad de predecirlo a medio plazoespecialmente en terreno complejo
• La producción de energía eólica es baja en los meses de verano en la Península.
• La producción de energía eólica es baja en periodos de muy baja temperatura.
JORNADAS TECNICASZaragoza,
26 de Septiembre de 2008
Características del viento
MinutosVariaciones normales del viento
AnualVariación anual
MensualCiclo estacional
DiarioCambio de perfil diario de viento (largo plazo)
HorarioInversión de capas
DiarioCiclo diario
Corto plazo: segundosRáfagas de viento (turbulencia)
Escala de tiempos de la variación
Causas de la variación
JORNADAS TECNICASZaragoza,
26 de Septiembre de 2008
Por que necesita la energía eólica algún tipo de solución de almacenamiento de energía ?TRES CONTEXTOS:
Pote
ncia
Tiempo Tiempo
1. Permitiría gestionar la energía del viento (Se podría mejorar su precio de venta)
2. Elevaría la capacidad de crédito y aumentaría el nivel de penetración en el mercado (reduciría los costes de desvío)
Participación en mercado
Val
or
3. Permitiría explotar lugarescon gran potencial eólico peromuy remotos (reduciendo loscostes de transmisión)
JORNADAS TECNICASZaragoza,
26 de Septiembre de 2008
Como mejorar la integración en la red?Mediante soluciones para la gestión de la
potencia intermitente• Desarrollo de modelos precisos de predicción de la
potencia eólica.• Desarrollo de soluciones tecnológicas
de almacenamiento de energía. (Centralizado o descentralizado) – Minutos– Horas– Días– Semanas
• Gestión del lado de la demanda (A pequeña, mediana o gran escala) (Coches eléctricos, frio ???)
JORNADAS TECNICASZaragoza,
26 de Septiembre de 2008
Baterias de flujo REDOX (1000-1500 €/kW)
HidrógenoSupercondensadoresVolantes de inercia
Seg Min Horas Días
BobinasSuper
conductoras< 1 MW
1 - 50 MW
50 MW +
Capacidad dePotencia
Duración
Bombeo de agua (1000 €/kW)
AireComprimido
Baterias (600 - 1000 €/kW)
Tecnologías existentes de almacenamiento de energía
JORNADAS TECNICASZaragoza,
26 de Septiembre de 2008
Almacenamiento de energía a corto plazo?
• Volantes de inercia.• Supercondensadores.• Baterías• Bobinas superconductoras…
JORNADAS TECNICASZaragoza,
26 de Septiembre de 2008
BateríasGrandes Instalaciones con baterías de plomo-acido:
20 MW, 40 minutos, Puerto Rico (Estados Unidos)3,5 MW, 1 hora en Vermon CA (Estados Unidos)
1 MW, 1.4 hora Planta en Metlakatla AK (Estados Unidos): VRLA, at 756 Volt -3600 Ah
1 MW, 4 horas Planta en San Agustín de Guadalix. España40 MW, 20 minutos en Fairbanks AK (USA): VRLA y NiCd17 MW, 11 horas, BEWAG Berlín (Alemania)0,5 MW, 7 MWh Soest (Alemania)1 MW, 4 MWh Tatsumi (Japón)
JORNADAS TECNICASZaragoza,
26 de Septiembre de 2008
BaterÍa REDOX• Batería de Flujo (Corto Plazo)
– Batería de vanadio VRB (Vanadium Redox Battery) SEI Osaka (Japón) 100 kWh.
– Proyecto SUBARU Filtrado de variaciones de potencia de parque eólico mediante una batería VRB
Tanquesde Electrolito
JORNADAS TECNICASZaragoza,
26 de Septiembre de 2008
Proyecto de estabilización de la red con inyección eólica mediante baterías (Futamata (Rokkashyo, Aomori) Japón)
Vista panorámica del campo de baterías
2MW x 17 conjuntos, baterías NAS
Fuente: Japan Wind
Development Co Ltd
and METI
Subvención: 19 Mill. Euros
JORNADAS TECNICASZaragoza,
26 de Septiembre de 2008
Almacenamiento en horas o dias?
• Bombeo de agua• Baterías REDOX• Aire comprimido• Hidrógeno
JORNADAS TECNICASZaragoza,
26 de Septiembre de 2008
Bombeo de agua + eólica• Sinergias en el binomio Eólica-hidráulica
estacional y/o anual frente a variaciones.• La energía hidráulica como sistema de
almacenamiento de energía eólica a corto plazo.• Mas flexibilidad para ambas fuentes.• Mejor utilización de la línea de transporte.• Garantía de potencia.• Solución mas competitiva.• Larga duración bajo mantenimiento
JORNADAS TECNICASZaragoza,
26 de Septiembre de 2008
Características de las centrales hidráulicas de bombeo
• Son centrales que disponen de dos embalses situados a distinta altura.
• En horas punta funciona como una central hidroeléctrica convencional turbinando agua del embalse de arriba.
• En horas valle se bombea el agua desde el embalse inferior al superior mediante turbinas reversibles o grupos motor-bomba.
• Centrales de bombeo puro: Es necesario bombear inicialmente agua desde el embalse inferior al superior. (Circuito de agua cerrado)
• Centrales de bombeo mixto: Se puede producir energía con o sin bombeo previo en circuito de agua cerrado o abierto.
• España cuenta con mas de 24 centrales hidráulicas de bombeo.(16 centrales de bombeo mixto (<> 2500 MW) y 8 de bombeo puro (<> 2500 MW).
JORNADAS TECNICASZaragoza,
26 de Septiembre de 2008
Central de bombeo híbrida• Salto de Villarino (Tormes) que consta de dos
embalses, el superior de Almendra (Tormes) y el inferior de Aldeadávila (Duero)
• Dispone de una presa de 197 m de altura, flanqueada por dos largos diques laterales (uno de escollera y otro de gravedad) forman el embalse de Almendra, del que arranca una conducción de 15 km de longitud y 7.5 m de diámetro que lleva el agua hasta una central subterránea donde se alojan 6 turbinas-bomba acopladas a sus correspondientes alternadores-motores que totalizan 810 MW de potencia.
• A la salida de las turbinas, el agua continúa por los tubos de aspiración y, a través de un colector, por una galería de desagüe, protegida por una chimenea de equilibrio va a desembocar al embalse de Aldeadávila en el río Duero.
• Con una reserva de agua de 2.413 millones de metros cúbicos, supone una reserva energética de 3.300 millones de kWh, en este embalse se acumulan las aguas del Tormes, retenido por la presa, y se revierten las del Duero que la central dotada de seis grupos generadores con turbinas reversibles con una potencia total de 728.640 kW, bombea salvando los 400 m de desnivel con un caudal de 160 m3/s.
JORNADAS TECNICASZaragoza,
26 de Septiembre de 2008
Capacidad de bombeo hidráulico y capacidad eólica (2006)
0.31.15Japón
5.71.26China
No disponible3.12Dinamarca
No disponible10.0España
199.1Estados Unidos
5.518.4Alemania
Capacidad de Bombeo de agua (GWh)
Capacidad Eólica GW)
País
JORNADAS TECNICASZaragoza,
26 de Septiembre de 2008
Central hidroeléctrica reversible o de bombeo puro
• Capacidad: alrededor de 6 horas.• Centrales de bombeo puro en España
– La Muela I ( Cortes de Pallás-Valencia) Rio Jucar 628 MW – Sallente - Estany Gento (Torre Capdella-Lleida) Rio Flamisell 451 MW– Tajo de la Encantada (Ardales y Alora-Málaga) Rio Guadalhorce 360
MW
– San Miguel (San Miguel de Aguayo-Cantabria) Rio Torina 339 MW– Moralets - Llauset (Montanuy-Huesca) Rio Nogera-Ribagorzana 210
MW– Guillena (Guillena-Sevilla) Rio Ribera de Huelva 210 MW– Bolarque II (Almoacid de Zorita-Guadalajara) Rio Tajo 215 MW
JORNADAS TECNICASZaragoza,
26 de Septiembre de 2008
Nuevos proyectos ejemplares• Proyectos de IBERDROLA en Portugal.• Complejo hidroeléctrico del Alto Támega 1134
MW (1000 MEuros) (2012-2018).• Cuatro presas: Gouvases, Pradoselos, Alto
Támega y Daivoes. (Dos centrales de bombeo (900 MW) y dos de turbinación).
• Producción: 1900 GWh/año.• Característica: Rápida respuesta a puntas de
demanda o variaciones de generación eólica.
JORNADAS TECNICASZaragoza,
26 de Septiembre de 2008
0
5.000
10.000
15.000
20.000
25.000
30.000
Hidráulica convencial+ bombeo mixto
bombeo puro
Nuclear
Fuel / Gas
Carbón
Ciclos combinados
Equipo de punta(Turbinas de gas, etc.)
Eólica
2006
2008
2011
2016
…..y en España: Se están desarrollando nuevas plantas de bombeo
Costesía de REE
JORNADAS TECNICASZaragoza,
26 de Septiembre de 2008
Ejemplo de nueva planta de bombeo prevista
• Plan Estratégico 2008-2010 IBERDROLA• Nuevas Centrales Hidroeléctricas de Bombeo
Puro– Complejo Cortes-La Muela en el río Jucar (Cortes
de Pallás-Valencia) (Cortes II, La Muela I y la Muela II (1480 MW Totales)
• Embalse de Cortes abajo, Embalse de La Muela I y II arriba a 500 m. (23 Hm3)
• Cuatro turbinas reversibles Francis.• Potencia de Turbinación: 850 MW• Capacidad de bombeo: 140 m3/s
– San Esteban II (Santa Cristina) en el Rio Sil(Galicia) (300 +176 MW)
– San Pedro II
JORNADAS TECNICASZaragoza,
26 de Septiembre de 2008
Area de balanceo
Trans. System OperatorTrans. System Operator
Generation Loads
Transmission/Distribution
Power to
grid
Pow
er to
load
Transmission Interconnections
Power to
grid
Pow
er fr
om
grid
APA
LoadsWind Power
Hoover
Power to grid
Power to grid
Dynamic Signal
Caso genérico de estudio de EEUUFuente: NRELOA IEA Wind Task 24Integration of Wind andHydropower Systems
JORNADAS TECNICASZaragoza,
26 de Septiembre de 2008
HQ GenerationProductores independientesde energía eólica
HQ Distribution
500 MW
3500 MW
Contratos bilaterales
(energía anual / 20 años)
HQ TransÉnergie
(ISO)
Acuerdo de interconexión
Acuerdo de integración
HQ Generation compra 1000 MW eólicos y oferta energía firme garantizada hasta 350 MW de potencia a HQ Distribution
Caso de estudio de Hydro Quebec (CA)
JORNADAS TECNICASZaragoza,
26 de Septiembre de 2008
Baterías REDOX• Celdas regenerativas:
– Bromo - Polisulfuro sodio (Sistema REGENESYS) 15 MVA 8 horas (120 MWh)Desarrollado por Innogy (RWE) en Barford UK y posteriormente en Mississippi con la TVA (Tennesee Valley Authority) 120 MWh
Proyectos por ahora abandonados por precio/ambientalAhora la empresa VRB Power Systems (CA) es la propietaria
Detalle del tamaño de los tanques de electrolito
JORNADAS TECNICASZaragoza,
26 de Septiembre de 2008
Baterías REDOX
• Ventajas– Gran potencia de salida (decenas de kW)– Recarga muy rápida
• Inconvenientes– Precio– Problemas ambientales
JORNADAS TECNICASZaragoza,
26 de Septiembre de 2008
Aire comprimido• Básicamente es convertir la energía eléctrica de
origen eólico en energía almacenada mediante la compresión de aire dentro de un depósito o cueva.
• Con emisiones: El aire comprimido posteriormente se calienta mediante la combustión de otro combustible (gas) y se expande en una turbina produciendo energía eléctrica y calor reutilizable.
• Emisiones 0: Sistema adiabático. Este aire comprimido se calienta mediante el calor extraído al aire en la compresión. (En este caso hace falta algún sistema de almacenamiento de energía térmica)
JORNADAS TECNICASZaragoza,
26 de Septiembre de 2008
Compresor Generador/expansor
Combustible(p.e. gas natural, destilado)
Sistema de Almacenamiento por aire comprimido
IntercoolersRecuperador de
calor
PC PG
Aire Exhaust
AlmacénAire
Acuífero,Cueva de sal,
o mina en desuso
hS = Horas deAlmacenamiento (a PC)
PC = Potencia delcompresorde entrada
PG = Potencia del generador
de salida
JORNADAS TECNICASZaragoza,
26 de Septiembre de 2008
Sistema CAES Adiabático
JORNADAS TECNICASZaragoza,
26 de Septiembre de 2008
Modelo Eólico - Aire comprimido
Parque eólico TransmisiónPlanta SAAC
AlmacenamientoSubterráneo de aire
En ésta aplicación el SAAC permite operar al parque eólico como una central de base.
PWF = Potencia máximade salida delparque eólico
(potencia nominal)
PT = Línea de transmisiónde máxima potencia
PWF PT
JORNADAS TECNICASZaragoza,
26 de Septiembre de 2008
Estrategias para un sistema eólico-CAES Adiabático. (AA-CAES)
30 MWSistema combinado eólico-CAESS en islas. Ahorro en los costes de conexión a la
red o en una turbina de gas. Incrementa el número de horas equivalentes del
aerogenerador
Solución para isla remota
150 MWGrandes parques eólicos. Incrementa el número de horas equivalentes del
aerogenerador. Servicios auxiliares. Venta en horas pico
de demanda
Dispositivo descentralizado
300 MWBeneficiarse de las variaciones del mercado spot y servicios
Dispositivo centralizado
TamañoEstrategia de operación
Solución Tipo
JORNADAS TECNICASZaragoza,
26 de Septiembre de 2008
Hidrógeno
Aplicaciones posibles:• Apoyo en la integración de la energía eólica en la red:
• Almacenamiento a corto plazo para evitar fluctuacionesde potencia eólica.
• Almacenamiento a medio plazo para evitar el lucro cesanteen casos de sobre generación eólica.
• Almacenamiento a largo plazo para ofrecer energía eólicagarantizada (evita desvíos).
• Producción directa de hidrogeno a partir de la energía eólica:• Inyección en tubería especifica o de gas natural.• Autoconsumo.
JORNADAS TECNICASZaragoza,
26 de Septiembre de 2008
Hidrógeno
Electrolizador
- Purificación del agua - Reguladores- Secador del gas- Conmutador de parada- etc.
Almacenamientode Hidrógeno
Red
Gas H2
+
-
V
Suministro de agua
Cisterna de H2 Conducción de H2
Gas O2
Laminado depuntas
Pila de combustibleMCI
Acondicionamiento de potencia-Interconexión a red- Seguimiento de máxima potencia-Convertidor CA/CC -Conmutación de alimentación -etc.
Sistemade
control
Uso local del H2
Demanda local
Fuente: GE
JORNADAS TECNICASZaragoza,
26 de Septiembre de 2008
Hidrógeno
Tiempo (Horas)
Sistema Eólico-hidrógeno conectado a red.
Producción total de hidrógeno Producción de hidrógeno en valle de
demanda• Producción de H2 solo durante las horas de baja demanda de electricidad (horas valle) cuando el precio de la electricidad es bajo.Producción total de hidrógeno excepto en
punta de demanda• producción de H2 24h/día, pero menor durante los periodos de máxima demanda de electricidad
Electrolizador
0
100
Porcentaje
0
100
Porcentaje
0
100
Porcentaje
0:00 06:00 12:00 18:00 24:00
75
H2Producción
ElectricidadProducción de
Producción total de hidrógeno
Hidrógeno en valle, electricidad en punta
Hidrógeno en valle, Hidrógeno +electricidad en punta
2HProducción de
H2Producción
ElectricidadProducción de
JORNADAS TECNICASZaragoza,
26 de Septiembre de 2008
Tecnología actual:Estado del arte del electrolizador alcalino, Eficiencia: 60-70% (LHV)
Temperatura de operación: hasta 80oC
Presión de operación: 1 bar – 25 bar
Coste específico: ~$1000/kW - $2500/kW
Tecnología futura: incremento de capacidad, eficiencia y reducción de costes
La eficiencia del sistema puede alcanzar 70-80% (LHV) mediante la aplicación de tecnología avanzada de electrolizadores.
Tamaño industrial del electrolizador (Rango de MW)
El coste debería reducirse a $300/kW - $500/kW (Coste del H2 a $2/kg)
Integración con energías renovables (eólica, solar FV, geotérmica, etc.)
CompañíaConsumo de
energía (kWh/Nm3)
Producción H2 (Nm3/hr)
Rango de potencia de entrada (kW)
Presión (bar)
Eficiencia (HHV)
Eficiencia (LHV)
4.1-4.3 hasta 485 0.5 - 1 72-85% 61-72%4,8 hasta 60 ~ 15 83-86% 70-73%5.3-6.1 hasta 42 4-8 79-85% 67-72%5.6-6.4 hasta 150 8-15 78-84% 66-71%
Stuart Energy 5,9 >50 - 1-25 80-83% 68-72%
50 - 300
-
Norsk Hydro
Teledyne Energy Systems
Electrolizador Stuart
Hidrógeno: Electrolizadores
JORNADAS TECNICASZaragoza,
26 de Septiembre de 2008
Tecnologías actualesProcesos de compresión
• Gran consumo de energía: perdidas 15-30%• Gran coste especifico para almacenamiento a gran escala: $1000-2000/kW• Presión entre 200 y 350 bar
Procesos de licuefacción• Gran consumo de energía: perdidas 40-50%• Grandes costes específicos: $1500-2500/kW
Almacenamiento en fase gas a presión• Gran demanda de espacio para almacenamiento de gran capacidad: limitado por la presión (ahora sobre 350 bar )
Almacenamiento en fase líquida• Boil-off: 0.1-0.3%/dia
Tecnologías avanzadas de almacenamiento:Baja presión en fase sólida : Hidruros metálicos, Hidratos químicosGran capacidad : tanque enterradoBajo coste: diseño del sistema de almacenamiento, y diseño de procesos de licuefacción y
compresión.Actualmente: Gran esfuerzo en almacenamiento para coches Futuro: Gran esfuerzo en
almacenamiento a escala industrial
Hidrógeno: Almacenamiento de H2
JORNADAS TECNICASZaragoza,
26 de Septiembre de 2008
Ventajas:• Baja o nula contaminación• Alta eficiencia• Bajo coste ( a largo plazo)• Permite cogeneración de electricidad y calor.• Producción de energía descentralizada.• Intrínsecamente limpia utilizando hidrógeno renovable.• Fácil de integrar con energías renovables
Inconvenientes:• Coste • Fiabilidad• Vida útil
Hidrógeno: Pilas de combustible
JORNADAS TECNICASZaragoza,
26 de Septiembre de 2008
Regulación en el lado de la demanda en periodos de bajo
consumo y alta generación eólica?Coches eléctricos, demandas de frío....
JORNADAS TECNICASZaragoza,
26 de Septiembre de 2008
Conclusiones (1/2)Opciones de almacenamiento de energía para
aplicaciones eólicas
6100300120Bobina superconductora (100 MW)
6200300150Volante de inercia (100 MW)
2100100120Batería avanzada (10 MW)
3701350Aire comprimido (350 MW)
110010900Bombeo hidráulico (360 MW)
Coste de 20 horas de capacidad(Eur/kW)
Almacenamiento (Eur/kWh)
Capacidad(Eur/kW)
Tecnología
Fuente : Schainker PCAST 1999
JORNADAS TECNICASZaragoza,
26 de Septiembre de 2008
Conclusiones (2/2)• Si el escenario futuro de la energía eólica es alcanzar a
nivel nacional la capacidad de 20, 30 o incluso 40,000 MW (2030 ?) solo hay dos opciones:– Aumentar de forma importante la interconexión con el Sistema
Eléctrico Europeo.– Desarrollar en paralelo una red de múltiples soluciones de
almacenamiento de energía bien gestionadas que permita aumentar la capacidad y aprovechar al máximo la infraestructura de evacuación de la energía eólica.
• Es necesario un marco regulatorio que fomente el desarrollos de sistemas de almacenamiento conjuntamente con el desarrollo de la energías renovables.
• Es necesario fomentar el I+D en nuevas tecnologías de almacenamiento de energía.