Proyecto REDOX 1. ¿Cuáles son las características generales del proyecto? Redox es un proyecto cuyo objetivo es desarrollar una tecnología fiable de baterías de flujo redox, como solución de almacenamiento de energía eléctrica, probando la batería en un entorno real y contribuyendo a la investigación en nuevos componentes. Se trata de un proyecto cofinanciado por el Ministerio de Industria y Competitividad, dentro del programa INNPACTO 2011. En su desarrollo han colaborado entidades industriales como EDP, Zigor e Isastur, además de organismos del ámbito académico como Tekniker, TECNALIA, el INCAR (Instituto Nacional del Carbón), la Universidad de Oviedo o el Instituto de Investigación Energética de Cataluña.

Figura 1. Organismos participantes

2. ¿Qué problemática trata de resolver el proyecto?

En términos generales, el almacenamiento de energía eléctrica. Cuando se explica el funcionamiento del sistema eléctrico, lo primero que se menciona es que hay que generar en cada momento la potencia que se demanda, ya que no es posible almacenar energía eléctrica de forma competitiva. En la actualidad hay numerosos proyectos de prueba de tecnologías de almacenamiento de energía eléctrica, sobre todo porque, después de cincuenta años hablando de gestión de la demanda, ahora las renovables han creado un problema de gestión de la oferta.

3. ¿Cuáles son los objetivos del proyecto? El proyecto tiene dos grandes objetivos, relacionados entre sí. Por un lado, desarrollar y probar en entorno real una batería de flujo redox, como solución para el almacenamiento de energía eléctrica. Por otro lado, realizar una labor investigadora en el ámbito de los materiales que forman parte de la batería (electrodos, membrana, electrolito…), contribuyendo a mejorar su competitividad frente a otras tecnologías de almacenamiento.

4. ¿Cómo funciona una batería de este tipo? Una batería de flujo redox trabaja con energía eléctrica y energía química en forma de electrolito líquido. Cada celda dispone de dos electrodos de vanadio (con distintos estados de oxidación), separados por una membrana, a través de los cuales se bombea el electrolito y en los que se producen reacciones de oxidación-reducción, alterándose el estado de oxidación del vanadio, según tome o ceda electrones. La corriente eléctrica está ligada a estas reacciones redox, pues van asociadas a un flujo de electrones a través de la membrana, cuyo sentido depende del proceso de carga o descarga, es decir, de qué electrodo se oxida (actúa como ánodo, cediendo electrones) y de cuál se reduce (actúa como cátodo, tomando electrones).

Figura 2. Esquema de funcionamiento de una batería de flujo redox

5. ¿Qué ventajas presentan las baterías de flujo redox frente a otras tecnologías de almacenamiento? La gran ventaja de las baterías de flujo es que permiten diseñar de forma independiente el módulo de potencia (añadiendo más stacks, más celdas) y el módulo de energía (añadiendo más cantidad de electrolito poniendo unos depósitos mayores). Esto proporciona flexibilidad al diseñador, permitiendo ofrecer una solución ajustada a la necesidad que se pretenda satisfacer, bien sea mucha potencia en periodos cortos o una descarga durante periodos más largos. Además, las baterías de flujo redox tienen una elevada ciclabilidad, que permite disponer del equipo durante un número de ciclos de carga y descarga mucho mayor que el de otras baterías, prolongando su ciclo de vida.

SYSTEM RATINGS Local back up

Transmission&Distribution back up

100

Energy management

Peak shaving, load leveling and price arbitrage

Discharge Time (Hr)

v

Na-S

VR

Li-Ion

1

0.1

Zn-Br

Stability

Ni-MH

L/A

v

Ni-Cd

CAES EDLC FW L/A Li-Ion Na-S Ni-Cd Ni-Mh PSH VR Zn-Br

FW 0.01 Na-S 0.001

PSH CAES

10

Power Quality

EDLC

v

Compressed Air Dbl-Layer Capacitors Flywheels Lead-Acid Lithium-Ion Sodium-Sulfur Nickel-Cadmium Nickel–Metal Hydride Pumped Hydro Vanadium Redox Zinc- Bromine

0.0001 0.001

0.01

0.1

1

10

100

1,000

Rated Power (MW)

Figura 3. Potencia y capacidad de descarga de diferentes tipos de baterías

6. ¿De qué tamaño es la batería desarrollada? Se ha diseñado una batería de 30 kW, formada por 12 stacks de 2,5 kW. No se consideró necesario hacer un equipo mayor ya que este tamaño es suficiente para comprobar el comportamiento de los componentes en un prototipo, con el consiguiente ahorro económico.

Figura 4. Componentes de la batería: celdas agrupadas en stacks

7. ¿Cuáles son los beneficios del proyecto? En líneas generales, contribuir al desarrollo de una tecnología potencialmente disruptiva como es el almacenamiento de energía eléctrica, con todo lo que ello implica: nuevas formas de gestión de la oferta y la demanda, mayor penetración de las renovables y generación distribuida, calidad del suministro… En particular, incrementar la competitividad de este tipo de baterías, a través de mejoras en sus diferentes materiales componentes, contribuyendo así a su comercialización.

Figura 5. Soluciones comerciales de almacenamiento distribuido

8. ¿Cuáles han sido las principales dificultades encontradas? Entre los principales desafíos a los que se ha tenido que hacer frente a lo largo del proyecto cabe citar dificultades relacionadas con la caracterización electroquímica de los materiales activos de electrodo o con el proceso de montaje automatizado de la celda. Por otra parte, limitaciones de presupuesto han llevado a optar por una solución contenerizada y de la potencia antes mencionada, condicionando además la elección del emplazamiento para las pruebas en entorno real (inicialmente se había previsto llevarlas a cabo en la subestación de Trasona).

Figura 6. Implantación de equipos: modelo (izquierda) y real (derecha)

9. ¿Se ha probado la batería en un entorno real? ¿Cuál sería su impacto en la red? Se ha instalado la batería en las inmediaciones de la subestación de Pumarín, en Gijón, para que la batería atienda el consumo en Baja Tensión de las oficinas de Roces. De hecho, ese ha sido otro de los criterios de diseño a la hora de dimensionar la potencia de la batería: la potencia demanda en un entorno real pero controlado.

Figura 7. Entorno de prueba real: edificio con las baterías (1), subestación MT/BT (2), instalaciones de EDP (3) y conexión a BT (4)

El impacto en la red se relaciona con la estrategia de funcionamiento adoptada, ya sea para régimen permanente o transitorio: protección del transformador, peak shaving (gestión de los picos de demanda), búsqueda de precio, suplir huecos de tensión, compensación de energía reactiva, control de frecuencia o compensación de armónicos.

Figura 8. Edificio para las baterías: interior (izquierda) y exterior (derecha)

10. ¿Es posible su implantación en el corto plazo? En caso de que no sea así, ¿qué pasos habría que seguir para ello? Las principales limitaciones de cara a la implementación de este tipo de baterías no son tanto de carácter técnico como económico, si bien la mejora en este último aspecto tendrá que ir ligada a labores de investigación y desarrollo. Su competitividad ya es notable para grandes potencias si se tiene en cuenta el elevado número de ciclos que soportan, pero es necesario avanzar en términos de densidad energética. En general, se han identificado varias posibilidades de mejora, como son: componentes más baratos (fundamentalmente reduciendo las necesidades de vanadio, un material escaso y de coste elevado), membranas más duraderas o incluso baterías sin membrana, electrodos con mayor actividad electroquímica y optimización del diseño general de cara al proceso de fabricación.

11.

¿Hay otras compañías trabajando en esta línea?

En la actualidad, existen numerosos proyectos de otras empresas que están instalando baterías y en concreto baterías de flujo, como por ejemplo en Europa EON, Gas Natural Fenosa, ENEL…

Figura 9. Otros proyectos de investigación en el campo de las baterías de flujo redox

12.

¿Supone algún riesgo medioambiental esta tecnología?

El manejo del electrolito en una disolución de ácido sulfúrico ha obligado a instalar un foso para recoger cualquier potencial derrame.

Figura 10. Elementos de protección contra derrames: foso (izquierda) y rejillas (derecha)

También existe la posibilidad de formación de gas hidrógeno, que ha sido mitigada con el emplazamiento de la batería en la nave de desencubado, cuyo volumen y capacidad de ventilación permiten descartar la formación de atmósferas explosivas. Este es uno de los mayores desafíos para las soluciones contenerizadas.

Figura 11. Dimensiones de la nave como protección contra atmósferas explosivas

13.

¿Cuáles son los próximos pasos del proyecto?

Durante la fase de desarrollo del proyecto, se realizaron simulaciones de diferentes estrategias de funcionamiento mediante el software DigSilent Power Factory, que contempla todo el sistema de almacenamiento: desde la propia batería hasta los sistemas de control y la demanda. Una vez completada la instalación de todos los equipos en un entorno real, se trata de estudiar su comportamiento e impacto real en la red, para determinar si se ajusta a las simulaciones previas y alcanzar unos resultados concluyentes.

Figura 12. Resultados de la simulación en DigSilent