Almacenamiento de energía

Dado el desarrollo de las renovables y de su carácter aleatorio y no gestionable es necesario equilibrar la generacion de energía con la demanda para lo que el almacenamiento es la solución óptima.

Generalidades

Aunque el almacenamiento de energía es una tecnología con más de 100 años, el fuerte crecimiento de las energías solar y eólicas de suministro aleatorio e intermitente, está produciendo el desarrollo de la energía distribuida por medio de microrredes con baterías de almacenamiento que equilibran la demanda con la generación de energía.

El almacenamiento de energía puede hacerse de varias formas: Embalses, Baterías, Hidrogeno, Condensadores, Volantes de inercia, Aire comprimido, Salto térmico, etc. Las únicas de uso industrial y de LCOS aceptables son los grandes embalses y las baterías entre las que industrialmente establecidas para la creación de microrredes están las de vanadio, las de litio y las de plomo.

De las múltiples funciones que pueden realizar las baterías, las más frecuentes son las de:

  • Suministro continuo de energía de calidad a las microrredes, conectadas o no proveniente de energías intermitentes solar o eólica.
  • Creación de una microrred conectada para evitar las consecuencias de los cortes de energía de la red.
  • Alisado de picos en la red.
  • Control de rampas
  • El Arbitraje (Almacenar la energía en la batería en momento de precios bajos y entregar esa energía a la red cuando los precios estén altos)

La capacidad de generar energía eléctrica, principalmente fotovoltaica, competitiva con la red principal en prácticamente cualquier espacio disponible se presta a la formación de microrredes.
Arestec desarrolla e integra las tecnologías más eficientes para los proyectos de generación, almacenamiento y creación o ampliación de microrredes, aisladas o conectadas y de mejora de la calidad de la energía en redes.
De todos los medios de almacenar energía en baterías, hasta hoy para microrredes o redes, únicamente han demostrado fiabilidad y competitividad las baterías de flujo de vanadio y las de ion litio, cada una con aplicaciones específicas

Ambas tecnologías han superado años de funcionamiento y miles de ciclos demostrando así su fiabilidad y seguridad.

BATERÍAS DE LITIO

Las baterías de iones de litio han permitido diseñar acumuladores ligeros, de pequeño tamaño y variadas formas, especialmente adaptados a las aplicaciones de movilidad y de la industria electrónica de gran consumo.

Se dan a continuación las características más importantes de las baterías de litio.

Dada la variedad de composición de estas, en el cuadro comparativo damos las características de las de baterías de litio de composición Litio-Hierro-Fosfato (LFP) que son de las más adecuadas para almacenamiento en microrredes.

Tienen una duración; “Vida útil”, limitada y duración dependiendo de su composición, alto rendimiento, con límite de ciclos, bajo mantenimiento, sin emisiones y con peligro de incendio y de explosión. Tienen memoria.

Tienen alta densidad de energía por peso y volumen, autodescarga del 3% al 6% mes, según su edad y son capaces de pulsos cortos.

Las baterías de litio utilizan como electrolito una sal de litio con una mezcla de metales diferente para cada funcionalidad. Esa mezcla es lo que le da características diferentes. Entre las más conocidas están:

  1. LPF (Li-hierro-fosfato). Las más seguras y usadas para microrredes.
  2. Li-níquel-manganeso-Cobalto (LiNiMnC). Valen para microrredes, pero son muy toxicas
  3. LiSOCl2 (Litio tionilo cloro)
  4. LiFeS2 (Li-Ion hierro bisulfato)
  5. LiMnO2 (LMO) (Litio Dióxido de Manganeso)
  6. LiSO2
  7. LiNiMnCoO2 (NCM)
  8. LiCoO2 (LCO)
  9. Li4Ti5O12 (LTO)
  10. LiNiCoAlO2 (NCA)

Y otras muchas combinaciones convenientes para aplicaciones específicas.

Ventajas de las baterías de Litio

  1. Una elevada densidad de energía: Acumulan más carga por unidad de peso y volumen.
  2. Gran capacidad de descarga. Algunas baterías de Li-ion -las llamadas «Lipo» Litio-ion Polímero – que hay en el mercado, se pueden descargar totalmente en menos de dos minutos.
  3. Alto voltage por celda
  4. Larga vida en las baterías para vehículos eléctricos (con el tipo LiFePO4) de las que algunos fabricantes muestran datos de más de 3.000 ciclos de carga/descarga para una pérdida de capacidad del 20% a C/3.
  5. Facilidad para saber la carga que almacenan.
  6. En el caso de las baterías de litio la autodescarga es del 3% al 6% mensual. Algunas, tras seis meses en reposo, pueden retener hasta el 80% de su carga inicial.
  7. Facilidad de adaptarse a la forma geométrica deseada.

Inconvenientes de las baterías de Litio

A pesar de sus ventajas, esta tecnología no es el sistema perfecto para el almacenaje de energía para microrredes o redes, pues tiene varios inconvenientes, como pueden ser:

  1. Las baterías de litio son peligrosas pueden explotar y producir incendios por lo que requieren un sistema anti-incendio
  2. El litio no es viable para usos en los que en caso de fallo de la red principal el usuario no pueda permitir la falta de energía por más de 12 horas como hospitales o para instalaciones de comunicaciones en las que por ley no pueden estar más de 72h sin energía
  3. La gran dependencia, en todos los factores importantes, de la pureza del litio y de los otros componentes pudiendo generar gases muy tóxicos.
  4. Duración media: Su vida útil depende de la cantidad de carga que almacenen, independientemente de su uso. Tienen una primera vida útil de unos 7-9 años o más si se mantienen con un 40% de su carga máxima
  5. Soportan un número limitado de ciclos: entre 3.000 y 7.000, menos que una batería de níquel cadmioal igual que las de Ni-MH
  6. Son costosas, aunque con tendencia a bajar dado el aumento de fabricantes y producción
  7. Mala capacidad de trabajo en frío: ofrecen un rendimiento inferior a las baterías de Ni-Cd o de Ni-MH a bajas temperaturas, reduciendo su capacidad hasta en un 25%
  8. Voltaje muy variable: Debido a que la variación de la tensión de celda es grande, si se requiere una tensión de salida constante es imprescindible usar un convertidor CC/CC
  9. Tienen efecto memoria que las va degradando
  10. Si se les permite descargarse por debajo de su mínimo nivel sufren un daño irreversible y finalmente,
  11. Aunque en Extremadura, Castilla-La Mancha y Galicia están más del 4% de las reservas mundiales de litio, estimadas en 60Mm3, el litio es caro y por ahora tiene un precio fluctuante y tendiendo a subir, aunque el tamaño y automatización de las fábricas hace que el precio final de las baterías siga bajando.

En Arestec seguimos trabajando e informándonos de los desarrollos y avances tecnológicos que se están produciendo tanto en España como en el extranjero en relación con el software de control, las membranas, electrolito, componentes y equipos, y mantendremos informada a nuestros clientes de dichos avances y de la conveniencia o no de la incorporación de estos a sus baterías.

BATERIAS DE VANADIO

Descripción y características de las baterías de vanadio

Las baterías de vanadio integradas por Arestec utilizan como electrolito una disolución de óxido de vanadio en un “cóctel” de ácidos, mayoritariamente sulfúrico.

Son de duración ilimitada, sin límite de ciclos del 0 al 100% de carga nominal, sin degradación, ni peligro de incendio o explosión, sin emisiones ni necesidad de acondicionamiento térmico. Tienen alto rendimiento, bajo mantenimiento, sin memoria y sin autodescarga.

Por el número de ciclos y su fiabilidad y seguridad son particularmente adecuadas para microrredes donde la generación es PV o eólica.

Una característica muy valiosa de las baterías de flujo de vanadio es la independencia entre energía y potencia, de manera que se podrá incrementar la energía disponible (kWh) aumentando el volumen de electrolito y la potencia disponible (kW) añadiendo más módulos.

Las baterías de vanadio que se describen a continuación han demostrado tener el menor coste presente del almacenamiento de energía (LECOS) entre las baterías comerciales.

Estas baterías se basan en la reacción de oxidación (Perder electrones) y la reacción de reducción (Ganar electrones) del vanadio para almacenar y entregar energía electroquímica. La batería utiliza la capacidad del vanadio para existir en solución en cuatro estados de oxidación y utiliza esta propiedad para tener un solo elemento electroactivo en lugar de dos. Por varias razones, incluida su volumen y peso, la mayoría de las baterías de vanadio actualmente se utilizan para aplicaciones estáticas en almacenamiento de energía para redes.

Las baterías de vanadio se pueden usar para profundidades de descarga (DOD) de alrededor del 100%, es decir, DOD más profundos que las baterías de estado sólido (En las baterías a base de litio generalmente se especifican con DOD alrededor del 80% o menos, dependiendo del tipo. Además, las baterías de vanadio exhiben ciclos de vida muy largos, superior a los 50,000 ciclos de carga/descarga. Estos valores están mucho más allá del ciclo de vida de las baterías de estado sólido, que generalmente es del orden de 3.000 a 8.000 ciclos de carga/descarga. En consecuencia, el LCOS, es decir, el coste del sistema dividido por la energía utilizable, la vida útil del ciclo y la eficiencia de carga/descarga de las baterías de vanadio actuales, típicamente son mucho más bajo que los LCOS de las otras baterías y están por debajo del objetivo establecido por el Plan Estratégico de Tecnología Energética (SET) de la Comisión Europea para la componente de energía.

La tecnología redox de vanadio tiene la relación energía especifica en volumen o en peso relativamente baja, por lo que su aplicación optima es para almacenamiento estático, en redes.

Ventajas de las baterías de vanadio

Las principales ventajas de las baterías de vanadio son: Seguridad, Fiabilidad, Rendimiento económico (Menor LCOS), Mayor rendimiento energético y Mayor duración.

Además, las baterías de vanadio

  1. Pueden añadirse o retirarse tanques de electrolito o módulos de potencia en el caso de que la instalación requiera modificarse a lo largo del tiempo
  2. El aumento de energía se consigue añadiendo electrolito (19,5kWh/m3)
  3. Cualquier potencia se consigue añadiendo módulos de 5kW
  4. Funcionamiento automático y mínimo mantenimiento
  5. Duración ilimitada del electrolito y de más de 25 años para la membrana
  6. Tolera más de 50.000 ciclos del 0 al 100% de carga o descarga sin degradación
  7. El electrolito es acuoso, e inherentemente seguro, no es inflamable ni explosivo ni genera gases o residuos. No tienen memoria, degradation ni autodescarga
  8. Si los electrolitos se mezclan accidentalmente la batería no sufre daños
  9. Se puede dejar completamente descargada o cargada durante largos periodos de tiempo sin perjudicar la batería
  10. No es necesario cargar en varias etapas como se aconseja para las baterías basadas en litio
  11. Entre – 30ºC y +60ºC no necesita sistema de calentamiento o de enfriamiento
  12. Es sencilla, sin prácticamente electrónica y las dos bombas son las únicas partes móviles
  13. Un solo estado de carga entre los dos electrolitos evita la degradación de la capacidad debido a una sola celda en baterías de vanadio
  14. El vanadio es abundante, se obtiene en España y en muchos países y tiene un precio estable
  15. La totalidad de sus componentes son reciclables y, finalmente
  16. En picos de hasta 4 segundos puede suministrar hasta 4 veces su potencia nominal
  17. El material de los tanques y tuberías de las baterías de vanadio es fácil de encontrar y barato: Los tanques de electrolito puede ser poliestireno o similar. Las tuberías y válvulas en UPVC o similar

Inconvenientes de las baterías de vanadio

La energía especifica en volumen y en peso son bajas por lo que su utilización es para aplicaciones estáticas.

Arestec desarrolla e integra las tecnologías más eficientes para los proyectos de generación, almacenamiento y creación o ampliación de microrredes, aisladas o conectadas y de mejora de la calidad de la energía en redes.

Arestec es líder en tecnología, eficiencia y calidad en el diseño de microrredes y de baterias consiguiendo el menor coste actualizado de almacenamiento (LCOS) y de energía (LCOE) en cada proyecto.
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