V-ELEC 06 Tecnologías de Almacenamiento de Energía para favorecer y extender el uso de fuentes...
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“TECNOLOGIAS DE ALMACENAMIENTO DE ENERGIA PARA FAVORECER Y EXTENDER EL USO DE
FUENTES ENERGETICAS RENOVABLES”. J.R.Morante
IREC, Catalonia Institute for Energy Research, Plaça de les Dones de Negre,1. Sant Adrià del Besòs, 08930. Spain.
Department of Electronics, University of Barcelona, C/Martí i Franquès,1. Barcelona,08028. Spain.
El almacenamiento de energía como alternativa para favorecer y extender el uso de energías renovables:
i) combinación de energía renovables con sistemas hidráulicos de bombeo
ii) combinación de fuentes renovables distribuidas con sistemas inteligentes de almacenamiento electroquímico y
iii) P2G ( Power to Gas): almacenamiento químico para utilizar
a) excedentes de producción de energía renovables b) fuentes de carbono de origen biogénico c) combustibles solares.
Combinación de energía renovables con sistemas hidráulicos de bombeo
Sistema hidráulico de bombeo en Aguayo Santander (Spain)
Rango de Potencia: 100-‐5000 MW Rango de Energía: 1-‐24h Tiempo de repsuesta : s-‐min Densidad de Energía: 0,04Wh/l-‐1,5Wh/l Autodescarga: ∼0%/day Temperatura de operación: >0ºC Eficiencia del ciclo completo75% VIda: 50-‐100 years
Lundigton Pumped Storage Power Plant. Michigan (USA). Elevación 400 pies sobre el lago Michigan, 0.04 Wh/l densidad de energia 15.000MWh energía almacenada 1872MW Potencia de salida (21,5 GW total US)
Combinación de fuentes renovables distribuidas con sistemas inteligentes de almacenamiento electroquímico
AUTOGENERACIÓN Y AUTOCONSUMO DE ENERGIA:
BAPV + BIPV
+ Other renewals sources
Grid Smart Metering E Storage
Smart Power Electronic Conditioner
X
http://www.ennaranja.com/para-ahorradores/energia-solar-fotovoltaica-para-autoconsumo-es-el-momento/
Sili
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Precio promedio para sistemas fotovoltaicos instalados en tejados ( Ref.: Alemania)
silicio
Previsión sobre la evolución de los costes del kWh: Actualmente el coste medio del kWh según red eléctrica española, REE, se ha situado en 2012 aproximadamente en promedio a 6c€/kWh. [Memoria 2012 REE] según costes del mercado de energía antes de impuestos , de otras tasas y baremos fijos de la facturación eléctrica en España. Otros países tienen otros costes.
Source: Eulectric
Regulación? Eficiencia energética y Solidaridad social
Influencia del factor de coste comparado con el coste Kwh eléctrico según mercado generación y mercado
de emisiones de CO2
System cost / Electricity pro-duction per kWp
700 kWh/a
800 kWh/a
900 kWh/a
1000 kWh/a
1100 kWh/a
1500 kWh/a
2000 kWh/a
200 € / kWp 6.8 5.9 5.3 4.7 4.3 3.2 2.4 400 € / kWp 8.4 7.4 6.5 5.9 5.3 3.9 2.9 600 € / kWp 10.0 8.8 7.8 7.0 6.4 4.7 3.5 800 € / kWp 11.7 10.2 9.1 8.2 7.4 5.5 4.1 1000 € / kWp 13.3 11.7 10.4 9.3 8.5 6.2 4.7 1200 € / kWp 15.0 13.1 11.6 10.5 9.5 7.0 5.2 1400 € / kWp 16.6 14.5 12.9 11.6 10.6 7.8 5.8 1600 € / kWp 18.3 16.0 14.2 12.8 11.6 8.5 6.4 1800 € / kWp 19.9 17.4 15.5 13.9 12.7 9.3 7.0 2000 € / kWp 21.5 18.8 16.7 15.1 13.7 10.0 7.5
Levelized Cost of Electricity for PV Systems in Cents€ / kWh LCOE para sistemas fotovoltaicos en c€/kWh
Coste medio ponderado del capital;2,8%, costos de operación: 35€a; degradación del 0,2% / a; tiempo de vida de 25 años. Fuente: Fraunhofer ISE, Stromgestehungskosten Emeuerbarer Energien
From 2014 Total Battery Consulting, Inc.
Dos modelos, 7 kWh y otro de 15 kWh. Tesla/Solar City ofrece facilidades de compra, una entrada de 1.500 $ y 15 $ mensuales durante 20 años. (>340$/kWh) http://www.solarcity.com/ https://www.teslamotors.com/
Otras tecnologías de almacenamiento electroquímico: Flujo
Baterías de flujo para el auto-consumo
10 kWh, 2 kW 15/20/25/30 kWh , 5 kW 10 kWh, 2 kW
15,30 KWh, 5kW
2.08 m
1.33 m
2.15 m
• almacenamiento de energía casi ilimitada • Segura y ambiental • dispositivo de almacenamiento de energía flexibles • Robusto y duradero (hasta 20 años), con bajos requerimientos de mantenimiento • baja auto-descarga
-20 to 55ºC
R. Darling et al. EES (2014)
ALGUNOS DATOS PARA UNA CASA RESIDENCIAL
Consumo eléctrico anual: 4000 kWh/a (<12kWh/dia) Capacidad de generación de electricidad PV: 1600kWh/kWp (Sur España) Precio Pagado de la electricidad de la red incluyendo tasas, impuestos, tramos fjjos: > 25 cts/kWh Precio del sistema PV instalado: 1000-1500 €/kWp Datos instalación: Sistema 3kWp PV y una batería de 15 kWh Cobertura solar > 95%
Fuente. IREC Costes básicos generación solar 6 c€/kWh Costes básicos almacenamiento 3-6 c€/kWh
Antes de impuestos
P2G ( Power to Gas): almacenamiento químico para utilizar
a) excedentes de producción de energía renovables b) fuentes de carbono de origen biogénico
France example.
Fin de semana
Intermedia Carga
Punta Base
Eólica Fotovoltaica
Demanda Solar concentración Carga
21% renovables
EXCESO DE ENERGIA
Consumo representativo en una semana
60% renovables Energía eólica
Energía solar
Sin renovables
Dos aspectos a destacar utilizando energías renovables v Diferencias entre producción y consumo v Generación de exceso de energía o surplus energético v Transporte y distribución
NECESIDAD DE ALTA CAPACIDAD DE ALMACENAMIENTO NECESIDAD DE INFRAESTRUCTURA DE TRANSPORTE E.
ELECTRICIDAD GAS
Energía eléctrica a gas (P2G) con inyección en la red de gas es una de las mejores soluciones para tener capacidad de almacenamiento de larga duración
http://www.grtgaz.com/fileadmin/transition_energetique/documents/hydrogene_et_reseau_e-cube_GRTgaz.pdf
http://www.grtgaz.com/fileadmin/engagements/documents/fr/Power-to-Gas-etude-ADEME-GRTgaz-GrDF-complete.pdf
Simulación datos
meteorológicos y
demanda reales
Producción semanal de excesos y déficits suponiendo 45% EERR Consumo anual: 414TWh
Surplus: 67,5TWh (40-95) Déficits: 23,8TWh
Fuerte impacto del uso de fuentes de energía renovables intermitentes Los “surpluses” de producción eléctrica puede llegar a ser del orden del 20% de las necesidades totales
ELECTRICIDAD A GAS Inyección en la red de gas.
ELECTRICIDAD A GAS Inyección en la red de gas.
Densidad de energía del CH4 (vol) 3 veces mas alta (36.1 MJ/Nm3) que para el H2 (10.8 MJ/Nm3)
PtG= Power to Gas = Energía eléctrica a Gas Interconexión de la red eléctrica y la red de gas.
Methanation: Solar Hydrogen +CO2 Renewable energy +feed stocks (H2, CO2)
100%
Feed stocks managements
95% Efficiency 95%; loss 5%
Methanation
76% Efficiency 80%; loss 19%
Compressor, storage and CH4 pipe
74,5% Efficiency 98,5%; loss 1.5%
Gas transport (500Km)
Efficiency 99,55%, loss 0,37%
74,1% Methanation: Solar Hydrogen
+CO2
Ejemplo de estudio de costes realizado por GRTgaz (Francia) a partir del Capex&Opex 2013. (Fuerte decrecimiento de costes en os últimos dos años)
Igualdad coste metano renovable y metano fosil es funcion de las tasas por tonelada de CO2 emitido.
P2G es/será un soporte esencial a la red eléctrica con fuentes de energías renovables.
• Facilitar el transporte energético
Contribuir a la descarbonización reutilizando CO2
• H2 o metano sintético • Captura y valorización de CO2
Incrementar la independencia energética del país
• Producción local del gas • Generación de empleo
Tecnologias de Captura de CO2
Planta piloto de captura con capacidad de 300Nm3/h equivalente a las emisiones de una caldera de 250KW
Ejemplo de módulos de reactores de metanación desarrollado en base a tecnología CEA-ATMOSTAT
40
§ Estructura modular: Canales reactivos ~cm
§ Canales de refrigeración ~mm § Catalizador § Compactos § Facil mantenimiento § Flexibilidad § Facil escalabilidad
2,5 bar, 290ºC
Conversión >96,9%
41
Instalación de 1 MWel
Inyección de hasta 200m3/h
Producción de hasta 25m3/h
2017/2018
Proyecto Jupiter 1000 Planta en el puerto de Fos sur Mer cerca de Marsella (Francia)
Sources: dena, AUDI
AUDI, 6MWel Werlte, Lower Saxony, Germany: Production of CH4 for A3 g-tron
Mas plantas a través de Europa: Francia, Holanda, Belgica,…Suiza)
Producción de combustibles a partir de electricidad ( P2G) a partir de la captura de CO2, metanización directa de biogas, …
CO2
CH4
Audi g-tron CH4
Power-to-gas: Linking of the electricity and mobility sector by Audi e-gas plant
Function of the Audi e-gas Project
electricity
Electrolysis
H2
Methanation
Gas power station
Gas grid: CH4 = natural gas for heating, mobility, power generation
CH4 = e-gas
Strom
Audi´s first plant: CO2 from residues based biogas plant
CO2
CO2 + CH4
Gas-injection
CH4 = Biomethan
Fuente: ETOGAS, Audi
Proyecto P2G de ETOGAS para AUDI en Werlte (Alemania): Planta de 6.3MWel
Electrolyzer hall One of three 2MWel electrolyzers
Methanation reactor
Power-to-Gas: Audi e-gas plant in Werlte (Germany) biogas plant on the right, 330 Nm³/h of CO2
METAMORPHOSIS: uso del biogás vertedero como combustible en vehículos
Descripción: Proyecto demostrativo en el uso del biogás de vertedero como combustible en vehículos. Para conseguir estos objetivos a nivel industrial, se combinarán dos innovadores sistemas de tratamiento de residuos: uno que combina el proceso de membrana anaerobia (AnMBR) con la eliminación autotrofa del nitrógeno, y el otro que produce biometano a partir de los residuos orgánicos agroindustriales. Posteriormente se demostrará que se trata de un biometano de alta calidad mediante su utilización y seguimiento en una flota de vehículos. Fondos: Coste total de 3.48M€ a cargo del programa LIFE. Participantes: Liderado por FCC-Aqualia, también participan Gas Natural-Fenosa, SEAT, AMB, y el Institut Català d’Energia.
Gas Natural Fenosa, a través de GPG, desarrollará un programa de almacenamiento de excedentes de energías renovables, que incluye la construcción dentro de la ACT (Australian Capital Territory) de una planta piloto de producción de hidrógeno/metano sintético, alimentada por energía renovable. A su vez, el proyecto permitirá conectar la red eléctrica a la de gas, convirtiendo el exceso de generación de energía renovable en gas compatible con la red. Con este proyecto se logrará un doble objetivo
i)almacenar energía renovable, ii) compensar emisiones de CO2, al capturarlo para combinarlo con hidrógeno y convertirlo en metano sintético. Constituyendo una alternativa muy innovadora en el ámbito de almacenamiento de energía, que combina una alta densidad de energía sin hacer necesaria la inversión en infraestructuras de almacenamiento, y ofrece la oportunidad de usar CO2, capturarlo y convertirlo en gas natural sintético” lo que está totalmente alineado con el objetivo de suministrar electricidad 100% renovable en 2020 y lograr la neutralidad de carbono para 2050
ALMACENAMIENTO DE ENERGIA
Madrid, febrero 2015
P2G ( Power to Gas): almacenamiento químico para utilizar
c) combustibles solares
Electrolyzers/Co-electrolysis .
12-20% >10%
< 60%
Solar fuels
<1€/Wp <6c€/kWh < 6c€/Kwh
photons
electrons chemicals
Data source: IREC
Data: IREC CO2 Pipeline
H2O Pipeline
Activation Mechanisms for H2O and CO2 reduction
FUELS
Added Value Chemicals
ECONOMIA CIRCU
LAR DE CO2
UTILIZANDO COM
BUSTIBLES
SOLARES
También hay otros intereses para la producción de combustibles solares (hidrógeno y reducción de CO2): i) Para ampliar la capacidad de
almacenamiento de energía utilizando moléculas C1 o H2
ii) Para utilizar las energías renovables o facilitar el uso de su sobrante o surplus.
iii) Para desarrollar combustibles más sostenibles.
Patronos:
Con financiación de:
Prof. J.R.Morante [email protected]
Mercès per la vostra atenció! Gracias por vuestra atención! Thanks for your attention!