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Tecnologa Energtica II Curso 2002-03

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TEMA 4. ALMACENAMIENTO DE

ENERGA


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ndice (I) Introduccin. Eleccin del mtodo de almacenamiento. Clasificacin de los mtodos de

almacenamiento. Mtodos de almacenamiento mecnico.

Bombeo hidrulico. Aire comprimido. Volantes de inercia.

Almacenamiento qumico y electroqumico. Hidrgeno. Bateras.


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ndice (II) Almacenamiento qumico y electroqumico.

Aplicacin en vehculos elctricos e hbridos. Entalpas de reaccin.

Almacenamiento trmico. Calor sensible. Calor latente.

Almacenamiento elctrico y magntico. Condensadores. Campos magnticos.

Bibliografa.


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Introduccin (I) Principal problema de un Sistema Energtico:

adaptar produccin y consumo de energa. Sector transporte: demandas energticas

variables en el tiempo M.A.C.I. no hay almacenamiento, se usa el embrague para movimiento o no (prdida de energa).

Suministro de energa elctrica: demanda fluctuante a lo largo del da sistemas de produccin no adaptables.

Es en este caso donde se pone de manifiesto la importancia del almacenamiento de energa.


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Introduccin (II)


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Introduccin (III) Solucin en el suministro elctrico: producir

a un valor medio entre el mximo y el mnimo, almacenar energa cuando la demanda es menor y recuperarla cuando es mayor.

Ventaja de almacenamiento: respuesta rpida frente a la demanda (con respecto a la puesta en marcha de un equipo generador).

Qu impulsa el almacenamiento de energa?: Aumento precio combustibles. Aumento demanda de energa. Concienciacin social: ahorro y

contaminacin.


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Introduccin (IV) Sistemas de almacenamiento de energa a

gran escala: plantas productoras de electricidad y grandes plantas industriales.

Suponen ahorro en inversin inicial y en combustible. Se ha de amortizar el coste de la instalacin.

Desventaja: densidad de almacenamiento de energa (J/kg J/m3) menor que combustibles fsiles.


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Eleccin del mtodo (I) Mtodos de almacenamiento: aplicar una

transformacin a energa sobrante. Importancia del rendimiento de las

transformaciones. Consideraciones energticas:

Rendimiento de almacenamiento. Capacidad de almacenamiento del sistema:

Densidad de energa. Tiempo de suministro de energa a capacidad

fijada. Rendimiento de la recuperacin.


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Eleccin del mtodo (II) Consideraciones energticas:

Vida til del sistema: n. ciclos almacenamiento/recuperacin.

Funcin de uso del sistema: salida de sistema almacenamiento/salida sistema de produccin.

Consideraciones econmicas: Precio por kW de los dispositivos

transformadores. Precio por kW del dispositivo de

almacenamiento. Eleccin: compromiso entre el ms favorable

energtica y econmicamente.


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Clasificacin (I) Por procedencia de energa a almacenar:

Almacenamiento elctrico: se almacena energa elctrica sobrante.

Almacenamiento trmico:se almacena energa trmica sobrante.

Sistemas de almacenamiento elctrico: Mtodo ms empleado (plantas elctricas). Almacenamiento mecnico:

Bombeo hidrulico: energa potencial. Aire comprimido: energa potencial y trmica. Volantes de inercia: energa cintica.


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Clasificacin (II) Sistemas de almacenamiento elctrico:

Almacenamiento qumico y electroqumico: Hidrgeno Bateras.

Almacenamiento elctrico y magntico: Condensadores y ultracondensadores. Campos magnticos y anillos

superconductores.


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Clasificacin (III) Comparativa entre algunos sistemas

elctricos:

Sistemas de almacenamiento trmico: Calor sensible. Calor latente. Entalpa de reaccin de procesos

endotrmicos reversibles.

Sistema Densidad de potencia (kW/kg)

Vida media (n. ciclos)

Aire comprimido 10 10.000.000 Batera plomo-cido 0,2 500

Batera nquel-cadmio 0,2 2.000 Volante de inercia de acero 10 100.000


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Clasificacin (IV) Por tipo de energa almacenada:

Almacenamiento mecnico: Bombeo hidrulico: energa potencial. Aire comprimido: energa potencial y trmica. Volantes de inercia: energa cintica.

Almacenamiento qumico y electroqumico:

Hidrgeno Bateras. Entalpa de reaccin.

Almacenamiento trmico: Calor sensible. Calor latente.

Almacenamiento elctrico y magntico.


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Bombeo hidrulico (I) Mtodo ms desarrollado y empleado. Almacenamiento en forma de energa

potencial gravitatoria de una masa de agua. Ejemplo: 1.000 kg (= 1 m3) elevado a 100 m

E = mgz = 9,810 J = 0,2725 kWh se necesitan almacenar grandes cantidades.

Topografa adecuada: dos depsitos grandes, gran diferencia de altura y poca distancia horizontal.

Depsito superior en altura o inferior subterrneo (natural).


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Bombeo hidrulico (II) Instalacin sola (central de bombeo puro) o

con central hidroelctrica (central de bombeo mixta).

Centrales de bombeo espaolas:Central Ro Provincia Potencia (MW) Villarino Tormes Salamanca 810

La Muela (*) Jcar Valencia 628 Estany-Gento-Saliente (*) Flamisell Lrida 451

Aldeadvila II Duero Salamanca 421 Tajo de la Encantada (*) Guadalhorce Mlaga 360

Aguayo (*) Torina Cantabria 339 Conso Camba-Conso Orense 228

Valdecaas Tajo Cceres 225 TOTAL 5.120


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Bombeo hidrulico (III) Funcionan con bomba-turbina reversible. Prdidas: rendimientos de bomba y turbina,

prdidas de carga en conducciones, filtraciones, fugas y evaporacin.

Rendimiento global: 65%. Energa almacenada: entre 200 y 2.000 MWh.


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Aire comprimido (I) Energa sobrante compresin de aire en

recintos recuperacin en turbina de gas. Rendimiento similar al bombeo (70 - 75%). Esquema: pizarra. Recintos: cavernas salinas, acuferos y

cavernas de roca. Dos mtodos de almacenamiento: adiabtico

e hbrido.


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Aire comprimido (II) Mtodo adiabtico:

Se almacena en el aire (o en sistema auxiliar) la energa asociada al calentamiento durante la compresin y se restituye antes de la expansin.

Ventaja: Con misma relacin de P, el trabajo de la turbina es proporcional a la T de entrada.

Mtodo hbrido: El calor de la compresin se disipa y se aade

calor por combustin antes de la expansin. Gastos de operacin y mantenimiento.


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Aire comprimido (III) Volumen de almacenamiento depende de P:

para E = 1.500 MWh se necesitan 2106 m3 a 10 bar 64.000 m3 a 100 bar.

Interesan P altas para reducir V.


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Volantes de inercia (I) Energa almacenada en una rueda que gira:

E = Iw2/2. Lmite de energa almacenada: resistencia

mecnica del material. Energa almacenada proporcional a volumen

y esfuerzo elstico materiales de densidad baja.

Material Esfuerzo (106 kg/m2)

Densidad (kg/m3)

Emx (Wh/kg)

Acero tratado 281 8.000 55 Vidrio E 337 2.500 190 PRD-49 359 1.500 350

Slice fundido 1.406 2.100 870


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Volantes de inercia (II) Aceros: muy densos, poco esfuerzo, peligro

en rotura (dispersin de fragmentos). Materiales fibrosos: muy caros, poco

disponibles, anisotropa de propiedades y no peligro en rotura (polvo).

rdenes de magnitud: D = 4,75 m y m = 100 -200 t E = 10 MWh a 3.500 r.p.m. con P = 3 MW y h = 90%.

Sistema: carcasa de proteccin y sellado (fugas), rodamientos de bola o magnticos (prdidas de friccin y transmisin) y bomba de vaco (prdidas aerodinmicas).


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Hidrgeno (I) Produccin de compuestos qumicos

mediante energa elctrica o trmica en exceso para su conversin posterior en energa elctrica.

Ventajas del hidrgeno: Compatible con cualquier energa primaria. Cantidades ilimitadas (agua) y uso cclico. No contamina. Productos combustin: H2O y

trazas de NOx. Combustin y consumo electroqumico

favorable.


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Hidrgeno (II) Mtodos de obtencin:

Termoqumicos: descomponer agua directamente o reaccionando con hidrocarburos; rendimientos > 60% pero altas temperaturas.

Electroqumicos: electrolsis con corriente elctrica; rendimientos > 50% pero caro.

Fotolisis del agua: descomposicin a partir de luz solar (fotosntesis).

Almacenamiento masivo: se hace entre capas de terreno, pero problemas de seguridad.


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Hidrgeno (III) Almacenamiento pequeo: hidruros

reversibles. Ventajas: gran densidad de almacenamiento y seguro. Inconvenientes: peso del metal, necesidad de pureza y costes elevados.

Extraccin de la energa del hidrgeno: Ciclo de Brayton. Turbina de gas: rendimiento 60% y costes

elevados. Clulas de combustible: altos rendimientos y

costes elevados.


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Bateras (I) Bateras o acumuladores electroqumicos:

energa elctrica energa qumica. Las bater as de plomo-cido de vehculos no

son aplicables para almacenar energa a gran escala por baja densidad, elevado coste y vida til corta.

Investigacin y desarrollo para eliminar estos inconvenientes.

Batera de Ni-Cd: reducido peso. Batera de Ag-Zn: elevada densidad de

almacenamiento, pero vida corta (30 - 300 ciclos).


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Bateras (II) Batera de Na-S: elevada densidad, vida til

muy larga, pero opera a 300 C y problemas de estanqueidad.

Bateras de Li-Cl y Li-Te: similares a anterior. Batera de Zn-Cl: descargan a potencia

constante. Eficiencia global bateras: 70 - 80%.


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Vehculos elctricos e hbridos (I) Reduccin de emisiones contaminantes

desarrollo de vehculos elctricos. Con bater as, no es posible vehculo

puramente elctrico: para vehculo de 1.500 kg y energa almacenada de 25 kWh se necesita bater a de Ni-Cd de 400 kg.

Desarrollo de vehculos hbridos: motor trmico, elctrico y sistema de almacenamiento.


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Vehculos elctricos e hbridos (II) Esquema vehculo hbrido:

Motor trmico

Transmisin mecnica

Dispositivo de almacenamiento

Generador

Motor elctrico

Ruedas

Ruedas


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Vehculos elctricos e hbridos (III) Eleccin sistema de almacenamiento de

vehculo hbrido:


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Entalpas de reaccin (I) Reacciones qumicas y otros procesos

endotrmicos reversibles (disoluciones de slido en lquido y gas en slido).

Se recupera la energa con el proceso exotrmico inverso. Alta densidad.

Empleo: a baja temperatura en calefaccin y refrigeracin de edificios y a alta temperatura en ciclos de generacin de potencia.

Ejemplos de reacciones:CO + 3H2 CH4 + H2O DHo = 250,3 kJ/gmol

CO + Cl2 COCl2 DHo = 112,6 kJ/gmol


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Entalpas de reaccin (II) Ejemplos de reacciones:

CO + 3H2 CH4 + H2O DHo = 250,3 kJ/gmol

Reaccin endotrmica de derecha a izquierda. Para la reaccin inversa a bajas T es necesario un catalizador tiempo de almacenamiento largo.

Inconvenientes de este mtodo: Desarrollo: se necesita trabajar a altas T y no

hay catalizador adecuado. Seguridad: almacenamiento a alta P de gases

inflamable y venenosos.


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Mtodos de almacenamiento trmico

Rango de T altos: desde refrigeracin a 1.250 C.

Empleo: Fabricacin de cemento, hierro y acero, vidrio,

alumino, papel, plsticos y gomas. Industria alimentaria. Climatizacin de edificios.

Problemas fundamentales: Establecer superficie de transmisin de calor

adecuada para intercambio rpido. Evitar fugas calorficas.


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Calor sensible (I) Se almacena energa trmica elevando la T de

un material (agua, lquido orgnico o slido). Densidad de almacenamiento:

Interesan materiales con valores altos de rcpy a.

Inconvenientes: funcionamiento a T variable, densidad baja y posibles variaciones de volumen (coeficiente de expansin trmica).

[ ]

=D

33 mJ

KTKkg

Jc

mkg

pr


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Calor sensible (II) Climatizacin: muros macizos de alto cp.

Almacenan energa de da y devuelven por la noche.

Tanques de agua para almacenar calor solar para aplicaciones de a.c.s.

Centrales trmicas con turbina de vapor: agua presurizada. Exceso de vapor extrado de turbina y mezclado con agua agua saturada a presin. Luego se reevapora y se expansiona en turbina auxiliar. T de almacenamiento: 100 - 300 C.


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Calor sensible (III) Para T > 500 C se emplean metales fundidos

no txicos ni caros. Acumuladores de calor (calor especfico y

calor de fusin elevados): aluminio, bario, magnesio, cinc.

Portadores de calor (alta k, viscosidad baja y buenas condiciones de bombeo): sodio, estao, plomo.

Silos de calor con rocas y piedras: emplean energa trmica residual o energa solar. Inyeccin y extraccin del calor con aire y rendimientos del 50%.


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Calor sensible (IV) Intercambiadores y silos de bolas

refractarias: concentradores solares para calentar las bolas (1.000 - 1.100 C), se calienta aire comprimido que se expansiona en una turbina (900 - 1.000 C).

Esquema: pizarra.


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Calor latente (I) Energa almacenada por cambio de fase,

fusin de un slido o vaporizacin de un lquido. La energa se recupera con el proceso inverso, solidificando el lquido o condensando el vapor.

Densidad de almacenamiento:

Densidades mayores que con calor sensible. Ventajas: proceso a T constante, sin cambio

de volumen y amplia variedad de materiales y de T de operacin.

=

3..3 mJ

kgJ

mkg

fclr


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Calor latente (II) Se puede conjugar con el alamacenamiento

de calor sensible. Paso de agua a vapor: mayor capacidad de

almacenamiento (2.257 J/kg), pero inconveniente de mantener el vapor en recipiente. No se emplea.

Aplicacin en calefaccin de viviendas: sistemas solares pasivos con sales fundidas.

En generacin de potencia no se emplea no hay material que cumpla todos los requisitos.


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Calor latente (III) Requisitos de materiales:

Calor latente de cambio de fase elevado. Transicin de fase con propiedades convenientes. Elevada k. Facilidad de almacenamiento. Estabilidad.

Ausencia de toxicidad. Bajo coste.

Mezclas eutcticas de flor (Tf = 680 C y densidad = 1.500 MJ/m3) estn cercanas a cumplirlos, pero problemas de corrosin y erosin por la entrada de oxgeno y vapor de agua en los intercambios de calor.


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Condensadores Sistema ms simple para almacenar energa

elctrica. Absorbe cargas elctricas cuando se le somete a un campo elctrico. Un dielctrico entre dos placas planas.

Energa acumulada: Energa por unidad de volumen: Depende del material del dielctrico.

Actualmente densidades de 0,15 Wh/m3 con campos de 10 millones de V/m.

Ventaja condensadores: enorme densidad de potencia que suministran cuando se cortocircuitan.

2/2CVE =dVEV 2/

2e=


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Campos magnticos (I) Bobina conectada a fuente de voltaje

intensidad provoca campo magntico. Esta absorcin de energa se puede liberar como corriente elctrica en otro circuito.

Energa almacenada en solenoide: Energa por unidad de volumen: Se necesitan bobinados densos y materiales

con valores altos de permisividad magntica. Inconvenientes: valores de densidad

similares a condensadores y se descargan si se quita el campo elctrico.

m2/2VBE =

LINEV 2/22m=


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Campos magnticos (II) Se est investigando con materiales llamados

superconductores: a T cercanas a 0 K presentan resistencia elctrica nula y alta permisividad magntica.

Temperaturas crticas en torno a 263 y 253 C. Recipientes criognicos de He lquido aislados mediante vaco.

Con los superconductores se puede cortar la corriente y la energa se puede almacenar, tericamente, hasta el infinito.

Rendimientos globales superiores al 90%. Es la alternativa del futuro.


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Bibliografa Vicente Bermdez et al., Tecnologa

Energtica, Servicio de Publicaciones de la Universidad Politcnica de Valencia, Valencia, 2000.

F. Jarabo et al., El Libro de las Energas Renovables, 2 Edicin, S. A. de Publicaciones Tcnicas, Madrid, 1991.

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