Comunicación presentada al II Congreso Smart Grids:
Autor
- Estefanía Hernández Lugones, Responsable del desarrollo del negocio de Almacenamiento de Energía en Iberia, Robert Bosch España, S.L.U.
Resumen
Mientras continúa el agitado debate en Alemania sobre la reorganización de la transición del país a formas alternativas de energía, en el municipio de Braderup, en el norte de Alemania se ha desarrollado un proyecto de almacenamiento de energía en el que se están estableciendo nuevos estándares. Una flexible batería híbrida en la que se almacena energía eólica cuando la red está sobrecargada. Es una de las más grandes instalaciones de su tipo en Europa. Se trata de la expansión de un Parque eólico existente propiedad de una comunidad de vecinos, un sistema híbrido en el que se combinan las baterías de flujo redox de Vanadio con las baterías de iones de litio, con lo que se consigue rápida disponibilidad y almacenamiento a largo plazo.
Introducción
Alemania planea cubrir alrededor de la mitad de sus necesidades de electricidad con fuentes renovables para el año 2030. El gobierno de coalición en Berlín está discutiendo actualmente aumentar la capacidad de las energías renovables. A largo plazo, son fuentes de energía renovables que contribuyen a una mayor proporción del total de producción, aumentando de entre 40 y 45 % para el año 2025 entre el 55 y 60% en 2035. Eso significa reducir las emisiones de CO2 y una mayor protección del clima. Las instalaciones de almacenamiento de energía pueden reducir el número de nuevas líneas eléctricas que tienen que ser construidas a lo largo de la costa del mar del Norte.
En 1993, se propuso el concepto de crear un parque eólico propiedad de la comunidad Braderup-Tinningstedt GmbH Co. KG. Las primeras máquinas aparecieron en 1995 Las cifras de la época: 20 accionistas, 15 aerogeneradores, cada uno produciendo 750 kilovatios. Fue un éxito y ahora, el segundo parque eólico ha sido aprobado con los 6 nuevos aerogeneradores que han sido suministrados por Vestas, uno de los mayores fabricantes del mundo de estos sistemas.
El propietario de este nuevo proyecto de batería es Energiespeicher Nord GmbH KG Co., una empresa conjunta fundada en 2013 por Robert Bosch GmbH y el parque eólico propiedad de la Comunidad Braderup-Tinningstedt GmbH Co. KG. El parque eólico ahora cuenta con 200 inversionistas privados, y los recién instalados 6 aerogeneradores.
La brisa del mar del Norte, sin embargo, no se puede controlar. Esto crea problemas, de Braderup a Tinningstedt y en todo el resto del Norte: Cuando sopla el viento, las turbinas producen tanta energía que la red ya no puede transportar todo. Muchas paradas de los aerogeneradores son el resultado de estos fuertes vientos, y por tanto perder esta fuente de energía. En tales casos, la batería funciona como una solución de almacenamiento temporal. El independiente Öko-Institut (Instituto de Ecología Aplicada) en Friburgo ve esta solución como un contribución importante para el éxito de la respuesta energética. También recomienda el avance de esta tecnología al gobierno alemán, el cual es de la misma opinión.
Al mismo tiempo, un cambio fundamental está en marcha en algunas partes del mundo, con zonas pobladas alejadas de plantas de energía centralizadas, grandes quemas de combustibles fósiles como el carbón, petróleo y gas, la tendencia será hacia fuentes de energía renovables como la eólica y la solar, y como estas energías renovables están sujetas a fluctuaciones constantes, el tema de almacenamiento de energía se torna vital.
Proyecto
Desde mediados de julio de 2014, un sistema híbrido hecho a medida, que comprende dos tipos de baterías de alto rendimiento va a almacenar la electricidad generada en el parque eólico de Braderup, de 18 Mw.
El propósito del sistema de almacenamiento sigue siendo exactamente el mismo de siempre: debe ser posible alimentar de energía eólica a la red en todo momento – independientemente de que los vendavales estén golpeando la costa o apenas haya un soplo de brisa. Si se genera demasiada energía eólica, el sistema de almacenamiento híbrido absorbe el exceso y alimenta a la red más tarde. Esto significa que pueden integrarse más eficazmente las fuentes de energía renovables, las cuales están sujetas a fuertes fluctuaciones en el suministro, en la red eléctrica existente. Hasta ahora, a veces ha sido necesario parar las turbinas cuando la red estaba sobrecargada.
Por un lado, la potencia puede ser utilizada bien donde se genera, por otro lado, las instalaciones de almacenamiento permiten excesos de producción y ser transportadas hacia el sur cuando las redes no están sobrecargadas. En pocas palabras: las instalaciones de almacenamiento deben evitar la congestión en las redes.
Con este concepto, estamos ampliando la gama de posibles aplicaciones para nuestros sistemas de almacenamiento. Los sistemas de almacenamiento de este tipo hacen posible reducir la expansión de las redes eléctricas, que han sido la fuente de conflicto en muchos lugares.
Sistema de batería
El sistema híbrido está compuesto por una unidad de almacenamiento de energía de iones de litio con una capacidad de 2 Mw/h y una potencia de 2 Mw y la otra es una batería de flujo redox de Vanadio con una capacidad de 1 Mw/h y una salida máxima de 325 kw.
La instalación de almacenamiento, tiene una potencia total de 2.325 kw y una capacidad total de 3.000 kw/h. Aritméticamente, eso es suficiente para cubrir las necesidades de electricidad de 40 viviendas unifamiliares promedio durante siete días y siete noches. La batería de flujo redox de Vanadio se ha instalado en un edificio mide 150 metros cuadrados, mientras que las baterías de iones de litio se alojan en grandes contenedores de acero cubriendo un área de alrededor de 350 metros cuadrados. El área total de la instalación, incluyendo la construcción de servicios y espacios de estacionamiento, es aproximadamente 2.500 metros cuadrados.
¿Cómo funciona una batería de flujo redox de Vanadio?
Una batería de flujo redox almacena energía eléctrica en forma de compuestos químicos disueltos en un líquido, que se conoce como electrolito. Impulsado por las bombas, se introducen dos polos metálicos distintos en el electrolito que circulan en dos circuitos separados, de tal forma que se producen dos reacciones electroquímicas, en uno de los circuitos uno de los metales se oxida y en el otro se reduce. Durante la carga, una de las dos soluciones electrolíticas se convierte en carga positiva mientras que la otra se carga negativamente. Cuando la batería está descargada posteriormente, las partículas cargadas regresan a su electrólito original, liberando la energía eléctrica almacenada. Una batería de flujo redox de Vanadio se puede ampliar fácilmente mediante la adición de más tanques de más solución electrolítica. Debido a las propiedades especiales del electrólito, las pilas conservan su plena capacidad hasta por 20 años, incluso con carga y descarga – independientemente de la frecuencia de las mismas.
¿Cómo funciona una batería de iones de litio?
Cuando una batería de iones de litio es cargada y descargada, litio cargada partículas (iones de litio) se mueven hacia adelante y hacia atrás entre electrodos positivos y negativos. Cuando se descarga una batería completa, los electrones son liberados y realizar un trabajo en un circuito eléctrico externo: un flujo actual. Cuando una batería está cargada, por ejemplo, con la electricidad de un parque eólico – este proceso es al revés: los iones de litio absorben electrones y los guardan hasta la próxima descarga. Este proceso se puede repetir muchas veces.
Las propiedades especiales de baterías de iones de litio, como su alta carga y velocidades de descarga, alta capacidad y alta densidad de energía – son debidas principalmente a los materiales del electrodo. El electrodo negativo está hecho de grafito, mientras que el electrodo positivo está hecho de material cristalino, como manganeso, cobalto, níquel, aluminio o hierro. Estos iones metálicos forman una estructura de túnel en el cual litio iones se almacenan durante la carga y del cual se lanzan otra vez durante la descarga.
Bosch Energy System Controller (BESC)
Bosch ha diseñado, suministrado e instalado el sistema completo, y lo opera utilizando sus sistemas electrónicos de control, especialmente desarrollados para este sistema junto con el software correspondiente. El parque eólico y la batería están conectados a la red eléctrica que está gestionada por Schleswig-Holstein Netz AG. La distribución se realiza mediante un cable subterráneo de 10 kilómetros
El sistema de control consiste, por un lado en tomar parte de la energía y utilizarla para el consumo propio del parque eólico, comercialización de la electricidad y estabilización de la red eléctrica. Es decir, la instalación de almacenamiento híbrido es muy flexible, por un lado, almacena electricidad para su uso o venta, por otro lado, puede balancear a fluctuaciones a corto plazo en la producción de energía o la demanda con el fin de mantener estable la red eléctrica, intentando que la producción y la demanda estén en equilibrio en todo momento. Otro problema en la red eléctrica son fluctuaciones de voltaje, que pueden dañar las instalaciones de la red. Para evitar esto, la electrónica de potencia de instalaciones de almacenamiento es capaz de no producir desviaciones. Hemos diseñado y suministrado el sistema completo, el cuál opera mediante sus controles electrónicos especialmente desarrollados con su software correspondiente.
Estos son datos reales registrados del sistema durante el proceso de salida del sistema. Se muestran dos cargas y una descarga.
En el segundo gráfico se ilustra cómo en el caso de no existir viento la batería suministra energía al parque eólico para cargas auxiliares, la energía de la batería y el estado de la carga. Hay que tener en cuenta que tanto el VRFB y el LiB se utilizan en paralelo.
En el último se ilustra cómo responde durante el caso de “restricción de la red”, durante este caso, parte de la energía eólica se almacena en la batería y se libera una vez que el periodo de “restricción” ha terminado.
Resultado
El resultado de este proyecto ha sido que dependiendo de la fuerza del viento y del estado de la carga, la electrónica asigna la energía generada para el tipo de batería que se adapta mejor a la tarea, convirtiéndose así la batería en un innovador sistema de almacenamiento desde una perspectiva viable.
Resolviendo los siguientes problemas
- Exceso de capacidad local de energía eólica en el distrito del norte de Frisia-Suministro del 235% con energías renovables
- Sobrecarga de la red: Parada de los aerogeneradores
- En el 2011 el parque eólico de Braderup desperdicio el 25% de la energía generada
- Estabilidad de la producción de energía eólica
- Aumento de la superficie agrícola dedicada a la energía eólica hasta el 1,8% de la superficie total del distrito.
Agradecimientos
Agradecer a todo el equipo de “Energy Storage Bosch” además de a Jan Martin Hansen, uno de los dos General Managers de Energiespeicher Nord GmbH & Co. KG., por su trabajo y dedicación para llevar a cabo este proyecto tan exitoso.