Comunicación presentada al III Congreso Smart Grids:
Autores
- Joaquin J. Chacón Guadalix, Director General, Albufera Energy Storage
- Florentina Arriaza López, Coordinadora Centro Técnico Baterías Industriales, Albufera Energy Storage
- Paloma Rodríguez Soler, Directora de Tecnología, Albufera Energy Storage
- Isabel Guerrero Martín, Gerente, Albufera Energy Services
Resumen
La diversidad de prestaciones que se demandan a las baterías para almacenamiento energético en aplicaciones de Smart Grids, hace complicada la selección de la tecnología óptima que sea capaz de combinar prestaciones y coste en niveles eficientes y económicamente rentables. Las nuevas tecnologías, como el Aluminio-aire desarrollado por Albufera Energy Storage, permiten abrir la puerta a múltiples soluciones. La baja capacidad de potencia de estas nuevas baterías hace que su aplicación en algunos casos sea cuestionada, por lo que la hibridación con otras baterías de alta potencia permite albergar la esperanza de alcanzar el precio y prestaciones óptimos. Este trabajo presenta las diversas estrategias de hibridación de baterías de Aluminio-aire de gran energía específica (superior a 800 Wh/kg) con Litio-ión de alta potencia (superior a 750 kW/kg) en algunas de las aplicaciones más habituales en sistemas de generación distribuida en Smart Grids.
Palabras clave
Almacenamiento Energético, Baterías, Aluminio-aire, Litio-ión, Hibridación, Generación Distribuida
Introducción
La proliferación de fuentes renovables de generación de electricidad es ya una realidad en lugares donde la red eléctrica tradicional se encuentra en estado precario o simplemente no existe. La utilización de grupos de generación a partir de combustibles fósiles en estos lugares remotos o aislados constituye la práctica habitual de obtención de electricidad, pero el encarecimiento de los costes de estos combustibles, factores geopolíticos y estratégicos y la necesidad del cuidado medioambiental, hacen que el cambio hacia soluciones más limpias, baratas y propias se haya convertido en una guía de desarrollo para los próximos años en múltiples localizaciones.
Aunque las fuentes solares y eólicas constituyen la gran masa crítica que lucha por un lugar destacado en el mix energético de cada país, dentro de las denominadas energías renovables, es indudable que existen otras opciones que se encuentran en fase de investigación y desarrollo más o menos avanzado y que se irán incorporando a la estrategia energética de los diferentes lugares en función de los recursos naturales propios de cada uno de ellos. En este apartado se puede hablar de la biomasa, las mareas o la geotermia entre otras fuentes para el futuro.
Resulta bastante común encontrarnos con lugares donde la existencia de una sola fuente renovable de electricidad no sea habitual o bien porque utilizamos una sola tecnología, pero con múltiples focos de generación por necesidades físicas de la instalación, o bien porque empleamos varias tecnologías de generación para los mismos consumidores (por ejemplo, fotovoltaica y eólica). Esto es así debido a que se busca la mayor eficiencia en la implantación de estos dispositivos, energética y económica, y a las cuestiones técnicas de intermitencia y prestaciones de potencia propias de las renovables. Por ello, normalmente se busca, cada vez más, la integración de todas estas fuentes en una sola localización mediante una red inteligente, que sea capaz de gestionar los flujos de energía de manera coherente y eficiente.
En estos sistemas, denominados de generación distribuida, la gestión de la oferta y la demanda de electricidad se hace más complicada por la propia naturaleza de las fuentes renovables y por el número de focos de generación a controlar para cantidades relativamente pequeñas de energía, si lo comparamos con las grandes centrales tradicionales. Esto se intenta controlar mediante dispositivos electrónicos que reciben diversos nombres (por ejemplo, power manager) y la necesaria comunicación entre ellos (tecnologías TIC) con éxito relativo en función de la localización y facilidad de predicción de los consumos y de la generación.
Indudablemente, los sistemas de almacenamiento energético son la solución ideal para gestionar sistemas de generación distribuida y, entre ellos, las baterías. Su capacidad de respuesta inmediata, la posibilidad de poderlas configurar para diferentes cantidades de energía almacenada y el conocimiento existente en la industria sobre su utilización las hacen los dispositivos óptimos para casar la oferta y la demanda de electricidad en sistemas complejos de generación y consumos de electricidad. No obstante, la variedad de necesidades energéticas y de potencia de estos sistemas distribuidos, y la vida esperada para los mismos, hace necesario normalmente instalar baterías mucho mayores que las estrictamente obtenidas en un cálculo sencillo. Si a esto unimos el coste total asociado a las mismas (materiales y componentes, instalación, mantenimiento, etc.), el resultado de la ecuación energética resulta claramente negativo para la extensión de su aplicación.
La hibridación de baterías
Si imaginamos un sistema de generación distribuida donde convivan dos o tres tecnologías de fuentes renovables distintas, o una única tecnología ubicada en múltiples localizaciones con tamaños diferentes en cada una de ellas, la mejor manera de gestionar los flujos energéticos entre dichas fuentes y los consumidores es instalar un sistema de almacenamiento de la energía, capaz de guardar electricidad cuando no hace falta y de darla cuando la demandan los clientes.
Cada fuente de energía renovable tendrá sus características intrínsecas de potencia y tiempos de generación, por lo que el sistema de almacenamiento adscrito a ellas deberá estar adaptado a esas circunstancias y propiedades. Las baterías presentan una gran cantidad de diseños, formas y tecnologías electroquímicas y cada una de ellas se emplea en función de las características de potencia, cantidad de almacenamiento, condiciones del entorno y vida del sistema que, a la postre, es el resultado del cálculo de cada caso para obtener el menor coste total de propiedad.
No existe una única batería capaz de acoplarse a la variedad de circunstancias que pueden darse en un sistema de generación distribuida, por lo que habitualmente se hace imprescindible seleccionar la tecnología y diseño que mejor se adapte a la situación más normal de la generación, y se sobredimensione para poder trabajar en aquellas circunstancias excepcionales que también se dan en el sistema. Este sobredimensionamiento es lo que encarece normalmente el valor de la inversión en los sistemas de almacenamiento energético.
Los parámetros críticos en el cálculo de baterías para almacenamiento energético son los siguientes:
- Cantidad de energía a almacenar, que es directamente proporcional al precio de la batería, su tecnología y su diseño (euros/kWh).
- La densidad energética o energía específica de cada diseño y tecnología (Wh/l o Wh/kg respectivamente), que influye en los costes asociados a la disposición e instalación del sistema en cuanto a espacio y volumen.
- La potencia específica que admite la batería tanto en carga como en descarga, que puede ser diferente según la tipología y tecnología de la misma y de las condiciones de temperatura de trabajo (W/kg).
- El número de ciclos de carga y descarga que admite un determinado diseño y tecnología de batería, que además depende de la profundidad de descarga en cada ciclo (DOD) y de las condiciones de temperatura del entorno. La relación entre el número de ciclos y la profundidad de descarga es una función logarítmica y es específica de cada tecnología. Temperaturas de trabajo habituales superiores a los 30ºC hacen disminuir drásticamente la vida de las baterías.
- Rango de temperaturas de trabajo, que provocan el sobredimensionamiento de los sistemas en climas o entornos fríos, por debajo de los 15ºC.
La combinación de todos estos parámetros es lo que nos da la solución al tamaño y tipo de batería a utilizar en cada caso que será aquel diseño y tecnología que permita disminuir el coste total del sistema a lo largo de la vida del mismo.
En situaciones donde exista una gran variedad de aspectos del servicio operativo del sistema de almacenamiento que hagan difícil la elección entre una batería u otra, la propuesta de hibridación de sistemas de baterías suele ser la solución óptima.
Imaginemos, por ejemplo, una fuente de generación que proporcione una potencia continua, de un determinado valor, a la batería para ir almacenando esa energía. Normalmente, la mejor elección en estos casos será una batería de tecnología Plomo-ácido independientemente de la temperatura de trabajo (salvo por debajo de -10ºC continuos, donde será mejor explorar soluciones con baterías de Níquel). Pero supongamos que, dos veces al día, el sistema de generación demanda un pico de potencia alta para acometer alguna operación necesaria para su servicio. Estos picos harían necesario el sobredimensionamiento de la batería para poder atenderlos, lo que implica un incremento del coste del sistema. Además, debido al bajo valor de energía específica del Plomo-ácido, resultaría un sistema tremendamente grande con las consiguientes consecuencias en coste de instalación y disposición. Si decidiésemos acudir a una solución de Litio-ión de alta potencia, el recurso de atender los picos de potencia del sistema de generación sería más barata, pero penalizaríamos la parte de acumulación continua, debido a que el Litio-ión es mucho más caro que el Plomo-ácido y para este servicio sólo cuenta el número de Wh que debemos acumular que, como ya se ha mencionado, es directamente proporcional al valor económico.
La mejor alternativa en este tipo de casos es una batería híbrida, que combine al menos dos tecnologías y diseños de baterías para que funcionen en paralelo, a través de los convertidores correspondientes, dirigidas por un sistema de control central capaz de discriminar el uso de cada una de ellas, o de ambas a la vez, en función de los requerimientos de la fuente de generación. Así, en el ejemplo anterior, seguramente la combinación de una batería de Plomo-ácido, para el almacenamiento continuo de energía desde la fuente generadora y otra de Litio-ión de alta potencia, para atender los picos del sistema, sea la solución óptima en esta instalación.
La tecnología aluminio-aire
La tecnología Plomo-ácido es un sistema conocido desde hace más de 100 años. Está implantado en todo el mundo y existe una gran capacidad de fabricación en muchos países, además de una base de personal profesional para su operación y mantenimiento muy amplia. Es una tecnología barata (entre 150 y 200 euros/kWh habitualmente) que lo convierte en el sistema preferido y de mayor utilización para almacenamiento energético.
Los principales handicaps de esta tecnología son su baja ciclabilidad y su escasa energía específica en cuanto a peso y volumen, lo que lo hace una batería que debe reemplazarse periódicamente en diversas aplicaciones con una mayor frecuencia que otras tecnologías de baterías y, además, ocupa un gran volumen y pesa mucho.
En lo que respecta al Litio-ión, ya se ha comentado con anterioridad que uno de sus principales inconvenientes es el elevado precio, que lo hace inviable económicamente en muchos casos. Además, la complejidad de los sistemas electrónicos que acompañan a esta tecnología, hace que las operaciones de seguimiento y mantenimiento de estos sistemas sean costosas y, en muchos casos, con necesidades de personal cualificado específicas y no sencillas de cubrir.
Desde el año 2010, se ha iniciado una carrera para encontrar al sustituto ideal de las tecnologías de baterías existentes. Hay diversos proyectos a nivel mundial que exploran nuevos materiales y aproximaciones a los ya existentes. Se sigue trabajando en mejorar el Plomo-ácido y en desarrollar nuevos diseños con el Litio-ión pero parece claro que la solución vendrá de la mano de nuevas fórmulas electroquímicas con nuevos metales.
Albufera Energy Storage ha apostado por la batería Aluminio-aire. Es un sistema que se conoce desde hace bastantes años, pero la dificultad de su recargabilidad lo ha hecho poco conocido para la industria hasta la fecha. La aparición de nuevos materiales, fundamentalmente de nuevas soluciones de electrolitos con líquidos iónicos, permite la ciclabilidad de estos electrodos hasta valores similares a los del Litio-ión.
Esta batería tiene el potencial de alcanzar un precio similar al del Plomo-ácido (el Aluminio es uno de los metales más abundantes y el segundo con mayor capacidad de almacenamiento después del Litio), con un valor de energía específica en el entorno de 30 veces superior y con una densidad energética 50 veces mayor, es decir, para una batería de la misma capacidad, el Aluminio-aire pesara 30 veces menos y ocupara 50 veces menos que una de Plomo-ácido. Y todo ello hecho con materiales sostenibles y totalmente reciclables.
El Proyecto SALSA
A lo largo del pasado año se ha incrementado de forma importante la adhesión a los modelos energéticos basados en generación distribuida en diversas zonas del mundo y, especialmente, pensando en nuevos desarrollos turísticos. Uno de los ejemplos más relevantes es el de Cuba, que ha presentado un plan para aumentar la componente de generación renovable desde el 4 al 30% de su mix energético en los próximos 15 años. Albufera Energy Storage se encuentra presente en el proyecto, a petición del gobierno cubano, para asesorar y suministrar sistemas de almacenamiento energético que hagan de gestores de los diferentes flujos energéticos que se vayan instalando en la Isla.
Al tratarse de turismo, además de la electricidad necesaria para alimentar los diferentes servicios de las instalaciones hoteleras y de ocio, resulta tremendamente interesante acometer en paralelo la parte de movilidad, que constituye también un gran consumidor de combustible a importar y que hace menos sostenible el sistema. Así surgió el concepto SALSA (Sistema de Automovilidad Limpia con Soporte de Almacenamiento) que consiste básicamente en atender la eficiencia energética de una red inteligente con generación distribuida a través de un sistema de almacenamiento energético que alimenta diversos consumidores más o menos predecibles.
El proyecto comenzó con la instalación de un piloto a escala pequeña del sistema en el Centro de Estudios Che Guevara, en La Habana, compuesto por un mix de generación renovable (20 kW fotovoltaica y 18 kW eólica) junto a la conexión estándar a la red eléctrica. Los consumidores son los habituales en un centro cultural con dos particularidades importantes: la potencia de aire acondicionado en el entorno de los 40 kW (importante en la zona del Caribe) y los puntos de recarga de vehículos eléctricos aportados en el proyecto (dos vehículos de cuatro ruedas con 20 kWh de batería cada uno, una bicicleta eléctrica con 0,5 kWh de batería y una Scooter con 2 kWh de batería). El sistema de almacenamiento actúa entre los puntos de generación y de consumo controlando los flujos energéticos para utilizar los canales de generación más eficientes y económicos en cada momento.
Cuando se inició el diseño y dimensionamiento del sistema de almacenamiento, se vio claramente que la disposición de utilizaciones de la batería de alta potencia (puntos de recarga rápida de vehículos y puntas de aire acondicionado) y de gran capacidad de almacenamiento (hay que tener en cuenta que se pueden necesitar grandes cantidades de almacenamiento, para varios días de servicio, por el corte del suministro que ocurre en época de huracanes) eran necesarias. Esto hizo pensar de manera inmediata en la hibridación de dos tecnologías de baterías.
Claramente, en la actualidad, la tecnología que sale ganadora en las comparativas de coste y prestaciones para alta potencia es el Litio-ión por lo que se decidió apostar por este sistema para esta parte. En cuanto al almacenamiento de energía masivo, lo lógico hubiera sido adoptar una batería de Plomo-ácido, pero el Centro no dispone de mucho espacio para este tipo de sistemas por su alta ocupación en salas de uso diverso. Por ello, había que pensar en una solución de menor volumen de ocupación, el Aluminio-aire.
Así, el sistema de almacenamiento diseñado para esta aplicación fue finalmente de una batería híbrida compuesta de un sistema de Litio-ión de 10 kWh y capaz de admitir picos de carga y descarga de hasta 80 kW junto a una batería de Aluminio-aire de 300 kWh, capaz de suministrar todos los consumos básicos del Centro durante un período de 5 días sin ningún suministro eléctrico exterior ni interior. Indudablemente, este sistema híbrido resulta el más efectivo y eficiente en términos de coste (alrededor de 250 euros/kWh), ocupación de espacio y atención específica a los diferentes consumidores y sus condiciones de funcionamiento.
Conclusiones
De los estudios y diseños realizados hasta la fecha sobre la hibridación de sistemas de Litio-ión (alta potencia) y Aluminio-aire (gran energía específica), se pueden extraer las conclusiones siguientes:
- El sistema de almacenamiento energético asociado a una red inteligente de generación distribuida debe ser capaz de atender de manera eficiente las diversas circunstancias de generación de la fuente, así como las necesidades energéticas o de potencia de la misma. En este sentido, la gran variedad de situaciones previsibles hace que una sola tecnología de batería no sea la solución más eficaz para ello y sea preferible acudir, en la mayoría de los casos, a sistemas híbridos con al menos dos tecnologías o diseños de baterías que cubran el espectro de prestaciones requeridas.
- El Aluminio-aire es un nuevo sistema de batería que presenta un ratio de energía específica y volumétrica insuperable frente a los pares electroquímicos actuales. Se pueden preparar diseños con valores superiores a los 800 Wh/kg y los 4.000 Wh/l, lo que hace de esta tecnología la idónea en lugares donde el espacio o el volumen sean un factor limitante.
- El Litio-ión de alta potencia es, sin duda, una batería de altas prestaciones que bien dimensionada es insuperable en situaciones de grandes picos de potencia (siendo incluso comparable a los supercondensadores en algunas aplicaciones). A pesar de su alto coste y complejidad de mantenimiento, su acompañamiento con otras fuentes de almacenamiento de gran energía específica, hará que esta tecnología prevalezca en las futuras aplicaciones de las Smart Grids.
- El proyecto SALSA (Sistema de Automovilidad Limpia con Soporte de Almacenamiento) presenta la combinación en una configuración híbrida de las tecnologías Aluminio-aire (como gran almacén de energía) y de Litio-ión (para el suministro de potencia en situaciones puntuales) a un coste en el entorno de los 250 €/kWh (valor adecuado para el despliegue de este tipo de sistemas según los cálculos del sector de las energías renovables) y que representa una puerta perfectamente válida para la entrada en el mercado de los sistemas de almacenamiento energético del futuro.
Agradecimientos
Queremos agradecer a Cuba el impulso y ánimo al desarrollo de nuevas estrategias de almacenamiento energético en la Isla, confiando en Albufera Energy Storage para su conceptualización y diseño, dentro del marco de desarrollo de la generación distribuida con fuentes renovables que se está acometiendo en el país como eje central de su política energética para los próximos años.