ANÁLISIS TÉCNICO DE LOS DIFERENTES TIPOS DE...
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ANÁLISIS TÉCNICO DE LOS DIFERENTES TIPOS DE BATERÍAS COMERCIALMENTE DISPONIBLES PARA SU INTEGRACIÓN EN EL PROYECTO DE UNA MICRORRED AISLADA CESAR ANDRÉS GONZÁLEZ SANTACRUZ UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERÍA BOGOTÁ 2015
Transcript of ANÁLISIS TÉCNICO DE LOS DIFERENTES TIPOS DE...
ANÁLISIS TÉCNICO DE LOS DIFERENTES TIPOS DE BATERÍAS
COMERCIALMENTE DISPONIBLES PARA SU INTEGRACIÓN EN EL
PROYECTO DE UNA MICRORRED AISLADA
CESAR ANDRÉS GONZÁLEZ SANTACRUZ
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD DE INGENIERÍA
BOGOTÁ
2015
“ANÁLISIS TÉCNICO DE LOS DIFERENTES TIPOS DE BATERÍAS
COMERCIALMENTE DISPONIBLES PARA SU INTEGRACIÓN EN EL
PROYECTO DE UNA MICRORRED AISLADA”.
Proyecto de grado en modalidad monografía,
presentada como requisito para optar el título de:
Ingeniero Eléctrico
Presentada por:
CESAR ANDRÉS GONZÁLEZ SANTACRUZ
Dirigida por:
I.E. OSCAR DAVID FLÓREZ CEDIEL M.Sc.
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD DE INGENIERÍA
BOGOTÁ
2015
1
TABLA DE CONTENIDO
1. Objetivos .................................................................................................. 9
1.1 Objetivo General ................................................................................ 9
1.2 Objetivos Específicos......................................................................... 9
2. Metodología de los estudios ................................................................... 10
2.1 Metodología aplicada ....................................................................... 10
2.1.1 Diagnóstico ............................................................................... 11
2.1.2 Análisis de la información .......................................................... 11
2.1.3 Generación de resultados ......................................................... 11
2.2 Marco legal ...................................................................................... 12
2.2.1 Ley 697 de 2001........................................................................ 12
2.2.2 Ley 1715 de 2014...................................................................... 12
3. Marco Teórico ........................................................................................ 13
3.1 La energía renovable en el mundo .................................................. 13
3.2 Capacidad de almacenamiento de energía en el mundo ................. 15
3.3 Almacenamiento de energía electromecánico ................................. 18
3.3.1 Almacenamiento de energía por bombeo ................................. 18
3.3.2 Almacenamiento de energía por aire comprimido ..................... 19
4. Marco Conceptual .................................................................................. 20
4.1 Microrred .......................................................................................... 20
4.2 Baterías ........................................................................................... 22
4.2.1 Baterías De Plomo Ácido .......................................................... 22
4.2.2 Baterías de Níquel-Cadmio (NiCd) ............................................ 25
4.2.3 Baterías de Sulfuro de Sodio .................................................... 28
4.2.4 Baterías De Litio ........................................................................ 32
4.2.5 Baterías De Flujo-Redox ........................................................... 35
4.3 Tablas de resumen .......................................................................... 39
5. Dimensionamiento de los componentes de la microrred aislada ............ 42
5.1 Dimensionamiento del arreglo fotovoltaico ...................................... 43
5.2 Dimensionamiento del aerogenerador ............................................. 47
2
5.3 Dimensionamiento de las baterías ................................................... 48
6. Simulación .............................................................................................. 50
6.1 Modelado en software...................................................................... 51
6.1.1 Caso de simulación SoC al 60% a plena carga ........................ 58
6.1.2 Caso de simulación SoC 100% sin fuentes de generación ....... 63
7. Análisis de resultados ............................................................................ 69
7.1 Capacidad de almacenamiento ....................................................... 69
7.2 Tiempo de vida útil ........................................................................... 70
7.3 Eficiencia ......................................................................................... 70
7.4 Autodescarga ................................................................................... 71
7.5 Costos de almacenamiento e impacto ambiental ............................ 72
7.6 Consideraciones finales ................................................................... 74
7.6.1 Análisis cuantitativo ................................................................... 76
7.6.2 Datos del acumulador seleccionado.......................................... 76
8. CONCLUSIONES ................................................................................... 79
9. Bibliografía ............................................................................................. 80
10. ANEXOS ............................................................................................. 82
3
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Metodología aplicada ..................................................................... 10
Figura 2. Tipos de energía renovable. .......................................................... 13
Figura 3. Métodos de almacenamiento de energía a través del tiempo. ...... 15
Figura 4. Capacidad de almacenamiento de energía en el mundo. .............. 16
Figura 5. Capacidad de almacenamiento de energía por país. .................... 17
Figura 6. Diagrama de almacenamiento de energía por bombeo. ................ 18
Figura 7. Diagrama de almacenamiento de energía CAES. ......................... 19
Figura 8. Modelo típico de una microrred aislada. ........................................ 20
Figura 9. Reacción de una batería plomo-ácido. .......................................... 22
Figura 10. Composición de una batería “Advanced Pb-acid”. ....................... 25
Figura 11. Estructura de una celda NaS. ...................................................... 28
Figura 12. Esquema de una batería de Sulfuro de Sodio. ............................ 29
Figura 13. Proceso carga-descarga de una batería de litio. ......................... 33
Figura 14. Proceso carga-descarga de una batería de flujo-redox. .............. 36
Figura 15. Características del panel Kyocera KD325GX. ............................. 44
Figura 16. Arreglo fotovoltaico. ..................................................................... 45
Figura 17. Gráficas de corriente y potencia vs tensión del arreglo, respecto a
la variación de temperatura. ......................................................................... 46
Figura 18. Gráfica de Potencia de la turbina vs Velocidad del viento. .......... 47
Figura 19. Modelo de microrred aislada propuesto. ...................................... 50
Figura 20. Modelo para simulación en MatLab ............................................. 51
Figura 21. Parámetros de configuración del bloque de baterías. .................. 52
Figura 22. Bloque del modelo genérico de baterías. ..................................... 53
Figura 23. Principio de operación/ modelo de implementación. .................... 53
Figura 24. Función del bloque de carga para la batería RF. ......................... 55
Figura 25. Función del bloque de descarga para la batería RF .................... 55
Figura 26. Función del bloque de carga para la batería NAS. ...................... 57
Figura 27. Función del bloque de descarga para la batería NAS. ................ 57
Figura 28. Gradiente de carga batería Pb-ácido a plena carga SOC al 60%.
...................................................................................................................... 58
Figura 29. Gradiente de carga batería Ion de litio a plena carga SOC al 60%.
...................................................................................................................... 59
Figura 30. Gradiente de carga batería Níquel-cadmio a plena carga SOC al
60%. .............................................................................................................. 60
Figura 31. Gradiente de carga batería Sulfuro de sodio a plena carga SOC al
60%. .............................................................................................................. 61
Figura 32. Gradiente de carga batería Flujo redox a plena carga SOC al 60%.
...................................................................................................................... 62
4
Figura 33. Gradiente de descarga batería Pb-Acido a plena carga, SOC al
100%. ............................................................................................................ 63
Figura 34. Gradiente de descarga batería Ion de litio a plena carga SOC al
100%. ............................................................................................................ 64
Figura 35. Gradiente de descarga batería Níquel-cadmio a plena carga SOC
al 100%. ........................................................................................................ 65
Figura 36. Gradiente de descarga batería de sulfuro de sodio a plena carga
SOC al 100%. ............................................................................................... 66
Figura 37. Gradiente de descarga batería de sulfuro de sodio a plena carga
SOC al 100%. ............................................................................................... 67
Figura 38. Microrred con fuentes, sin baterías a plena carga. ...................... 68
Figura 39. Microrred con fuentes, sin baterías a plena carga. ...................... 68
Figura 40. Comparación de la capacidad de almacenamiento de las baterías.
...................................................................................................................... 69
Figura 41. Expectativa de tiempo de vida útil de las baterías. ...................... 70
Figura 42. Comparación de la eficiencia de las baterías. ............................. 71
Figura 43. Comparación de la tasa de autodescarga de las baterías ........... 72
Figura 44. Comparación de los costos de almacenamiento Vs. kW/h de los
distintos métodos de almacenamiento. ......................................................... 73
Figura 45. Desempeño de la batería respecto a la carga en la batería Pb-Acido
Trojan24TMX. ............................................................................................... 77
Figura 46. Capacidad de almacenamiento vs temperatura en la batería Pb-
Acido Trojan24TMX. ..................................................................................... 78
5
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Resumen de las principales características de las baterías. ........... 40
Tabla 2. Características de las tecnologías de almacenamiento. ................. 41
Tabla 3. Relación entre la entrada de tensión del inversor y la demanda de
potencia. ....................................................................................................... 42
Tabla 4. Cuadro de cargas ........................................................................... 43
Tabla 5. Características de los componentes usados en el proyecto. .......... 49
Tabla 6. Parámetros de la batería RF ........................................................... 54
Tabla 7. Parámetros de la batería NAS ........................................................ 56
Tabla 7. Características económicas e impacto ambiental. .......................... 73
Tabla 8. Análisis cuantitativo/comparativo de los tipos de baterías. ............. 76
Tabla 9. Hoja de datos del panel solar Kyocera KD225GX-LPB................... 82
6
SIGLAS Y ABREVIATURAS
BESS: Siglas de Battery Energy Storage Systems, son grandes sistemas de
almacenamiento de energía, compuestos por varias baterías según la
necesidad.
DOD: (Depth of Discharge), profundidad de descarga, término comúnmente
encontrado para determinar el máximo porcentaje de descarga de una batería
sin afectar negativamente su ciclo de vida.
MTOE: Siglas de Million of Oil Equivalent, Unidad de medida para indicar el
equivalente de millones de toneladas de combustible.
OECD: De las siglas de Organization for Economic Co-operation and
Development. Es una organización que promueve políticas que mejoran el
bienestar económico y social en todo el mundo, de la cual son miembros 20
de los países más desarrollados del mundo.
PCH: Es una central hidroeléctrica que según la OLADE1 tiene un rango de
potencia instalada de 500kW a 5000kW.
PSoC: Siglas de Partial State of Charge, término usado especialmente en las
ultra baterías, se refiere a la capacidad de la batería para alcanzar un estado
de carga “usable”.
PV: (PhotoVoltaic) nombre de un método para convertir la energía solar en
electricidad de corriente directa usando materiales semiconductores que usan
el efecto fotovoltaico, un fenómeno físico que involucra la fotoquímica y la
electroquímica.
RETROFIT: Técnica de renovación de instalaciones, equipos o maquinaria
basada en la actualización de componentes. Se reemplazan equipos ya
obsoletos y se conserva la parte mecánica en buen estado como la estructura
propia.
1 OLADE: Organización Latinoamericana de Energía.
7
INTRODUCCIÓN
Cada día se hace evidente el incremento de la demanda energética de la
población, no solo debido a la expansión demográfica sino a una sociedad
consumista y ansiosa de satisfacer sus necesidades para su bienestar y
entretenimiento. Debido a ésta problemática se hace imperativo el uso y
desarrollo de nuevas fuentes de energía, para suplir las exigencias crecientes
de la actividad humana y de la industria2.
Gracias a la investigación y avances tecnológicos en nuestros días, existen
diversas formas de obtener energía eléctrica sin producir un gran impacto al
medio ambiente, las energías renovables en un futuro deben reemplazar
paulatinamente a los combustibles fósiles y cada vez se integran de forma
exponencial a los sistemas interconectados tradicionales, debido a esta
tendencia según Chen, [1] también se ven comprometidos los factores de
calidad y seguridad de la red, lo que hace necesario disponer de un sistema
de almacenamiento apropiado para compensar las fluctuaciones de
generación derivadas de las fuentes de energía no renovables, como la
energía solar y eólica.
Desde el descubrimiento de la energía eléctrica y sus posibles usos, se ha
mantenido la constante necesidad y se han enfocado enormes esfuerzos en
poder almacenarla. En la actualidad existen diversas maneras de lograrlo, ya
sea para su reserva a gran escala o para prevenir fallas en pequeños sistemas,
uno de los dispositivos más usados alrededor del mundo son las baterías, por
su fácil accesibilidad, disponibilidad y eficiencia. Por el anterior motivo y las
diferentes tecnologías y características técnicas de las baterías disponibles en
la industria y sus principales aplicaciones, este documento se enfoca en la
recopilación y análisis de información de las tecnologías de mayor impacto
como son: Plomo-acido, Níquel-Cadmio, Sulfuro de Sodio, Ion-Litio y flujo-
redox. Se destacan las características técnicas de cada tecnología, su estado
actual de desarrollo y desafíos futuros, así como las ventajas y desventajas de
cada sistema. Además, las tecnologías se encuentran en distintas etapas de
desarrollo y avance, y en varios casos se requieren desarrollos futuros en los
cuales es importante reducir los costos y mejorar el rendimiento para que los
2 UPME. (2010). Formulación de un plan de desarrollo para las fuentes no convencionales de energía en Colombia [En línea]. Disponible en: http://www.upme.gov.co/Sigic/DocumentosF/Vol_2_Diagnostico_FNCE.pdf
8
sistemas de generación renovable se integren de forma adecuada a sistemas
eléctricos.
Para la Organización de las Naciones Unidas ONU, en el mundo en promedio
1 de cada 5 personas no tiene acceso a la energía eléctrica3, y según datos
del Banco Mundial4 3.000 millones todavía cocinan con combustibles
contaminantes, principalmente en las zonas rurales en las cuales la topografía
o las distancias de los asentamientos demográficos hacen difícil y costosa la
interconexión eléctrica, por ésta razón los gobiernos locales junto con
organizaciones internacionales están implementando microrredes híbridas
que tratan de aprovechar los recursos renovables disponibles en la zona para
brindar la oportunidad de suplir el recurso fundamental de la energía eléctrica
a la población rural. Los sistemas de baterías son una de las opciones que se
pueden implementar como sistemas de reserva en las microrredes.
En este documento se analizan las diversas opciones y tipos de tecnología
para determinar la adecuada para una microrred aislada por medio de análisis
técnico detallado, para ello se debe tener en cuenta aspectos como duración,
dimensionamiento físico, eficiencia, costos por unidad de reserva y
mantenimiento durante su vida útil.
3 Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo. [En línea]. Disponible en: http://www.action4energy.org/es/ 4 Banco Mundial. (2015). Progressing on Sustainable energy goals but still far from finish line.
9
1. OBJETIVOS
1.1 OBJETIVO GENERAL
Realizar un análisis técnico de las diversas tecnologías de baterías
comercialmente disponibles, para proponer el tipo adecuado a implementar en
un proyecto de microrred aislada.
1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Analizar e identificar la información de los principales tipos de baterías
comercialmente disponibles y en desarrollo para obtener datos técnicos e
información relevante para su análisis.
Comparar los beneficios y limitaciones técnicas de los diferentes tipos de
tecnología de baterías, dentro del marco de su utilización como sistema
de almacenamiento de energía en una microrred aislada.
Evaluar la repuesta de carga y descarga de los principales tipos de
baterías comerciales en la microrred propuesta mediante una herramienta
de simulación.
Determinar y proponer el tipo de batería adecuado para la microrred
propuesta, desde el punto de vista técnico, en cuanto a vida útil, capacidad
de almacenamiento y pérdidas.
10
2. METODOLOGÍA DE LOS ESTUDIOS
La implementación de un acumulador de energía en un sistema eléctrico
requiere de un análisis detallado de cada tecnología disponible para
determinar el adecuado para el sistema desde el punto de vista técnico. En
este caso, se analizarán los diferentes tipos de baterías y se determinará la
tecnología adecuada para una microrred aislada de 10kW en una zona rural,
basándose en criterios como: costos de almacenamiento vs kW/h, tiempos de
respuesta y periodos de mantenimiento. Con lo anterior se busca tener la
certeza que las baterías brindarán una mayor estabilidad y durabilidad y que
los costos derivados del mantenimiento y vida útil sean mínimos.
2.1 METODOLOGÍA APLICADA
Fuente: El autor
Figura 1. Metodología aplicada
Diagnóstico
Búsqueda de información disponible de acumuladores en documentos especializados.
Análisis de la información
Caracterizar la información teórica para su comparación y simulaciones en software.
Generación de resultados
Evaluación de los resultados del estudio, para proponer el acumulador idóneo a implementar en la microrred aislada.
11
2.1.1 DIAGNÓSTICO
Para la realización del presente proyecto, se plantea como objetivo abordar
los siguientes parámetros: investigar, recopilar y procesar la información de los
distintos tipos de acumuladores más usados en la actualidad, basándose en
documentos actualizados como manuales de fabricantes de baterías y revistas
científicas como Elsevier y el IEEE5. También analizar y comparar
antecedentes presentados por este tipo de sistemas de almacenamiento al
rededor del mundo ya sea como medio de reserva de energía o
compensadores para mejorar la estabilidad en sistemas de generación
alternativos, como el recurso solar o eólico.
2.1.2 ANÁLISIS DE LA INFORMACIÓN
Demostrar el aporte de las baterías en la estabilidad y en la implementación e
integración de un sistema de generación renovable en una microrred de 10
kW, comparando la generación y el consumo de los resultados de
simulaciones por software de un ejemplo de microrred aislada con baterías y
otra sin baterías.
Realizar una comparación de las características principales, así como
ventajas, desventajas, costos por mantenimiento, y duración de los distintos
métodos de almacenamiento de energía y determinar los posibles riesgos que
se puedan originar al utilizar o manipular ciertos tipos de tecnologías.
Finalmente, modelar la microrred en una herramienta de simulación para
obtener un modelo aproximado, alternando los diversos parámetros de tipos
de baterías.
2.1.3 GENERACIÓN DE RESULTADOS
El diagnóstico mediante la información teórica obtenida y las simulaciones se
complementarán para determinar y proponer el tipo de batería adecuado para
integrar en una microrred aislada teniendo en cuenta los parámetros
establecidos en los objetivos generales.
5 Institute of Electrical and Electronics Engineers
12
2.2 MARCO LEGAL
La realización del presente trabajo se desarrolló dentro del marco legal que
promueve el gobierno mediante las leyes citadas a continuación, las cuales
fomentan y promueven el uso de energías renovables como medio de
generación de energía eléctrica y promover su uso para beneficiar el cuidado
del medio ambiente.
2.2.1 LEY 697 DE 2001
Fomenta el uso racional y eficiente de la energía, se promueve la utilización
de energías alternativas, las cuales declaran un uso energético racional y
eficiente. Promover y asesorar los proyectos para uso racional de la energía,
presentados por personas naturales o jurídicas de derecho público o privado,
de acuerdo con los lineamientos del programa de Uso Racional y Eficiente de
la Energía y demás formas de energía no convencionales (PROURE),
estudiando la viabilidad económica, financiera, tecnológica y ambiental.
Promover el uso de energías no convencionales dentro del programa
estudiando la viabilidad tecnológica, ambiental y económica [2].
2.2.2 LEY 1715 DE 2014
Tiene por objeto promover el desarrollo y la utilización de las fuentes no
convencionales de energía, principalmente aquellas de carácter renovable, en
el sistema energético nacional, mediante su integración al mercado eléctrico,
su participación en las zonas no interconectadas y en otros usos energéticos
como medio necesario para el desarrollo económico sostenible, la reducción
de emisiones de gases de efecto invernadero y la seguridad del
abastecimiento energético. Con los mismos propósitos se busca promover la
gestión eficiente de la energía, que comprende tanto la eficiencia energética
como la respuesta de la demanda [2].
13
3. MARCO TEÓRICO
3.1 LA ENERGÍA RENOVABLE EN EL MUNDO
Debido a la futura escasez de los combustibles fósiles, que son actualmente
la mayor fuente de energía de la humanidad, la explotación de fuentes
renovables de energía alrededor del mundo se ha incrementado notablemente,
por este motivo se han hecho importantes avances en el desarrollo de métodos
de almacenamiento para mitigar la fluctuación generada por las principales
fuentes de este tipo de energías. En la Figura 2, se muestran los principales
tipos de energía renovable, se consideran parte de este conjunto toda la
energía aprovechable proveniente del sol, ya sea directa o indirectamente, así
como el aprovechamiento de la fuerza de gravedad de la tierra. [3]
Fuente: El autor.
Figura 2. Tipos de energía renovable.
Para la International Energy Agency6, en los países que forman parte del
OECD, las fuentes de energía renovables se incrementaron en promedio un
2.2% anual desde el año 1990 hasta 2014, especialmente la fotovoltaica y
eólica las cuales representaron un 46.6% y 24.8% respectivamente, en
comparación de las fuentes tradicionales de energía como los combustibles
6 Renewables Information. (2015). International Energy Agency IEA Statics.
Energía
solar
directa
Energía
fotovoltaica Energía
térmica
Fuerza de
gravedad
Energía
geotérmica Energía
mareomotriz
Energía
hidráulica
Energía
solar
indirecta
Energía
eólica
Energía por
biomasa Energía
por olas
14
fósiles, el carbón y la energía nuclear, los cuales solo han tenido un
crecimiento de 0.4% en el mismo periodo.
Según esta información, se observa una gran tendencia al incremento de la
explotación de las fuentes renovables como fuente de energía eléctrica las
cuales aumentaron su implementación en un 4% anual hasta el 2014 y según
Sustainable Energy For All7, se espera lograr un 100% de acceso a éste tipo
de energía para el año 2030. Para lograr éste objetivo la tasa de incremento
debe acercarse a un 7,5%.
Aunque las energías renovables más explotadas son la energía solar, los
biocombustibles, la hidráulica y la eólica, aún existen otras fuentes menos
comunes, las cuales podrían ser explotadas según la disponibilidad de la zona
en la que se implementan, ya que todos los países no cuentan con los recursos
naturales para hacer uso eficiente de cierto tipo de fuente.
El principal inconveniente para implementar masivamente la explotación de
fuentes de energía renovable, son la disponibilidad constante de energía en
todo momento y la gran dependencia de éstas a las condiciones
meteorológicas del emplazamiento en el que se ubican.
7 Sustainable Energy For All. (2015) [En línea] http://www.se4all.org/our-vision/our-objectives/renewable-energy/
15
3.2 CAPACIDAD DE ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA EN EL MUNDO
A través del tiempo y con la utilización cada vez mayor de la energía eléctrica,
el hombre ha buscado la forma de almacenar los excedentes generados o no
consumidos, esto se ha logrado por medio de diversos medios ya sea
aprovechando la fuerza de gravedad, el calor del sol o por medio de reacciones
químicas que liberan parte de la energía contenida.
Fuente: Global Energy Storage Database
Figura 3. Métodos de almacenamiento de energía a través del tiempo.
Según los datos de Global Energy Storage, a partir del año 2007 el
almacenamiento de energía térmico ha ganado gran fuerza entre los métodos
de almacenamiento electromecánicos predominantes hasta entonces, como
los sistemas hidráulicos por bombeo, como se puede observar en la figura 3.
Debido a que los países que poseen estaciones utilizan una gran parte de la
energía para control de temperatura, es mucho más rentable capturar y
conservar la energía en forma de calor que en forma eléctrica.
16
A continuación se detallan los sistemas de almacenamiento de energía más
usados en el mundo para el año 2015, según datos de Global Energy Storage
Database.
Fuente: DOE Global Energy Storage Database
Figura 4. Capacidad de almacenamiento de energía en el mundo.
Los sistemas de almacenamiento térmico son la forma más utilizada en el
mundo para almacenar energía como se puede observar en la figura 4, con
una capacidad de 1.7 GW instalados, lo que significa 46.7% del total de
almacenamiento, le siguen los sistemas de almacenamiento de agua
bombeada con 1.4 GW para un 38.4%, a continuación se encuentran los
sistemas electroquímicos los cuales poseen el 10% del total. Los sistemas de
almacenamiento de energía electroquímicos son insignificantes comparados
con los sistemas principales, pero representan una enorme flexibilidad en
comparación, ya que por su fácil implementación y tamaño reducido pueden
ser instalados prácticamente en cualquier lugar.
Global Energy Storage, posee un registro actualizado de la capacidad y el tipo
de almacenamiento de energía por países, se puede apreciar, según la figura
5, que la mayor capacidad de almacenamiento de energía la tiene España, ya
que en éste país europeo la capacidad de generación de energía térmica y
eólica es muy alta, por éste motivo existen bancos de baterías para
estabilización de la generación y medios de almacenamiento de tipo térmico
Agua bombeada39,2157%
Almacenamiento térmico
47,6190%
Baterías NaS2,8011%
Baterías Pb-ácido2,8011%
Baterías Ni-Cd1,1204%
Energías rotativas (Flyweels)3,0812%
Baterías Li-ion1,1204%
Baterías de flujo-redox
2,2409%Electroquímico10,0840%
17
para su reserva, adaptándose a las condiciones climáticas que no son
constantes a lo largo del año.
Fuente: Global Energy Storage Database
Figura 5. Capacidad de almacenamiento de energía por país.
En segundo lugar se encuentra Estados Unidos, la cual posee actualmente el
mayor número de sistemas de almacenamiento de energía (307) aunque
pequeños, todos sumados le dan una gran capacidad de almacenamiento
energético a este país el cual posee también la mayor diversificación en cuanto
al tipo de sistemas que utiliza. En tercer lugar se encuentra Alemania, que ha
impulsado fuertemente leyes para promover el uso de energías renovables y
se espera que para el año 2022 elimine por completo la dependencia de las
plantas nucleares. [4]
18
3.3 ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA ELECTROMECÁNICO
3.3.1 ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA POR BOMBEO
El sistema de almacenamiento de energía por bombeo funciona teniendo dos
reservas de agua separadas por altura, los cuales se ilustran en la Figura 6.
En lapsos de tiempo de poca demanda eléctrica, como en las noches, se
bombea agua desde el depósito inferior hacía el superior, tomando energía
eólica para alimentar la bomba, o solar en los días en que se encuentre
disponible. Esta energía posteriormente se recupera liberando el agua
depositada en el embalse a través de los generadores, depositándola de
nuevo en el embalse inferior, pudiendo repetir este ciclo indefinidamente. [5]
Fuente: El autor
Figura 6. Diagrama de almacenamiento de energía por bombeo.
Modelos similares a este son utilizados alrededor de todo el mundo, siendo el
método más efectivo y usado para almacenar energía eléctrica en forma
potencial. Su mayor desventaja son los recursos físicos necesarios para
implementarlo, ya que para almacenar energía aprovechable se necesita una
enorme área o emplazamiento natural, afectando enormemente la
biodiversidad presente en la zona, además de estar alejada de las zonas de
consumo.
H2O Bomba
Control
Embalse
Parque eólico Arreglo PV
Generador
H2O
19
3.3.2 ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA POR AIRE COMPRIMIDO
Este sistema se basa en la compresión del aire (CAES) y la temperatura
asociada a la presión como método para almacenar energía, en periodos de
baja demanda se utiliza usualmente una fuente renovable de energía que
alimenta un compresor que inyecta aire para crear presión en el contenedor el
cual requiere entornos naturales para su implementación, como una cueva o
depósito natural en el subsuelo, por lo que este método de reserva de energía
se encuentra estrechamente ligado a la geografía disponible. En la Figura 7 se
muestran los elementos usados usualmente en este sistema de
almacenamiento.
Fuente: THERMODYNAMIC AND ECONOMIC REVIEW8
Figura 7. Diagrama de almacenamiento de energía CAES.
Al igual que el sistema de almacenamiento de bombeo de agua, éste sistema
depende exclusivamente de la disponibilidad de la zona geográfica para su
implementación, por lo que los costos vs beneficios a mediano y corto plazo
son muy altos.
8 A. Rogers, A. Henderson, X. Wang and M. Negnevitsky. (2014). Compressed Air Energy Storage: Thermodynamic and Economic Review. (2014). IEEE.
20
4. MARCO CONCEPTUAL
4.1 MICRORRED
Sistema integrado de suministro de energía que consiste en cargas, fuentes
de generación distribuida y equipos de almacenamiento que funcionan como
un sistema integrado y pueden operar conectadas al sistema eléctrico o de
manera aislada9.
Fuente: ENERGREENCOL
Figura 8. Modelo típico de una microrred aislada.
La producción de energía proveniente de una fuente no convencional varía
enormemente dependiendo de las características de los recursos de su
localización, éste problema se mitiga adicionando fuentes de energía
controlables, como generadores de combustión interna o acumuladores.
9 Wilsun Xu, Konrad Mauch, and Sylvain Martel, “An Assessment of Distributed Generation Islanding Detection Methods and Issues for Canada”, CETC-Varennes 2004-074 (TR) 411-INVERT
21
La implementación de microrredes provee muchas ventajas, no solo para el
consumidor sino también para el productor, al mejorar la calidad de potencia
así como la disminución de recursos por emisiones de carbono.
Para Fossati, existen las siguientes configuraciones de microrred eléctrica10:
Microrred aislada: Se trata de una microrred para usuarios o
comunidades apartadas o fuera del sistema interconectado, hasta un
máximo de 100 kW de potencia.
Sistemas tipo retrofit: se trata de sistemas renovables instalados en
redes locales de media tensión, hasta potencias de pocos MW, con el
fin de reducir el tiempo de funcionamiento de los generadores diésel
existentes, ahorrando recursos y emisiones.
Sistemas combinados o híbridos: Utilizan fuentes de origen renovable
como recursos PV, turbinas eólicas, PCH o biomasa. Debido al carácter
intermitente de este tipo de generación son utilizadas en aplicaciones
con acumuladores.
Sistemas híbridos que combinan las fuentes de origen renovable con
fuentes convencionales, y que permiten operar tanto de manera aislada
como conectada a la red de distribución.
Para Hartono, Budiyanto, Setiabudy,11 las microrredes eléctricas se clasifican
en 2 arquitecturas:
Microrredes AC: Todos los elementos están conectados a un nodo
común AC, y cada elemento de generación DC, posee un convertidor
AC, así como las cargas y los transformadores de corriente para
monitoreo.
Microrredes DC: Todos los elementos de generación AC, son
previamente rectificados y van conectados a un nodo común DC, se usa
un convertidor DC/AC para su destino a las cargas.
10 Fossati, (2011). Literature review of microgrids. Memoria de trabajos de difusión científica y técnica, núm. 9 ISSN 1510-7450 11 Hartono. Budiyanto. Setiabudy. (2013), Review of Microgrid Technology. IEEE.
22
4.2 BATERÍAS
En la actualidad existen métodos de almacenamiento masivo de la energía los
cuales se mencionaron, pero las baterías poseen grandes ventajas con
respecto a los demás sistemas, como su portabilidad, son comercialmente
disponibles y relativamente económicas lo que las hace una de las mejores
opciones para implementar en sistemas de acumulación de energía. Existen
diversos tipos de baterías, las cuales se diferencian en su estructura física,
modo de funcionamiento o composición química, las cuales tienen distintas
ventajas y/o desventajas, que pueden ser aprovechadas según su uso.
4.2.1 BATERÍAS DE PLOMO ÁCIDO
Descripción de la tecnología: Las baterías de Plomo-ácido son un tipo de
batería primaria, conformadas en base a la teoría de celdas de Leclanché12
actualmente es la tecnología de almacenamiento de energía más antigua con
más de 130 años, aún son el medio de almacenamiento electroquímico
recargable más usado en pequeños sistemas de respaldo.
Fuente: GSU13
Figura 9. Reacción de una batería plomo-ácido.
12 Crompton, Thomas. (2000). Battery Reference Book, 3rd Edition. Elsevier / Newnes. 13 Departament of Physics and Astronomy. (2014). HyperPhysics. Georgia State University.
Reacciona
con el ácido
sulfúrico y
forma sulfato
de plomo
Reacciona
con los iones
de sulfato
para formar
sulfato de
plomo, el cual
aporta 2
cargas
positivas
hacia la
izquierda.
23
El ánodo o electrodo positivo está compuesto de dióxido de plomo, mientras
el cátodo o negativo de plomo. El material activo en ambos electrodos es
poroso para maximizar la superficie de contacto, en este tipo de baterías el
electrolito interviene en forma activa del proceso electroquímico, variando la
densidad de ácido en la solución, según el estado de carga.
Existen dos categorías de baterías de plomo ácido: las de tipo húmeda o
abierta (flooded o vented) en la cual el electrolito es una solución de ácido
sulfúrico y agua destilada, y la VRLA (Valvule Regulated Lead Acid) que hizo
su primera aparición en los años 60, en la cual el electrolito viene en estado
de pasta y es sellado por una válvula reguladora de presión.
En las baterías de tipo húmedo se utiliza un separador entre los electrodos,
los que son utilizados para aislar eléctricamente cada placa, que están
dispuestas de forma alternada en polaridades opuestas. Los procesos de
carga-descarga involucran a los electrodos y al ácido sulfúrico. En la descarga
ambos electrodos se convierten en sulfato de plomo, teniendo agua como
subproducto consumiendo el ácido sulfúrico. Durante la carga ocurre el
proceso inverso, pero este proceso no es ilimitado, ya que en cada ciclo de
carga-descarga se pierden partes del material de las placas, degradándolas,
con el consecuente deterioro progresivo del acumulador.
Datos técnico-económicos: Según datos obtenidos de la revisión por Energy
for Sustainable Development [6], la vida útil de estas baterías es baja,
alrededor de 500 a 1000 ciclos, y una densidad de energía de 30 a 50 Wh/kg.
Su eficiencia está entre 75-80% con una vida útil de 5-15 años, que depende
de la temperatura de operación. Posee una tasa de autodescarga baja, menor
al 0.1% [7].
Por su baja vida útil, este tipo de baterías no son las más adecuadas para
aplicaciones de gestión de energía, por su alta eficiencia son ideales para
sistemas ininterrumpidos de energía (UPS).
Ventajas: Las baterías de plomo-ácido según Divya, Østergaard [8] tienen la
ventaja de ser de bajo costo y tolerantes a un uso intensivo. Las reacciones
de reducción-oxidación que se llevan a cabo durante la operación de la batería
deterioran los electrodos, afectando la vida útil y la cantidad de ciclos de carga
máxima, que depende a su vez de la densidad de descarga. La temperatura
de operación también afecta constantemente la capacidad de almacenamiento
y la vida útil.
24
Desventajas: Estos sistemas requieren un mantenimiento constante, ya que
requieren (en el caso de las baterías tipo flooded14) revisión y reposición de
los niveles de agua en el electrolito. En la revisión por Qiangxin, Gao [9], Estos
sistemas también presentan dificultades con ciclos frecuentes a estados
parciales de carga, lo que puede causar la irreversible polarización de los
electrodos (sulfatación), disminuyendo su capacidad de carga y posiblemente
ocasionar una falla en el suministro. En el caso de falla o detrimento en la
capacidad de carga de una sola batería, afecta gravemente el rendimiento del
banco de baterías.
Aplicaciones en sistemas de energía: En 1999, en Puerto Rico fue instalado
el primer BESS más grande del mundo por Puerto Rico Electric Power
Authority (PREPA), un sistema de 20 MW/15 min, conformado por 6000 celdas
de placa plana de plomo con aleación de calcio. Este sistema fue diseñado
principalmente para suministrar reserva en giro, pero finalmente fue utilizado
para regulación de frecuencia y regulación de voltaje, lo cual se redujo su vida
útil. Después, en el 2004 las instalaciones fueron re-potencializadas con 6048
celdas de plomo ácido de placa tubular [10].
En Estados Unidos se han instalado varios sistemas de almacenamiento, uno
de ellos en Utah, un BESS de 250 kW/8 h y otro en Wisconsin, un sistema de
seis superconductores de almacenamiento de energía magnética (SMES) de
1 MW/1 s para un sistema de transmisión. Además, un número considerable
de acumuladores de plomo-ácido para UPS se encuentran en operación en
instituciones financieras, campos de servidores, aeropuertos y similares.
Aspectos de seguridad: Debido a las reacciones químicas del electrolito y
los electrodos de las baterías de tipo “flooded” en el proceso de carga-
descarga hay pequeñas pérdidas de agua, lo cual conlleva a la supervisión
constante de los niveles de densidad del electrolito. En las baterías de tipo
sellado, el mantenimiento es mucho menor, pero también poseen el riesgo de
explosión o falla por presión interna debido al eventual evaporamiento y/o
deterioro del electrolito. Esta tecnología actualmente posee el mayor tiempo
de investigación y madurez, por lo tanto es la más segura de todas las
tecnologías, únicamente en algunas zonas del mundo se encuentra limitado
su uso debido a la disposición final de deshechos por temas ambientales en el
manejo del plomo.
14 Batería con electrolito líquido, conocidas como “Flooded”.
25
Desafíos futuros: Actualmente existen avances significativos en la tecnología
de baterías Advanced VRLA15 que por su bajo costo y residuos reciclables
hasta en un 100%, compiten con tecnologías en materiales más avanzados y
que ocupan menos espacio.
Fuente: ALABC16
Figura 10. Composición de una batería “Advanced Pb-acid”.
El grupo Advanced Lead Acid Battery Consortium (ALABC), ha sido el mayor
responsable de los avances hechos hacía una nueva generación de baterías
Pb-ácido denominadas “Advanced lead-acid batteries” o “Ultrabattery” que se
basan en la integración de un electrodo adicional de carbono paralelo al de
plomo, lo cual se asemeja al principio de un ultra capacitor, mejorando
enormemente el estado parcial de carga (PSoC), combinando la propiedad de
carga casi instantánea de un capacitor y la descarga prolongada de una
batería.
4.2.2 BATERÍAS DE NÍQUEL-CADMIO (NICD)
Descripción de la tecnología: El nacimiento y desarrollo de esta batería de
tipo alcalina se remonta a la década de los años 50, esto ayudó a que se
estableciera en el mercado, y que alcanzara una madurez cercana a las
baterías de plomo-acido. El material del electrodo positivo es hidróxido de
níquel Ni (OH)2 mientras que el electrodo negativo es de cadmio (Cd). La
15 Siglas de Valve-Regulated Lead-Acid battery 16 The Advanced Lead-Acid Battery Consortium. [en línea]. Disponible en: http://www.gopherresource.com/alabc-ss-ultrabattery-a4.pdf
26
solución alcalina KOH (hidróxido de potasio) actúa como el electrolito. Ambos
electrodos están aislados por un separador, y son enrollados en forma espiral
dentro de la carcasa, este diseño reduce la resistencia interna ya que hay una
mayor cantidad de electrodo en contacto con el material activo en cada celda.
Este tipo de batería puede ser encontrada típicamente en dos formas, según
la aplicación; en forma sellada para dispositivos portátiles o en su forma
“flooded” o tipo húmedo para aplicaciones industriales.
Datos técnico-económicos: Las baterías de Ni-Cd presentan un largo ciclo
de vida, más de 3500 ciclos combinados con bajos requerimientos de
mantenimiento. Sin embargo, su vida útil depende principalmente de los
niveles de descarga en cada ciclo, pudiendo alcanzar hasta 50.000 ciclos con
un 10% de descarga [7].
Para obtener una carga completa en una batería Ni-Cd, es necesario aplicar
una alta corriente con un cierto nivel de sobrecarga. El proceso de descarga
también puede efectuarse rápidamente debido a la baja resistencia interna de
este tipo de baterías.
A modo de comparación el sistema BESS construido por GVEA en Alaska
posee una energía específica de 5.2 Wh/kg comparado con el alto valor 50-75
Wh/kg. Obtenido en la comparación técnica de ESS17 . Los costos de inversión
fueron para el año 2013 de 50-310 US$/kW. [11]
Ventajas: Estas baterías requieren mantenimiento con menor frecuencia,
pueden entregar más corriente en un menor tiempo y su duración es mayor
con respecto a las baterías de Pb-ácido. Pueden mantener estados de
descarga por periodos largos, siendo más robustas que otras tecnologías al
mantener una tensión estable durante ciclos de carga/descarga profundos.
Poseen una resistencia interna muy baja, por lo que son ideales para disponer
en conexiones en serie.
Desventajas: Para Chen [1], la principal desventaja es su alto costo de
inversión, pudiendo ser 10 veces el de un sistema de Pb-ácido, debido al
sofisticado proceso de fabricación necesario y a la disponibilidad de los
materiales involucrados. Otra de las desventajas de las baterías de Ni-Cd es
la alta toxicidad del cadmio, lo que hace difícil su disposición final una vez que
17 De las siglas en inglés Energy Storage System.
27
tienen que ser reemplazadas. Adicionalmente, estas baterías sufren de efecto
memoria, pudiendo alcanzar una carga completa después de repetidos ciclos
completos de carga/descarga, Si las baterías de NiCd no son totalmente
descargadas antes de recargarlas, comenzarán a perder su la capacidad. La
generación de energía eólica y solar no es gestionable y se genera de forma
impredecible, las baterías de NiCd no podrían operar económicamente sin
crear problemas causados por el efecto memoria.
Aplicaciones en sistemas de energía: El sistema instalado por GVEA18
corresponde al sistema BESS de mayor potencia instalado en el año 2003.
Corresponde a un sistema de casi 14.000 celdas divididas en cuatro baterías
de 3440 celdas, cada una alcanzando una tensión de 5.2kV. El sistema está
diseñado para aportar 27MW por 15 minutos, 40MW por 7 minutos, estando
limitado a 46MVA a causa del convertidor DC/AC. Este sistema fue diseñado
para tener una vida útil de 20 años, operando con 500 descargas parciales y
100 descargas completas, aportando a la reserva del sistema eléctrico de
Alaska. Este proyecto ha sido considerado exitoso, con un 99.2% de
disponibilidad durante el periodo de 18 meses después de su entrada en
operación. [12]
Aspectos de seguridad: El cadmio es un metal pesado tóxico que pueden
causar efectos nocivos en casi todas las formas de vida. Es por esta razón que
desde noviembre 2003, la Unión Europea modificó los requerimientos para
este tipo de tecnologías, teniendo como objetivo un porcentaje reciclable de al
menos 75%. [7] Con estas modificaciones legales, el futuro del
almacenamiento en baterías de Ni-Cd es incierto, la venta de baterías de Ni-
Cd de consumo ha sido prohibido, excepto para uso médico, sistemas de
alarma, iluminación de emergencia y herramientas eléctricas portátiles.
Desafíos futuros: A pesar de que las baterías de Ni-Cd presentan buenas
características técnicas, no han tenido un éxito a nivel comercial,
principalmente por su alto costo y restricciones ambientales, por lo que sus
ventas han declinado desde 1995. [6] Adicionalmente, estos sistemas tienen
un competidor directo que son las baterías Ni-MH (Niquel-Hidruro Metálico),
éstos tipos de baterías son una variante de las baterías Ni-Cd, utilizan un
ánodo de hidróxido de níquel (NiOOH) e hidruro metálico en el cátodo,
reemplazando el costoso y peligroso cadmio, esto mejora la capacidad de
almacenamiento y disminuye el efecto memoria.19
18 Golden Valley Electric Association [en línea]: http://www.gvea.com/ 19 M. W. Lund. PowerStream Technology, 2014. [En línea]. Available: http://www.powerstream.com/NiMH.htm. [Último acceso: 14 Marzo 2015].
28
4.2.3 BATERÍAS DE SULFURO DE SODIO
Descripción de la tecnología: Las baterías de Sulfuro de Sodio (NaS)
tuvieron su origen con aplicaciones vehiculares, en los años 60’s, después en
los años 70’s tuvieron avances y desarrollos conjuntamente entre las
empresas NGK Insulators Ltd., y TEPCO (Tokio Electric Power Company) en
1984. [13] A partir de ese momento las baterías NaS también conocidas como
baterías NAS (marca registrada por NGK), han experimentado un desarrollo
enorme. A partir de la década de los noventa, se le considera una de las
opciones más prometedoras para el almacenamiento de energía a gran
escala.
Físicamente en las baterías NaS el electrodo
positivo consiste en azufre (S), mientras que el
material activo del electrodo negativo
corresponde a sodio (Na). El cerámico β-
alúmina (β–Al2O3), es la forma isomórfica del
óxido de aluminio (Al2O3) en estado sólido
actúa como separador y como electrolito al
mismo tiempo. En las baterías de NaS, las
temperaturas de operación se encuentran entre
270ºC y 350ºC, lo que permite aprovechar la
conductividad del β–alúmina, asegurando que
los electrodos se mantengan en estado líquido,
y de esta manera permitir las reacciones
químicas entre electrodos. [7] Estas baterías
son usualmente diseñadas en una
configuración cilíndrica, donde el sodio (Na) es
contenido en la cavidad interior formada por el
electrolito, la cual está dentro de un contenedor
de material metálico, sellado herméticamente.
[14]
Fuente: NKG Insulators
Figura 11. Estructura de una celda NaS.
Sello de escape Aislante (α-alúmina) Sodio Tubo de seguridad β-alúmina Electrodo de azufre Carcasa de azufre
29
Fuente: ScienceDirect
Figura 12. Esquema de una batería de Sulfuro de Sodio.
Esta tipo de tecnología trabaja normalmente a altas temperaturas debido a las
reacciones exotérmicas, en consecuencia existen cambios de presión y
consecuentes riesgos de explosión o incendio, pero esto no ha detenido el
desarrollo de esta prometedora tecnología, si hay un cauteloso control de la
temperatura, los riesgos son mínimos y las pérdidas por auto descarga son
bajas.
Datos técnicos y económicos: En un estudio reciente del Department of
Energy de Estados Unidos, se estima que los costos de esta tecnología para
el año 2013 son de US$ 180 por cada 500/kWh para el costo del
almacenamiento energía.
La eficiencia esta tecnología se encuentra en un rango alto, entre 75% y 100%
con una baja auto descarga (0.01% al mes). Su vida útil se encuentra alrededor
de 3000 ciclos, pudiendo alcanzar entre 10 y 15 años. [7]
Ventajas: En comparación con otras baterías, las NaS tienen una respuesta
extremadamente rápida, siendo adecuadas para aplicaciones relacionadas
con Calidad de Energía, Adicionalmente, estas baterías pueden inyectar hasta
un 600% su potencia por pulso (Rated Power Pulse) alcanzando hasta 30
30
segundos de duración, lo que está limitado por las subidas de temperatura en
las celdas, y la profundidad de descarga. [6] Esto permite que esta tecnología
pueda ser utilizada en aplicaciones de calidad y almacenamiento reduciendo
picos rápidos en la demanda o en la producción de un parque eólico.
Las baterías de NaS presentan una larga vida útil debido a que los electrodos
son líquidos, eliminando la corrosión que afecta al resto de las tecnologías de
electrodos sólidos.
Son insensibles a cambios de temperatura externos, facilitando su instalación
en interiores o exteriores, lo que reduce su impacto respecto al lugar físico que
se utiliza, los módulos son reubicables, no producen ruidos o vibraciones por
esto permiten su integración cercana a las cargas.
Requieren bajo mantenimiento, NGK recomienda programas de
mantenimiento cada 3 años además no tienen impactos ambientales, dado
que estas baterías son selladas y no tienen emisiones durante su operación.
[14] Adicionalmente, más del 99% de los componentes de estas baterías son
reciclables, donde sólo el sodio debe ser manejado como material corrosivo.
Desventajas: Existe un límite tanto para la descarga y carga máxima en el
cual pueden ocurrir algunos fenómenos indeseados que se solucionan
cuidando el voltaje en las celdas. Debido a una descarga más profunda se
pueden producir un aumento de la corrosividad de los polisulfuros NaSx, la
cual crece a medida que se descarga más la batería, y debido a ciertas no
uniformidades dentro de la batería se pueden producir sobre-descargas
locales, esto puede significar la formación de polisulfuros sólidos, pudiendo
aumentar la resistencia interna, y afectando la capacidad de la batería para
volver a cargarse, e incluso daño estructural en el electrolito. Este mismo
efecto puede presentarse en caso de la sobrecarga con la formación de Sodio,
el cual se puede depositar en el electrolito o a su alrededor.
Esta tecnología no es adecuada para sistemas de respaldo (UPS), en los
cuales se pueden llegar a descargar totalmente con el consecuente deterioro
de los electrodos, sumado a que mantener una temperatura y voltajes
adecuados es esencial en este tipo de baterías, además son necesarios
sistemas de control y protección que ocupan un espacio físico adicional.
Aplicaciones en sistemas de energía: La década pasada, las instalaciones
de sistemas NaS crecieron exponencialmente de 10 MW en 1998 hasta 305
MW (2000 MW/h) en 2008. En marzo 2011 se alcanzó 305 MW/h en uso en
31
174 puntos de Japón y 5 países; Estados Unidos, Emiratos Árabes, Francia,
Alemania y Reino Unido [6].
El estado de esta tecnología es comercial, sin embargo, existe tan solo un
proveedor; la Japonesa NGK que es el principal fabricante a nivel mundial. En
la década de los noventa se construyó un sistema prototipo de 1 MW y 8 MWh
utilizado para manejo energético de demanda. Desde comienzos del 2000,
Japón ha invertido considerablemente en el desarrollo de esta tecnología, en
la cual NGK es la empresa pionera, alcanzando 20 MW de capacidad para
suplir en cortes de picos de demanda en alrededor de 30 ciudades. [1]
En la ciudad de Rokkasho se encuentra ubicado el mayor banco de baterías
de éste tipo que estabiliza un parque eólico de 51MW (245MW/h) ocupando
4000m2 en conjunto con los equipos de control y supervisión.20
Aspectos de seguridad: La alta temperatura de operación puede causar
preocupación en algunas aplicaciones, especialmente aquellas que están
ubicadas cerca de centros de carga residencial. El 21 de septiembre de 2011,
la empresa NGK solicitó a todos sus clientes que retiraran de servicio sus
sistemas NaS, debido a un incendio ocurrido en su instalación en la planta
Tsukuba de Mitsubishi Materials Corporation en la ciudad de Joso City. El
incendio que afectó a la planta tomó cerca de 9 horas para ser controlado, y
otras dos semanas hasta que fue extinguido completamente, generando una
gran incertidumbre acerca de la seguridad de esta tecnología. Debido a que el
sodio reacciona violentamente al contacto con el agua, el sistema debe estar
protegido de la humedad. A pesar de no haberse reportado daños a otras
instalaciones ni pérdidas humanas, este evento sin duda alguna ha resultado
en una imagen negativa para la empresa.
Los resultados de la investigación llevada a cabo por NGK fueron publicados
el 7 de Junio de 2012, además de otras medidas de seguridad que se
implementaron para evitar incidentes similares.21
Desafíos futuros: El desarrollo del electrolito de cerámica β–alúmina es
fundamental para la optimización y reducir las fallas de microestructura y evitar
reacciones no deseadas. Actualmente, se trabaja en un proceso de fabricación
20 NGK Insulators. Reference installations. [En línea]. Available: http://www.ngk.co.jp/english/products/power/nas/installation/index.html. [Último acceso: 15 Noviembre 2014]. 21 NGK Insulators Ltd. [En línea]. Available: http://www.ngk.co.jp/english/news/2012/0607.html. [Último acceso: 14 Noviembre 2014].
32
en serie que disminuirá los costos. Si bien hasta el momento se tienen
producciones en gran escala de β–alúmina, los costos todavía son altos. Otro
aspecto crítico de estas baterías es el aislamiento térmico, el cual además
debe ser hermético en un rango de 300ºC a 350ºC, también debe soportar el
vapor y el contacto con los materiales de los electrodos, que son altamente
corrosivos. Además de esto, es importante el desarrollo de materiales que
contengan el electrodo líquido positivo. La corrosión es una de las
preocupaciones constantes de los desarrolladores de esta tecnología.
4.2.4 BATERÍAS DE LITIO
Descripción de la tecnología: A comienzos de los años 70 Exxon desarrolló
la primera batería de litio recargable, que se basaba en un cátodo de di-sulfuro
de titanio (TiS2) y un ánodo de litio-aluminio (LiAl). [15] Gracias a la
masificación de dispositivos electrónicos portátiles, también se profundiza en
el mejoramiento de sus fuentes de energía. Se han enfocado los esfuerzos en
las baterías de ion-litio (Li+) y Polímero de litio (LiPo) gracias a su relación
densidad/ peso.
Desde su comercialización masiva a comienzos de los años 90 por Sony, las
baterías de litio han logrado un avance importante en cuanto a peso,
capacidad de almacenamiento y potencia. Actualmente, las baterías de litio
son usadas ampliamente para teléfonos móviles y aparatos electrónicos
portátiles, alcanzando una producción anual de 2000 millones de baterías y
10*109 millones USD en ventas en el año 2014, según L. Florence y P. Jones22.
Esta tecnología atrae mucha atención de la industria tecnológica de materiales
y del sector energía, con el objetivo de obtener equipos de alta potencia para
aplicaciones como autos eléctricos y almacenamiento de energía a gran
escala, aunque su desarrollo en este ámbito se ha retrasado principalmente
por razones de seguridad y costos los que están estrechamente relacionados.
En términos de construcción no difieren físicamente del resto de tecnologías
de celdas. Se componen de dos capas de electrodos y una capa de electrolito
que varía según el tipo de batería en medio de ambas, separados por una capa
de un material poroso de polietileno o polipropileno, el electrodo positivo está
22 L. Florence, P. Jones. (2014). Safety Issues for Lithium-Ion Batteries. [En línea]. Available: http://newscience.ul.com/wp-content/uploads/sites/30/2014/04/Safety_Issues_for_Lithium_Ion_Batteries.pdf. [Último acceso: 23 Noviembre 2014].
33
hecho de óxido de cobalto (LiCoO2) o de fosfato de hierro de litio (LiFePO4).
El electrodo negativo está hecho de carbón (grafito).
Fuente: SONY Corp.
Figura 13. Proceso carga-descarga de una batería de litio.
Todas las baterías de iones de litio trabajan de la misma manera. Durante la
carga de la batería, el electrodo positivo retira algunos de sus iones, que se
mueven a través del electrolito para llegar al electrodo negativo y permanecen
ahí. La batería almacena energía durante este proceso. Cuando la batería se
descarga, los iones vuelven a través del electrolito hacia el electrodo positivo,
alimentando la carga. [16]
Datos técnico-económicos: Uno de los aspectos importantes a mencionar
sobre las baterías de litio es su alta densidad de energía; 75–125 Wh/kg. Otra
característica es la rápida capacidad de carga/descarga; pueden alcanzar el
90% de su potencia nominal en 200 ms y una alta eficiencia, alrededor del 78%
con más de 3500 ciclos. [7]
Ventajas: Las baterías de litio son de menor peso en comparación con las
otras baterías recargables de la misma capacidad, comparándolas con las
baterías de Pb-ácido pueden almacenar 6 veces la cantidad de energía en el
mismo espacio.
34
Tienen una densidad de energía muy alta, debido a los modernos polímeros
utilizados en su construcción, además de la baja densidad del grafito.
Poseen una baja taza de pérdida de energía, y un menor efecto memoria
comparadas con las baterías Ni-MH, las cuales pueden llegar a perder hasta
20% de carga por mes.
Soportan una gran cantidad de ciclos de carga-descarga, haciéndolas idóneas
para dispositivos portátiles de uso frecuente. [16]
Desventajas: Baja duración, entre 2 o 5 años, sean utilizadas o no. Si se
descargan por completo, los electrodos se degradan rápidamente, también
son muy susceptibles a las altas temperaturas y a los rangos no adecuados
de tensión, causando un daño prematuro.
El costo de las baterías de litio aún es alto comparándolas con otros tipos de
tecnologías similares.
Esta tecnología no es adecuada para sistemas de respaldo (UPS), ya que una
descarga total, llevaría al deterioro o daño permanente de las baterías.
Adicionalmente en condiciones adversas de sobretensión o un rango atípico
de temperatura, pueden ocasionar una falla y consecuente explosión o
incendio.
Aplicaciones en sistemas de energía: El desarrollo de las baterías de litio
se ha enfocado principalmente en el desarrollo automotriz y telefonía móvil,
debido a su gran capacidad de carga y su bajo peso, también son ampliamente
usadas en equipos portátiles de potencia moderada, como herramientas de
mano, equipos médicos y tecnológicos.
Aspectos de seguridad: Los problemas de seguridad más frecuentes
asociados a esta tecnología son las fallas estructurales de los aislantes debido
a sobrecargas o sobredescargas, causando calentamiento en los materiales
activos debido a la reacción exotérmica acumulando presión y una
subsecuente explosión de la batería, con riesgo adicional de combustión como
resultado de la exposición al oxígeno. Las baterías de litio están diseñadas
con dispositivos de seguridad integrados que abren la carga eléctrica externa
en el caso de una condición de sobrecorriente o aliviar una excesiva
acumulación de presión en las celdas. Sin embargo, estos dispositivos de
seguridad son incapaces de mitigar todas las situaciones de falla de la batería.
35
Los casos más relevantes sobre este tipo de batería, se conocieron a
mediados del 2013, cuando un automóvil de la empresa Tesla Motors, sufrió
una falla en una de sus baterías, causando la incineración parcial del vehículo
según la noticia reportada por CNET23, afortunadamente sin lesiones o
pérdidas humanas. Aunque ya se han conocido 3 casos similares a éste en un
lapso relativamente corto, la empresa afirma que se debió a la colisión del
vehículo y posterior daño físico en una de las baterías, pero este tipo de
incidentes ha influido demasiado en la confianza del público en este tipo de
tecnología y la caída de acciones en la bolsa de esta empresa automovilística.
Desafíos futuros: Los fabricantes están constantemente mejorando la
química de la tecnología de litio, obteniendo nuevas y mejores combinaciones.
La diferencia entre cada tecnología de litio es principalmente el material del
cátodo, según Zheng [17], un ánodo de litio puro triplicaría la densidad de
carga de una batería, pero hasta ahora no ha sido posible, el principal desafío
es que los iones de litio se expanden mucho más que otros materiales al
acumularse en el ánodo durante la carga, esto representa problemas físicos
en la estructura de las baterías, como hinchamiento y deformación del
contenedor. Otro desafío consiste en encontrar una manera de lidiar con el
hecho de que los ánodos de litio son muy reactivos químicamente con el
electrolito y esto produce calor y en algunos casos hasta explosiones.
4.2.5 BATERÍAS DE FLUJO-REDOX
Descripción de la tecnología: El principio de funcionamiento de las baterías
RF, fue presentado por la NASA24 a comienzos de los años 70’s y desarrollado
finalmente, en 1974, en sus comienzos se desarrolló un sistema Fe-Cr (Hierro-
Cromo), descontinuándolo en 1984 con la publicación del reporte final. En una
batería de flujo-redox, la energía se almacena químicamente en electrolito
líquido que contienen disueltos materiales electro-activos. [1] Los electrolitos
se almacenan en tanques externos, que al ser bombeados a través de circuitos
separados hacia las celdas, uno sufre oxidación mientras que el otro una
reducción, convirtiendo la energía química en eléctrica. Los electrolitos no se
mezclan; están separados en la celda por una membrana de carbono que
permite el flujo selectivo de iones a través de ella. Las reacciones reducción-
23 C. Cooper. CNET NEWS [En línea]. Available: http://www.cnet.com/news/tesla-third-model-s-fire-in-past-two-months/. [Último acceso: 23 Noviembre 2014]. 24 Siglas de National Aeronautic and Space Administration.
36
oxidación ocurren en los electrodos de polímero de carbono, creando una
corriente que fluye a través de un circuito externo.
Fuente: Prudent Energy Corp.
Figura 14. Proceso carga-descarga de una batería de flujo-redox.
Desde 1970, se han investigado numerosos tipos de baterías de flujo-redox,
donde los tipos basados en Zinc-Bromo (Zinc Bromine Redox Battery) ZBR y
Vanadio (Vanadium Redox Battery) VRB son los más avanzados y que han
alcanzado la etapa de demostración para aplicaciones de almacenamiento.
Antes de que aparecieran los sistemas de VRB, la principal desventaja de las
baterías de flujo era que los dos electrolitos eran sustancias diferentes
separadas por la membrana, y a medida que había paso de iones a través de
la membrana, estas disoluciones se contaminaban y la celda quedaba
inutilizable.
El electrolito está compuesto de sales de vanadio disuelto en ácido sulfúrico,
el cual regresa al mismo estado después de cada ciclo carga/descarga, por lo
que puede ser reutilizado indefinidamente. El electrodo no participa en las
reacciones químicas, ya que las reacciones sólo involucran a las sales
disueltas, por lo tanto, este no sufre cambios en su composición química,
permitiendo mantener la capacidad después de un gran número de ciclos en
comparación a otros medios de almacenamiento.
En la práctica, los módulos individuales se agrupan en bloques o celdas
usando electrodos, los que tienen electrolito positivo por un lado y negativo por
37
el otro. Debido a que todas las celdas comparten el mismo electrolito, cada
celda es idéntica a la otra, lo que significa que al conectarlas en serie la
potencia disponible no está limitada por aquella celda con menor capacidad25.
La capacidad de almacenamiento de energía se puede incrementar, ya sea
aumentando el tamaño de los estanques que mantienen los reactantes, o
aumentando la concentración de los electrolitos.
Datos técnico-económicos: Las baterías de Zinc-Bromo tienen eficiencias
del 70%-75%, y densidades de energía en torno a 75-85 Wh/kg con capacidad
mínima de 2000 ciclos y una capacidad descargarse un 100%. Respecto a los
costos, estos se sitúan en 400 US$/kW y 400 US$/kWh. [18]
Las baterías de VRB tienen una eficiencia entre 75% y 85% y con el
mantenimiento apropiado pueden alcanzar una vida útil de 12.000 ciclos con
un 100% de profundidad de descarga. Sin embargo, su densidad de energía
solo alcanza los 13-33 Wh/m3. Los costos de esta tecnología están en 175
US$/kW y 1000 US$/kWh. [11]
Ventajas: Poseen un sistema de bajo impacto, que no utiliza metales pesados
contaminantes y de no ser por el deterioro de la membrana de carbono,
tendrían un ciclo de vida prácticamente indefinido, en el cual el electrolito
permite un reciclaje completo, sin problemas de disposición de desechos.
La simplicidad de las reacciones de los electrodos contrasta con las de las
baterías convencionales que involucran, por ejemplo, cambios de estado,
degradación del electrolito, o cambios de morfología en los electrodos.
La característica más atractiva de estas baterías es su gran capacidad de
disponer de mayor potencia sin una eventual recarga, algo que no se puede
conseguir en otras tecnologías de almacenamiento. Esto provee una gran
escalabilidad y flexibilidad en el diseño para distintas aplicaciones de
almacenamiento. Adicionalmente, en estos sistemas no existe autodescarga,
ya que si los electrolitos no son bombeados, no habrá reacción química.
Otra característica importante es su simplicidad de mantenimiento, no se
requiere manejo especial de los electrolitos, sólo un cambio de membrana
25 Prudent Energy Corporation. (2012). VRB Systems. [En línea]. Available: http://www.pdenergy.com/pdfs/vrbEnergyStorageSystemOverviewOct2012.pdf. [Último acceso: 15 Noviembre 2014].
38
cada 5 años. Su temperatura de operación es baja, y no presentan problemas
si se descargan totalmente.
Desventajas: Poseen una baja densidad de energía, como ejemplo, en el
caso de una batería de 600 MWh de capacidad, se requerirían 30 millones de
litros de electrolito. Adicionalmente, a temperaturas elevadas, el vanadio
disuelto en el electrolito negativo puede oxidarse con el oxígeno de la
atmosfera, dando lugar a la formación de V2O5 que es insoluble y se precipita
en la celda, afectando la estabilidad de otros elementos de vanadio.
Finalmente, la necesidad de bombear constantemente los electrolitos
representa una pérdida para la eficiencia global del sistema.
Aplicaciones en sistemas de energía: Japón es el país con el mayor uso de
recursos en investigación y desarrollo de esta tecnología en el cual ya se han
puesto en funcionamiento varios acumuladores basados en tecnología de
baterías RF, El mayor complejo instalado, está ubicado en la granja eólica en
Sumitomo de NEDO26, en otras partes del mundo se han utilizado
principalmente como sistemas de respaldo.
En Estados Unidos la empresa Ashlawn Energy fue contratada por el
Departamento de Energía de Estados Unidos (DoE) para implementar un
sistema de 1 MW/ 8 MWh, también la corporación Primus Power Corp. recibió
presupuesto para implementar un sistema de 25 MW/ 75 MWh usando un
sistema basado en Zinc/Cloruro. [19]
En Europa a la batería de Na-Br (Polisulfuro de Sodio/Bromuro de sodio) se le
conoce como Regenesys, fue desarrollado a gran escala como un nuevo
sistema RF, pero su desarrollo fue descontinuado.
Aspectos de seguridad: El principal aspecto de seguridad en este tipo de
baterías son el alto flujo de reacciones químicas y las precauciones asociadas
e éstas en el proceso de carga-descarga, los electrodos más comunes
contienen zinc, bromo y vanadio. En estudios de impacto ambiental de Prudent
Energy Corp.27 se puede encontrar que estas contribuyen entre un 7% y un
25% de las emisiones con respecto a las baterías de plomo-ácido.
26 Siglas de New Energy and Industrial Technology Development Organization. 27 Prudent Energy Corporation. (2012). VRB Systems. [En línea]. Available: http://www.pdenergy.com/pdfs/vrbEnergyStorageSystemOverviewOct2012.pdf. [Último acceso: 15 Noviembre 2014].
39
Estos sistemas no contienen metales pesados nocivos, si el electrolito se
mantiene libre de contaminación puede ser usado de manera indefinida.
Adicionalmente, el 99% de los materiales usados son reciclables. La
temperatura de operación de estas baterías se encuentra entre 5ºC y 50ºC, la
cual se mantiene bajo control mediante sistemas de ventilación, además de la
refrigeración líquida autónoma al bombear el electrolito. Estos sistemas se
construyen dentro de unidades a prueba de rayos, fuego y producción de
hidrógeno. Se diseñan sistemas de drenaje en caso de que existan celdas
dañadas y vertimiento de electrolito.
Desafíos futuros:
Los estudios se deben enfocar principalmente al mejoramiento de las
membranas que separan los electrolitos y hacen posible la reacción química,
y que además representan el elemento más costoso de la batería. Otro
aspecto importante es el mejoramiento de la composición de los electrolitos,
los cuales pueden brindar una mayor densidad de carga de las baterías.
4.3 TABLAS DE RESUMEN
En la tabla 1 se resumen los principales aspectos a destacar como ventajas y
desventajas de las diferentes tecnologías de acumulación de energía para
concluir con las necesidades del objetivo específico y determinar la más
adecuada para la microrred aislada propuesta.
Tecnología Aplicación primaria Estado del arte actual/ ventajas
Desafíos/ limitaciones
Por bombeo
Gestión de energía
Respaldo y almacenamiento temporal
Regulación a través de bombas de velocidad variable
Bajo costo de almacenamiento vs kW.
La más rentable de las tecnologías.
Larga vida útil
Limitada geográficamente
Gran impacto ambiental
Limitadas al área, disposición estacionaria
CAES Gestión de energía
Respaldo y almacenamiento de energía
Bajo costo de almacenamiento vs kW.
Larga vida útil
Limitada geográficamente
Gran impacto ambiental
Alto costo total del proyecto
40
Limitadas al área, disposición estacionaria
Baterías Pb-ácido
UPS y respaldo de energía
Estabilización de red
Gestión de energía
La tecnología más desarrollada y económica de todas
Bajo costo, buena duración
Costo bajo de mantenimiento
Profundidad de descarga limitada
Baja densidad de energía
Alta tasa de mantenimiento
Baterías Ni-Cd
Respaldo y almacenamiento de energía
Gestión de energía
Gran duración
Baja resistencia interna
Baja taza de mantenimiento
Efecto memoria
Dependiente de los ciclos carga-descarga
Materiales peligrosos de desecho
Alto costo
Baterías NaS
Calidad de potencia
Integración de fuentes renovables
Gestión de energía
Alta densidad de energía
Ciclos largos de descarga
Larga vida útil
Gran potencial de escalamiento
Temperatura de operación entre 250 y 300°C
Electrodos químicos corrosivos
Riesgo de explosión/ incendio
Altos costos de implementación /mantenimiento
Baterías Li-Ion
Dispositivos portátiles
Industria automotriz
Gestión de energía
Menor tamaño y peso que otras tecnologías
Alta densidad de energía
Alta capacidad de carga-descarga
Baja resistencia interna
Deterioro en ausencia de carga
Costo medio (tiende a la baja por competencia)
Intolerante a altas temperaturas
Riesgo de explosión/ incendio
Baterías de flujo
Gestión de energía
Regulación de frecuencia
Calidad de potencia
Larga vida útil
Gran flexibilidad y escalabilidad
Baja tasa de mantenimiento
Tecnología en desarrollo
Diseño complicado
Limitadas al área, disposición estacionaria
Baja densidad de energía
Fuente: El autor
Tabla 1. Resumen de las principales características de las baterías.
En la tabla 2 se encuentran los datos correspondientes a la capacidad de
carga, potencia nominal, tasa de autodescarga, estado de carga (SOC),
41
eficiencia y tiempo de vida útil de los diferentes tipos de acumuladores de
energía.
Tecnología Potencia nominal
(MW)
Tasa de autodescarga
(%/h)
SOCmin (%)
SOCmáx (%)
Eficiencia (%)
Tiempo de vida
útil
Por bombeo
100 a 4000
- - - 70 a 85 40 a 60 años
CAES 100 a 300
- - - 70 a 89 20 a 40 años
Baterías Pb-ácido
Menor a 50
3.33E-3 50 100 60 a 90 5 a 15 años
Baterías Ni-Cd
Menor a 50
2.78E-3 0 80 60 a 83 10 a 20 años
Baterías NaS
Menor a 350
0 10 100 75 a 95 10 a 15 años
Baterías Li-Ion
Menor a 50
2.87E-3 20 100 90 a 95 2 a 5 años
Baterías de flujo
Menor a 3
0 20 80 75 a 85 5 a10 años
Fuente: El autor
Tabla 2. Características de las tecnologías de almacenamiento.
42
5. DIMENSIONAMIENTO DE LOS COMPONENTES DE LA
MICRORRED AISLADA
En el siguiente capítulo, como parte de la metodología se definen los datos de
entrada del ejemplo de simulación, específicamente, se dimensionan los
parámetros técnicos de los componentes de una microrred de 10 kW.
A continuación se estima la tensión de la microrred respecto a la demanda,
según Harikumar [20], existe una relación entre la potencia demandada y la
entrada del regulador de tensión, para minimizar las pérdidas por conducción
y caídas de potencia, esta información se encuentra consignada en la tabla 3,
en la cual se puede deducir que para el caso de análisis del proyecto, se
utilizará una tensión de 120V la cual se ajusta a la potencia con respecto a la
demanda.
Demanda de potencia AC (W) Entrada DC del inversor en voltios (V)
<1500 12
1500 a 5000 24 o 48
>5000 48 o 120 Fuente: IEEE28
Tabla 3. Relación entre la entrada de tensión del inversor y la demanda de potencia.
Teniendo en cuenta que se planea implementar una microrred aislada con
consumo aproximado de 10kW, se dimensiona sus componentes para una
tensión de 120V.
28 P. Manimekalai, R. Harikumar. Design, Cost Estimation and Simulation of a Standalone PV Power Generation System using Interleaved Converter. (2012). International Conference on Emerging Trends in Science. IEEE. Pág. 2.
43
5.1 DIMENSIONAMIENTO DEL ARREGLO FOTOVOLTAICO
A continuación, se detalla el procedimiento para dimensionar cada
componente de la microrred:
Se dimensiona la microrred estimando la demanda total y la eficiencia, con lo
cual se determina el panel fotovoltaico disponible comercialmente.
En la tabla 4 se detalla el cuadro de cargas de la microrred según el consumo
mínimo estimado por residencia rural:
Elemento Potencia (W)
Número de elementos
Potencia total (W)
Número de horas x día
Energía consumida (W/h x día)
Televisor 120 1 120 5 600
Iluminación 25 5 125 5 625
Otras cargas 50 - 50 12 600
TOTAL 1.825
Fuente: El autor
Tabla 4. Cuadro de cargas
La eficiencia del inversor varía de un 90% a un 97% dependiendo de la
demanda de potencia de la carga [21].
Para éste caso, se consideró una eficiencia de la batería 95% y del inversor:
90%, considerando el máximo de carga en horas pico.
Energía consumida por día: 𝐸𝑇 =𝐸𝐴𝐶
(𝜂𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟í𝑎∗𝜂𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟)
𝐸𝑇 =1.825
(0.95 ∗ 0.90)= 2134.5 𝑊
ℎ⁄ 𝑑í𝑎
Con el resultado anterior se estima que la microrred suministra
aproximadamente a 4 o 5 hogares rurales.
Debido a que el proyecto de microrred es de tipo híbrido, ya que posee más
de una fuente de energía, se estimó que el módulo fotovoltaico debía aportar
el 50% del total de la carga.
44
De las diversas opciones en el mercado, se eligió para el proyecto un panel
solar policristalino, a pesar de que los paneles monocristalinos ofrecen una
mayor eficiencia y menor área física ocupada, sus costos son elevados y
necesitan de un mayor cuidado y mantenimiento.
Fuente: Matlab
Figura 15. Características del panel Kyocera KD325GX.
Se escogió el módulo Kyocera KD325GX (anexo 1), ya que cumple con las
necesidades del proyecto y sus características se encuentran en la base de
datos de información del software Matlab. En la figura 15, se puede apreciar
la curva de comportamiento y entrega de potencia máxima de cada módulo
individual según las condiciones de radiación y temperatura.
45
Para cumplir con la tensión y potencia requerida se usaron los siguientes
cálculos:
Características del módulo Kyocera KD325GX: Imáx.: 8.07A Vmáx.: 40.3 V
Arreglo en serie de 3 módulos: 40.3V * 3 = 120.9V
Arreglo en paralelo de 5 series: 8.07A * 5 = 40.35A
Potencia entregada por el arreglo: 40.35A * 120.9A = 4878W
En la figura 16 se puede apreciar la configuración del arreglo fotovoltaico
para obtener la potencia y tensión requerida por el proyecto.
Fuente: El autor.
Figura 16. Arreglo fotovoltaico.
En la figura 16, se aprecia los datos del comportamiento de corriente y potencia
vs tensión, del arreglo fotovoltaico frente a diferentes temperaturas de
operación arrojados por Matlab.
12
0 V
40.35A
46
Fuente: MATLAB
Figura 17. Gráficas de corriente y potencia vs tensión del arreglo, respecto a la variación de temperatura.
Como se puede observar en el comportamiento del arreglo PV a una
temperatura ambiente de 25ºC y una radiación de 1000W/m2, genera la
máxima potencia y tensión para la que fue diseñado.
47
5.2 DIMENSIONAMIENTO DEL AEROGENERADOR
Según las características de diseño de la microrred aislada, el elemento de
generación principal será el aerogenerador, ya que la energía eólica en
condiciones favorables, es generada durante todo el día, en comparación del
módulo fotovoltaico que depende de la luz solar, por eso se estimó que la
potencia que debe entregar hacia el sistema es la misma para la que fue
diseñada. Se tomó los datos del aerogenerador de la marca comercial Aeolos
(Anexo 2) el cual se ajusta a las necesidades del proyecto y que posee las
siguientes características:
Potencia nominal: 10kW Potencia máxima: 13kW Tensión generada: 300V Velocidad nominal del viento: 10 m/s Velocidad del viento mínima: 5 m/s
Se introdujo los datos proporcionados por el fabricante en el modelo de turbina
de viento de Matlab, el cual arrojó la siguiente curva de rendimiento como se
puede apreciar en la figura 18.
Fuente: MATLAB
Figura 18. Gráfica de Potencia de la turbina vs Velocidad del viento.
48
5.3 DIMENSIONAMIENTO DE LAS BATERÍAS
Para determinar el tamaño del banco de baterías se deben tener en cuenta los
siguientes parámetros:
Días de autonomía: cantidad de días que la batería es capaz de suministrar
una corriente constante.
Capacidad: cantidad de carga que el banco de baterías puede almacenar
para asegurar los días de autonomía.
Profundidad de descarga (DOD): Nivel máximo de descarga que una
batería puede entregar antes de afectar su ciclo de vida útil.
Para calcular la capacidad del banco de baterías se utilizó la siguiente fórmula:
𝐶 =
𝐸𝑇
𝑉𝑠𝑖𝑠𝑡.𝑃𝐷
∗ 𝐹𝑠𝑒𝑔. ∗ 𝑑í𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑎𝑢𝑡𝑜𝑛𝑜𝑚í𝑎
En donde:
C: Capacidad del banco de baterías en A/h. ET: Energía total consumida. Vsist: Tensión del sistema. PD: Profundidad de descarga de las baterías en % o en p.u. Fseg: Factor de seguridad para el diseño del banco de baterías. Días de autonomía: Autonomía como parámetro de diseño (días).
𝐶 =
10.000 𝑊ℎ⁄
1200.6
∗ 1.1 ∗ 1
𝐶 = 152.7 𝐴ℎ @6.5 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠
Estimando un promedio de uso de 6.5 horas de la microrred, el banco de
baterías debería proporcionar autonomía a plena carga, teniendo en cuenta
una mala condición climática en la que no exista buena radiación solar ni viento
constante.
49
En la tabla 5 se detalla los componentes estimados que se usarán en la
microrred, el tipo de baterías a usar se concluirán al final del documento
teniendo en cuenta características como precio, disponibilidad, costos de
mantenimiento e implementación.
Componente Característica Cantidad
Arreglo fotovoltaico Panel Kyocera KD325GX-LFB 3 en serie, 5 en paralelo
Regulador Quattro 48/5000 1
Turbina de viento 10kW @10m/s 60Hz 1
Arreglo de baterías Baterías 12v 80A 2 series de 10 = 20
Cargas 10kW 1
Fuente: El autor
Tabla 5. Características de los componentes usados en el proyecto.
50
6. SIMULACIÓN
Para la simulación se utilizó el software MatLab, y la herramienta Simulink, que
contiene todo lo necesario para modelar de forma discreta las necesidades del
proyecto. A partir de los resultados obtenidos y el análisis de la información
teórica, se propondrá el tipo de batería idóneo para la microrred propuesta en
el proyecto, teniendo en cuenta los parámetros mencionados en la
metodología.
Fuente: El autor
Figura 19. Modelo de microrred aislada propuesto.
En el diseño propuesto, como se puede apreciar en la figura 19, se modelarán
los componentes críticos de la microrred aislada que consisten en el arreglo
fotovoltaico, aerogenerador, baterías, inversor y cargas; y a partir de ésta, se
harán cambios dependiendo del tipo de batería, así como variaciones de carga
y de generación para evidenciar comportamientos en las diferentes etapas de
generación y consumo.
Turbina de
viento
Arreglo PV
Carga Corrientes de
batería
Inversor AC/DC
Regulador
Baterías
51
6.1 MODELADO EN SOFTWARE
Fuente: El autor
Figura 20. Modelo para simulación en MatLab
Para simular los cambios en el comportamiento de las baterías se configuraron
los parámetros según los datos en la hoja del fabricante de 3 tipos de baterías
comerciales en el modelo de batería incluido en Simulink:
Plomo-ácido (Anexo 3)
Litio-Ion (Anexo 4)
Níquel-cadmio
El tipo de batería de Níquel-cadmio no se encuentra comercialmente excepto
bajo pedidos para proyectos especiales, debido a la legislación de los
principales países fabricantes que regulan los materiales contaminantes.
(Anexo 5)
52
En las opciones del bloque de
parámetros del modelo para baterías
(figura 21), se configuraron los datos
encontrados en la ficha técnica de los
fabricantes de las baterías de plomo-
ácido, iones de litio y níquel cadmio
como la tensión nominal, la
capacidad total del banco de baterías,
el estado inicial de carga (SOC), la
tensión máxima de carga y la
resistencia interna.
Se simularon distintas situaciones de
carga y descarga así como casos en
los que cambia la capacidad de
generación de las fuentes de la
microrred para evidenciar el
comportamiento de los distintos tipos
de acumuladores.
Figura 21. Parámetros de configuración del bloque de baterías.
El bloque de baterías de Simulink posee 3 de los 5 modelos que se analizarán,
por lo tanto se editó los bloques del modelo genérico de batería (figura 22),
para simular las características de las baterías de Sodio y de flujo Redox.
53
Figura 22. Bloque del modelo genérico de baterías.
Modelo de batería de flujo redox
Para simular la batería de flujo redox se tomó el modelo de simulación de L.
Adam Z. Weber/ Matthew M. Mench [22], cuando la corriente es mayor a 0, la
ecuación se comporta como modelo de descarga, y cuando la corriente es
menor a 0, se comporta como modelo de carga.
Fuente: IEEE29
Figura 23. Principio de operación/ modelo de implementación.
29 A New Control Method for VRB SOC Estimation in Stand-Alone Wind Energy Systems. L. Barote, C. Marinescu. (2009) Transilvania University.
54
En la figura 23 se aprecia el principio de operación y esquema para el
modelado en simulink, en el cual se toma en cuenta la resistencia interna
debido a la reacción química, la resistencia en el transporte del líquido y la
membrana, la resistencia parásita representa la potencia consumida por las
bombas al recircular el electrolito.
Modelo de descarga (i>0)
𝐹1(𝑖, 𝐸𝑥𝑝) = 𝐸0 −𝑄
𝑄 − 𝑖𝑡𝑖𝑡 + 𝑙𝑛 [
(𝐶𝑅𝑒𝑑)0
(𝐶𝑂𝑥𝑑)0
] + (1 − exp (−𝑖𝑡))
Modelo de carga (i<0)
𝐹2(𝑖, 𝐸𝑥𝑝) = 𝐸0 −𝑄
𝑄 − 𝑖𝑡𝑖𝑡 + 𝑙𝑛 [
(𝐶𝑅𝑒𝑑)0
(𝐶𝑂𝑥𝑑)0
] + (1 − exp (−𝑖𝑡))
En donde:
E0 = Tensión constante (V) Q = Máxima capacidad de la batería (Ah) Cred = Corriente de reducción (A) Coxd = Corriente de oxidación (A) Exp(s) = Zona exponencial (V) it = Capacidad extraída (Ah)
Se tomó los parámetros de configuración (Tabla 6) de la hoja de
especificaciones del principal fabricante y desarrollador de esta tecnología
Prudent Energy VRB30 (Anexo 6)
Cell configuration 39 series cell stack
Power rating 5kW
Energy content 20kW
Output Voltage Range 42-56V
Current Output 112A
Rreaction 0.045Ω
Rresistive losses 0.03Ω
Rfixed 13.889Ω
Celectrodes 0.15F Fuente: Prudent Energy
Tabla 6. Parámetros de la batería RF
30 http://www.pdenergy.com/company-profile.php
55
Se tomó el modelo de batería existente en Simulink y se reemplazó el bloque
de carga con el modelo propuesto por Weber/ Mench, como se puede apreciar
en la figura 24, además de reemplazar los parámetros de la batería extraídos
de la hoja del fabricante.
Figura 24. Función del bloque de carga para la batería RF.
De igual manera se procedió a editar el bloque de descarga del modelo de
batería genérico para ajustarse a los parámetros de diseño de la batería de
flujo redox, éste procedimiento se puede apreciar en la figura 25.
Figura 25. Función del bloque de descarga para la batería RF
Una vez editados los bloques de la batería genérica, se procedió a realizar
las mismas pruebas que se realizó con las demás baterías.
56
Modelo de batería de sulfuro de sodio
Para simular la batería de sulfuro de sodio se tomó el modelo de simulación
de E. Rodrigues, C. Fernandes [23], cuando la corriente es mayor a 0, la
ecuación se comporta como modelo de descarga, y cuando la corriente es
menor a 0, se comporta como modelo de carga.
Modelo de descarga (i>0)
𝐹1(𝑖) =𝐸0 − 𝑖𝐵𝑎𝑡 (
𝑄𝑄 − 𝑖𝑡
) ∗ 𝑅𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒
𝐸0
Modelo de carga (i<0)
𝐹2(𝑖) =𝐸0
𝐸0 + 𝑖𝐵𝑎𝑡 (𝑄
𝑄 − 𝑖𝑡) ∗ 𝑅𝑑𝑖𝑠𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒
En donde: E0 = Tensión constante (V) Q = Máxima capacidad de la batería (Ah) Ibat = Corriente de la batería (A) Rdischarge = Resistencia de descarga (Ω) Rcharge = Resistencia de carga (Ω) Exp(s) = Zona exponencial (V) it = Capacidad extraída (Ah)
Se tomó los parámetros de configuración (Tabla 7) de la hoja de
especificaciones del principal fabricante y desarrollador de esta tecnología
TEPCO/NGK31
Cell configuration 58 series cells
Power rating 52.1kW
Output Voltage Range 58-116V
Current Output 363A
Rresistive losses 0.01Ω Fuente: TEPCO
Tabla 7. Parámetros de la batería NAS
31 https://www.ngk.co.jp/nas/
57
Se tomó el modelo de batería existente en Simulink y se reemplazó el bloque
de carga con el modelo propuesto por Rodrigues/ Fernandes, como se puede
apreciar en la figura 26, además de reemplazar los parámetros de la batería
extraídos de la hoja del fabricante.
Figura 26. Función del bloque de carga para la batería NAS.
De igual manera se procedió a editar el bloque de descarga del modelo de
batería genérico para ajustarse a los parámetros de diseño de la batería de
sulfuro de sodio, éste procedimiento se puede apreciar en la figura 27.
Figura 27. Función del bloque de descarga para la batería NAS.
Una vez editados los bloques de la batería genérica, se procedió a realizar
las mismas pruebas que se realizó con las demás baterías.
58
6.1.1 CASO DE SIMULACIÓN SOC AL 60% A PLENA CARGA
Batería Plomo-ácido
Se simuló una situación inicial en la que el banco de baterías se encuentra al
límite de descarga DOD (60%) según la hoja de datos del fabricante de la
batería seleccionada y se configuró el sistema con los siguientes parámetros:
Arreglo PV @38.5A 125V = 4812W
Aerogenerador @0.32Apu 300V = 9600W
Carga principal 9kW, carga secundaria 100W = 9100W
Se simuló la carga de la batería de Plomo-ácido durante un periodo de 60
segundos, observando el comportamiento que se aprecia en la figura 29:
Figura 28. Gradiente de carga batería Pb-ácido a plena carga SOC al 60%.
59
Se puede observar que el banco de baterías de Plomo-ácido registra una
carga de 0.06% por minuto, que equivale a 3,6% de carga por hora. Dado el
caso en que las baterías estén al límite recomendado de descarga y la carga
se encuentre al 95% y el arreglo fotovoltaico se encuentre en buenas
condiciones, así como el aerogenerador proporcionando un 95% de su
capacidad, el banco de baterías tomaría aproximadamente 27,7 horas en
cargarse totalmente.
Batería Ion de litio
En las mismas condiciones se procedió a cambiar los parámetros del
acumulador según la hoja del fabricante de la batería de Ion de litio, y los
resultados se pueden apreciar en la figura 30.
Figura 29. Gradiente de carga batería Ion de litio a plena carga SOC al 60%.
60
Para ésta situación se aprecia que la batería no se carga a pesar de no
encontrarse con su carga inicial completa, esto se debe a que una
característica de este acumulador es soportar un ciclo de descarga (DOD) más
profundo y continuará entregando potencia hasta alcanzar su límite de
descarga que se encuentra aproximadamente al 20%.
Batería Níquel-cadmio
En las mismas condiciones de las 2 pruebas anteriores se procedió a cambiar
los parámetros predeterminados del acumulador de Níquel-cadmio, y los
resultados se pueden apreciar en la figura 31.
Figura 30. Gradiente de carga batería Níquel-cadmio a plena carga SOC al 60%.
Para el caso del acumulador de níquel cadmio sucede algo similar que el caso de la batería de litio, debido a que éste tipo de acumulador soporta una
61
profundidad de descarga ligeramente superior a la batería de Plomo-ácido, ésta continuará entregando potencia al sistema a pesar de no estar a plena carga, hasta que la corriente fluya en sentido positivo o alcanzar su límite de descarga.
Batería Sulfuro de sodio
Se procedió a configurar las mismas condiciones de las pruebas anteriores y
se puede observar en la figura 32, que las batería de sulfuro de sodio entrega
una potencia superior a las baterías probadas hasta el momento por varias
razones: su profundidad de descarga es más alta que las baterías de plomo,
níquel y litio, además que sus tiempos de respuesta son los menores de todas
las baterías, por esto se puede deducir que éstas baterías son adecuadas para
cualquier uso, por su profundidad de descarga y su rápida respuesta.
Figura 31. Gradiente de carga batería Sulfuro de sodio a plena carga SOC al 60%.
62
Batería Flujo redox
En la figura 33 se puede observar que el comportamiento de la batería de flujo
es superior a las baterías de plomo, níquel y litio ya que entrega un promedio
mayor de potencia hacia la carga y toma menos energía para abastecerse de
carga, haciendo a ésta batería ideal para usos de estabilidad y calidad de
potencia.
Figura 32. Gradiente de carga batería Flujo redox a plena carga SOC al 60%.
Para las condiciones analizadas se puede inferir que las baterías de sodio y
de flujo, tienen un mejor comportamiento con respecto a aplicaciones en las
que entregan potencia de manera fluctuante, como es el caso de las energías
renovables.
63
6.1.2 CASO DE SIMULACIÓN SOC 100% SIN FUENTES DE GENERACIÓN
Batería Plomo-ácido
En otro caso de simulación en el que la batería inicialmente posee el 100% de
capacidad, se simuló el sistema por espacio de un minuto sin fuentes
adicionales de generación, con las cargas de la microrred en un 100% cuando
las baterías son la única fuente que alimenta el circuito, evidenciando los
siguientes resultados que se pueden apreciar en la figura 25:
Figura 33. Gradiente de descarga batería Pb-Acido a plena carga, SOC al 100%.
64
En éste lapso de tiempo la batería tuvo un proceso de descarga del 0.08% por
minuto que en promedio da un total de 4,8% de descarga por hora, que
representa una duración de las baterías en el sistema de aproximadamente
20,8 horas, lo cual coincide con los cálculos teóricos.
Batería ion de litio
En las mismas condiciones se procedió a cambiar los parámetros del
acumulador según la hoja del fabricante de la batería de Ion de litio, los
resultados se pueden apreciar en la figura 26.
Figura 34. Gradiente de descarga batería Ion de litio a plena carga SOC al 100%.
En comparación con el acumulador de Plomo-ácido, se puede observar que la
batería de litio entrega una mayor potencia debido a la diferencia en su
tecnología, en consecuencia, su tiempo de descarga es menor.
65
Batería Níquel-cadmio
En las mismas condiciones de las 2 pruebas anteriores se procedió a cambiar
los parámetros predeterminados del acumulador de Níquel-cadmio, y los
resultados se pueden apreciar en la figura 27.
Figura 35. Gradiente de descarga batería Níquel-cadmio a plena carga SOC al 100%.
Para el caso de la batería de Níquel-cadmio, se evidencia una respuesta
intermedia entre el acumulador de Plomo-ácido y el de ion-litio, entrega una
potencia mayor que el acumulador de Plomo y menor que el de Litio.
66
Batería Sulfuro de sodio
En la figura 36 se puede apreciar el comportamiento de la batería de Sulfuro
de sodio sin fuentes de generación y a plena carga, se observa que este tipo
de tecnología entrega una potencia superior al resto de baterías probadas,
los cual la hace las más indicada para éste tipo de situaciones.
Figura 36. Gradiente de descarga batería de sulfuro de sodio a plena carga SOC al 100%.
67
Batería Flujo redox
Para la batería de flujo se puede observar en la figura 37, que su
comportamiento es similar a la batería de sulfuro de sodio, éstas baterías
entregan una mayor potencia por lo tanto su confiablidad en más alta que las
baterías analizadas anteriormente, ya que disponen de una mejor potencia y
respuesta, lo cual es un aspecto importante en el diseño de un sistema de
energía con fuentes renovables.
Figura 37. Gradiente de descarga batería de flujo redox a plena carga SOC al 100%.
Como método de análisis se removió de la microrred el banco de baterías
dejando como fuentes el panel solar y el aerogenerador, adquiriendo los datos
desde las cargas como se puede observar en la figura 38, para evidenciar el
comportamiento de la tensión.
68
Figura 38. Microrred con fuentes, sin baterías a plena carga.
Se puede apreciar que debido a la fluctuación del aerogenerador y del módulo
PV, se hace imperativo el uso de un método de almacenamiento temporal para
estabilizar la tensión cuando se obtiene energía de fuentes renovables.
Para la siguiente prueba se utilizó los datos de la batería de plomo-ácido, y se
obtuvieron los resultados de la figura 39, en la cual se evidencia una gran
mejora en la estabilidad de la señal en cuanto a tensión y corriente, que se
asemeja más a una señal sinusoidal ideal, pero que en éste caso se ve
distorsionada por la conversión DC-AC del inversor.
Figura 39. Microrred con fuentes, sin baterías a plena carga.
69
7. ANÁLISIS DE RESULTADOS
7.1 CAPACIDAD DE ALMACENAMIENTO
De acuerdo a la investigación y el análisis realizado, se puede deducir que de
los proyectos en funcionamiento que implementan sistemas de
almacenamiento de energía electroquímico, la tecnología con mayor
capacidad de almacenamiento es la de sulfuro de sodio, como se puede
apreciar en la figura 40, el proyecto más significativo se encuentra en la ciudad
de Rokkasho en Japón, principal país desarrollador y productor de ésta
tecnología de baterías.
Fuente: El autor
Figura 40. Comparación de la capacidad de almacenamiento de las baterías.
Las baterías de Litio también poseen una capacidad elevada de carga, pero
su uso no es tan extendido por su limitante económica y constante supervisión,
además de que su regulación se encuentra restringida en muchos países por
su composición química y riesgos derivados de su manejo y disposición final,
que pueden causar explosiones en situaciones críticas.
0 10 20 30 40 50 60
Pb-ácido
Ni-Cd
NaS
Li-Ion
Redox
Capacidad de almacenamiento en MVA
Promedio Pmax Pmin
70
7.2 TIEMPO DE VIDA ÚTIL
Fuente: El autor
Figura 41. Expectativa de tiempo de vida útil de las baterías.
Como se puede apreciar en la Figura 41, el tipo de batería con mayor
expectativa de vida es la de Níquel-Cadmio, lo cual la hace atractiva en
proyectos en los cuales se necesite la menor intervención directa para
supervisión o mantenimiento. Éste tipo de batería se una comúnmente en
equipos de respaldo en ubicaciones deshabitadas, como sensores sísmicos o
estaciones de repetición de radio que se encuentran en lugares de remotos lo
cual hace su acceso poco frecuente.
7.3 EFICIENCIA
En la figura 42 se observa la eficiencia de los acumuladores, ésta hace
referencia a la potencia de entrada vs la potencia entregada, en el caso de las
baterías de Litio y Sulfuro de Sodio se encuentra en el mejor de los casos por
encima del 90%, lo cual las hace una excelente alternativa en el
almacenamiento de grandes cantidades de energía, en casos en que éste
aspecto prime, son la alternativa más viable a usar en sistemas de
almacenamiento.
5
10 10
2
5
15
20
15
5
1010
15
12,5
3,5
7,5
0
5
10
15
20
25
Pb-ácido Ni-Cd NaS Li-Ion Redox
AÑ
OS
Tiempo de vida útilTmin. Tmáx. Tprom.
71
Fuente: El autor
Figura 42. Comparación de la eficiencia de las baterías.
En otros casos en los que solo se necesita la acumulación de energía para
huecos temporales de generación como los que alimentan los sistemas
ininterrumpidos o para propósitos de calidad de energía en generación
renovable, este aspecto no es fundamental, y se consideran otras cualidades
como tiempos de respuesta, densidad de carga por segundo y profundidad de
descarga.
7.4 AUTODESCARGA
Un problema importante se presenta casi en todas las tecnologías en todos
los entornos en las que se usan, el cual es la tasa de autodescarga, ya que
esto supone una pérdida energética y económica importante, más aún cuando
se trata de grandes sistemas de almacenamiento de energía. Como se puede
observar en la figura 43, la tasa de descarga más alta la tiene la batería de
Plomo-ácido, lo cual la hace poco atractiva para grandes sistemas de
almacenamiento, siendo principalmente utilizada para pequeños sistemas de
respaldo y microrredes en las cuales prima el costo/ beneficio por encima de
la eficiencia o problemas de autodescarga.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Pb-ácido Ni-Cd NaS Li-Ion Redox
(%)
Eficiencia
min. Emáx. Eprom.
72
Fuente: El autor
Figura 43. Comparación de la tasa de autodescarga de las baterías
La tasa de autodescarga en las baterías de flujo es prácticamente nula, ya que
si no hay acción de bombeo, no existe reacción alguna y el deterioro del
electrolito no es perceptible. También la eficiencia de las baterías de Sulfuro
de Sodio es excepcional, tanto a nivel energético como de autodescarga son
ideales para cualquier propósito, sin embargo su principal inconveniente es su
elevado costo de implementación, ya que requieren de mano de obra calificada
y sistemas costosos de supervisión y mantenimiento por su elevada
temperatura de operación y consecuente riesgo de explosión.
7.5 COSTOS DE ALMACENAMIENTO E IMPACTO AMBIENTAL
Se estimaron los costos de almacenamiento teniendo en cuenta la eficiencia,
costos de mantenimiento y de implementación tomando datos de documentos
e investigaciones acerca de baterías disponibles, lo cual se detalla en la tabla
7 a modo de comparación. Además se detalla el aspecto ambiental, un dato
importante que se debe tener en cuenta en determinadas locaciones que
restringen parcial o totalmente el uso de ciertos materiales y/o elementos
usados por las diferentes tecnologías.
Pb-ácido Ni-Cd NaS Li-Ion Redox
día 0,1 0,066 0,0003 0,066 0
mes 3 2 0,01 2 0
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
Au
tod
esca
rga
po
r d
ía
Tasa de autodescarga
73
Tecnología Costos (USD$/kWh)
Impacto ambiental
Por bombeo 5/100 = .05 La reserva natural de agua afecta la biodiversidad, además de altos impactos sociales.
CAES 2/50 = .04 El contenedor natural puede afectar la biodiversidad, además de la liberación de gases de combustión.
Baterías Pb-ácido 200/400= .5 Disposición adecuada del plomo.
Baterías Ni-Cd 800/1500= .53 El Cadmio es altamente tóxico.
Baterías NaS 300/500 = .6 Manejo químico de alto riesgo.
Baterías Li-Ion 900/1300 = .69 El dióxido de cobalto de litio es altamente tóxico.
Baterías de flujo 150/1000 = .15 Manejo químico de alto riesgo.
Fuente: El autor
Tabla 8. Características económicas e impacto ambiental.
Según los datos encontrados en los documentos citados, se tomaron ejemplos
de varios proyectos en funcionamiento y se comparó la energía en kW/h frente
a los costos implícitos de determinada tecnología y se relacionó los costos
finales de acuerdo a la capacidad instalada para cada caso.
Fuente: El autor
Figura 44. Comparación de los costos de almacenamiento Vs. kW/h de los distintos métodos de almacenamiento.
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
Porbombeo
CAES Pb-ácido Ni-Cd NaS Li-Ion Redox
Costos de almacenamiento Vs. kW/h
74
Como se puede observar en la figura 44, los menores costos de
almacenamiento por kW/h son de las reservas de agua, seguidas de los
sistemas de aire comprimido, pero este tipo de almacenamiento solo se incluyó
en la gráfica a modo comparativo, ya que a pesar de ser un sistema de
almacenamiento de energía, no se puede considerar como una alternativa ya
que su implementación requiere de infraestructura y localización específica,
en la mayoría de casos son emplazamientos naturales que las hacen
prácticamente imposibles de implementar para usuarios comerciales.
En el caso de las baterías, se observa que los menores costos de
almacenamiento son de las baterías de flujo, pero su implementación no es
muy extendida debido a que se requiere un alto costo de implementación,
mano de obra calificada y altos costos de operación, sobre todo por el manejo
adecuado de los químicos tóxicos que componen los electrodos de éste tipo
de batería, además de la tecnología necesaria para su implementación y
funcionamiento.
7.6 CONSIDERACIONES FINALES
De acuerdo al resumen presentado se analizaron las propiedades de cada
acumulador, exceptuando los sistemas de bombeo y los CAES, ya que el
presente documento se enfoca en las baterías en estado comercial, además
que estos tipos de sistemas requieren de una gran infraestructura física y son
destinados para almacenar grandes cantidades de energía.
Baterías de Plomo-ácido:
La gran ventaja de ésta tecnología es el bajo precio, y se ajusta perfectamente
a las necesidades de la microrred propuesta ya que se encuentra
prácticamente en todas las especificaciones deseadas, su tasa de
mantenimiento es media-alta, pero no requiere conocimientos avanzados y el
electrolito es muy económico, el espacio físico requerido para el banco de
baterías es reducido y en caso de daño de algún módulo es muy fácil su
reemplazo y abastecimiento en cualquier mercado local.
75
Baterías Níquel-cadmio
Este tipo de baterías poseen más densidad de carga que las baterías de
plomo-ácido, por lo que un banco de baterías con las mismas prestaciones es
reducido, pero los materiales que utiliza son escasos y altamente
contaminantes lo que aumenta su costo, en el mercado existen pocos
fabricantes para aplicaciones especializadas, por lo tanto su disponibilidad es
limitada. Éste tipo de baterías se considera obsoleto por razones
medioambientales.
Baterías de Sulfuro de sodio
Las baterías NaS son pensadas especialmente para sistemas del orden de
MV, porque su implementación es costosa, ya que existen pocos fabricantes
especializados en esta tecnología. Dentro de sus cualidades se encuentran
una alta eficiencia, casi nula autodescarga e inmunidad a temperaturas
externas de operación. Por sus altos costos de implementación,
mantenimiento especializado y un enfoque diferente a microrredes aisladas no
se estima este tipo de batería para el proyecto propuesto.
Baterías Li-ion
Estas baterías tiene una gran densidad de carga, pero su principal
inconveniente es que no son adecuadas para sistemas de respaldo ya que su
vida útil e integridad dependen de la profundidad de descarga, por lo tanto se
debe evitar su descarga completa. Por dicho motivo se descarta esta
tecnología para la microrred propuesta.
Baterías de flujo
Aunque esta tecnología es la más adecuada para ciclos de descarga
profundos haciéndola ideal para éste tipo de proyecto, presenta la misma
limitación que las baterías de sulfuro de sodio, las cuales por su alta tecnología
de implementación y supervisión constantes, requieren mano de obra
calificada, lo cual genera costos adicionales que no se ameritan para el
sistema propuesto, por lo cual éste tipo de batería queda descartado.
76
7.6.1 ANÁLISIS CUANTITATIVO
Para el siguiente análisis se tomó en consideración los aspectos analizados
en el documento, otorgando un puntaje de 1 a 10 de acuerdo a las propiedades
de cada acumulador, evidenciando sus ventajas y desventajas frente a cada
aspecto que se tuvo en cuenta en la implementación del proyecto. Los
resultados se plasmaron en la tabla 8.
Característica\Batería Plomo-ácido
Níquel-cadmio
Sulfuro de sodio
Ion de litio
Flujo redox
Capacidad de almacenamiento 6 8 10 9 6
Tiempo de vida útil 7 10 8 5 6
Eficiencia 7 6 9 10 8
Autodescarga 6 7 9 7 10
Costos de almacenamiento 6 5 4 4 10
Costos de implementación 10 5 2 5 3
Costos de mantenimiento 10 8 2 6 3
Riesgos asociados 10 5 4 6 5
Simulación 5 7 10 7 9
TOTAL 7,4 6,8 6,4 6,6 6,7
Tabla 9. Análisis cuantitativo/comparativo de los tipos de baterías.
Como se evidencia, a cada acumulador se le otorgó un puntaje en los aspectos
analizados, con lo cual se aprecia sus virtudes y falencias dependiendo de sus
características enfocadas al proyecto de una microrred aislada.
7.6.2 DATOS DEL ACUMULADOR SELECCIONADO
Con los resultados obtenidos de las características analizadas y el análisis
cuantitativo, se determinó que las baterías de Plomo-ácido son las más
indicadas con respecto a las demás tecnologías, primando los aspectos de
77
costos y portabilidad, los cuales son factores fundamentales en una microrred
aislada en territorio rural.
Según los requerimientos calculados se eligió el fabricante Norteamericano de
baterías Trojan32 y el modelo de referencia 24TMX (Anexo 3), que según los
cálculos teóricos cumplen a cabalidad con las especificaciones requeridas, Si
se conectan 10 módulos en serie y 2 series en paralelo, se obtiene la tensión
de 120V y 160A continuos que necesita la microrred para alimentar la carga.
Según la figura 45, se observa que a mayor corriente entregada por la batería,
la carga se reduce drásticamente debido a la resistencia interna de éste tipo
de baterías.
Fuente: Manual de la batería 24TMX Trojan.
Figura 45. Desempeño de la batería respecto a la carga en la batería Pb-Acido Trojan24TMX.
32 http://www.trojanbattery.com/es/
78
Analizando la figura 46, se observa que la temperatura afecta positivamente la
capacidad de almacenamiento de la batería, pero es inversamente
proporcional a la vida útil de la misma, que está estimada de 5 a 20 años
siguiendo las recomendaciones del fabricante.
Fuente: Manual de la batería 24TMX Trojan.
Figura 46. Capacidad de almacenamiento vs temperatura en la batería Pb-Acido Trojan24TMX.
Se puede deducir que el punto ideal de carga para ésta batería se encuentra
a 30 grados centígrados, lo cual se ajusta a la climatología y a las zonas en
las que se planteó implementar la microrred aislada.
79
8. CONCLUSIONES
Debido al trabajo desarrollado, se profundizaron conocimientos acerca de la
tecnología, métodos de funcionamiento, implementación y propiedades de los
diferentes acumuladores de energía, con énfasis en las baterías, así como sus
principales usos y su enfoque hacia las microrredes eléctricas.
Además, se determinaron las ventajas y desventajas de cada tipo de
tecnología de baterías enfocadas a suplir la inconsistencia y periodos de
ausencia en la generación de energía por medio de fuentes renovables en una
microrred aislada.
De acuerdo a los resultados de la simulación en Matlab de la microrred aislada,
se evidenció que los resultados teóricos son acertados. Además, se deduce
que las especificaciones de los fabricantes de baterías brindan información
relevante a la hora de diseñar y decidir el tipo de acumulador que se ajuste a
las necesidades de un diseño, no solo en capacidad de carga, sino también
en aspectos como periodos de mantenimiento, portabilidad, accesibilidad y
uno de los más importantes, el factor económico.
Se determinó que para el caso de estudio propuesto en cuanto a las
características analizadas en éste proyecto, la más adecuada es la batería de
plomo-ácido, a la cual en el análisis cuantitativo, se le otorgó altos valores
respecto a sus propiedades más destacadas: costos bajos de implementación,
mantenimiento y bajo riesgo asociado a fallas o abuso; en general el
conocimiento extendido acerca de su mantenimiento por la gran trayectoria,
su amplio uso y comercialización, hacen de esta la mejor alternativa a
implementar en una microrred aislada de baja potencia.
80
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82
10. ANEXOS
Anexo 1
Hoja de datos del fabricante del panel Kyocera KD325GX-LFB
Electrical Performance under Standard Test Conditions (*STC)
Maximum Power (Pmax) 325W (+5%/-3%W)
Maximum Power Voltage (Vmpp) 40.3V
Maximum Power Current (Impp) 8.07A
Open Circuit Voltage (Voc) 49.7V
Short Circuit Current (Isc) 8.69A
Max System Voltage 600V
*STC: Irradiance 1000W/m2, AM1.5 spectrum, cell temperature 25°C
Cells
Number per Module 80
Module Characteristics
Length x Width x Depth 65.43in x 51.97in x 1.8in
Weight 60.6lbs (27.5Kg)
Cable (+) 40.6in,(-) 32.7in
Others
*Operating Temperature -40°C - 90°C
Maximum Fuse 15A
*This temperature is based on cell temperature.
Tabla 10. Hoja de datos del panel solar Kyocera KD225GX-LPB
83
Anexo 2
Hoja de datos del aerogenerador
Especificaciones Aerogenerador Aeolos 10kw
Potencia Nominal 10 kw
Máxima Potencia de Salida 13 kw
Generador Generador de Impulsión Directa Magnético Permanente
Número de Palas 3 Palas de Fibra de Vidrio
Diámetro del Rotor de Palas 8 m (26.2 pies)
Velocidad de Arranque del Viento
3.0 m/s (6.7 mph)
Velocidad Nominal del Viento 10 m/s (22.3 mph)
Velocidad de Sobrevivencia del Viento
45 m/s (100.7 mph)
Controlador PLC Con Pantalla Táctil
Sistema de Seguridad Control de Orientación, Freno Eléctrico y Freno Hidráulico
Peso de Turbina 420 kg (925.9 lbs)
Ruido 45 db(A) @ 5m/s
Rango de Temperatura -20°C a +50°C
Vida Útil del Diseño 20 Años
Garantía Estándar 5 Años
84
Anexo 3
Hoja de datos batería Trojan 24TMX.
85
Anexo 4
Hoja de datos batería SmartBattery Li-ion 12v 80Ah
86
Anexo 5
Hoja de datos batería HBL Ni-Cd 12v 75Ah
87
Anexo 6
Hoja de datos batería de flujo VRB
