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7. POSIBLE SOLUCIÓN: ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA

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7.1 Descripción general Los sistemas de almacenamiento tienen la ventaja de que permiten hacer una gestión temporal de la energía: almacenan energía en las horas de valle y pueden luego generarla en horas de punta. Esta cualidad específica de estos sistemas puede ayudar a disminuir el riesgo que presenta la producción de energía eólica debido a la naturaleza intermitente del viento. Supóngase parque eólico que trabaja en asociación con un sistema de almacenamiento de energía. En aquellas horas en las que la producción eólica supere la producción ofertada en el mercado, es decir, se dispone de un exceso de energía, este exceso sería aprovechado para almacenar energía en dicho sistema. Posteriormente, esta energía podría ser empleada para compensar el déficit de producción, es decir, cuando la producción real es inferior a la energía vendida en el mercado. Este tratamiento permitiría una explotación más eficiente de los parques eólicos ya que se podría optimizar su producción en el sentido de almacenar la energía en horas de valle para luego generarla en horas de punta donde hay precios más altos. Además, el hecho de proporcionar cierta cobertura a los agentes frente a los riesgos de previsiones, supone un incentivo adicional a la inversión en el sector de la energía eólica y su consideración en el mercado eléctrico español. La integración de sistemas de energía que aprovechan recursos intermitentes, con otros que permitan su almacenamiento, es un concepto que tiene como objetivos mejorar la eficiencia en el aprovechamiento de dichas fuentes de energía discontinuas y dar continuidad en el suministro. En el caso de fuentes intermitentes de energía, tales como la solar o la eólica, los sistemas de almacenamiento de energía son indispensables si se quiere disponer de energía en forma continua. Es deseable contar con sistemas de almacenamiento de energía que sean eficientes y duraderos, todo ello al mínimo coste. Estas tres características son fundamentales para seleccionar un sistema de almacenamiento de energía. La tecnología implicada es diversa, tanto en la forma de proceder al almacenamiento energético (en forma de energía química, gravitacional, eléctrica, térmica,…) como en cuanto a las características del propio sistema de almacenamiento (potencia, energía, peso, tamaño, eficiencia, velocidad de carga y descarga, vida media,…). Los sistemas de almacenamiento se pueden distinguir según la función a desempeñar. Aunque algunos sistemas pueden operar en todas las categorías funcionales, las restricciones vienen dadas en términos de costes. Así, podemos distinguir entre: 1. Sistemas de mejora de calidad de la potencia: solo operan en tiempos inferiores al segundo para asegurar la estabilidad de la potencia suministrada. 2. Sistemas puente de potencia: operan en intervalos de segundos a minutos para asegurar la continuidad del servicio cuando se cambia de fuente de generación energética. 3. Sistemas de gestión de la energía: se utilizan para desacoplar generación y consumo de energía eléctrica. Una aplicación típica es la nivelación de la carga, que implica la carga del sistema de almacenamiento cuando el coste de la energía es bajo para ser utilizada cuando

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el coste es elevado.

De esta forma, se pueden definir distintas aplicaciones dentro de los sistemas eléctricos en función de la potencia requerida y del tiempo en que puede responder la unidad de almacenamiento. Así, los sistemas con poca capacidad de almacenamiento y potencia se utilizan para mejorar la calidad de la potencia en la red, mientras que a potencias mayores se utilizan para garantizar la estabilidad del sistema de transporte. Con mayor capacidad de almacenamiento y respuesta se sitúan los sistemas que permiten una mayor integración de las fuentes renovables no gestionables en la red eléctrica, así como los que ayudan al control de la frecuencia y tensión de la red.

7.2 Estado actual de la tecnología A continuación se hace un repaso de los sistemas físicos de almacenamiento de energía más utilizados [1]: 

El bombeo de agua o hidrobombeo:

Este sistema consiste en acumulación de agua por bombeo en un depósito ubicado en altura, con el fin de almacenar en forma de energía potencial los excedentes producidos en horas de baja demanda. Generalmente estas plantas se construyen para almacenar excedentes provenientes de plantas de energía nuclear, renovables y fósiles. Después de acumular energía, ésta puede liberarse gracias a la acción del campo gravitatorio de la Tierra, accionando una turbina para generar electricidad. La cantidad de energía almacenada depende de la diferencia de alturas entre depósitos y de la capacidad de agua almacenada. Así por ejemplo, para producir 1 KWh se necesita almacenar 1 m3 de agua a 360 metros, o bien, 10 m3 de agua a 36 metros. La ventaja de esta tecnología es que se puede accionar muy rápidamente, resultando muy útil para equilibrar la demanda energética variable a causa de los consumidores, interrupciones no planificadas en algunas centrales o bien compensar la inestabilidad producida por la generación de energía con fuentes renovables. Además, estos sistemas poseen elevados rendimientos (75%).

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Figura 7.2.1 Esquema de una central de bombeo Hoy se puede encontrar más de 130 GW de potencia instalada por bombeo en funcionamiento en todo el mundo, lo que representa el 3% de la capacidad instantánea global. Alstom es el fabricante líder en esta tecnología, teniendo el 47% de la cuota del mercado por año desde el 2004. 

Almacenamiento por aire comprimido: CAES

En esta tecnología, comúnmente denominada CAES (compressed air energy storage), el sobrante de electricidad se utilizaría para comprimir aire a una presión elevada (80 atmósferas) en un gran recinto, depósitos bajo tierra, naturales o artificiales, por ejemplo, minas abandonadas, cavidades rellenas con soluciones minerales o acuíferos. Durante las horas de baja demanda el aire se comprime adiabáticamente en compresores de dos o más etapas accionados por motor eléctrico y se almacena en la cavidad. Durante las horas pico el aire almacenado se calienta previamente en intercambiadores de calor pasando a la cámara de combustión de la turbina donde se originan los gases que finalmente mueven la turbina de accionamiento del generador. La principal desventaja de este sistema radica en la dificultad de encontrar un emplazamiento adecuado para el almacenamiento.

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Figura 7.2.2 Esquema del sistema CAES



Baterías

Las baterías son uno de los elementos almacenadores de energía más conocidos y probados en el mercado, éstas almacenan energía mediante procesos electroquímicos. Su principal virtud es su gran densidad de energía en comparación con otros sistemas de almacenamiento y su desventaja más considerable es su lentitud al momento de la carga y descarga. Poseen un rendimiento aproximado de un 80% y en algunos casos posee una autodescarga considerable con el desgaste producido por su uso. Otra desventaja considerable es que al ser fabricadas con materiales químicos, constituyen un problema medioambiental grave, ya que la toxicidad de sus componentes puede ser liberada al momento de desecharlas. Hay variados tipos de baterías, dependiendo de los materiales que utilicen para el almacenamiento, siendo las más utilizadas las de Plomo-Ácido, Níquel-Cadmio, Sulfuro de Sodio y Ion Litio. - Baterías de Plomo-Ácido: Este tipo de baterías constituyen un gran porcentaje del mercado actual bordeando el 50 %. Esto se debe a que es la tecnología más antigua y por lo tanto más conocida y establecida, tiene un menor precio en comparación con las otras tecnologías y posee un gran número de aplicaciones como por ejemplo en sistema de almacenamiento de energía para fuentes renovables, vehículos de combustión y sistemas de tracción eléctricos entre otros. Las principales desventajas de este tipo de baterías es su corta vida cíclica (1.500 ciclos de carga y descarga), necesidad de mantenimiento periódico, se ven afectadas por la corrosión de sus electrodos y baja energía específica (40Wh/kg).

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- Baterías de Níquel-Cadmio (NiCd): Después de las baterías de Plomo-Ácido, éstas son las de mayor producción y además muy bien establecidas en el mercado actual. Estas baterías se encuentran dentro de la familia de las alcalinas, utilizando como electrolito una solución acuosa de una base de hidróxido de potasio. Como ventaja sobre su predecesora, se puede mencionar que poseen una vida útil de unos 2.500 a 3.000 ciclos de carga y descarga y su principal uso se da en los equipos electrónicos portátiles. Sus principales desventajas son el costo asociado, mayor a la de Plomo-_Acido y sus componentes altamente contaminantes, sobre todo el cadmio, lo que ha provocado que lentamente este tipo de tecnología haya perdido lugar en el mercado actual.

- Baterías de Ion-Litio: Este tipo de tecnología utiliza una sal de litio que provee los iones necesarios para realizar la reacción electroquímica que tiene lugar entre cátodo y ánodo. Entre sus aplicaciones se pueden encontrar la telefonía móvil, cámaras digitales y otros aparatos electrónicos, equipos de comunicación, rastreo satelital y electromedicina, entre otros. Este tipo de batería presenta una vida útil que puede llegar a los 3.000 ciclos de carga y descarga y es una de las tecnologías más nuevas en el mercado. Como desventajas se puede mencionar su alto costo en comparación con las otras tecnologías de baterías, su peor capacidad de trabajo en frío, una duración media si no se mantienen en condiciones adecuadas (40% de su carga máxima como mínimo y a una temperatura ideal de 15 grados Celcius). - Baterías de Sulfuro de Sodio (Na-S): Esta es otra tecnología en lo que a baterías concierne, teniendo una vida útil que puede prolongarse por 15 años. Otro punto beneficioso es que este tipo de baterías no sufre autodescargas y poseen una eficiencia energética que supera el 80 %. Uno de los puntos negativos es que se necesita incorporar calentadores, ya que funciona a altas temperaturas (325 grados Celcius) pero por otro lado, esto hace que no sean sensibles a la temperatura ambiental. Su utilización se centra en aplicaciones a grandes escalas para almacenamiento de energía preferentemente renovable y con ello lograr neutralizar los efectos negativos que tiene este tipo de generación de energía. 

Baterías de flujo

Una batería de flujo es una batería recargable en la que el electrolito, que contiene una o más especies electroactivas, fluye a través de la celda electroquímica que convierte la energía química en electricidad. Se puede almacenar más electrolito en tanques externos y se bombea dentro de los stacks de celdas. Estas baterías se recargan rápidamente sustituyendo el electrolito o revertiendo la reacción redox. Por lo tanto, la capacidad energética del sistema está determinada por el tamaño de los tanques, y la

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potencia por el tamaño del stack, siendo independientes ambos parámetros y escalables. Hay dos tipos de baterías de flujo comerciales: las de Vanadio (VRB) y las de Zinc-Bromo (Zn-Br). 

Volantes giratorios o flywheels

Los volantes giratorios o flywheels son ruedas hechas de un material muy resistente a la tensión y con una distribución de materia que ayuda a soportar grandes velocidades. El volante giratorio forma parte del rotor de un motor eléctrico y la energía eléctrica en zonas valle se almacena en él en forma de energía cinética. En situaciones punta, el volante devuelve su energía almacenada al motor, que pasa a actuar como generador. Dicha energía es directamente proporcional al momento de inercia del volante y por tanto a su masa y al cuadrado de su velocidad angular. Existen distintas formas de volantes giratorios: anillos concéntricos unidos por resinas, miles de pequeñas fibras unidas en el centro, ruedas con grosor decreciente y anillos suspendidos magnéticamente. Para generar electricidad los volantes giratorios se colocan en una unidad sellada al vacío, para evitar las pérdidas por fricción con el aire y se conectan a un motor-generador. Este sistema de almacenamiento no alcanza valores específicos energéticos elevados, y actualmente, su coste puede ser dos veces el de un sistema de baterías convencionales. 

Los imanes superconductores: SMES

Este tipo de dispositivos también se denominan sistemas superconducting magnet energy storage (SMES). Esta topología permite el almacenamiento de energía en forma de campo magnético generado por la circulación de corriente por una bobina superconductora, la cual se encuentra refrigerada a temperaturas criogénicas. Este sistema presenta pérdidas insignificantes y para su funcionamiento el sistema se compone de la bobina superconductora, un sistema de electrónica de potencia y un sistema de refrigeración criogénico. Cuando la bobina superconductora se carga, la corriente ya no disminuye y la energía magnética puede almacenarse indefinidamente. La energía almacenada puede ser entregada a la red descargando esta bobina. En los imanes superconductores la energía almacenada es proporcional al cuadrado del campo magnético producido. La gran ventaja de los imanes superconductores es su elevada eficiencia, así como el almacenamiento directo que se logra de la energía eléctrica. El coste por kilovatio de este tipo de sistemas decrece conforme se aumenta su capacidad de almacenamiento, lo cual significa tener que irse a grandes instalaciones para conseguir costes competitivos. Este tipo de tecnología aún se encuentra en desarrollo y fabricantes como ABB en conjunto con diversas entidades académicas, como la Universidad de Houston, han indagado en la utilización de esta tecnología en redes de distribución eléctrica proveniente de centrales eólicas y fotovoltaicas.

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Supercondensadores

El auge de los condensadores eléctricos/electroquímicos de doble capa está aconteciendo a un ritmo extraordinariamente alto debido al importante papel que cumplen en el almacenamiento de energía para dispositivos de tracción, para la tecnología de los vuelos espaciales, la electrónica de potencia y otros campos relacionados. Las necesidades del mundo de la informática hoy en día no pueden ser cumplidas por los condensadores convencionales. El condensador eléctrico de doble capa posee una interfaz que puede almacenar carga eléctrica en el orden de 5.000 Farad y el componente principal en la construcción de electrodo es carbón activado. Estos componentes son complementarios a las baterías, ya que brindan alta densidad de potencia y densidad de energía baja. Estos también tienen una vida útil más larga que las baterías y poseen una mayor densidad de energía en comparación con los condensadores convencionales. Esto ha conducido a nuevos conceptos de los llamados dispositivos híbridos de almacenamiento. Sobre todo su principal característica es su capacidad de carga y descarga continua sin degradarse, lo que hacen a esta tecnología un complemento perfecto para sistemas híbridos en conjunto con baterías, suministrando los supercapacitores energía al sistema cuando se necesite cargas y descargas rápidamente y las baterías entregan energía en grandes cantidades ya que pueden almacenar mayor cantidad por un periodo de tiempo más prolongado.

7.3 Comparativa de los sistemas de almacenamiento La finalidad del sistema de almacenamiento en el caso de estudio de este proyecto es

dar respaldo a un parque eólico para compensar los eventuales desvíos de producción . Con el fin de poder seleccionar un sistema de almacenamiento adecuado para esta necesidad es necesario realizar una comparativa entre las distintas tecnologías presentes hoy en día. Para ello, se va a hacer uso de la información facilitada por la Asociación de Almacenamiento Eléctrico (ESA) [10]. En la siguiente tabla se pueden ver las ventajas, desventajas y el ámbito de aplicación de cada tecnología:

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Tabla 7.3.1 Tabla de características de los sistemas de almacenamiento.

Tecnología

Ventajas El eva da potenci a

Bombeo

Inconvenientes

Muy a l ta ca pa ci da d

Requi s i tos geográ fi cos es peci a l es

Ba jo cos te

Ba jo rendi mi ento

Aplicación Potencia Energía

Potenci a medi a Ba tería s de fl ujo

Sul furo de s odi o (Na S)

Al ta ca pa ci da d

Ba ja dens i da d de energía

El eva da potenci a

Cos te el eva do

Muy a l ta ca pa ci da d

Des a fíos en l a producci ón

Potenci a medi a Li tio- Ion (Li -i on)

Ca pa ci da d medi a Al ta dens i da d de energía Al to rendi mi ento El eva da potenci a

Ai re compri mi do

Vol a nte de i nerci a Supercondens a dores Ni -Cd Pl omo-Aci do

Cos te el eva do

Ci rcui tería es peci a l

Muy a l ta ca pa ci da d

Requi s i tos geográ fi cos es peci a l es

Ba jo cos te

Acces o a ga s eoducto

El eva da potenci a La rga dura ci ón Al to rendi mi ento

Ba ja ca pa ci da d Ba ja dens i da d de energía Ba ja dens i da d de energía

Al ta dens i da d de energía Al to rendi mi ento Ba jo cos te de i nvers i ón

Corta vi da cícl i ca Ma nteni mi ento a l to

Para compensar los eventuales desvíos de producción se debe escoger un sistema de gestión de energía. Así pues, los sistemas que cumplen esta condición son las baterías de flujo, las baterías de Na-S, el bombeo puro y CAES. Como se ha visto anteriormente, las aplicaciones de almacenamiento de energía eléctrica se pueden dividir en tres categorías. Aunque algunas tecnologías de almacenamiento pueden funcionar en todos los campos de aplicación, utilizarlas en sistemas que requieran su funcionamiento lejos de sus valores óptimos de aplicación puede hacer que los costes incrementen de manera importante. En la siguiente gráfica se representan los sistemas de almacenamiento con los rangos de valores de potencia nominal y de tiempos de descarga para los que está pensado su funcionamiento.

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Figura 7.3.1 Sistemas de almacenamiento de energía en función de su rango de potencia y tiempo de descarga. Para este estudio, posiblemente la opción más idónea sea la utilización de CAES o baterías de Na-S, ya que para dar apoyo a un parque eólico de 50 MW se necesitaría un sistema de almacenamiento con una potencia entorno a los 10-30 MW, y los valores de potencia en los que se mueve las centrales de bombeo son superiores a los 250 MW.

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