Almacenamiento en las redes de distribución con baterías de sodio-azufre de larga duración

La compañía Tokyo Electric Power Co. (TEPCO) dispone de instalaciones de generación de de energía a gran escala, incluyendo plantas nucleares y generadores térmicos de carga-pico de alta eficiencia para suministrar la demanda pico de verano, que excede los 60 GW.

TEPCO ha instalado tecnología de nivelación de la carga en forma de plantas hidroeléctricas de almacenamiento mediante bombeo para mejorar la utilización del sistema, pero hay ahora escasez de sitios convenientes.

Una solución al problema de suministrar cargas pico son las baterías electroquímicas, que almacenan electricidad en forma de energía química. Tras prolongadas investigaciones TEPCO ha tenido éxito en desarrollar y comercializar baterías (NAS) de sodio-azufre de larga duración y capacidad. Ya conectadas y en operación en la red de distribución, los sistemas de baterías NAS ofrecen las mismas capacidades operacionales como hidroelectricidad de almacenamiento bombeado.

Además, las capacidades de seguir la carga a alta velocidad de las baterías NAS pueden servir como contramedida contra perturbaciones de energía infrecuentes tales como interrupciones momentáneas de corriente y fluctuaciones de voltaje. Las baterías NAS se espera mejoren la calidad de la energía, sino también juega un papel importante en la estabilización de la operación de las redes independientes a pequeña escala y el uso de fuentes de energías renovables tales como la energía eólica y solar.

El sistema de baterías NAS

Las celdas de baterías NAS están compuestas por un electrodo negativo de socio, un electrodo positivo de azufre y un electrolito sólido fabricado en beta alúmina. Beta alúmina es un material cerámico con una propiedad que permite a los iones de sodio pasar a través del material (se trata de un material conductivo de ión-sodio). La batería se carga y descarga con potencial eléctrico y ello causa que los iones sodio se muevan entre electrodos positivos y negativos a través del electrolito sólido de beta alúmina. Los atributos de la tecnología de baterías NAS son los siguientes:

• Beneficios financieros de la producción en masa ya que las materias primas son abundantes y la tecnología de fabricación está bien probada.

• Las baterías NAS requieren alrededor de 1/3 del espacio requerido por opciones comerciales alternativas como las baterías plomo-acido.

• Las baterías NAS no sufren auto-descarga, la pérdida de carga durante los periodos de almacenaje y standby son mínimos.

• Las baterías NAS tienen una duración de aproximadamente 15 años y características de ciclo de vida superior con aproximadamente 4500 ciclos de descarga diaria.

• Las baterías tienen una eficiencia energética del 70 – 80 %, y las celdas están selladas herméticamente por lo que no liberan emisiones.

• Se requiere un mantenimiento mínimo ya que hay pocas partes auxiliares y móviles.

• Ya que están diseñadas con gestión térmica integral para mantener la temperatura de operación interna de aproximadamente 300 ºC, el sistema de baterías NAS es insensible a la temperatura ambiental.

El sistema de baterías NAS está compuesto por baterías, un convertidor ac-dc, un sistema de conversión de energía (PCS) y una unidad de control. Los módulos de baterías con capacidades de 50 kw y 360 kWh se conectan en configuraciones serie-paralelo al PCS, proporcionando la interface eléctrica con la red de distribución. Típicamente, el sistema NAS se conecta a una red de distribución ac de 6600 V a través de un transformador. El PCS es fabricado por varias compañías: Toshiba, Meidensha y Takaoka, y se usa tanto para cargar como para descargar.

Aplicaciones NAS en las redes de distribución

A finales de 2008 había 99 instalaciones utilizando el sistema NAS, con una capacidad acumulada de 180 MW. En la mayoría de los casos, los clientes alquilan el sistema de baterías NAS a TEPCO, que es responsable de instalación, control y mantenimiento de la unidad. La unidad más grande instalada hasta el momento es de 4000 kW, que es capaz de descargar 28800 kWh por ciclo.

Control de energías renovables

TEPCO está considerando los sistemas de baterías NAS para aplicaciones de estabilización de redes en generadores dispersos interconectados en la red de distribución.

Bibliografía: Leveling Load in Tokyo. Transmission & Distribution World. June 2010.

Palabras clave: High-efficiency thermal peak-load generator, electrochemical batteries, long-life sodium-sulfur (NAS) batteries, power conversion system (PCS)