En el marco de los Cursos de Verano Muskiz FP, además de los propios cursos, se celebra una jornada de expertos, sobre la eficiencia energética. Participando acreditados profesionales del ámbito institucional y empresarial vasco. Nuevos desarrollos en: Baterías de flujo redox y Volantes es la ponencia de Cristóbal Villasante (Responsable del área de Energías Renovables de IK4-Tekniker)

1. Nuevos desarrollos en: Baterías de flujo redox y Volantes
Cristóbal Villasante (Responsable del área de Energías Renovables)

2. • Crecimiento de las fuentes de energía renovable
• Movimiento hacia generación distribuida / microredes
• Requerimientos medioambientales más exigentes
• Garantía de calidad de suministro de electricidad
Factores que hacen necesario su desarrollo
Necesidad de almacenamiento de energía eléctrica
Aplicaciones y soluciones de almacenamiento eléctrico

3. Características de diferentes sistemas de almacenamiento
Potencia específica Energía específica T descarga
Plomo-ácido 75-300 kW 30-50 kwh
Ni-Cd 150-300 kw 75 kwh
NiMH
Li-ion 200-315 kW 150-200 kwh
Flywheel 500kW-1 MW 100 kwh < 5 min
CAES 25-300 MW 200MW-10 GWh 1-20 h
NaS 90-230 kW 150-240 kwh 1 h
SMES 10 kW-10 MW 10kwh-1 MWh 1-30 min
Supercondensadores < 250 kW 10 kwh < 1min
Batería flujo vanadio 100 kW-10MW 1-100 MWh 10 h
Batería flujo Zn/Br 100kW-10 MW 1-100 MWh 10 h
Bombeo 100-4.000MW 500MW-15 GWh 4-12 h

4. Desarrollo de sistemas de almacenamiento
ZIGOR TEKNIKER-IK4
Empresa dedicada a la electrónica de potencia y
conversión de energía.
Amplia experiencia en almacenamiento de energía
eléctrica para aplicaciones estacionarias.
Interés por las tecnologías que puedan ser
sustitutivas de las ya existentes.
TEKNIKER es un Centro Tecnológico cuya misión es la
de contribuir a incrementar la capacidad de innovación
del tejido industrial, para mejorar su competitividad, a
través de aplicar su experiencia en proyectos de I+D
científico y tecnológico.
Con una gran experiencia en diseño mecánico, con
años de trabajo en el desarrollo de dispositivos
levitados magnéticamente. Experiencia y capacidad
para el ámbito de la química, especialmente
orientadas al almacenamiento térmico y eléctrico.
DESARROLLO DE SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO ENERGÍA ELÉCTRICA
VOLANTES DE INERCIA BATERÍAS DE FLUJO

5. Baterías de flujo REDOX
En las baterías de flujo redox los procesos de carga
y descarga tienen lugar mediante reacciones
químicas (reversibles) de las especies electroactivas
presentes en las disoluciones electrolíticas.
Una forma de electrolito se oxida y la otra se reduce
favoreciendo la aparición de una corriente eléctrica
Electrolitos externos a la batería: en tanques separados
FLEXIBILIDAD (potencia y energía DESLIGADOS):
Almacenamiento (kWh) ↑↑  cantidad de electrolito ↑↑
Potencia (kW) ↑↑  área de electrodo ↑↑
número de celdas ↑↑
No hay autodescarga si
no circulan los electrolitos

6. Baterías de flujo REDOX:
COMPONENTES
Componentes de la batería
Electrodos Materiales carbonosos de elevada superficie específica contenidos en el stack
Funcionan como lugares para que tenga lugar la reacción y como colectores de corriente
Electrolito Hay distintas opciones (tecnología más madura Full-Vanadium RFB)
Membrana Reduce el transporte de especies reactivas entre los compartimentos de ánodo y cátodo
Permite el transporte de especies no reactivas y agua
Mantiene la electroneutralidad y el balance de electrolito
Placas
bipolares
Material carbonoso de alta conductividad eléctrica
Conduce la corriente entre el electrodo negativo de una celda y el positivo de la siguiente

7. • Diseño de potencia y energía acumulada desacoplado
• Potencia tan grande como se necesite
• Larga duración
•Más de 200.000 ciclos ya demostrados en Japón
• No presenta descarga en circuito abierto
• Los electrolitos no reaccionan al almacenarse por separado.
• Tiempo de reacción muy corto
• Cambio de modo de carga a descarga (1/1000 s).
• Eficiencia total de la batería relativamente alta (75 – 80%).
• Modulables
• Rellenables y regenerables (V)
Baterías de flujo REDOX:
Ventajas frente a otras alternativas
Potencia específica
Plomo-ácido 75-300 kW
Ni-Cd 150-300 kw
NiMH
Li-ion 200-315 kW
Flywheel 500kW-1 MW
CAES 25-300 MW
NaS 90-230 kW
SMES 10 kW-10 MW
Supercondensadores < 250 kW
Batería flujo vanadio 100 kW-10MW
Batería flujo Zn/Br 100kW-10 MW
Bombeo 100-4.000MW
Teniendo en cuenta la vida útil de los diferentes sistemas

8. Normalmente se consideran para aplicaciones estacionarias relativamente grandes (1 kW·h - 10 MW·h)
Aplicación a baterías automóvil en estudio
Baterías de flujo REDOX:
Aplicaciones
Load balancing Almacenar el exceso de energía eléctrica fuera de las horas punta
Liberar a la red energía eléctrica durante los períodos de mayor demanda
Renovables Almacena la energía procedente de fuentes renovables como la eólica o la solar
Peak shaving Los picos de demanda se cubren con la batería
UPS La batería se utiliza si la corriente principal cae para obtener un suministro ininterrumpido
Vehículos eléctricos Las pilas pueden ser rápidamente "recargadas" por sustitución del electrolito

9. Nivel de desarrollo:
 Nueva implantación: Pocos productos comerciales y en estado de prototipo
 Electrolito corrosivo/tóxico  precauciones
mantenimiento, almacenamiento, transporte y gestión
 La membrana necesita especial atención: Rotura  mezcla de electrolitos.
 Coste electrolito aún elevado (15% - 45% del coste de la batería)
 Resistencia interna mejorable  eficiencia energética limitada
Función del diseño del stack y de la elección de los componentes
Oportunidades de mejora/líneas de trabajo:
 Optimización del stack (reducción de resistencias, montaje y mantenimiento más sencillo)
 Reducción de costes (fabricación)
 Desarrollo de electrolitos alternativos
Menor coste, corrosividad, mantenimiento y potencial uso en aplicaciones móviles (kWh/l)
 Desarrollo de membranas mejoradas
Baterías de flujo REDOX:
Nivel de desarrollo y campos de mejora

10. (Buesa Arena)
(HC Gijón )
Unidad de 5kW (Suecia ABB)
Baterías de flujo REDOX:
Desarrollos Zigor + Ik4-Tekniker

11. Volantes de Inercia de alta densidad

12. Volantes de Inercia de alta densidad:
COMPONENTES
• Máquina eléctrica (entrada y salida de energía)
• Cojinetes magnéticos y sensórica asociada
• Volante de materiales avanzados (composites)
• Eje (rotor dinámica compleja)
• Sistema de vacío
• Carcasa de seguridad

13. Volantes de Inercia de alta densidad:
Ventajas frente a otras alternativas
• Alta densidad de potencia
• Alta dinámica y/o número de ciclos de carga y descarga diarios elevado
• Rapidez de respuesta (UPS)
• Número de ciclos “ilimitado” (objetivo: 20 años sin mantenimiento)
• Los ciclos carga/descarga no afectan a la capacidad de almacenamiento
• No es necesaria una carga o descarga completa
• No generan emisiones, ni residuos

14. Volantes de Inercia de alta densidad:
Aplicaciones
• UPS (mayor calidad y vida que las baterías pero mayor coste)
• Telecomunicaciones (lugares inaccesibles con alto coste de mantenimiento)
• Consumo discontinuo (metro ≡ Kers estacionario)
• Absorción de diferencias oferta-demanda de energía:
• Modificación de alta frecuencia de la energía
• Ruido en la energía producida (renovables)

15. Volantes de Inercia de alta densidad:
Nivel de desarrollo y campos de mejora
Nivel de desarrollo:
• Nueva implantación: Pocos productos comerciales y en estado de prototipo.
Oportunidades de mejora/líneas de trabajo:
• Reducción de costes (rotor, cojinetes, componentes standard, ...)
• Reducción de peso y tamaño
• Diseño para fabricación en serie
• Ensayo sistemático y fiabilización de prototipos:
• 2013 Instalación en I-Sare

16. Volantes de Inercia de alta densidad:
Desarrollos Zigor + Ik4-Tekniker
Primera
generación
(2006-2011)
Segunda
generación
(2011-2013)
100kW – 20s 100kW - 20s
15000 rpm 50000 rpm
1 mbar
10-3 mbar
(cámara pequeña a
1 mbar)
Volante acero
Volante fibra
carbono
Bomba en
continuo
Zeolitas, y bomba
trabajando
ocasionalmente
Carcasa soporta
rotura de volante
Cojinetes
sobredimensiona-
dos
Cojinetes pequeños
800 kg 400 kg

17. Volantes de Inercia de alta densidad:
Desarrollos Zigor + Ik4-Tekniker
• Julio 2012 inauguración de nuevas instalaciones (30MJ)
• Segunda generación ensayada a 10.000 rev.
• Ensayo destructivo previsto para 2013

18. Eskerrik asko
Gracias
Thank you
cristobal.villasante@tekniker.es