Potencial del almacenamiento eléctrico como alimentación de respaldo ante descargos en redes de baja tensión

José Antonio Rosendo Macías

Catedrático de Ingeniería Eléctrica

Escuela Técnica Superior de Ingeniería, Universidad de Sevilla

Almacenamiento eléctrico en sistemas de distribución

16 de enero de 2018

Cátedra Endesa Red, Universidad de Sevilla

Índice

• Introducción

• Energy Storage System (ESS)

• Casos de ESS

• Mobile Energy Storage System (MESS)

• Casos de MESS

• Conclusión

Back-up con generadores diesel

• La solución tradicional para el respaldo durante los apagones han sido los

generadores diesel:

• Solución cara para problemas infrecuentes

• Requiere la distribución y almacenamiento de suficiente combustible.

• Alto coste en zonas aisladas.

• Solución válida para problemas temporales, pero pierde eficiencia en

apagones de días.

• Vulnerables a inundaciones durante las tormentas.

• Emisión muy alta de partículas y otra polución.

• ESSs (Energy Storage Systems) pueden producir electricidad de modo eficiente, sin

emisiones y de ubicación flexible en edificios para operar durante inundaciones.

Energy Storage Systems (ESS)

• Se está expandiendo el uso en los sistemas de transporte y de distribución :

• Aplicaciones de backup y de gestión de emergencias: Microgrids, Community Energy

Storage, operación en isla.

Energy Storage Systems (ESS)

• Coste de almacenamiento y ahorro de combustible en microrredes aisladas, 3Q 2016:

(Source: Navigant Research)

Microrredes: >100 kW. Utility scale: >250 kWh. Fuel: $1.09/L

https://www.esmap.org/sites/default/files/esmap-files/7151-IFC-EnergyStorage-report.pdf

Energy Storage Systems (ESS)

• El despliegue de ESSs puede proporcionar acceso a la electridad durante desastres

naturales.

• Oportunidad innovadora para modernizar las redes electricas, mejorar su eficiencia y

reforzar su resiliencia y estabilidad.

• Su uso comienza a ser competitivo en los mercados eléctricos al tiempo que sirven

como activos de backup para situaciones de emergencia.

https://www.americanprogress.org/issues/green/reports/2016/07/13/141118/girding-the-u-s-electric-grid-with-community-energy-storage/

Resiliencia a tormentas (República Dominicana, 2017)

• Durante el huracán Irma, el 40% de la generación de la isla llegó a estar inactivo.

• Disponibilidad de dos ESSs de la isla, cada uno de 10 MW con 30-minutos de almacenamiento de energía con control de frecuencia.

• Situación crítica con los dos ESSs y pocas centrales. Contribución al control de frecuencia durante las 10h de mayor perturbación.

• Sistemas 2.9 veces más efectivos por velocidad y precisión.

http://cdn2.hubspot.net/hubfs/2810531/Collateral/AES%20ES%20Case%20Study%20-%20Storm%20Resilience.pdf

Backup estático

Fraunhofer Institute IFF, 2014, Magdeburgo, Alemania

• Batería de 1 MW para compensar las fluctuaciones de energía de fuentes renovables.

• Test de alimentación temporal de un edificio de 150 empleados, oficinas y

laboratorios.

• 0.5 MWh: Carga suficiente para alimentar 100 casas promedio durante 24h.

http://www.sunwindenergy.com/photovoltaics/large-battery-successfully-tested-fraunhofer-iff

• Sistema de baterías de litio, 2 MW / 4.4 MWh en la subestación Glacier.

• Presupuesto del proyecto: 10.6 M$.

• Backup de corto plazo para apagones en un núcleo de negocios y residencias.

• Reducción de la carga del sistema en los picos de demanda.

• Balanceo de oferta y demanda, mejorando la integración de renovable

intermitente.

https://pse.com/inyourcommunity/pse-projects/system-improvements/Pages/Glacier-battery-storage-project.aspx

Backup estático

Proyecto Glacier, 2014-17, Puget Sound Energy, Washington State

• Los avances en materiales y electrónica de potencia han producido abaratamiento

en los ESS avanzados.

http://www.pacificorp.com/content/dam/pacificorp/doc/Energy_Sources/Integrated_Resource_Plan/2017_IRP/10018304_R-01-

D_PacifiCorp_Battery_Energy_Storage_Study.pdf

Predicción de costes de las baterías

1 All cost estimates provided in mid-2016 dollars

2 Energy storage equipment includes the full DC battery system which includes the costs of the energy storage medium, such as Li-Ion battery cells or flow battery electrolyte, internal wiring and

connections, packaging and containers, and battery management system (BMS).

3 PCS equipment includes the inverter, packaging, container and inverter controls.

4 Control system includes supervisory control software, along with the controller and communications hardware required to dispatch and operate energy storage systems.

5 Balance of system includes site wiring, interconnecting transformer, and additional ancillary equipment.

6 Installation includes Engineer-Procure-Construct (EPC) costs inclusive of installation parts and labor, permitting, site design, procurement and transportation of equipment.

7 Fixed O&M costs are provided as real levelized dollars with assumed 20 year project life.

http://www.pacificorp.com/content/dam/pacificorp/doc/Energy_Sources/Integrated_Resource_Plan/2017_IRP/10018304_R-01-

D_PacifiCorp_Battery_Energy_Storage_Study.pdf

Componentes del coste de los ESSs por tecnologías

http://www.ee.co.za/wp-content/uploads/2017/12/Maxine-Ghavi-ABB-Energy-storage-for-micro-and-mini-grids.pdf

Predicción de costes de los ESSs

Mobile Energy Storage Systems (MESS)

• Algunas regiones con demanda estacional requieren movilidad.

• Proporcionar soporte de reactiva localizado, satisfacer incremento de demanda,

reducción de pérdidas, regulación de tensión, integración de RESs dispersos,

aplazamiento de upgrades en T&D.

• Mover un ESS entre ubicaciones puede maximizar su valor, al poder satisfacer

multiples servicios y a multiples stakeholders.

• Un MESS con función de arranque autógeno (black-start) puede proporcionar función

de buffer y ayudar a un sistema desconectado a volver a la operación.

Mobile Energy Storage Systems (MESS)

Mobile Energy Storage Systems (MESS)

• El desafío con este concepto ha venido siendo diseñar una plataforma hardware

capaz de ser movida entre ubicaciones con relativamente bajo coste, pero sin

dañar los componentes sensibles en baterías y electrónica de potencia.

• Aparición de nuevos diseños eficientes de MESS.

https://www.navigantresearch.com/blog/is-mobility-key-to-unlocking-the-maximum-value-of-energy-storage

http://energystoragereport.info/con-ed-chases-energy-storage-value-across-town/

• Cada vez más compañías expresan su interés en MESS, puesto que presentan una

gran oportunidad para aumentar el valor y la flexibilidad del almacenamiento de

energía en la red.

• La mayoría de los fabricantes proporcionan ESSs en contenedores, incluyendo o

no el convertidor de potencia y el sistema HVAC.

Mobile Energy Storage Systems (MESS)

• Hay pocos MESSs disponibles en la actualidad. La mayoría provienen de proyectos

de demostración y están en desarrollo.

Mobile Energy Storage Systems (MESS)

• TransFlow 2000 demonstration system: 500 kW/2.8MWh MESS con ZnBr (flujo).

• Sistema completamente integrado con almacenamiento de energía, inversores y

sistema de gestión térmica configurados en un trailer estándar (16m).

• Desarrollado por Premium Power Corporation en cooperación con EPRI

• Tras meses de pruebas: resultados inconsistentes, solo 1.6 MWh, eficiencia 60%,

(cancelado)

http://www.pacificorp.com/content/dam/pacificorp/doc/Energy_Sources/Integrated_Resource_Plan/2015IRP/2015IRPStudy/Energy

_Storage-Screening-Study-July2014.pdf

http://energy-alaska.wikidot.com/flow-battery-energy-storage-systems

Caso: Premium Power, 2011, Alaska

• Fujian Electric Power Research Institute, desarrolló sistemas MESSs de baterías,

de 125 kW/ 250 y 375 kWh.

• Ejemplo de uso en 2013: proporcionó el pico de potencia de 10-15 consumidores

comerciales en la industria del té en Anxi, provincia de Fujian, China.

• Cuando Anxi no produce té, el sistema se lleva a Fuan para proporcionar el pico de

potencia en la manufactura de té blanco.

Caso: Soaring, 2013, China

• Shenzhen Smart Lion Power Battery Limited

• Almacenamiento basado en baterías de litio-itrio (LiFeYPO4).

• 600 kWh.

• Opciones de 100kW, 1000kW, y 5000kW para defensa, desastres civiles, o grandes

lugares públicos.

• Trasvase de carga entre pico y valle, balance de potencia, y operación segura de la red.

http://en.winston-battery.com/index.php/products/mobile-power/item/1600kw-emergency-mobile-storage-power-station?category_id=179

Caso: Thunder Sky Winston, Shenzhen

• Mobile Energy Storage demonstration Project: 3 flotas de camiones de baterías

1MW /4MWh para puntos. Cada flota de 2 camiones de 500 kW/2 MWh.

• Desplegables para aplazar inversiones en trasporte y distribución, o para

emergencias del sistema.

• El proyecto persigue alto uso, incrementado el beneficio y disminuyendo el riesgo

de la inversión.

http://energystoragereport.info/con-ed-chases-energy-storage-value-across-town/

Caso: Consolidated Edison, mayo 2018, Nueva York

• Surge ante necesidades como la de Con. Edison.

• Ofrece baterías de litio a escala de red, 1 MWh, en contenedores transportables,

apilables como legos.

• Opciones de renting y de leasing.

Caso: Power Edison, 2018

Otros casos:

0.5 MW 1 MWh 6m (20ft) 9,5t

• Gran interés y claro potencial.

• Temas pendientes:

• Coste de mover los sistemas entre ubicaciones.

• Efectos potenciales sobre los sistemas físicos.

• Costes iniciales de los MESS típicamente mayores que los estandar

(envolventes , montaje de baterías, trailers)

• Fiabilidad de los sistemas con ESS.

• Tamaño y ubicaciones óptimas.

• Operación y programación óptimas.

Conclusiones

Gracias por su atención

Potencial del almacenamiento eléctrico como alimentación de respaldo ante descargos en redes

de baja tensión José Antonio Rosendo Macías