Retos tecnológicos y proyectos de investigación en almacenamiento de energía

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Ponencia de D. Jesús María Goiri, Director del CIC Energi gune, en la jornada de expertos MuskizFP 2013

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  • 1. 2013©CICenergiGUNE.2013.AllRightsReserved Centro de formación, Somorrostro 26 de junio de 2013
  • 2. Algunas nociones sobre el almacenamiento de energía…
  • 3. •  • • •
  • 4. • • • • • • •
  • 5. • • • •
  • 6.  Fuente: REE
  • 7. • • • •
  • 8. • • • • • • • • •
  • 9. • • • •
  • 10. • • •
  • 11. CRECIMIENTO > 4,5 % ANUAL 
  • 12.      
  • 13. Sobre CIC EnergiGUNE
  • 14. 2016 VISIÓN: Convertirse en uno de los 5 principales centros de investigación de Europa en las áreas de focalización de CIC y en el líder del esfuerzo colectivo de I+D en almacenamiento de energía en el País Vasco, generando un impacto medible en la industria Desempeñar un papel de liderazgo en el panorama científico internacional, focalizándose en investigación básica en materiales relacionados con la energía y orientada a aplicaciones de almacenamiento, contribuyendo a la competitividad industrial de empresas vascas, mediante: •Investigación excelente y de alto impacto •Transferencia de tecnología y conocimiento a la industria local •Coordinación de esfuerzos de investigación y tecnología del País Vasco (en almacenamiento) MISIÓN
  • 15. 44.206M€ 356 Empresas Facturación global en el sector de la energía 68.625 Trabajadores en el sector de la energía 15.469M€ 24.378 … en Euskadi 324M€ 7 Agentes Científico - Tecnológicos Gasto global en I+D del sector de la energía 2.948 Trabajadores en I+D en el sector de la energía 188M€ 1.905 35% 36% 58% 65% 10 Unidades de I+D empresarial … en Euskadi … en Euskadi … en Euskadi Sectoroverview *data from 2010 CIC energiGUNE: Situación de partida, retos y oportunidades Importante cluster de energía en Euskadi respaldando el proyecto CIC
  • 16. CIC energiGUNE: Situación de partida, retos y oportunidades alineado con la estrategia científica y energética del G.Vasco
  • 17. Investigación básica Investigación aplicada Desarrollo industrial  UNIVERSIDADES (UPV, MONDRAGON…) CENTROS TECNOLÓGICOS (IK4, TECNALIA, (1)) (1) CENTROS EXCEL. NACIONALES E INTERNACIONALES (v.gr. Nanogune) (2) Modelo de relación / coordinación EMPRESAS         (2) VIRTUAL 
  • 18. Automóviles Nivelación de carga 1.109 coches 10% eléctricos  200.106 toneladas de baterías Producción eléctrica mundial = 2.1013 kWh 10% almacenamiento/día  109 toneladas de baterías! ¡Sostenibilidad como criterio primordial!
  • 19.      EES: POWER STORAGE; BATTERIES and SUPERCAPS TES: THERMAL ENERGY STORAGE CIC energiGUNE: Situación de partida, retos y oportunidades áreas de actuación identificadas
  • 20. CIC energiGUNE: Situación de partida, retos y oportunidades áreas de actuación con orientación a aplicaciones concretas Transporte y elevación: -Vehículos híbridos eléctricos y eléctricos. -Trenes rápidos(metro, tranvía) -Gruas, ascensores Almacenamiento Estacionario: -Sistema de Almacenamiento Ininterrumpido(SAI) -Generación distribuida y almacenamiento de energía. -Regulación de redes - CSP - Eficiencia energéticapara industria - Procesos industriales de Alta Temperatura
  • 21. Áreas de Investigación Electrochemistry Energy Storage (EES)
  • 22. SupercapacitorsAdvanced Batteries Electric energy is stored physically in the electrochemical double layer at the electrolyte- electrode interface. Electric energy is stored by the conversion of chemical energy through redox reactions between the anode and cathode. http://www.ic.gc.ca/eic/site/wei-iee.nsf/eng/00177.htmlUS Department of Energy, 2007 Electrochemical Energy Storage
  • 23. Electrochemical Energy Storage Advanced Batteries • Higher energy density • Short cycle life • Lower power density • Low self discharge Supercapacitors • Higher power density • Lower energy density • Long cycle life • High self discharge
  • 24. Battery vs. Capacitors Battery storage enough energy but they are slow, less efficient and have limited cycle life Supercaps are fast, efficient and have high cycle life but, they are costly and bulky
  • 25. BATTERIES SUPERCAPACITORS High power applications.High energy applications. Transportation: -Electric and hybrid electric vehicles -Fast trains (underground, tramway) Small devices: -Consumer electronics -Power tools Stationary storage: -Uninterruptible power supply (UPS) -Distributed energy generation and storage. -Grid regulation Electrochemical Energy Storage Applications Space and military: -Spacecrafts -Digital soldiers, mobile power
  • 26. Automobiles Load-levelling 1.109 cars 10% electric  200.106 tons batteries World electricity production = 2.1013 kWh 10% stored/d  109 tons batteries Mid-term needs in Energy Storage
  • 27. Battery Technologies J.M. Tarascon & M.Armand, Nature Vol.414, (2001)
  • 28. P. Bruce et al Nature Materials Vol 11, January 2012. US Advanced Battery Consortium USABC Goals for advanced batteries for EVs (2006) Specific Energies for some rechargeable batteries
  • 29. Hybrid city transit bus that uses an electrochemical capacitor energy storage system. Electrochemical Capacitors Typical charge/discharge periods may be 40s in this application with continuous 16h-per-day operation (> 1000 charge/discharge cycles each day). Photo courtesy of ISE Corporation
  • 30. ELECTROCHEMICAL CAPACITORS (ECs) Supercapacitors REDOX Capacitors Electrical Double Layer Capacitors Hybrid Capacitors Electrochemical capacitors (or supercapacitors) store energy using either ion adsorption (electrochemical double layer capacitors) or fast surface redox reactions (pseudo- capacitors).
  • 31. Áreas de Investigación Thermal Energy Storage (TES)
  • 32. High & Medium Temp. Thermal Energy Storage Available CSP Technologies http://www.ic.gc.ca/eic/site/wei-iee.nsf/eng/00177.html US Department of Energy, 2007
  • 33. High & Medium Temp. Thermal Energy Storage Molten Salt scheme http://www.ic.gc.ca/eic/site/wei-iee.nsf/eng/00177.html US Department of Energy, 2007
  • 34. High & Medium Temp. Thermal Energy Storage Value of Thermal Storage http://www.ic.gc.ca/eic/site/wei-iee.nsf/eng/00177.html US Department of Energy, 2007
  • 35. Sensible Heat Latent Heat Chemical Energy Chemical processes Storage of heat is based on temperature changes in the material (change in the internal energy) The storage of heat is based on a phase transition (for example solid-liquid). The storage capacity of the phase change materials is the phase change enthalpy at the phase change temperature + sensible heat stored over the whole temperature range of the storage. The storage of heat is based on sorption or thermochemical reaction The basic principle is: AB + heat ⇔ A+B The storage capacity is the heat of reaction or free energy of the reaction. High & Medium Temp. Thermal Energy Storage How to store Thermal Energy? Physical processes
  • 36. High & Medium Temp. Thermal Energy Storage Research Needs and Directions Futuras direccionesNecesidades de investigación • Nuevos materiales que substituyan, a medio y largo plazo, a las sales fundidas actuales (basadas en Na y K) • Condiciones de los nuevos materiales:  estabilidad térmica y reversibilidad a muy largo plazo alta capacidad de almacenamiento (sensible, latente o químico) alta conductividad térmica o posibilidad de incrementarla materiales abundantes, no tóxicos y de bajo precio rangos de temperatura de almacenamiento adaptados a su aplicación particular (estacional, plantas solares, etc.) Nuevas sales: -no corrosivas -con estabilidad térmica mas extensa -de producción barata Utilización del calor latente -calores latentes mayores que 100kWh/m3 -amplio rango de temperaturas -facilidad para el intercambio térmico Utilización de energía química: -reversibilidad y estabilidad -alto calor de reacción -capacidad de control de la cinética Algunos materiales candidatos: -eutécticos de aleaciones metálicas y no metálicas -reacciones red-ox de óxidos -hidratación
  • 37. Gracias por la atención