Sager II, Sistemas de almacenamiento de energía

Comunicación presentada al II Congreso Smart Grids:

Autores

• Jesús Maria Rodriguez, Director General, AEG Power Solutions Ibérica
• José Angel Alzola Echazarra, División de Energía y de Medio Ambiente, Tecnalia

Resumen

AEG Power Solutions Ibérica (AEG-PSI) está liderando el proyecto SAGER II con el objetivo desarrollar, en colaboración con Iberdrola Ingeniería y Construcción y TECNALIA, un sistema de almacenamiento de energía a gran escala para aplicaciones de red eléctrica, ligadas a centros de transformación. Para ello se está llevando a cabo un proceso de innovación integral que incluye un módulo de almacenamiento de energía basado en plomo avanzado, una electrónica de potencia modular y altamente eficiente y un sistema inteligente de gestión energética. El proyecto se va a completar con una instalación en el Centro de Transformación Arquímedes de Iberdrola (Vitoria) en el verano de 2014. El objetivo principal es la viabilidad económica a corto plazo. Hoy en día la gran barrera del almacenamiento son los elevados costes. SAGER II propone una solución de plomo avanzado que manteniendo la robustez y el coste moderado del plomo convencional ofrece una vida útil más larga, por su tecnología y control a través de un novedoso BMS (Battery Management System).

Introducción

El sistema eléctrico está experimentando una importante evolución desde hace algunos años, debido a numerosos factores como el incremento de la demanda de electricidad, la liberalización del sistema eléctrico, las normativas medioambientales y de emisiones de gases, el aumento de la generación distribuida o la creciente importancia de la generación de origen renovable. Estos factores están provocando cambios relevantes en los modelos de gestión y planificación tradicionales de la red eléctrica.

Dentro de este nuevo marco energético, el almacenamiento de energía está identificado como un elemento clave para el desarrollo de las redes eléctricas del futuro. Su participación permite desacoplar la generación y el consumo de energía eléctrica, introduciendo una gran flexibilidad que redunda en una gestión más eficiente del sistema. En concreto su concurso será fundamental para mejorar la calidad de la energía, facilitar el desarrollo de la gestión distribuida, asegurar la estabilidad y fiabilidad del suministro y permitir una mayor y más fácil integración en la red de energía de origen renovable.

El potencial de mercado de estas tecnologías es enorme dada la gran cantidad de posibles aplicaciones. Este hecho, junto con la realidad de que hoy en día todavía son necesarios grandes avances en las tecnologías de almacenamiento de energía, hacen de este sector una vía muy interesante de diversificación y de adaptación al mercado futuro.

Sin embargo, los sistemas de almacenamiento de energía de media y gran escala se encuentran en una fase emergente de desarrollo. A día de hoy, solamente el bombeo hidráulico se puede considerar como una tecnología madura con instalaciones comerciales de tamaño significativo. La presencia de otros sistemas de almacenamiento de energía en la red eléctrica es aún testimonial y prácticamente todas las instalaciones existentes tienen un carácter de demostración.

En este contexto, SAGER propone el desarrollo de un sistema almacenamiento de energía de 500 kW y 600 kWh que se probará en un Centro de Transformación Arquímedes de Vitoria. Por limitaciones del propio CT, la potencia máxima estará restringida a 100 kW.

Objetivos

El proyecto SAGER tiene como objetivo el desarrollo de un sistema de almacenamiento de energía a gran escala para aplicaciones de red eléctrica que sitúe a AEG-PSI en una posición de referencia en un momento clave de la evolución de este sector del mercado.

• Este objetivo principal se desglosa en los siguientes objetivos operativos:
• Desarrollo de un módulo de almacenamiento de energía basado en la tecnología de plomo avanzado.
• Desarrollo de la electrónica de potencia para la conexión a red del sistema. Debe ser un sistema modular y altamente eficiente.
• Desarrollo de un sistema de gestión energética (EMS – Energy Management System) que tome en función de las variables del sistema las decisiones de carga y descarga de la batería para optimizar tanto el rendimiento económico como la operación técnica.
• Integración de sistemas en un prototipo SAGER de 500kW de potencia y 600 kWh de capacidad de almacenamiento de energía para validar la tecnología en una instalación en campo.
• Análisis de la viabilidad económica de la aplicación.
• Propuesta de una familia de soluciones SAGER considerando tanto diferentes escenarios de Centros de Transformación como otras posibles aplicaciones.

En el plano de mercado, el objetivo principal es la viabilidad económica a corto plazo. Hoy en día la gran barrera del almacenamiento estacionario son los elevados costes y SAGER II pretende dar un salto adelante en este apartado. Para ello se propone como tecnología de almacenamiento las baterías de plomo-ácido avanzado, que manteniendo la robustez y el coste moderado del plomo convencional presentan una vida útil más larga en términos de ciclabilidad.

Aplicaciones

La aplicación principal de SAGER es aplanar el perfil de consumo del Centro de Transformación a través del recorte de los picos de demanda con la energía almacenada en las horas valle de la noche. De esta forma se facilita la operación de la red eléctrica, se optimiza la eficiencia de los transformadores y se pueden retrasar las inversiones necesarias por incremento de consumo.

Para analizar este escenario se han obtenido datos reales de consumo del Centro de Transformación Arquímedes (figura 1). A partir del análisis de los perfiles de consumo diario a lo largo de una serie de semanas se han establecido patrones de demanda como el que se muestra a la derecha de la figura.

El consumo (línea azul) de los picos puede ser recortado a partir de la energía almacenada en las zonas azules de los valles. Se establecen para ello unos umbrales inferior (verde) y superior (rojo) que establecen los límites de carga/descarga de las baterías. Los perfiles de consumo pueden variar de forma estacional y también por la alternancia laborables/festivos, de forma que el gestor debe adecuar estos valores para un uso más eficiente. Obviamente cuanto mayor sea el recorte deseado mayor es el tamaño del almacenamiento requerido. La cuestión a resolver por el EMS es por tanto encontrar el punto óptimo en el que el coste extra que suponen las baterías proporcione el beneficio máximo.

En paralelo se analizará la viabilidad del uso de SAGER para otras aplicaciones, con especial atención a las energías renovables y a las smart-grids, considerando escenarios como:

• a: integración de energías renovables: gestionabilidad de la producción, atenuación de fluctuaciones y mejora en las predicciones;
• b: servicios de regulación de tensión y frecuencia, con especial atención a escenarios como redes débiles e islas;
• c: compra-venta de energía;
• d: participación en la capacidad de reserva;
• e: calidad de suministro: huecos, cortes y garantía de suministro.

Estas aplicaciones están empezando a presentar una demanda importante a nivel internacional, especialmente en Iberoamérica donde el alto potencial de generación renovable se ve condicionado por un menor desarrollo en las infraestructuras de transporte y distribución eléctrica.

La solución

Arquitectura

La figura 2 muestra la arquitectura del sistema. Se basa en un concepto modular, de forma que tanto las baterías como el sistema de conversión de potencia (PCS: Power Conversion System) puedan combinarse de forma sencilla para dimensionar el sistema de la forma más adecuada para cada aplicación concreta. El conjunto resultante está controlado por un gestor energético (EMS: Energy Management System) que establece la estrategia más eficiente para el uso de la capacidad de almacenamiento instalada. Este control puede realizarse de forma local o a partir de consignas recibidas desde el gestor de la red, de forma que se pueda operar de forma coordinada un conjunto distribuido de sistemas SAGER.

El diseño se basa en el empleo de contendores estándar, utilizando uno de ellos para las baterías y otro para los convertidores de potencia y el control. Cada contenedor puede albergar uno o dos convertidores y los sistemas de control (SC.Ctrl) y de monitorización y almacenamiento de datos (SC.Log). El sistema de control se comunica con el EMS. Opcionalmente se puede incluir un transformador para realizar la conexión en media tensión.

Convertidor de potencia

La unidad incorpora un Convertidor SC.500 de 500 kW de AEG-PSI. Se ha diseñado de acuerdo a los requisitos más exigentes en cuanto a procesos de carga/descarga de baterías, demandas de la red y comportamiento operativo para diferentes escenarios.

Además de la tecnología de plomo avanzado considerada en el proyecto SAGER, el convertidor permite utilizar cualquier otra tipología de batería disponible tales como litio, sodio-azufre, flujo o Zebra y las futuras como Na-ion. Cuenta además con la más avanzada tecnología de medida y control, de forma que la gestión puede realizarse de forma remota desde cualquier lugar del mundo. Su tecnología IGBT es inherentemente bidireccional y permite la operación en cuatro cuadrantes con total flexibilidad para la gestión de potencias activas y reactivas. Las únicas restricciones en este caso son las derivadas de la tecnología de almacenamiento utilizada (figura 4).

El convertidor SC.500 presenta una gran eficiencia (hasta el 98.4%), cubre un rango muy amplio de tensiones DC (450-1.000 V) y permite operar tanto en modo conectado a red como en modo isla.

Baterías

A partir de simulaciones con datos reales de la operación de la subestación Arquímedes, se ha dimensionado el tamaño del almacenamiento para minimizar el coste de la inversión y cumplir con los requisitos de usuario. Con esta información se ha seleccionado una celda básica, se ha establecido la configuración serie-paralelo más adecuada y se ha definido la distribución física del conjunto en este caso 300 celdas de 1000 Ah, de acuerdo con la siguiente figura:

La tecnología a utilizar es la TGI (Tubular – GEL- estancas sin mantenimiento), son baterías robustas, con alta inmunidad frente a descargas profundas y debido a su configuración en rack necesitan menos superficie para alojarlas. Destacan además por su alta eficiencia (85 %), vida útil extendida (15 a 20 años, 1.200 a 5.200 ciclos), mantenimiento mínimo y muy baja autodescarga.

Battery Management System (BMS)

Se ha desarrollado un BMS innovador basado en tecnología inalámbrica. Cada celda cuenta con un sensor integrado que se comunica sin necesidad de cables vía Zigbee con un elemento central que concentra toda la información del conjunto. Se evitan así los cableados extensivos de los sistemas convencionales, lo que aumenta la fiabilidad y sencillez del sistema a la vez que reduce su coste.

Los sensores se colocan mecánicamente sobre el polo negativo de la batería y se alimentan de la propia celda a la que van conectados. El consumo es extremadamente bajo y no es significativo desde el punto de vista operativo de la batería.

El sistema puede monitorizar de forma continua hasta más de 300 celdas conectadas en serie, lo que permite realizar un seguimiento detallado de la evolución de las celdas a implementar procedimientos de mantenimiento predictivo.

Implantación

La implantación SAGER se va a completar a lo largo del año 2014 en el Centro de Transformación Arquímedes, en el polígono industrial Jundiz de Vitoria. El nivel de demanda que hoy día registra este C.T. Arquímedes  se caracteriza por una fuerte saturación en el suministro de energía en horas punta, así como por la aparición de problemas de calidad de suministro. Se trata por lo tanto de un escenario muy adecuado para completar una prueba exigente del sistema.

La instalación se realizará en base a dos edificios prefabricados de acuerdo con la siguiente distribución:

• Edificio de potencia (2,380 metros x 6,080 metros). Alberga el cuadro de conexión a red, el transformador aislador 283V/400V de 160kVA, el cuadro de distribución baja tensión, el convertidor de potencia, el sistema de control con interface hombre-máquina y el concentrador de comunicaciones
• Edificio de baterías (8,420 metros por 2,620 metros). Alberga tanto las baterías como el sistema de monitorización (BMS).

Conclusiones

El proyecto SAGER supone un reto tecnológico muy importante como es el desarrollo de un sistema de almacenamiento eficiente, seguro y de bajo coste para su utilización a gran escala. El reto está presente en diversos ámbitos de desarrollo tales como: a) convertidores de gran tamaño y altamente eficientes; b) gestión energética flexible y eficiente; c) tecnologías de almacenamiento de bajo coste y los futuros sistemas de Na – Ion en colaboración con el Centro de Investigación CIC Energigune.

SAGER aborda todos estos ámbitos desde una perspectiva integral, de forma que el desarrollo y validación de una instalación en campo formada por múltiples elementos innovadores permite alcanzar un posicionamiento privilegiado en un mercado con un potencial de crecimiento muy elevado.

Agradecimientos

Los autores quieren mostrar su agradecimiento al Gobierno Vasco por su contribución a través del programa GAITEK para la financiación del proyecto SAGER, al Ayuntamiento de Vitoria-Gasteiz por la licencia temporal de ocupación de espacio público incluyendo el experimento dentro de la iniciativa “Ciudad Laboratorio” del Dpto. de Desarrollo Económico y a Iberdrola Ingeniería y Construcción por el análisis de los perfiles de demanda del Centro de Transformación Arquímedes.