“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

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§  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 jrmorante@irec.cat

Mercès per la vostra atenció! Gracias por vuestra atención! Thanks for your attention!