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Equation Chapter 1 Section 1
Proyecto Fin de Máster
Máster en Sistemas de Energía Eléctrica
Almacenamiento de Energía Potencial Gravitatoria
mediante el desplazamiento de bloques sólidos por
ferrocarril. Proyecto ARES.
Dep. Ingeniería Eléctrica
Escuela Técnica Superior de Ingeniería
Universidad de Sevilla
Autora: Cynthia Santos Gómez
Tutor: Antonio de la Villa Jaén
Sevilla, 2017
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Proyecto Fin de Máster
Máster de Sistemas de Energía Eléctrica
Almacenamiento de Energía Potencial Gravitatoria
mediante el desplazamiento de bloques sólidos por
ferrocarril. Proyecto ARES.
Autora:
Cynthia Santos Gómez
Tutor:
Antonio de la Villa Jaén
Profesor titular
Dep. de Ingeniería Eléctrica
Escuela Técnica Superior de Ingeniería
Universidad de Sevilla
Sevilla, 2017
4
A mi familia
5
Resumen
El proyecto, denominado ARES (Advanced Rail Energy Storage), consiste en el desarrollo de una nueva
tecnología de almacenamiento de energía que utiliza la energía potencial de la gravedad.
Este sistema está constituido por múltiples unidades de transporte cargadas con una serie de masas desde un
primer parque de almacenamiento de menor elevación, hasta un segundo parque de almacenamiento de mayor
elevación. Cuando en el sistema eléctrico es posible incremetar la generación, se emplea este exceso para
accionar el motor/generador como motor y conducir las unidades de transporte seleccionadas desde el patio de
almacenamiento inferior al patio de almacenamiento superior (modo carga). Por otro lado, cuando la red
eléctrica necesita más energía para satisfacer la demanda las masas regresan desde el segundo parque de
almacenamiento al primero (modo descarga). Con esta última acción se recupera energía eléctrica mediante
frenado regenerativo utilizando el motor/generador como generador.
Este proyecto consta de varios apartados:
- Introducción de los distintos sistemas de almacenamiento existentes, nombrando algunas de sus
características.
- Definición del proyecto ARES, sus elementos y una serie de demostraciones que se han llevado a cabo.
- Descripción de la instalación que se va a construir en Nevada y de la empresa que la va a realizar.
- Comparación de ARES con el sistema de almacenamiento de bombeo, ya que es la tecnología más
similar.
- Diferentes simulaciones con el objetivo de comprender mejor este novedoso sistema de
almacenamiento.
6
Abstract
The project, called ARES (Advanced Rail Energy Storage), is the development of a new energy storage
technology that uses the potencial energy of gravity.
This system consists of multiple transport units loaded with a series of masses from a first lower storage yard to
a second higher storage yard. When in the electrical system it is possible to increase generation, this excess is
used to drive the motor / generator as a motor and drive the selected transport units from the lower storage yard
to the upper storage yard (load mode). On the other hand, when the power grid needs more energy to meet the
demand, the masses return from the second storage yard to the first one (discharge mode). With this last action,
electric energy is recovered by regenerative braking using the motor / generator as a generator.
This project consists of several sections:
- Introduction of the different existing storage systems, naming some of its characteristics.
- Definition of the ARES project, its elements and a series of demonstrations that have been carried out.
- Description of the facility to be built in Nevada and the company that will carry it out.
- Comparison of ARES with the pumping storage system, since it is the most similar storage technology.
- Different simulations in order to better understand this new storage system.
7
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Centrales de bombeo en España. [2] 17
Tabla 2. Sistemas de baterías 19
Tabla 3. Ejemplos FES. 21
Tabla 4. Centrales CAES. 21
Tabla 5. Ejemplos almacenamiento térmico. [7] 22
Tabla 6. Datos tecnología [1] 24
Tabla 7. Datos Nevada [20] 56
Tabla 8. Una masa 81
Tabla 9. Siete masas 83
Tabla 10. Dos pistas 83
Tabla 11. Resumen 1 88
8
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Planta Eólica-Bombeo. 16
Figura 2. Almacenamiento H2[3] 18
Figura 3. CAES 21
Figura 4. Sales fundidas 22
Figura 5. Eficiencia y tiempo de vida de las tecnologías de almacenamiento [9] 24
Figura 6. Coste de inversión de las tecnologías de almacenamiento para cada ciclo carga-descarga [9] 24
Figura 7. Densidad de masa y de volumen de las tecnologías de almacenamiento [9] 25
Figura 8. Comparación de la potencia nominal, la energía y el tiempo de descarga. [1] 25
Figura 9. Densidad de potencia - Densidad de energía [1] 26
Figura 10. Almacenamiento con ARES 28
Figura 11. Servicios auxiliares 29
Figura 12. EsquemaUnifilar 29
Figura 13. Fuerza de rozamiento 30
Figura 14. Almacenamiento 32
Figura 15. Generación 34
Figura 16. Tiempo 36
Figura 17. Almacenamiento-Generación 1 38
Figura 18. Almacenamiento-Generación 2 39
Figura 19. Almacenamiento-Generación 3 41
Figura 20. Primera alternativa masa 1 41
Figura 21. Primera alternativa masa 2 42
Figura 22. Segunda alternativa masa 1 42
Figura 23. Segunda alternativa masa 2 42
Figura 24. Pista 43
Figura 25. Primera alternativa pista 1 44
Figura 26. Primera alternativa pista 2 44
Figura 27. Segunda alternativa pista 45
Figura 28. Segunda alternativa pista 2 45
Figura 29. Tercera alternativa pista 1 46
Figura 30. Tercera alternativa pista 2 47
Figura 31. Back to back 48
Figura 32. Equivalente 48
Figura 33. Sistema control ARES 50
Figura 34. Balance potencias 51
Figura 35. Trenes 53
9
Figura 36. Fauna y flora 54
Figura 37. Rendimineto turbina [22] 63
Figura 38. Pérdidas vacío [23] 63
Figura 39. Pérdidas cortocircuito [23] 64
Figura 40. Rendimiento M/G Guillena [24] 65
Figura 41. BTB [28] 67
Figura 42. Rendimineto transformador ARES [30] 69
Figura 43. Rendimiento M/G ARES [31] 70
Figura 44. Tiempo 1 79
Figura 45.Tiempo 2 79
Figura 46. Una masa 82
Figura 47. Siete masas 83
Figura 48. Trenes dos pistas 1 84
Figura 49. Almacenamiento dos pistas 1 84
Figura 50. Generación dos pistas 1 85
Figura 51. Trenes dos pistas 2 85
Figura 52. Almacenamiento dos pistas 2 86
Figura 53. Generación dos pistas 2 86
Figura 54. Trenes dos pistas 3 87
Figura 55. Almacenamiento dos pistas 3 87
Figura 56. Generación dos pistas 3 88
Figura 57. Trenes dos pistas 4 88
Figura 58. Almacenamiento dos pistas 4 89
Figura 59. Generación dos pistas 4 89
10
Índice
Resumen 5
Abstract 6
Índice de Tablas 7
Índice de Figuras 8
Índice 10
1 Almacenamiento de las Energías Renovables 13 1.1. ¿Por qué es necesario el almacenamiento de energía? 13 1.2. Beneficios del almacenamiento 13 1.3. Características de las tecnologías de almacenamiento 14 1.4. Sistemas de almacenamiento de energía 15
1.4.1. Centrales hidroeléctricas de bombeo 15 1.4.2. Hidrógeno 17 1.4.3. Gas Natural Sintético (SNG) 18 1.4.4. Baterías 18 1.4.5. Condensador 20 1.4.6. Sistemas de almacenamiento de energía magnética (Superconductores-SMES) 20 1.4.7. Volantes de incercia (Flywheel-FES) 20 1.4.8. Aire comprimido 21 1.4.9. Almacenamiento térmico 22
1.5. El Hierro 100% renovable 23 1.6. Datos típicos de las tecnologías de almacenamiento 23 1.7. Comparación de las tecnologías de almacenamiento 24
2 Proyecto 27 2.1. Descripción 27
2.1.1 ¿Cómo ARES almacena la energía? 28 2.2. Servicios auxiliaries 28 2.3. Esquema unifilar. 29 2.4. Fuerza de rozamiento 30 2.5. Demostraciones 31
2.5.1. Primer caso 31 2.5.2. Segundo caso 39
2.6. Alternativas para el transporte de masas y pistas 41 2.6.1. Primera alternativa de masa 41 2.6.2. Segunda alternativa de masa 42 2.6.3. Primera alternativa de pista 43 2.6.4. Segunda alternativa de pista 44 2.6.5. Tercera alternativa de pista 45
2.7. Sistema de control 47 2.7.1. Back to Back 47 2.7.2. ARES 49
11
2.8. Frenado regenerativo 50 2.8.1. Funcionamento 50
2.9. Control de potencia-frecuencia. 50 2.9.1. Regulación primaria. 51 2.9.2. Regulación secundaria. 51
3 Instalación de Nevada 53 3.1. Características 53 3.2. Prototipo de Tehachapi 54 3.3. Impactos ambientales 54
3.3.1. Fauna y flora 54 3.3.2. Inundaciones 54 3.3.3. Impactos visuales 54 3.3.4. Vecinos y casas 54
3.4. Componentes de la instalación 55 3.5. Actividades Pre-Construcción 55 3.6. Construcción 55 3.7. Demolición 55 3.8. Datos 56
4 Ares 57
5 Comparaciones 58 5.1. Características 58 5.2. Comparación de un sistema de bombeo con ARES 58
5.2.1. Energía potencial 58 5.2.2. Demostraciones 60 5.2.3. Rendimientos 62 5.2.4. Comparación ARES y Guillena 75
6 Simulaciones 81 6.1. Primera simulación 81 6.2. Segunda simulación 82 6.3. Tercera simulación 83
6.3.1. Primera suposición 84 6.3.2. Segunda suposición 85 6.3.3. Tercera suposición 87 6.3.4. Cuarta suposición 88
7 Conclusiones 90
Referencias 93
Abreviaturas 94
Glosario 95
12
13
1 ALMACENAMIENTO DE LAS ENERGÍAS
RENOVABLES
a utilización de las fuentes de energía renovables, como eólica o solar, se ha incrementado en los últimos
años. Sin embargo, la potencia suministrada por estas fuentes de energía no es segura ni fácil de ajustar a la
demanda por lo que existen dos retos:
• Almacenar de forma eficiente el exceso de electricidad: Este exceso se produce cuando las condiciones
(clima, horas del día…) son tan favorables que la producción supera a la demanda.
• Recuperar el exceso de electricidad: Cuando las condiciones no son favorables (noche, no sopla
viento…) la electricidad que se obtiene no es suficiente para cubrir la demanda.
En la Generación Distribuida, las nuevas fuentes de energía se basan en aprovechar directamente los
recursos de la naturaleza, cuyas puntas de producción energética no se suelen ajustar a la demanda de
energía. Pueden presentar grandes fluctuaciones y la demanda puede variar. En consecuencia, se requiere
una reserva de energía, es decir, almacenar energía cuando hay excedentes y liberarla cuando la producción
no alcanza a cubrir las necesidades de la demanda.
1.1. ¿Por qué es necesario el almacenamiento de energía?
El almacenamiento de energía es una solución cuando la generación no coincide con la demanda. Las sociedades
necesitan que la electricidad continúe, aunque los recursos renovables no puedan satisfacer la demanda. Hoy en
día esta función de equilibrar la oferta y la demanda se realiza mediante las plantas eléctricas que utilizan
combustibles fósiles (gas, carbón y petróleo) y plantas nucleares.
El almacenamiento es una oportunidad para integrar las energías renovables, mejorar la flexibilidad, la seguridad
y la eficiencia del sistema eléctrico.
Desde el punto de vista de las empresas de servicios públicos, para reducir el coste de generación se puede
almacenar electricidad en las horas valle (noche) y descargarla en las horas punta (día), cuando más grande sea
la diferencia entre la demanda en las horas punta y valle, mayor es el beneficio de almacenar energía. Además,
se consigue que la generación sea más plana, lo que conduce a una mejora en la eficiencia. Por esto, muchas
empresas de servicios públicos han construido plantas de bombeo [1].
1.2. Beneficios del almacenamiento
Para el transporte y la distribución:
• Aumentar la eficiencia de la red, cuando hay congestión en la red no hay tiempo para satisfacer la
demanda y el almacenamiento ayuda a liberar esta congestión.
• Aumentar la capacidad efectiva de transporte y distribución debido a las posibilidades de carga y
descarga a alta velocidad.
• Incrementar la capacidad de distribuir energía cerca del consumo, reduciendo las pérdidas técnicas y la
congestión.
L
14
Para el consumidor final:
• Continuidad de suministro, si se producen fallos en las redes el almacenamiento ayudará a mantener el
suministro.
• Reducción de costes, las empresas eléctricas pueden fijar precios variables en el tiempo (menor precio
por la noche y mayor por el día) para dar un incentivo a los consumidores al aplanar la curva de la
demanda [1].
Para la generación:
• Incrementar la fiabilidad del sistema, cuando la generación es mediante una fuente de energía renovable,
sol o viento, con el almacenamiento se asegura el suministro, aunque no brille el sol o no haya viento.
• Arbitraje de energía en tiempo real.
• Regulación de tensión y frecuencia.
1.3. Características de las tecnologías de almacenamiento
Las principales formas de almacenar energía eléctrica son:
• Potencial:
o Centrales de bombeo: Esta tecnología se basa en almacenar energía mediante el bombeo de
agua desde un depósito inferior a uno superior.
• Química:
o Hidrógeno y SNG (Synthetic Natural Gas – Gas Natural Sintético): Son portadores
secundarios de energía y pueden almacenar energía vía electrólisis del agua.
• Electroquímica:
o Pilas, Baterías: Se genera electricidad oxidando el hidrógeno.
• Eléctrica:
o Condensador: Es capaz de almacenar energía sustentando un campo eléctrico.
• Mecánica:
o Volante de inercia: Almacena energía cinética por la inercia generada en su movimiento
cuando se detiene el par motor que lo propulsa.
o Aire comprimido: Se almacena aire cuando hay exceso de energía en depósitos y se extrae para
producir electricidad.
• Térmica:
o Sales fundidas: Se utilizan las altas temperaturas obtenidas del sol para fundir la sal que en
contacto con el agua se produce vapor y este vapor mueve una turbina generando electricidad.
Atendiendo al volumen de energía almacenada, las tecnologías de almacenamiento se pueden dividir en:
• Pequeña escala: La energía se almacena en forma de energía cinética, energía química, aire comprimido,
hidrógeno, superconductores y supercondensadores.
• Gran escala: La energía se almacena como energía gravitacional en sistemas hidráulicos, energía
térmica en forma de calor latente y sensible, energía química en acumuladores y baterías, y aire
comprimido.
Parámetros que definen las tecnologías de almacenamiento:
• Energía específica: Energía almacenada por unidad de masa [Whkg-1].
• Densidad de energía: Energía almacenada por unidad de volumen [Whl-1].
• Densidad de potencia: Trabajo efectuado por unidad de tiempo y por kg [W/kg].
• Vida útil: Tiempo durante el cual el sistema es capaz de mantener al menos el 80% de la capacidad
inicial.
15
• Capacidad de almacenamiento: Es la cantidad de energía disponible en el sistema de almacenamiento
después de completar el ciclo de carga [Wh].
• Profundidad de descarga: Ratio de energía descargada y la cantidad de energía que puede almacenar
(%). Esta energía debe estar disponible para el suministro durante las horas punta.
• Tiempo de descarga: Tiempo que transcurre mientras se suministra la energía almacenada:
𝜏(𝑠) = 𝑊𝑠𝑡
𝑃𝑚𝑎𝑥
(1-1)
donde:
• τ: Tiempo de descarga [s].
• Wst: Energía total almacenada [Wh].
• Pmax: Potencia máximo o de pico [W].
• Eficiencia: Porcentaje de la energía almacenada que se puede suministrar. Ratio entre la energía liberada
y la energía almacenada:
𝜂 = 𝑊𝑢𝑡
𝑊𝑠𝑡
(1-2)
donde:
• η: Eficiencia.
• Wut: Energía útil [Wh]
• Durabilidad: Número máximo de ciclos (N) de carga/descarga.
• Autonomía: Tiempo máximo que el sistema puede liberar energía de forma continua:
𝛼 = 𝑊𝑢𝑡
𝑃𝑑
(1-3)
donde:
• α: Autonomía [s].
• Pd: Potencia máxima de descarga [W].
1.4. Sistemas de almacenamiento de energía
1.4.1. Centrales hidroeléctricas de bombeo
Esta tecnología se basa en almacenar energía en forma de energía potencial usando dos depósitos de agua a
diferente altura. Se consume energía eléctrica en el bombeo de agua desde el depósito inferior al superior durante
las horas valle (carga) para posteriormente generar electricidad turbinando el agua desde el depósito superior al
inferior durante las horas punta (descarga).
Estos sistemas de bombeo están basados en máquinas eléctricas e hidráulicas reversibles, es decir, un
generador/motor y una turbina/bomba. Los tiempos de transición completa entre el estado de generación y de
acumulación han de ser breves para responder a los cambios bruscos de las necesidades de potencia de la red
eléctrica.
Para evaluar la eficiencia global del sistema de almacenamiento de energía mediante el bombeo de agua se debe
considerar el ratio de energía suministrada a la red y la energía consumida mientras se bombea. Se tiene:
16
• Energía utilizada en el bombeo:
𝐸𝑏𝑜𝑚𝑏𝑒𝑜 = 𝜌 ∙ 𝑔 ∙ ℎ ∙ 𝑉
𝜂𝑏
(1-4)
• Energía suministrada a la red:
donde:
• V: Volumen de agua.
• H: Altura hasta el depósito superior.
• ηb: Eficiencia de bombeo.
• ηg: Eficiencia del generador.
La eficiencia está en el rango del 70% - 85%. El tiempo de descarga típico suele oscilar entre varias horas y
unos pocos días.
La principal ventaja es su larga vida útil y el principal inconveniente es la dependencia con las condiciones
topográficas.
Figura 1. Planta Eólica-Bombeo.
La Figura 1, muestra un sistema eléctrico renovable que incluye un conjunto de aerogeneradores,
almacenamiento de agua, generación hidroeléctrica e interconexión a la red. Esta conexión permite evacuar la
energía de origen renovable a los usuarios y acceder a la energía suplementaria. El esquema indica que cuando
la demanda está cubierta y hay exceso de viento, se utiliza este exceso para bombear agua del depósito inferior
al superior. Cuando se necesita más energía se turbina agua del depósito superior para cubrir la demanda.
Las centrales de bombeo de energía hidroeléctrica representan el 99% de la capacidad de almacenamiento
eléctrico instalado en todo el mundo, que es aproximadamente el 3% de la capacidad de generación global [1].
𝐸𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 = 𝜌 ∙ 𝑔 ∙ ℎ ∙ 𝑉 ∙ 𝜂𝑔 (1-5)
17
1.4.1.1. Centrales de bombeo en España
A continuación, se van a indicar las diez centrales hidroeléctricas de mayor potencia:
NOMBRE PROVINCIA POTENCIA (MW)
Central de Aldeadávila Salamanca (Castilla y León) 1243 (Aldeadávila I = 810 MW
+ Aldeadávila II = 433 MW)
Central José María de Oriol Cáceres (Extremadura) 916
Central de Villarino Salamanca (Castilla y León) 857
Central de Cortes-La Muela Valencia (Comunidad Valenciana) 630
Central de Saucelle Salamanca (Castilla y León) 520 (Saucelle I = 251 MW +
Saucelle II = 269 MW)
Cedillo Extremadura-Portugal 500
Estany-Gento Cataluña 468
Central de Tajo de la Encantada Málaga (Andalucía) 360
Central de Aguayo Cantabria 360
Mequinenza Zaragoza (Aragón) 324
Tabla 1. Centrales de bombeo en España. [2]
1.4.1.2. Central de Aldeadávila
Aldeadávila posee dos centrales hidroeléctricas. Aldeadávila I, puesta en marcha en 1962 y Aldeadávila II,
puesta en marcha en 1986. La primera tiene instalados 810 MW mientras que la segunda posee 433 MW,
lo que hace un total de casi 1.243 MW. Su producción media es de 2.400 GWh al año.
Constituye una de las obras de ingeniería hidroeléctrica más importante de España a nivel de potencia instalada
y producción de electricidad. [2]
1.4.2. Hidrógeno
Un sistema típico de almacenamiento de hidrógeno consiste en un electrolizador, un tanque de almacenamiento
de hidrógeno y una pila de combustible. Un electrolizador es un convertidor electroquímico que divide el agua
con la ayuda de electricidad en hidrógeno y oxígeno. Es un proceso endotérmico, es decir, se requiere calor
durante la reacción. El hidrógeno se almacena bajo presión en botellas de gas o tanques y el oxígeno se libera al
no tener contenido energético. Para generar electricidad, ambos gases fluyen hacia la celda de combustible donde
tiene lugar una reacción electroquímica que es la inversa de la división del agua: el hidrógeno y el oxígeno
reaccionan y producen agua, se libera calor y se genera electricidad. [1]
18
Figura 2. Almacenamiento H2[3]
En la Figura 2 se observa como almacenar la energía eléctrica generada en un parque eólico transformándola en
hidrógeno, muestra gráficamente lo explicado en el párrafo anterior.
1.4.3. Gas Natural Sintético (SNG)
Se require un segundo paso más allá del proceso de separación del agua en un electrolizador, una etapa en la que
el hidrógeno y el dióxido de carbono reaccionan para formar metano. El proceso de ‘metanización’ utiliza
dióxido de carbono que combinado con el hidrógeno que se obtiene del exceso de electricidad produce metano,
que no solo se puede distribuir en la red de gas natural sino que puede ser almacenado. El SNG puede
almacenarse en depósitos a presión, subterráneos o alimentando a la red de gas.
La principal ventaja es el uso de una infraestructra de red de gas ya existente y la principal desventaja es la baja
eficiencia (<35%), menor inlcuso que con el hidrógeno, debido a las pérdidas de conversion en electrólisis,
‘metanización’, almacenamiento, transporte y generación de energía. [1]
1.4.4. Baterías
La batería es un dispositivo que transforma la energía química de sus materiales en energía eléctrica mediante
reacciones de oxidación (ánodo) y reducción (cátodo). Es un dispositivo capaz de producir, almacenar y
suministrar energía eléctrica. Está constituida por una unidad básica (celda o elemento), que posteriormente es
unida a otras, en serie o en paralelo, para obtener unos niveles de capacidad o de tensión específicos.
Algunos de los tipos de baterías que podemos encontrarnos son:
• Baterías primarias (pilas): Se agotan (no recargables) y son deshechables.
• Baterías secundarias (baterías): Pueden recargarse.
Algunos ejemplos de baterías son:
• Batería de plomo-ácido (LA): La vida útil típica es de 6 a 15 años con una vida útil de ciclo de 1.500
ciclos a 80% de profundidad de descarga y alcanzan niveles de eficiencia de ciclo de alrededor del 80%
19
al 90%. Las baterías de plomo ácido ofrecen una tecnología madura y bien investigada a bajo costo.
Agunos inconvenientes son la menor densidad de energía y el uso de plomo, un material peligroso. Las
ventajas son una favorable relación costo / rendimiento, fácil reciclabilidad y una tecnología de carga
simple.
• Batería níquel/cadmio (NiCd) y níquel/hidruro metálico (NiMH): Las baterías de níquel tienen un
mayor número de ciclos que las de plomo-ácido. Las baterías NiMH se desarrollan para reemplazar las
de NiCd. Las baterías de NiMH tienen densidades de energía mucho más altas pero una capacidad
nominal máxima diez veces menor en comparación con las de NiCd. Eficiencia del 60%-70%. Vida
útil de aproximadamente 10 a 15 años.
• Baterías de litio: Una célula de ion de litio puede reemplazar tres células NiCd o NiMH, otra ventaja es
la alta densidad de energía. Tienen una participación de más del 50% en el pequeño mercado de
dispositivos portátiles. Elevada eficiencia del 95%-98%. Tecnología muy flexible al tener un tiempo de
descarga de segundos a semanas. Vida útil de ciclos del orden de 2.000 ciclos y una vida útil de 6 a 10
años.
• Baterías (NaS): Las baterías de sulfuro de sodio consisten en azufre líquido (fundido) en el electrodo
positivo y sodio líquido (fundido) en el electrodo negativo, los materiales activos se separan mediante
un electrolito cerámico sólido de alúmina beta. La temperatura de la batería se mantiene entre 300°C y
350°C para mantener los electrodos fundidos. Las baterías NaS alcanzan ciclos de vida de alrededor de
4.500 ciclos y tienen un tiempo de descarga de horas. Son eficientes aproximadamente un 75% y tienen
una respuesta rápida.
• Baterías de flujo: Una batería de flujo es también una batería recargable, pero la energía se almacena en
una o más especies electroactivas que se disuelven en electrolitos líquidos. Los electrolitos se almacenan
externamente en tanques y se bombean a través de la celda electroquímica que convierte la energía
química directamente en electricidad y viceversa. [1]
1.4.4.1. Sistemas de baterías
Los siguientes proyectos utilizan baterías:
NOMBRE PAÍS TIPO DE BATERÍA POTENCIA
Planta en San Agustín de
Guadalix
España Batería de plomo-ácido 1 MW
Golden Valley Electric
Association Saft
EEUU Batería de níquel-cadmio 40 MW
EEUU EEUU Batería de litio 100 kW
Tabla 2. Sistemas de baterías
1.4.4.2. Proyecto ALMACENA
El proyecto ALMACENA consiste en una instalación en campo de un sistema de almacenamiento de energía,
en concreto una batería prismática de ión-litio con una potencia en torno a 1 MW y una capacidad de al menos
3 MWh, con el objetivo de evaluar las capacidades y características técnicas que presenta actualmente este tipo
de instalaciones como herramienta para mejorar la eficiencia de la operación de los sistemas eléctricos.
El sistema de almacenamiento se ha instalado en la subestación de Carmona 400/220kV y está constituido por
el equipo de almacenamiento electroquímico, el sistema convertidor, los sistemas de comunicación y control y
una aplicación de usuario.
Está compuesto por un contenedor de 32 bastidores (racks) y cada bastidor tiene 22 módulos. [4]
20
1.4.5. Condensador
Los DLC (Double Layer Capacitor - Condensadores de Doble Capa), también conocidos como
supercondensadores llenan la brecha entre los condensadores clásicos usados en electronica y las baterías
generales.
Las dos características principales son una elevada capacitancia (miles de faradios) y la posibilidad de
carga/descarga muy rápidas debido a la baja resistencia interna. Otras ventajas son la durabilidad, alta fiabilidad,
no necesita mantenimiento y una larga vida útil de10 años. También son fáciles de reciclar. Tienen una eficiencia
del 90% y el tiempo de descarga está en el orden de segundos a horas.
Como inconveniente que la densidad de energía es aproximadamente diez veces menor. [1]
1.4.6. Sistemas de almacenamiento de energía magnética (Superconductores-SMES)
Los sistemas de almacenamiento de energía magnética, superconductores (SMES) funcionan según un principio
electrodinámico. La energía se almacena en el campo magnético creado por el flujo de corriente continua en una
bobina superconductora, que se mantiene por debajo de su temperatura crítica superconductora (4ºK). El
componente principal de este sistema de almacenamiento es una bobina hecha de material superconductor. Los
componentes adicionales incluyen equipo de acondicionamiento de potencia y un sistema de refrigeración
enfriado criogénicamente.
La principal ventaja es una tiempo de respuesta muy rápido, la potencia solicitada está disponible casi
instantáneamente. Además tiene un elevado rendimiento del 85%-90%. [1]
1.4.7. Volantes de incercia (Flywheel-FES)
Esta tecnología se basa en el almacenamiento de energía cinética mediante un cilindro de inercia que gira
acoplado a un motor/generador. El consumo o generación se controla mediante la velocidad de giro del volante
de inercia. Los componentes principales de un volante son el cuerpo / cilindro giratorio en un compartimiento,
los cojinetes y el dispositivo de transmisión (motor / generador montado en el estator). La energía se mantiene
en el volante manteniendo el cuerpo giratorio a una velocidad constante. Un aumento en la velocidad produce
una mayor cantidad de energía almacenada. Si se reduce la velocidad de rotación del volante, la electricidad
puede extraerse del sistema por el mismo dispositivo de transmisión.
La cantidad de energía almacenada se mide en Julio y viene dada por la expresión:
𝐸 = 1
2∙ 𝐼 ∙ 𝑤2
(1-6)
donde:
• I: Momento de inercia del volante que es función de la masa y la distancia al eje de giro [kgm2]
• w: Velocidad angular [rad/s].
Por tanto, a mayor masa ubicada a mayor distancia del centro de giro mayor será la energía almacenada.
Los tipos de volante de inercia según el material del rotor son:
• Rotor de composite avanzado (fibra de carbón – grafito): Alta energía específica.
• Rotor de acero: Grandes diámetros con baja velocidad de rotación y bajas potencias y densidad de
energía.
Los volantes de inercia proporcionan una cantidad de energía en un intervalo de tiempo breve, por lo que pueden
desempeñar un papel importante en la regulación primaria del control frecuencia-potencia. [5]
Las principales características son la larga vida útil, poco mantenimiento y el uso de un material
ambientalmente inerte. Como desventajas hay que destacar el elevado coste.
21
1.4.7.1. Ejemplos de almacenamiento en volante de inercia
Alguno ejemplos de almacenamiento en FES podemos verlo en la siguiente table:
NOMBRE PAÍS POTENCIA
Beacon Power Alaska (EEUU) 15-25 kW
Stephentown EEUU 20 MW
Tabla 3. Ejemplos FES.
1.4.8. Aire comprimido
El almacenamiento de la energía con aire comprimido es semejante al almacenamiento por bombeo. Esta
tecnología se basa en almacenar energía en aire comprimido a presiones hasta 100 bares a temperatura ambiente.
El aire se comprime utilizando electricidad y se almacena (horas valle) en una estructura subterránea (cavernas,
acuíferos o minas abandonadas). La recuperación de la energía (horas punta) almacenada se realiza expandiendo
al aire en turbinas de gas que accionan un alternador conectado a la red.
Figura 3. CAES
En la Figura 3, se muestra un sistema CAES (Compressed Air Energy Storage-Sistema de Almacenamiento de
Aire Comprimido) que opera con los excedentes de generación de un parque eólico.
La ventaja de CAES es su gran capacidad y las desventajas son la baja eficiencia y la limitación geográfica de
las ubicaciones. [1]
1.4.8.1. Centrales CAES
En la table que se muestra a continuación se indicant ejemplos de centrales CAES:
NOMBRE PAÍS POTENCIA
Huntorf Alemania 321 MW
Mclntosh EE. UU. 110 MW
Tabla 4. Centrales CAES.
22
1.4.9. Almacenamiento térmico
Los sistemas de almacenamiento térmico (energía) almacenan el calor disponible por diferentes medios en un
depósito aislado para uso posterior. Los sistemas de almacenamiento térmico se despliegan para superar el
desajuste entre la demanda y la oferta de energía térmica y por lo tanto son importantes para la integración de
fuentes de energía renovables.
El almacenamiento térmico se puede subdividir en diferentes tecnologías:
• Almacenamiento de calor sensible: El medio de almacenamiento puede ser un líquido (agua) o un sólido
(hormigón o suelo). La energía térmica se almacena únicamente a través de un cambio de temperatura
del medio de almacenamiento.
• Almacenamiento de calor latente: Se consigue utilizando PCM (Phase Change Material – Material de
Cambio de Fase) como medio de almacenamiento. El calor latente es la energía intercambiada durante
un cambio de fase tal como la fusión del hielo. Actualmente, la mayoría de los PCM utilizan el cambio
de fase sólido-líquido, tal como sales fundidas como medio de almacenamiento térmico para plantas de
energía solar concentrada (CSP, Concentrated Solar Power – Energía Solar Concentrada). La ventaja
del almacenamiento de calor latente es su capacidad para almacenar grandes cantidades de energía en
un pequeño volumen y con un cambio de temperatura mínimo, lo que permite una transferencia de calor
eficiente.
Las plantas CSP producen principalmente calor, y esto se puede almacenar fácilmente antes de la conversión a
electricidad y así proporcionar energía eléctrica.
La tecnología de las sales fundida consistes en: La sal fundida es calentada por radiación solar y luego
transportada al tanque de almacenamiento de sal caliente. Para producir electricidad, la sal caliente pasa a través
de un generador de vapor que alimenta una turbina de vapor. Posteriormente, la sal fría (aún fundida) se
almacena en un segundo tanque antes de ser bombeada de nuevo a la torre solar. En la Figura [Sales fiundidad]
podemos ver esto más claramente. [1]
Figura 4. Sales fundidas
1.4.9.1. Ejemplos de almacenamiento térmico
En la siguiente table se muestran algunos almacenamiento térmicos:
NOMBRE PAÍS POTENCIA
Atacama I Chile 110 MW
Crescent Dunes EE. UU. 110 MW
PS10 y PS20 Sevilla (España) 19,9 MW
Tabla 5. Ejemplos almacenamiento térmico. [7]
23
1.4.9.2. PS10 y PS20
Las torres termosolares PS10 y PS20, situadas en Sanlúcar La Mayor (Sevilla, España), fueron las primeras
plantas de este tipo en operación comercial del mundo. Aunque se trata de instalaciones jóvenes, con menos de
diez años de vida, la tecnología de torre ha evolucionado a pasos agigantados desde entonces. [7]
Con 20 MW de potencia, el doble que su predecesora PS10, PS20 incorpora avances tecnológicos muy
importantes: un receptor con más eficiencia, mejoras en los sistemas de control y operación y en el sistema de
almacenamiento térmico de energía.
La planta está formada por un campo solar que cuenta con 1.255 helióstatos diseñados por Abengoa Solar. Cada
helióstato, de 120 m de superficie, refleja la radiación solar que reciben sobre el receptor situado en lo alto de la
torre de 165 metros de altura produciendo el vapor que permite la generación de electricidad en la turbina. [6]
1.5. El Hierro 100% renovable
El Proyecto El Hierro 100% renovable tiene como objetivo cubrir el consumo eléctrico de la isla de El Hierro
con energía procedente de fuentes renovables. Se ha construido un sistemahidroeólico interconectado con el
actual Sistema eléctrico, compuesto por un parque eólico, una central hidraúlica, una central de bombeo y dos
depósitos de agua.
El parque eólico tiene cinco aerogeneradores de 2,3 MW con una potencia instalada de 11,5 MW.
El sistema hidraúlico alcanza 11,3 MW y la central de bombeo 6 MW. [8]
1.6. Datos típicos de las tecnologías de almacenamiento
A continuación, vamos a mostrar una tabla con valores típicos de las tecnologías de almacenamiento:
TECNOLOGÍA TIEMPO DE
RESPUESTA
DENSIDAD
DE
ENERGÍA
[Wh/l]
DENSIDAD
DE
POTENCIA
[W/l]
η VIDA
ÚTIL
[AÑOS]
NÚMERO DE
CICLOS DE
CARGA Y
DESCARGA
PHS Minutos 0,2 - 2 0,1- 0,2 80% > 50 > 15.000
HIDRÓGENO Seg - Min 600 0,2 – 2 44% 10 - 30 103 – 104
SNG Minutos 1.800 0,2 - 2 38% 10 - 30 103 – 104
LA < segundos 50 - 80 90 - 700 90% 3 - 15 250 – 1.500
NiCd < segundos 15 - 80 75 -700 80% 5 – 20 1.500 – 3.000
NiMH < segundos 80 - 200 500 - 3.000 75% 5 - 10 600 – 1.200
Litio < segundos 200 - 400 1.300 –
10.000
90% 5 - 15 500 – 104
NaS < segundos 150 - 300 120 - 160 85% 10 - 15 2.500 – 4.500
DLC < segundos 10 - 20 40.000 –
120.000
90% 4 - 12 104 – 106
SMES < segundos 6 2.500 80% - -
24
FES < segundos 20 - 80 5.000 90% 15 - 20 2*106-107
CAES Minutos 2 - 6 0,2 – 0,6 75% > 25 > 10.000
Tabla 6. Datos tecnología [1]
1.7. Comparación de las tecnologías de almacenamiento
En los siguientes gráficos se muestran propiedades relevantes de las distintas tecnologías de almacenamiento de
energía.
Figura 5. Eficiencia y tiempo de vida de las tecnologías de almacenamiento [9]
En la Figura 5 se muestra las características de las distintas tecnologías de almacenamiento en relación
con la eficiencia y la vida útil. Se observa que los volantes de inercia tienen una mayor eficiencia (más
del 90%) y una mayor vida útil (aproximadamente 50.000 ciclos).
Figura 6. Coste de inversión de las tecnologías de almacenamiento para cada ciclo carga-descarga [9]
25
El coste por ciclo podría ser el mejor camino para evaluar el coste de un sistema de almacenamiento diseñado
para aplicaciones con frecuentes cargas y descargas. La figura muestra el coste de las distintas tecnologías en
función de la durabilidad y la eficiencia. Se observa que la tecnología más barata es el bombeo.
Figura 7. Densidad de masa y de volumen de las tecnologías de almacenamiento [9]
En la Figura 7 se muestran las distintas tecnologías de almacenamiento en función de la densidad de masa y de
volumen. Las diferentes tecnologías puedes ser clasificadas en función de la disponibilidad de energía y potencia
máxima por densidad de volumen o por densidad de masa. Esta comparativa es importante para la transmisión
de energía.
Figura 8. Comparación de la potencia nominal, la energía y el tiempo de descarga. [1]
Según la Figura 8 las tecnologías del EES (Electrical Energy Storage – Almacenamiento de Energía Eléctrica)
pueden clasificarse como adecuadas para aplicaciones con:
• Tiempo corto de descarga (segundos a minutos): Condensadores de doble capa (DLC), almacenamiento
de energía magnética superconductora (SMES) y volantes de inercia (FES).
• Tiempo de descarga media (minutos a horas): Almacenamiento de energía en volante de inercia (FES)
y baterías de plomo-ácido (LA), de ión de litio (Li-ion) y de sodio azufrado (NaS).
26
• Tiempo de descarga largo (días a meses): Hidrógeno (H2) y gas natural sintético (SNG).
El almacenamiento hidráulico bombeado (PHS), el almacenamiento de aire comprimido (CAES) y las baterías
de flujo están situados entre sistemas de almacenamiento para tiempos de descarga medianos y largos.
Figura 9. Densidad de potencia - Densidad de energía [1]
En la Figura 9 se representa gráficamente la densidad de potencia frente a la densidad de energía. Cuanto mayor
sea la potencia y la densidad de energía, menor será el volumen requerido para el sistema de almacenamiento.
Las tecnologías EES altamente compactas adecuadas para aplicaciones móviles se pueden encontrar en la parte
superior derecha. Los sistemas de almacenamiento de gran superficie y de alto volumen se encuentran en la
parte inferior izquierda. Aquí es nuevamente claro que PHS, CAES y baterías de flujo tienen una densidad de
energía baja en comparación con otras tecnologías de almacenamiento. SMES, DLC y FES tienen altas
densidades de potencia, pero baja densidad de energía. Li-ion tiene tanto una alta densidad de energía y alta
densidad de potencia, lo que explica la amplia gama de aplicaciones donde Li-ion se despliega actualmente
NaS tiene mayor densidad de energía en comparación con los tipos de baterías maduras como LA y Ni/Cd, pero
su densidad de potencia es menor en comparación con NiMH y Li-ion. Las celdas metálicas de aire tienen el
mayor potencial en términos de densidad de energía. La principal ventaja de H2 y SNG es la alta energía
densidad, superior a todos los demás sistemas de almacenamiento.
27
2 PROYECTO
RES ha desarrollado una tecnología de almacenamiento de energía a escala de red utilizando el poder de
la gravedad, similar a la energía hidroeléctrica de bombeo.
El nuevo sistema de almacenamiento que proponen en California es una manera muy útil y viable de almacenar
energía. La misión de ARES es permitir a la red eléctrica integrar energía limpia, respetuosa con el medio
ambiente, renovables, manteniendo la confianza necesaria en el servicio eléctrico para impulsar el crecimiento
y la prosperidad. Esto se logra con un almacenamiento eficiente, simple y fiable.
Este sistema se basa en un tren compuesto por vagones sin pasajeros que transporta una carga pesada hacia la
parte de arriba o de abajo de una colina almacenando la energía de manera potencial. Esta tecnología no requiere
baterías.
Se ha completado un proyecto piloto de demostración (California) y está en el proceso de desarrollo de su primer
proyecto comercial (Nevada).
Los sistemas de almacenamiento de energía basados en raíl de ARES están englobados en las siguientes patentes
de Estados Unidos: 8593012, 8674541.
2.1. Descripción
Consiste en un sistema de almacenamiento de energía potencial que incorpora múltiples unidades de transporte
para transportar las masas a partir de un primer parque de almacenamiento de menor elevación a un segundo
parque de almacenamiento de mayor elevación. Para ello se emplea el exceso de energía de la red para accionar
los motores. Las masas regresan desde el segundo parque de almacenamiento al primero recuperando la energía
eléctrica a través de los generadores mediante frenado regenerativo.
Los vagones del tren del proyecto ARES circulan cargados con varios cientos de toneladas de hormigón. Se
realiza una primera secuencia de control para almacenar energía y ejecuta una segunda secuencia de control para
proporcionar energía a la red eléctrica cuando es requerida. Cuando los paneles solares y aerogeneradores llegar
a producir más electricidad de la demandada, la primera secuencia de control selecciona las unidades de
transporte para recuperar las masas situadas en el patio de almacenamiento inferior, usando el motor/generador
como motor y usando la energía de la red para conducir las unidades de transporte seleccionadas desde el patio
de almacenamiento inferior al patio de almacenamiento superior (modo carga) con los elementos de control
configurados para dirigir las unidades de transporte que luego descarguen las masas en el patio de
almacenamiento superior. Una vez arriba los vagones quedan allí aparcados. Más tarde, cuando la red eléctrica
necesita más energía para satisfacer los periodos de demanda, la segunda secuencia de control selecciona las
unidades de transporte para recuperar las masas situadas en el patio de almacenamiento superior. Para ello se
usa el motor/generador como un generador, actuando como fuente de alimentación a la red por frenado
regenerativo de las unidades de transporte seleccionadas desde el patio de almacenamiento superior al patio de
almacenamiento inferior (modo descarga) con los elementos de control configurados para que luego se
descarguen las masas en el patio de almacenamiento inferior. [10]
El sistema puede responder a los aumentos o disminuciones de demanda en cuestión de segundos.
El sistema se basa en un proyecto comercial para comprar (modo carga) la energía a bajo coste y vender (modo
descarga) la energía a mayor coste, esto puede ser un negocio arriesgado.
A
28
2.1.1 ¿Cómo ARES almacena la energía?
Se va a indicar a modo de ejemplo como el sistema ARES almacena la energía, esto se puede ver en la Figura
10.
En la figura situada más a la izquierda podemos ver como cuando hay un exceso de energía generada en la red
eléctrica, la electricidad se puede utilizar para hacer que un motor levante un peso pesado y se cargue el
dispositivo. En la figura situada en el centro, muestra que el peso se ha elevado hasta su posición máxima y está
cargado, la energía eléctrica se ha convertido en energía potencial con un determinado rendimiento del motor.
En la última figura de la derecha, la electrcidad se regenera a medida que baja el peso actuando el motor como
generador, se ha convertido la energía potencial previamente almacenada en energía eléctrica con un
determinado rendimiento del generador.
Figura 10. Almacenamiento con ARES
ARES representa una innovadora tecnología de almacenamiento basada en la gravedad. ARES ha combinado
la tecnología probada de ferrocarril con electrónica de potencia para transportar pesos en una pediente. Es un
sistema internacionalmente patentado que tiene un riesgo tecnológico muy bajo, un mercado en rápido
crecimiento con una competencia limitada y altos retornos esperados para los inversionistas. [11]
2.2. Servicios auxiliaries
Debido a su flexibilidad, ARES no sólo puede almacenar energía para su uso posterior, sino también
proporcionar una amplia gama de lo que se conoce como "servicios auxiliares", que permiten a la red ajustarse
a cambios momentáneos en la demanda, estabilizar el voltaje y proporcionar energía de emergencia para reiniciar
generadores después de fallas catastróficas.
Las tecnologías ARES pueden configurarse como una instalación de servicio auxiliar. Cuando están
completamente descargados los trenes están todos en la parte inferior de la pista y cuando están completamente
cargados los trenes han viajado a la parte superior de la pista según un comando (regulación hacia arriba o hacia
abajo) del Operador del Sistema Independiente (ISO) para regular la frecuencia.
A medida que más recursos energéticos renovables están en línea, la red de transporte debe adaptarse al aumento
de las fluctuaciones en la generación. Los servicios auxiliares permiten a los operadores de redes de transporte
ajustar el flujo de electricidad y regular la tensión en la red.
29
En la siguiente Figura se muestra como ARES va a actuar como servicio auxiliar almacenado o generando
electricidad:
Figura 11. Servicios auxiliares
Con el fin de proporcionar estos servicios auxiliares es necesario tener una capacidad de energía y una reserva
de energía. Como tal, las tecnologías de almacenamiento de energía son proveedores ideales de servicios
auxiliares. [11]
2.3. Esquema unifilar.
En primer lugar se muestra un esquema unifilar del sistema de almacenamiento de ARES. Este sistema consiste
en una línea de transporte de 230 kV que conecta la red eléctrica con una subestación que transforma esta tensión
a 34,5 kV, a continuación se encuentra el transformador que hace un ajuste de 34,5 kV a 2.300 V, esta es la
tension que vamos a utilizar dentro de la instalación de ARES. El transformador se encuentra entre dos
interruptores por si hubiera algún fallo. Por último, se encuentra el sistema BTB (Back To Back) y el
motor/generador, va a haber tantos como unidades de transporte disponga nuestro sistema.
El esquema unifilar se muestra en la siguiente figura:
Figura 12. EsquemaUnifilar
La dirección de la potencia de la red (Pred) va a depender de si almacena o genera, al igual que la potencia de la
máquina motor/generador Pm/g.
30
2.4. Fuerza de rozamiento
Antes de empezar con una serie de demostraciones vamos a hablar sobre la fuerza de rozamiento, que va a estar
presente en nuestro sistema.
Existen tres tipos de fuerza de rozamiento:
• Fuerza de rozamiento estática: Es la resistencia que se debe superar para poner en movimiento un cuerpo
con respecto a otro que se encuentra en contacto.
• Fuerza de rozamiento dinámica: Es la resistencia que se opone al movimiento, una vez que el cuerpo
comenzó a moverse.
• Fuerza de rozamiento por rodadura: Cuando los objetos ruedan en lugar de deslizar.
En la siguiente figura se muestran las fuerzas que aparecen cuando un cuerpo se desliza sobre otro, que es nuestro
caso:
Figura 13. Fuerza de rozamiento
Las fuerzas que actúan sobre el cilindro son el peso (P) y la normal (N). F es la fuerza que aplicamos para
mantenerlo con velocidad constante, apareciendo la fuerza de rozamiento por rodadura (f). El momento de la
fuerza de rozamiento respecto del eje del cilindro hace girar el cilindro alrededor de su eje y la fórmula es:
𝑀 = 𝑓 ∙ 𝑅
(2-1)
donde R es el radio del cilindro, rueda en nuestro caso.
Además:
𝐹𝑟 = 𝑓
(2-2)
Según la Ley de Coulomb este par necesario para mantener un movimiento uniforme del rodillo, es proporcional
a la reacción normal N, es decir:
𝑀 = 𝜇𝑟 ∙ 𝑁
(2-3)
donde μr es el coeficiente de resistencia a la rodadura y se mide en unidades de longitud.
Sustituyendo 2-1, 2-2 y 2-3, obtenemos:
𝐹𝑟 ∙ 𝑅 = 𝜇𝑟 ∙ 𝑁 (2-4)
Despejando:
𝐹𝑟 = 𝜇𝑟
𝑅∙ 𝑁 = 𝐶𝑟𝑟 ∙ 𝑁
(2-4)
31
donde Crr es es el coeficiente de rodadura.
En nuestro caso al tratarse de ruedas de ferrocarril de acero sobre rieles de acero, Crr oscila entre 0,0010 – 0,0024,
vamos a utilizar un valor intermedio de: Crr = 0,0015
Por lo tanto, vamos a tener también un rendimiento de rodadura que va ser distinto si se trata del almacenamiento
o la generación. [12]
2.5. Demostraciones
En primer lugar, para entender el transporte de las masas tenemos que tener en cuenta las fuerzas que actúan
sobre un cuerpo cuando asciende o desciende una pendiente.
La potencia que es necesaria desarrollar para trasladar una masa a una velocidad v es:
𝑃 = 𝑇𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜
𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜=
𝐹 ∙ 𝑠
𝑡= 𝐹 ∙ 𝑣
(2-5)
donde:
• F: Fuerza ejercida sobre el cuerpo.
• v: Velocidad.
Además, las fuerzas que van a aparecer son:
• La fuerza normal (N) es la fuerza que ejerce una superficie sobre un cuerpo, es perpendicular a la
superficie.
• El peso (p) es la fuerza originada por el campo gravitatorio, se descompone en px y py.
• La fuerza de rozamiento (Fr) es la fuerza que aparece entre dos superficies en contacto y se opone al
movimineto.
2.5.1. Primer caso
En este primer caso se quiere calcular la potencia que se obtendría al almacenar y al generar suponiendo que no
existen transitorios, que la velocidad de subida y baja es la misma y que se almacenan y generan el mismo
número de masas.
• Primera suposición: No hay transitorios ni en el arranque ni en la parada, es decir, se trata de regimen
permanente y por tanto:
∑ 𝐹𝑖
𝑖
= 𝑚 ∙ 𝑎 = 0, 𝑎 = 0 (2-6)
• Segunda suposición: La velocidad de subida y bajada de las unidades de transporte por la pendiente son
la misma (es lo que se indica en los detalles de la instalación), por lo que:
𝑣 = 𝑐𝑡𝑒, 𝑣𝑎 = 𝑣𝑔 (2-7)
• Tercera suposición: Tanto en el almacenamiento como en la generación las masas son iguales:
𝑚𝑎 = 𝑚𝑔 (2-8)
32
ALMACENAMIENTO
Cuando se almacena energía de la red, el sistema ARES utiliza esta energía para poner en marcha las unidades
de transporte y almacenar masas en el patio de almacenamiento superior:
Figura 14. Almacenamiento
Como se ve en la Figura 14 la masa se va a transportar desde la posición 1 (patio de almacenamiento inferior) a
la posición 2 (patio de almacenamiento superior).
El balace de fuerzas sería:
• Eje y:
𝑁 = 𝑝𝑦 = 𝑝 ∙ cos(𝛼) (2-9)
• Eje x:
∑ 𝐹𝑖
𝑖
= 𝑝𝑥 + 𝐹𝑟 − 𝐹𝑎 (2-10)
donde Fa es la fuerza ejercida sobre la masa durante el almacenamiento.
Según la segunda ley de Newton:
∑ 𝐹𝑖
𝑖
= 𝑚 ∙ 𝑎 (2-11)
Igualando las ecuaciones 2-10 y 2-11 obtenemos:
𝑝𝑥 + 𝐹𝑟 − 𝐹𝑎 = 𝑚 ∙ 𝑎 (2-12)
donde:
𝑝𝑥 = 𝑝 ∙ sin(𝛼) (2-13)
33
En la ecuación 2-4 descrita anteriormente, añadimos el valor de la normal (N) indicado en la ecuación 2-9:
𝐹𝑟 = 𝐶𝑟𝑟 ∙ 𝑁 = 𝐶𝑟𝑟 ∙ 𝑝 ∙ cos(𝛼) (2-4)
Sustituyendo en la ecuación 2-12:
𝑝 ∙ sin(𝛼) + 𝐶𝑟𝑟 ∙ 𝑝 ∙ cos(𝛼) − 𝐹𝑎 = 𝑚 ∙ 𝑎 (2-12)
Teniendo en cuenta la primera suposición que corresponde a la ecuación 2-6, obtemenos:
𝑝 ∙ sin(𝛼) + 𝐶𝑟𝑟 ∙ 𝑝 ∙ cos(𝛼) − 𝐹𝑎 = 𝑚 ∙ 𝑎 = 0 (2-12)
Despejando Fa tenemos:
𝐹𝑎 = 𝑚 ∙ 𝑔 ∙ sin(𝛼) + 𝐶𝑟𝑟 ∙ 𝑚 ∙ 𝑔 ∙ cos(𝛼) = 𝑚 ∙ 𝑔 ∙ [ 𝐶𝑟𝑟 ∙ cos(𝛼) + sin(𝛼) ] (2-12)
donde:
𝑝 = 𝑚 ∙ 𝑔 (2-14)
De esta forma la potencia empleada durante el almacenamineto será:
𝑃𝑎 = 𝐹𝑎 ∙ 𝑣𝑎 = 𝑚 ∙ 𝑔 ∙ [ 𝐶𝑟𝑟 ∙ cos(𝛼) + sin(𝛼) ] ∙ 𝑣𝑎 (2-15)
siendo va la velocidad media en el almacenamiento. De esta forma la energía consumida durante el
almacenamiento al subir las masas se puede obtener como:
𝐸𝑠𝑢𝑏𝑖𝑟 = 𝑃𝑎 ∙ 𝑡𝑎 (2-16)
donde ta es el tiempo empleado en el almacenamiento.
Asumiendo un comportamiento ideal (rendimiento del 100%) en el resto de los equipos que intervienen en el
almacenamiento, es posible obtener el rendimiento mecánico asociado al proceso de subida de las masas
(almacenamiento).
Para ello se conoce que la energía almacenada después de la subida de las masas es:
𝐸𝑎𝑙𝑚 = 𝑚 ∙ 𝑔 ∙ ℎ (2-17)
donde h es la altura subida durante el almacenamiento. Por otro lado, la ecuación 2-17 permite obtener la energía
consumida en el almacenamiento y de esta forma ηsubir que es el rendimiento por rodadura durante el
almacenamiento:
𝜂𝑠𝑢𝑏𝑖𝑟 =𝐸𝑎𝑙𝑚
𝐸𝑠𝑢𝑏𝑖𝑟 =
𝑚 ∙ 𝑔 ∙ ℎ
𝑃𝑎 ∙ 𝑡𝑎
(2-18)
Por lo tanto, la potencia que es necesaria emplear para almacenar una masa total m a una altura h vendrá dada
por:
𝑃𝑎 = 𝑚 ∙ 𝑔 ∙ ℎ
𝜂𝑠𝑢𝑏𝑖𝑟 ∙ 𝑡𝑎
(2-18)
34
GENERACIÓN
Cuando se desea generar, las masas almacenadas en el patio superior descienden la colina para generar
electricidad mediante frenado regenerativo:
Figura 15. Generación
Como se ve en la Figura 15 la masa se va a transportar desde la posición 2 (patio de almacenamiento superior)
a la posición 1 (patio de almacenamiento inferior).
El balace de fuerzas sería:
• Eje y:
𝑁 = 𝑝𝑦 = 𝑝 ∙ cos(𝛼) (2-9)
• Eje x:
∑ 𝐹𝑖
𝑖
= 𝑝𝑥 + 𝐹𝑔 − 𝐹𝑟 (2-19)
donde Fg es la fuerza ejercida sobre la masa durante la generación.
Según la segunda ley de Newton:
∑ 𝐹𝑖
𝑖
= 𝑚 ∙ 𝑎 (2-11)
Igualando las ecuaciones 2-11 y 2-20 obtenemos:
𝑝𝑥 + 𝐹𝑔 − 𝐹𝑟 = 𝑚 ∙ 𝑎 (2-20)
donde:
𝑝𝑥 = 𝑝 ∙ sin(𝛼) (2-13)
𝐹𝑟 = 𝐶𝑟𝑟 ∙ 𝑁 = 𝐶𝑟𝑟 ∙ 𝑝 ∙ cos(𝛼) (2-4)
35
Sustituyendo en la ecuación 2-21:
𝑝 ∙ sin(𝛼) + 𝐹𝑔 − 𝐶𝑟𝑟 ∙ 𝑝 ∙ cos(𝛼) = 𝑚 ∙ 𝑎 (2-20)
Teniendo en cuenta la primera suposición que corresponde a la ecuación 2-6, obtemenos:
𝑝 ∙ sin(𝛼) + 𝐹𝑔 − 𝐶𝑟𝑟 ∙ 𝑝 ∙ cos(𝛼) = 𝑚 ∙ 𝑎 = 0 (2-20)
Despejando Fg tenemos:
𝐹𝑔 = 𝐶𝑟𝑟 ∙ 𝑚 ∙ 𝑔 ∙ cos(𝛼) − 𝑚 ∙ 𝑔 ∙ sin(𝛼) = 𝑚 ∙ 𝑔 ∙ [ 𝐶𝑟𝑟 ∙ cos(𝛼) − sin(𝛼) ] (2-20)
De esta forma la potencia obtenida durante la generación será:
𝑃𝑔 = 𝐹𝑔 ∙ 𝑣𝑔 = 𝑚 ∙ 𝑔 ∙ [ 𝐶𝑟𝑟 ∙ cos(𝛼) − sin(𝛼) ] ∙ 𝑣𝑔 (2-21)
siendo vg la velocidad media en la generación. De esta forma la energía generada al bajar las masas se puede
obtener como:
𝐸𝑏𝑎𝑗𝑎𝑟 = 𝑃𝑔 ∙ 𝑡𝑔 (2-22)
Donde tg es el tiempo empleado en la generación.
Asumiendo un comportamiento ideal (rendimiento del 100%) en el resto de los equipos que intervienen en la
generación, es posible obtener el rendimiento mecánico asociado al proceso de bajada de las masas (generación).
Para ello se conoce que la energía almacenada disponible de las masas es:
𝐸𝑎𝑙𝑚 = 𝑚 ∙ 𝑔 ∙ ℎ (2-17)
Por otro lado la ecuación 2-23 permite obtener la energía generada en la bajada y de esta forma ηbajar que es el
rendimiento por rodadura durante la generación:
𝜂𝑏𝑎𝑗𝑎𝑟 =𝐸𝑏𝑎𝑗𝑎𝑟
𝐸𝑎𝑙𝑚 =
𝑃𝑔 ∙ 𝑡𝑔
𝑚 ∙ 𝑔 ∙ ℎ
(2-23)
Por lo tanto la potencia que se genera al bajar una masa total m a una altura h vendrá dada por:
𝑃𝑔 = 𝜂𝑏𝑎𝑗𝑎𝑟 ∙𝑚 ∙ 𝑔 ∙ ℎ
𝑡𝑔
(2-23)
Teniendo en cuenta la segunda y tercera suposición que corresponde a las ecuaciones 2-7 y 2-8 respectivamente,
podemos comparar la potencia de almacenamineto y la de generación dadas por las ecuaciones 2-18 y 2-23,
respectivamente, obteniendo que:
𝑃𝑔
𝑃𝑎=
𝜂𝑏𝑎𝑗𝑎𝑟 ∙𝑚 ∙ 𝑔 ∙ ℎ
𝑡𝑔
𝑚 ∙ 𝑔 ∙ ℎ𝜂𝑠𝑢𝑏𝑖𝑟 ∙ 𝑡𝑎
= 𝜂𝑠𝑢𝑏𝑖𝑟 ∙ 𝜂𝑏𝑎𝑗𝑎𝑟
(2-24)
El tiempo empleado en el almacenamiento y en la generación son iguales.
Esta última ecuación permite obtener la relación entre la potencia obtenida por la generación y la empleada en
el almacenamiento de una masa m a una altura h, asumiendo que los equipos que intervienen en ambos procesos
36
son ideales.
De manera similar puede obtener que en términos de energía:
𝐸𝑏𝑎𝑗𝑎𝑟
𝐸𝑠𝑢𝑏𝑖𝑟 =
𝑃𝑔 ∙ 𝑡𝑔
𝑃𝑎 ∙ 𝑡𝑎= 𝜂𝑠𝑢𝑏𝑖𝑟 ∙ 𝜂𝑏𝑎𝑗𝑎𝑟
(2-25)
EJEMPLOS NUMÉRICOS
En primer lugar, vamos a calcular el valor del rendimiento de rodadura durante el almacenamiento y durante la
generación, para ello se va a cacular la energía almacenada que sería la energía potencial, después la energía
empleada en el almacenamiento y en la generación, y por ultimo, se dividirán.
En la insalación de ARES las masas son de 150 tn (150.000 Kg), el tren es de 220 tn (220.000 Kg) y la altura
entre depósitos es de 610 m. Vamos a suponer una única masa ya que sería proporcional si utilizaramos otro
número de masas. La energía potencial, como veremos más adelante, sería:
𝐸𝑝 = 𝑀 ∙ 𝑔 ∙ ℎ = (150.000 + 220.000) ∙ 9,81 ∙ 610 = 2.214,12 MJ
≅ 0,62 MWh = 𝐸𝑎𝑙𝑚
(2-17)
Se ha tenido en cuenta que 1 kWh = 3,6 x 106 J.
• Almacenamiento: Se trata de la energía empleada en el almacenamiento (subida):
𝑃𝑎 = 𝐹𝑎 ∙ 𝑣𝑎 = 𝑚 ∙ 𝑔 ∙ [ 𝐶𝑟𝑟 ∙ cos(𝛼) + sin(𝛼) ] ∙ 𝑣𝑎 =
= (150.000 + 220.000) ∙ 9,81 ∙ [0,0015 ∙ cos(4𝑜) + 𝑠𝑒𝑛 (4𝑜)] ∙ 8= 2.069.010,88 W ≅ 2,07 MW
(2-15)
• Generación: Se trata de la energía empleada en generación (bajada):
𝑃𝑔 = 𝐹𝑔 ∙ 𝑣𝑔 = 𝑚 ∙ 𝑔 ∙ [ 𝐶𝑟𝑟 ∙ cos(𝛼) − sin(𝛼) ] ∙ 𝑣𝑔 =
= (150.000 + 220.000) ∙ 9,81 ∙ [0,0015 ∙ cos(4𝑜) − 𝑠𝑒𝑛 (4𝑜)] ∙ 8= − 1.982.110,28 W ≅ − 1,98 MW
(2-21)
La energía empleada (Esubir y Ebajar) depende de la potencia y del tiempo, por lo que primero temenos que calcular
el tiempo de carga (almacenamiento) y descarga (generación) que será el mismo. Para calcular este tiempo se
realiza el siguiente esquema aclaratorio:
Figura 16. Tiempo
Por trigonometría sabemos que:
cos(4𝑜) = 𝑥
8.900
(2-26)
Despejando:
37
𝑥 = cos(4𝑜) ∙ 8.900 = 8.878 m (2-26)
Al tener la instalación de ARES un recorrido de 8,9 km el tiempo será:
𝑡 =𝑠
𝑣=
8.900
8≅ 1.112,5 s ≅ 19 minutos
(2-27)
• Almacenamiento:
𝐸𝑠𝑢𝑏𝑖𝑟 = 𝑃𝑎 ∙ 𝑡𝑎 = 𝑃𝑎 ∙ 1.112,5 = 2.069.010,88 ∙ 1.112,5 = 2.301.774.604,88 Ws ≅ 0,64 MWh
(2-16)
• Generación:
𝐸𝑏𝑎𝑗𝑎𝑟 = 𝑃𝑔 ∙ 𝑡𝑔 = 𝑃𝑔 ∙ 1.112,5 = (− 1.982.110,28 ) ∙ 1.112,5
= − 2.205.07.690,05 Ws ≅ − 0,61 MWh
(2-22)
Entonces los rendimientos de rodadura serían:
• Almacenamiento:
𝜂𝑠𝑢𝑏𝑖𝑟 = 𝐸𝑎𝑙𝑚
𝐸𝑠𝑢𝑏𝑖𝑟=
0,62
0,64≅ 0,97 = 97%
(2-18)
• Generación:
𝜂𝑏𝑎𝑗𝑎𝑟 =𝐸𝑏𝑎𝑗𝑎𝑟
𝐸𝑎𝑙𝑚 =
0,61
0,62 ≅ 0,98 = 98%
(2-23)
Comparando las potencias mediante los rendimientos de rodadura se obtiene:
𝑃𝑔
𝑃𝑎= 𝜂𝑠𝑢𝑏𝑖𝑟 ∙ 𝜂𝑏𝑎𝑗𝑎𝑟 = 0,97 ∙ 0,98 = 0,95
(2-24)
Despejando:
𝑃𝑔 = 0,95 ∙ 𝑃𝑎 (2-24)
Por lo tanto, la potencia empleada en el almacenamiento es un 5% superior a la empleada en la generación.
Esto se representa graficamente de la siguiente manera:
38
Figura 17. Almacenamiento-Generación 1
Se ha supuesto una única masa, ¿qué valores obtendríamos si el número de masas fuera 7? Hemos utilizado ese
número de masas porque es lo que permite llevar ARES en cada tren.
• Almacenamiento:
𝑃𝑎 = 𝐹𝑎 ∙ 𝑣𝑎 = 𝑀 ∙ 𝑔 ∙ [ 𝐶𝑟𝑟 ∙ cos(𝛼) + sin(𝛼) ] ∙ 𝑣𝑎 =
= (7 ∙ 150.000 + 220.000) ∙ 9,81 ∙ [0,0015 cos(4𝑜) + 𝑠𝑒𝑛 (4𝑜)] ∙ 8= 7.101.74. ,05 W ≅ 7,10 MW
(2-15)
𝐸𝑠𝑢𝑏𝑖𝑟 = 𝑃𝑎 ∙ 𝑡𝑎 = 𝑃𝑎 ∙ 1.112,5 = 7.101.74. ,05 ∙ 1.112,5 = 7.900.685.805,94 Ws ≅ 2,19 MWh
(2-16)
• Generación:
𝑃𝑔 = 𝐹𝑔 ∙ 𝑣𝑔 = 𝑀 ∙ 𝑔 ∙ [ 𝐶𝑟𝑟 ∙ cos(𝛼) − sin(𝛼) ] ∙ 𝑣𝑔 =
= (7 ∙ 150.000 + 220.000) ∙ 9,81 ∙ [0,0015 ∙ cos(4𝑜) − 𝑠𝑒𝑛 (4𝑜)] ∙ 8= −6.803.45,62 W ≅ −6,80 MW
(2-21)
𝐸𝑏𝑎𝑗𝑎𝑟 = 𝑃𝑔 ∙ 𝑡𝑔 = 𝑃𝑔 ∙ 1.112,5 = −6.803.45,62 ∙ 1.112,5
= −7.568.848.828,02 Ws = −2,10 MWh
(2-22)
Esto se representa graficamente de la siguiente manera:
39
Figura 18. Almacenamiento-Generación 2
Se comprueba que cuantas más masas almacenaminemos más energía se va a poder almacenar y más energía
vamos a poder generar.
2.5.2. Segundo caso
En este segundo caso queremos averiguar la relación de las masas durante el almacenamiento y la generación
suponiendo que no hay transitorios, que la velocidad de subida y bajada es la misma y que la potencia al
almacenar y al generar son iguales.
• Primera suposición: No hay transitorios ni en el arranque ni en la parada, es decir, se trata de regimen
permanente y por tanto:
∑ 𝐹𝑖
𝑖
= 𝑚 ∙ 𝑎 = 0, 𝑎 = 0 (2-6)
• Segunda suposición: La velocidad de subida y bajada de las unidades de transporte por la pendiente son
las misma (es lo que se indica en los detalles de la instalación), por lo que:
𝑣 = 𝑐𝑡𝑒, 𝑣𝑎 = 𝑣𝑔 (2-7)
• Tercera suposición: Tanto en el almacenamiento como en la generación las potencias son iguales:
𝑃𝑎 = 𝑃𝑔 (2-28)
Con estas suposiciones se pretende saber cuantas masas temenos que subir o bajar por la pendiente para obtener
la misma potencia.
De las ecuaciones 2-18 y 2-23 depejamos ma y mg, respectivamente:
𝑚𝑎 =𝑃𝑎 ∙ 𝑡𝑎 ∙ 𝜂𝑠𝑢𝑏𝑖𝑟
𝑔 ∙ ℎ
(2-18)
40
𝑚𝑔 =𝑃𝑔 ∙ 𝑡𝑔
𝜂𝑏𝑎𝑗𝑎𝑟 ∙ 𝑔 ∙ ℎ
(2-23)
Igualando estas ecuaciones y teniendo en cuenta las suposiciones que corresponde a las ecuaciones 2-6, 2,7 y 2-
28, se obtiene:
𝑚𝑎
𝑚𝑔=
𝑃𝑎 ∙ 𝑡𝑎 ∙ 𝜂𝑠𝑢𝑏𝑖𝑟 𝑔 ∙ ℎ𝑃𝑔 ∙ 𝑡𝑔
𝜂𝑏𝑎𝑗𝑎𝑟 ∙ 𝑔 ∙ ℎ
= 𝜂𝑠𝑢𝑏𝑖𝑟 ∙ 𝜂𝑏𝑎𝑗𝑎𝑟
(2-24)
EJEMPLO NUMÉRICO
En la instalación ARES que se va a construir en Nevada hay una pendiente de 7% (α = 4º) y un coeficiente de
rodadura de 0,0015 (Crr = 0,0015), sustituyendo estos valores en la ecuación anterior (2-28):
𝑚𝑎
𝑚𝑔 = 𝜂𝑠𝑢𝑏𝑖𝑟 ∙ 𝜂𝑏𝑎𝑗𝑎𝑟 = 0,97 ∙ 0,98 = 0,95
(2-24)
Despejando:
𝑚𝑎 = 0,95 ∙ 𝑚𝑔 (2-24)
Por lo que para obtener la misma potencia tanto almacenando como generando, se necesitan almacenando un
5% menos de masas que generando.
Ahora vamos a suponer que se van a subir 7 masas pero solo van a bajar 3 masas, ¿qué potencia se obtendría?
• Almacenamiento:
𝑃𝑎 = 𝐹𝑎 ∙ 𝑣𝑎 = 𝑀 ∙ 𝑔 ∙ [ 𝐶𝑟𝑟 ∙ cos(𝛼) + sin(𝛼) ] ∙ 𝑣𝑎 =
= (7 ∙ 150.000 + 220.000) ∙ 9,81 ∙ [0,0015 cos(4𝑜) + 𝑠𝑒𝑛 (4𝑜)] ∙ 8= 7.101.74. ,05 W ≅ 7,10 MW
(2-15)
𝐸𝑠𝑢𝑏𝑖𝑟 = 𝑃𝑎 ∙ 𝑡𝑎 = 𝑃𝑎 ∙ 1.112,5 = 7.101.74. ,05 ∙ 1.112,5 = 7.900.685.805,94 Ws ≅ 2,19 MWh
(2-16)
• Generación:
𝑃𝑔 = 𝐹𝑔 ∙ 𝑣𝑔 = 𝑚 ∙ 𝑔 ∙ [ 𝐶𝑟𝑟 ∙ cos(𝛼) − sin(𝛼) ] ∙ 𝑣𝑔 =
= (3 ∙ 150.000 + 220.000) ∙ 9,81 ∙ [0,0015 ∙ cos(4𝑜) − 𝑠𝑒𝑛 (4𝑜)] ∙ 8= −3.589.226,73 W ≅ −3,59 MW
(2-21)
𝐸𝑏𝑎𝑗𝑎𝑟 = 𝑃𝑔 ∙ 𝑡𝑔 = 𝑃𝑔 ∙ 1.112,5 = −3.589.226,73 ∙ 1.112,5
= −3.993.014.736,04 Ws = −1,11 MWh
(2-22)
Esto se representa graficamente de la siguiente manera:
41
Figura 19. Almacenamiento-Generación 3
2.6. Alternativas para el transporte de masas y pistas
En el sistema ARES vamos a encontrar dos tipos de masas que se van a transportar en las unidades de transporte
hacia arriba o hacia debajo de la pendiente según se trate de almacenamiento o de generación. También, existen
tres tipos de pistas sobre las que van a circular estas unidades de transporte.
En la patente no se deja claro donde se aloja el motor/generador y el sistema BTB, según lo estudiado se
considera que irán en las locomotoras al principio de cada tren.
2.6.1. Primera alternativa de masa
En la Figura 20 se muestra la primera de las alternativas para transportar las masas de un patio de
almacenamiento al otro. Las unidades de transporte (3) están sobre una serie de bogies (2) que transportan las
masas (1) en los carriles de la red ferroviaria. Las masas pueden ser de hormigón o de otro material rígido y
fuerte, pueden ser sólidas o huecas y llenas de carga (roca, tierra). Esto se muestra en la Figura 20:
LEYENDA
1 Masa
2 Bogies
3 Unidad de transporte
Figura 20. Primera alternativa masa 1
En la siguiente figura se puede ver con más detalle:
42
Figura 21. Primera alternativa masa 2
En la posición que se muestra en la Figura 21 la unidad de transporte puede rodar bajo las masas almacenadas.
Para cargar y descargas las masas, la bisagra plegable (6), que une la base (4) con un segundo bogie, se extiende
para elevar las masas de sus pilares de apoyo (5).
2.6.2. Segunda alternativa de masa
A continuación, se muestra en la Figura 22 la segunda alternativa para transportar las masas de un patio de
almacenamiento al otro.
LEYENDA
1 Masa
2 Bogies
3 Unidad de transporte
Figura 22. Segunda alternativa masa 1
En este caso, las masas son rectangulares (1) y se llevan longitudinalmente sobre la unidad de transporte (3) para
su transporte en la red ferroviaria.
En la Figura 23 se muestra con más detalle:
Figura 23. Segunda alternativa masa 2
Cada unidad de transporte emplea dos bogies (2) radiales de tres ejes (tres pares de ruedas). Cada unidad de
LEYENDA
1 Masa
2 Bogies
4 Base
5 Pilar de apoyo
6 Bisagra plegable
43
transporte incorpora un mecanismo de transferencia que permite que una masa sea levantada y girada desde una
orientación lateral (transversal). En medio de la unidad de transporte existe una mesa giratoria.
Para cargar una primera masa, la mesa giratoria se levanta, y coloca la primera masa en la primera unidad de
transporte. Mientras se está elevando la segunda masa, la primera masa y la mesa son giradas hasta colocarse
paralela a la pista. Esto se repite con la tercera y cuarta masa, entonces el conjunto está listo para ser enviado al
carril de potencia (se explicará más adelante).
Para descarga las masas se invierte el proceso. El conjunto entra en el patio de almacenamiento y una masa del
extremo es elevada y girada desde la posición longitudinal a la transversal para colocarse en los carriles de
almacenamiento. A medida que el conjunto se mueve hacia delante para colocar la primera masa, la masa
adyacente en el conjunto se levanta, se gira y se baja al carril de almacenamiento. Esto se repite para la tercera
y cuarta masa, luego el conjunto pasa por debajo de las masas almacenadas para llegar al patio de
almacenamiento de origen por la pista de retorno.
Estas son las dos alternativas de como cargar y descargar masas que se propone en el sistema ARES, a
continuación, vamos a explicar las tres alternativas que existen para las pistas. [10]
En las tres alternativas de las pistas el sistema está conectado a la red eléctrica local a través de línea de transporte
(2) conectada a una subestación (3) y la distrbución se lleva a cabo por líneas de distribución CA (4) y los
transformadores (5) que proporcionan interconexión eléctrica a carriles que proporcionan conexión a las
unidades de transporte. El sistema se controla con el SCADA (6). Esto se representa en la Figura 24:
Figura 24. Pista
2.6.3. Primera alternativa de pista
Esta primera alternativa consiste en un tren con multiples unidades de transporte (1) posicionadas sobre una pista
inclinada (2) como se puede ver en la Figura 25:
LEYENDA
1 Pista
2 Línea de transporte
3 Subestación
4 Líneas de distribución
5 Transformadores
6 SCADA
44
Figura 25. Primera alternativa pista 1
Inicialmente una agrupación de unidades de transporte se encuentra en la cola central (4), el tren está en
condición de parada. Al recibir una orden de almacenamiento (subir pendiente), se extrae energía de la red a
través de las líneas de distribución y de los transformadores para accionar el motor/generador en modo motor.
A medida que las unidades de transporte que se están desplazando se aproximan a una zona superior (3) se
desaceleran y se estacionan. Al recibir una orden de generación (bajar pendiente), las unidades de transporte que
se encuentran en la zona superior (3) tras la orden anterior de almacenamiento, empiezan a viajar cuesta abajo
produciendo potencia por frenado regenerativo y el motor/generador en modo generador está suminstrando
energía. Cuando estas unidades de transporte se aproximan a un grupo de unidades estacionadas en la cola central
(4), las cuatro unidades más abajo estacionadas (5) se liberan, ya que el conjunto entrante se detiene, se estaciona
y transfiere su energía cinetica al conjunto de la cola central más bajo (5).
¿COMO ACTÚA ESTA PISTA ANTE UNA ORDEN DE ALMACENAMIENTO O GENERACIÓN?
En primer lugar, el SCADA supervisa los comandos de los servicios auxiliares de ISO y se genera una orden de
almacenamiento o generación. En segundo lugar, el SCADA determina el número de unidades de transporte
para almacenar o suministrar la potencia requerida. En tercer lugar, se determina la localización de cada unidad
de transporte y se establece una prioridad según la cual se seleccionarán estas unidades. Cada unidad de
transporte que va llegando al patio de almacenamiento se desacelera hasta parar y la siguiente unidad, según la
prioridad, se va acelerando simultáneamente.
El algoritmo que representa lo anterior es el siguiente:
Figura 26. Primera alternativa pista 2
2.6.4. Segunda alternativa de pista
Esta alternativa consiste en un conjunto de unidades de transporte (1) situadas en el pato de almacenamiento
inferior (2) y otras situadas en el patio de almacenamiento superior (3). En la Figura 27 podemos verlo:
LEYENDA
1 Unidades de transporte
2 Pista
3 Cola superior
4 Cola central
5 Cola inferior
SCADA SUPERVISA
LOS COMANDOS
ALMACENAMIENTO/
GENERACIÓN
DETERMINAR Nº
UNIDADES
DETERMINAR LOCALIZACIÓN
UNIDADES
ESTABLECER PRIORIDAD
UNIDADES LLEGAN AL PATIO DE
ALMACENAMIENTO
DESACELERAR PARAR
SIGUIENTE UNIDAD ACELERA
45
Figura 27. Segunda alternativa pista
¿COMO ACTÚA ESTA PISTA ANTE UNA ORDEN DE ALMACENAMIENTO O GENERACIÓN?
En primer lugar, el SCADA supervisa los comandos de los servicios auxiliares de ISO y se genera una orden de
almacenamiento o generación:
• Orden de almacenamiento: Un determinado número de unidades de transporte del patio de
almacenamiento inferior (2) avanza por la pista de potencia (4) consumiendo energía extraída de la red.
Las unidades de transporte vacías (5) procedentes del patio de almacenamiento superior se desplazan
por la pista de paso (6) para llevar al patio de almacenamiento inferior para su colocación debajo de la
siguiente masa. Se descargan las masas en el patio de almacenamiento superior (3) y las unidades vacías
se devuelven por la pista de paso.
• Orden de generación: Un determinado número de unidades de transporte en el patio de almacenamiento
superior (3) avanza por la pista de potencia (4) para suministrar energía a la red. Las unidades de
transporte vacías (5) procedentes del patio de almacenamiento inferior (2) se desplazan por la pista de
paso (6) para llevar al patio de almacenamiento superior para su colocación debajo de la siguiente masa.
Se descargan las masas en el patio de almacenamiento inferior descarga las masas y las unidades vacías
se devuelven por la pista de paso.
El algoritmo que representa lo anterior es el siguiente
Figura 28. Segunda alternativa pista 2
2.6.5. Tercera alternativa de pista
La tercer alternativa consiste en dos trenes con multiples unidades de transporte que transportan masas por una
pista principal (1) que se extiende desde un patio de almacenamiento superior (2) a un patio de almacenamiento
inferior (3). También, dispone de una pista de derivacion (4) que tiene un interruptor superior (5) y otro
interruptor inferior (6). El primer tren (7) está cargado con masas y viaja sobre la pista principal respondiendo a
LEYENDA
1 Unidades de transporte
2 Patio almacenamiento inferior
3 Patio almacenamiento superior
4 Pista de potencia
5 Unidades de transporte vacías
6 Pista de paso
SCADA SUPERVISA LOS COMANDOS
ALMACENAMIENTO
UNIDADES CARGADAS DEL PATIO INFERIOR
AL SUPERIOR
UNIDADES VACÍAS DEL
PATIO SUPERIOR AL
INFERIOR
UNIDAD LLEGA AL
PATIO SUPERIOR
DESCARGAR
UNIDADES VACÍAS SE
DEVUELVEN POR LA PISTA DE
PASO
GENERACIÓN
UNIDADES CARGADAS DEL
PATIO SUPERIOR AL INFERIOR
UNIDADES VACÍAS DEL
PATIO INFERIOR AL
SUPERIOR
UNIDAD LLEGA AL
PATIO INFERIOR
DESCARGAR
UNIDADES VACÍAS SE
DEVUELVEN POR LA PISTA DE PASO
46
las ordendes de almacenamiento y generación. El segundo tren (8) está inicialmente vacío y situado en la pista
de derivación. Esto se representa en la Figura 29:
Figura 29. Tercera alternativa pista 1
¿COMO ACTÚA ESTA PISTA ANTE UNA ORDEN DE ALMACENAMIENTO O GENERACIÓN?
En primer lugar, el SCADA supervisa los comandos de los servicios auxiliares de ISO y se genera una orden de
almacenamiento o generación:
• Orden de almacenamiento: El primer tren que se encuentra cargado se acelera en dirección ascendente
por la pista principal en modo motor extrayendo energía de la red. Al pasar por el interruptor inferior,
se acelera el segundo tren en dirección al patio de almacenamiento inferior para cargarse. Cuando el
primer tren alcanza el patio de almacenamiento superior se desacelera, se descarga y se posiciona en la
pista de derivación, mientras el segundo tren ya cargado es acelerado hacia el patio de almacenamiento
superior por la pista principal. Se continua con el proceso con el primer y segundo tren ahora invertido.
• Orden de generación: El primer tren que se encuentra cargado se acelera en dirección descendente por
la pista principal en modo generador suministrando energía de la red. Al pasar por el interruptor
superior, se acelera el segundo tren en dirección al patio de almacenamiento superior para cargarse.
Cuando el primer tren alcanza el patio de almacenamiento inferior se desacelera, se descarga y se
posiciona en la pista de derivación, mientras el segundo tren ya cargado es acelerado hacia el patio de
almacenamiento inferior por la pista principal. Se continua con el proceso con el primer y segundo tren
ahora invertido.
LEYENDA
1 Pista principal
2 Patio de almacenamiento superior
3 Patio de almacenamiento inferior
4 Pista de derivación
5 Interruptor superior
6 Interruptor inferior
7 Primer tren
8 Segundo tren
47
El algoritmo que representa lo anterior es el siguiente:
Figura 30. Tercera alternativa pista 2
[13]
2.7. Sistema de control
El sistema de control de ARES está basado en un sistema BTB, por lo que primero vamos a explicar en lo que
consiste un sistema BTB y después, nos centraremos en el sistema de control de ARES.
2.7.1. Back to Back
Se utiliza un sistema BTB para la gestión del flujo de potencia entre dos sistemas interconectados de corriente
alterna. El convertidor de potencia BTB basado en convertidores tipo fuente de tension (VSC) es un método
usado para procesar eficazmente el flujo de potencia en sistema de CA interconectados, ya que permite controlar
de manera independiente tanto el flujo bidireccional de potencia activa como de potencia reactiva. Para el control
del flujo de potencia se considera uno de los esquemas de control más utilizado en aplicaciones para VSC que
ha demostrado un buen desempeño al desacoplar las componentes activa (componente directa, d) y reactiva
(componente en cuadratura, q) de los sistemas de CA y se conoce como control desacoplado de potencia.
El convertidor BTB está formado por convertidores VSC, el convertidor del lado de la red eléctrica es VSC1 y
el convertidor del lado de la carga es VSC2. La carga puede ser pasiva, activa u otra red eléctrica; en nuestro
caso un motor/generador. VSC1 y VSC2 comparten el bus de corriente continua (CD) a través del condensador
Ccd, el cual permite que ambos VSC se puedan controlar de manera independiente en cierto rango de potencia.
VSC1 y VSC2 pueden actuar como un rectificador o un inversor en función de la dirección del flujo de potencia.
Las flechas bidireccionales se utilizan para indicar que el flujo de potencia activa puede cambiar en cualquier
momento e ir en cualquier dirección y que la potencia reactiva puede ser controlada entre VSC1 y la red eléctrica
o VSC2 y la carga. La operación fundamental del convertidor BTB se explica al considerar VSC1 y VSC2 como
dos convertidores desacoplados en los cuales la amplitud, fase y frecuencia se pueden controlar de forma
independiente el uno del otro.
En la Figura 31, se muestra un convertidor BTB basado en VSC, se muestra un esquema con transistores IGBT
y diodos de protección:
SCADA SUPERVISA LOS COMANDOS
ALMACENAMIENTO
PRIMER TREN CARGADO
HACIA PATIO SUPERIOR
PRIMER TREN PASA
POR EL INTERUPTOR INFERIOR, SE
ACELERA SEGUNDO
TREN
PRIMER TREN LLEGA
AL PATIO SUPERIOR
DESACELERAR DESCARGAR PISTA DERIVACIÓN
SEGUNDO TREN
CARGADO HACIA PATIO
SUPERIOR
PISTA PRINCIPAL
GENERACIÓN
PRIMER TREN CARGADO
HACIA PATIO INFERIOR
PRIMER TREN PASA POR EL INTERUPTOR SUPERIOR, SE
ACELERA SEGUNDO
TREN
PRIMER TREN
LLEGA AL PATIO
INFERIOR
DESACELERAR DESCARGARPISTA
DERIVACIÓN
SEGUNDO TREN
CARGADO HACIA PATIO
INFERIOR
PISTA PRINCIPAL
48
Figura 31. Back to back
Para el manejo del flujo de potencia en convertidores BTB los objetivos de control pueden clasificar en:
• Regulación de potencia activa.
• Regulación de potencia reactiva.
• Regulación de la tensión en el bus de CD. Esta es necesaria para mantener el balance de potencias entre
VSC1 y VSC2.
Este convertidor incorpora las etapas de rectificación, inversión y filtrado.
Para entender el funcionamiento de un BTB vamos a hacer una representación del equivalente por fase:
Figura 32. Equivalente
La fuente controlada de tension Vpwm1 que representa la tension generada en las terminales del convertidor es
proporcional a la tension Ccd. La potencia aparente suministrada por la fuente de energía se calcula considerando
un reactancia de línea sin pérdidas:
𝑆1 = 𝑃1 + 𝑗 𝑄1 = 𝑉1 ∙ 𝑉𝑝𝑤𝑚1 ∙ sen(Ɵ1 − Ɵ2 )
𝑤1 ∙ 𝐿1
+ 𝑗 𝑉1
2 − 𝑉1 ∙ 𝑉𝑝𝑤𝑚1 ∙ cos(Ɵ1 − Ɵ2 )
𝑤1 ∙ 𝐿1
(2-29)
49
donde:
• V1: Magnitud de la fuente de alimentación.
• Ɵ1: Fase de la fuente de alimentación.
• Vpwm1: Magnitud de la fuente de tension controlada.
• Ɵ2: Fase de la fuete de tension controlada.
La caída de tensión VL1 a través de la bobina XL1 se puede variar para controlar la potencia activa y la potencia
reactiva.
De la ecuación 2-29 se observa que la potencia activa (P1) es función de la magnitud de la tensión de fase
instantánea (V1 y Vpwm1), del desfase entre V1 y Vpwm1 (Ɵ1 y Ɵ2)) y de la reactancia de enlace (XL1).
𝑃1 = 𝑉1 ∙ 𝑉𝑝𝑤𝑚1 ∙ sen(Ɵ1 − Ɵ2 )
𝑤1 ∙ 𝐿1
(2-29)
Por lo que el flujo de potencia activa (P1) se puede controlar cambiando el ángulo de fase (Ɵ1 - Ɵ2) entre la
tensión a frecuencia fundamental generada por el convertidor (Vpwm1) y la tensión en el bus de CD (Vcd).
De la ecuación 2-25 se observa que la potencia reactiva (Q1) se determina por la diferencia de las magnitudes de
la tensión de CA y la tensión fundamental generada en las terminales del convertidor:
𝑄1 = 𝑉1
2 − 𝑉1 ∙ 𝑉𝑝𝑤𝑚1 ∙ cos(Ɵ1 − Ɵ2 )
𝑤1 ∙ 𝐿1
(2-29)
La potencia activa y la reactiva se definen como positivas si la potencia fluye de la red eléctrica a la carga y el
desplazamiento del ángulo de fase (Ɵ1 - Ɵ2) como positivo si la tensión de salida del convertidor está en atraso
respecto a la tensión de la red eléctrica. [14]
2.7.2. ARES
El sistema de potencia BTB se emplea en ARES para proporcionar las caracterísicas requeridas a las unidades
de transporte electrificadas. Una vez que se ha explicado la utilización de un sistema BTB se van a describir los
elementos de los que consta este sistema en ARES.
Este sistema y las unidades de transporte están conectadas por el interruptor del circuito principal (1).
Los contactores de la línea principal (4), son controlados por la unidad de tracción (TCU) (5). Esta unidad de
tracción es un dispositivo que controla las transmisiones automáticas electrónicas, es decir, mediante sensores
calcula como y cuando cambiar los engranajes para obtener un mayor rendimiento.
Los contactores se conectan a través de un filtro (6) a un primer rectificador/inversor (7) que emplea IGBT
(circuito de transistor bipolar de puerta aislada). El segundo rectificador/inversor (7) transfiere energía a (o
desde) el motor (generador) (8).
Los sensores de tensión y corriente (9-10) situados a la izquierda del control a bordo son empleados para detectar
y controlar el lado del rectificador/inversor. Los situados a la derecha del control de a bordo son empleados para
detectar y controlar el motor/generador.
Los contactores de derivación inversa (11) permiten la conexión directa del motor/generador al sistema de
potencia y que pueda funcionar a velocidad síncrona la unidad de transporte. Cuando sea necesario, el control a
bordo vuelve a conectar el circuito IGBT rectificador/inversor, desconectando los contactores de la derivación
inversa y así empieza a desacelerar la unidad de transporte.
Lo descrito anteriormente se muestra en la Figura 33:
50
Figura 33. Sistema control ARES
[10] [13]
2.8. Frenado regenerativo
Para entender como se va a obtener electricidad de las masas almacenadas en el patio de almacenamiento
superior necesitamos entender que es el frenado regenerativo ya que gracias a él la energía almacenada se
convertirá en electricidad.
El frenado regenerativo es un tipo de freno dinámico. El freno dinámico es cuando los motores eléctricos de
tracción son usados como generadores para disminuir la velocidad. Las ventajas de este tipo de freno son:
• Reducción del desgaste de los componentes.
• Reducción del consumo de energía.
Tipos de freno dinámico:
• Freno reostático: Cuando la electricidad generada es disipada en forma de calor por resistencias.
• Freno regenerativo: Es un dispositivo que permite reducer la velocidad de un vehículo transformando
su energía cinética en energía eléctrica. Esta energía producida es devuelta a la línea de alimentación o
almacenada en baterías, en nuestro caso a la red.
2.8.1. Funcionamento
Durante el frenado, el estátor del motor está conectado al generador, mientras que el rotor está conectado a las
resistencias. Las ruedas hacen girar al rotor, estando el estátor excitado, el motor actúa como generador. Durante
el frenado dinámico los motores de tracción están funcionando como generadores y conectados a resistencias,
las cuales imponen una carga causando que disminuya la rotación del motor.
En los ferrocarriles se usa el frenado regenerativo mediante el cual la electricidad producida se devuelve a la
línea de alimentación para ser usada por otras locomotoras. [15]
2.9. Control de potencia-frecuencia.
Las tencologías de generación eólica y fotovoltaica tienen el problema fundamental de no ser tecnologías de
generación constante y las fluctuaciones que se producen se traducen en desequilibrios entre
generación/demanda, necesitando un control de potencia/frecuencia. El control potencia/frecuencia consiste en
un conjunto de acciones que mantienen la frecuencia en unos valores en torno a la frecuencia nominal,
51
corrigiendo los desequilibros entre generación/demanda. Para cumplir esto, el control potencia/frecuencia se
organiza en dos niveles:
• Regulación primaria.
• Regulación secundaria.
A continuación, se va a explicar cada regulación con más detalle.
Se muestra en la Figura 34 de manera esquemática el balance de potencias de las que disponemos en nuestro
Sistema:
Figura 34. Balance potencias
La frecuencia de un sistema eléctrico está relacionada con el equilibrio entre generación-demanda:
𝑃𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = 𝑃𝑑𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑𝑎 + 𝑃𝑝é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 (2-25)
Si este balance es alterado, la frecuencia experimenta un cambio respecto a su valor nominal:
• Si la generación es superior a la demanda más las pérdidas, aumenta la frecuencia por encima de su
valor nominal:
𝑃𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 > 𝑃𝑑𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑𝑎 + 𝑃𝑝é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 (2-26)
• Si la generación es inferior a la demanda más las pérdidas, disminuye la frecuencia por debajo de su
valor nominal:
𝑃𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 < 𝑃𝑑𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑𝑎 + 𝑃𝑝é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 (2-27)
2.9.1. Regulación primaria.
El control primario de frecuencia (CPF) ejerce su acción mediante los controladores de los generadores
convencionales, aumentando la potencia de salida para restaurar el equilibrio generación-demanda.
La regulación primaria es la primera acción de control realizada automáticamente por los reguladores de
velocidad de los generadores para corregir un desequilibrio entre generación-demanda. Consiste en aumentar la
potencia de salida para restaurar el desequilibrio. Características:
- Tiempo de respuesta 2s – 20s.
- El principal objetivo es estabilizar la frecuencia del sistema en un valor cercano al valor nominal.
2.9.2. Regulación secundaria.
Una vez finalizado el proceso del control primario de frecuencia, el sistema logra alcanzar un equilibrio entre
generación-demanda, pero aún existe una desviación de la frecuencia con respecto a su valor nominal y es
52
entonces cuando actúa la regulación secundaria. Consiste en disminuir o inyectar potencia adicional al sistema
con el fin de alcanzar el valor de frecuencia nominal. Características:
- Tiempo de respuesta 20 s – 2m.
- Su función principal es devolver al sistema a la frecuencia de referencia. [16]
53
3 INSTALACIÓN DE NEVADA
as obras de la instalación de ARES que se va a construir en Pahrump, Nevada empezarán a finales del 2017
o principios del 2018 para empezar a funcionar a principios del 2019. Este proyecto tiene unos costes de
inversión de 55 millones de dólares (50 millones de euros).
Los organismos que intervienen:
• ARES construirá, operará y mantendrá las instalaciones.
• VEA (Valley Electric Association – Asociación Eléctrica Valle) construirá y gestionará los
componentes de transporte.
3.1. Características
ARES está desarrollando su primera instalación en los condados de Clark y Nye, Nevada, para ayudar en la
estabilidad y confiabilidad del sistema de transporte y administración de suministro de electricidad en la red
eléctrica regional. El proyecto es un sistema de servicio auxiliar de 50 MW para almacenar o suministrar energía
eléctrica a la red eléctrica regional. El proyecto propuesto no produce más energía de la que se introduce en su
sistema; por lo tanto, no es una instalación de generación eléctrica.
Figura 35. Trenes
En la Figura 35 podemos ver como quedaría la instalación cuando se construya.
Este proyecto servirá como un proveedor de servicios auxiliares conectado a la VEA y que responde a los
comandos del operador de transmisión regional CAISO (California Independent System Operator - Operador
del Sistema Independiente de California).
El proyecto de Nevada hará una oferta en el mercado de servicios auxiliares CAISO, en respuesta a las señales
que el operador de la red envíe cada cuatro segundos para ayudar en el equilibrio de la oferta y la demanda.
Varios trenes podrían estar moviéndose hacia arriba o hacia abajo (carga o descarga) cientos de veces al día en
respuesta a las necesidades de la ISO.
Beneficios económicos: [17]
• Costo estimado: 55 millones $ (50 millones €).
• Construcción: 100 a 125 puestos de trabajo a tiempo completo para un periodo de construcción de ocho
meses.
• Vida útil: 30 a 40 años, solo con mantenimiento rutinario.
• Estimación del beneficio económico agregada a la zona de: 100 millones $ (95 millones €).
L
54
3.2. Prototipo de Tehachapi
ARES ha construido y operado con éxito un proyecto de almacenamiento de energía basado en carriles en
Tehachapi, California, que demuestra su tecnología de almacenamiento de energía. El sistema almacena y libera
energía eléctrica al trasladar por la pendiente un vehículo ferroviario de seis toneladas a lo largo de un ferrocarril
electrificado. Las pruebas han demostrado con éxito la capacidad de ARES de ingresar o retirar rápidamente
energía de la red eléctrica en respuesta a las fluctuaciones de las cargas eléctricas. [11]
3.3. Impactos ambientales
3.3.1. Fauna y flora
Las tortugas pueden quedarse atrapadas en los carriles por lo que la compañía construirá rampas de escape y
túneles de salida a lo largo de la pista. Todos los días un biólogo caminará a lo largo de la pista para eliminar
tortugas, otros animales y arbustos en el camino. Esta comprobación diaria de la pista ocurriría durante la vida
útil del proyecto (alrededor de 40 años).
Figura 36. Fauna y flora
En la Figura 36 podemos ver la zona donde se va a construir ARES.
Con el fin de minimizar los impactos en el hábitat de la tortuga del desierto, y para abordar la posibilidad de que
una tortuga quedara atrapada entre los carriles de la pista, se están incorporando cruces especiales de tortugas y
pasajes de escape al diseño del proyecto. Así, si una tortuga quedara atrapada entre los rieles, los conductos de
escape permitirán que una tortuga pasara por debajo de un riel.
Una gran cantidad de pavimento desértico se verá perturbada. Los cactus y árboles de Joshua serán retirados,
aproximadamente 4.000 árboles serán destruidos. [18]
3.3.2. Inundaciones
La pista se construirá en un abanico aluvial con una suave pendiente, con el mínimo de corte y relleno durante
la construcción. Existen preocupaciones acerca de las inundaciones y escombros por flujos de lodo y roca
irregulares durante las tormentas.
3.3.3. Impactos visuales
• La pista estará equipada con iluminación de seguridad.
• Los vagones tendrán pintura gris para reducir el impacto visual.
3.3.4. Vecinos y casas
Un vecino comentó que el sistema ARES iba a destruir su vista y que habría mucho ruido al ser al aire libre.
Pero se ha estudiado la amortiguación de ruido, así como los impactos acumulativos.
Al tratarse de grava y tierra se utilizarán paliativos para mantener el polvo hacia abajo.
55
3.4. Componentes de la instalación
La instalación va a estar compuesta por:
• Carril ferroviario: Es de 8,9 km. El carril incluye la línea de ferrocarril, una vía de acceso y una línea de
distribución de alta tensión en paralelo.
• Vagones: Trenes compuestos por dos locomotoras eléctricas (220 toneladas cada una) y varios coches
pesados (150 toneladas cada uno), ascenderán y descenderán el carril en velocidades lentas (18 mph).
• Instalaciones de operaciones, control y mantenimiento: Las operaciones ferroviarias serán compatibles
con un centro de operaciones y control de proyectos, una instalación de mantenimiento y una
subestación. Un sistema de monitoreo remoto se instalará en un centro para permitir el seguimiento de
la línea de ferrocarril.
• Interconexión: Para conectar el proyecto ARES a la red local, el plan preliminar de VEA incluye:
o Una nueva subestación adyacente a las instalaciones de operación, de control y de
mantenimiento de ARES.
o Una nueva línea de interconexión de transporte de 1,2 km instalada y operada por VEA para
conectar la subestación a una línea de transporte existente de 230 kV.
[19]
3.5. Actividades Pre-Construcción
Se van a describir las actividades llevadas a cabo antes de la construcción del proyecto:
• Tierra: Se llevaron a cabo múltiples estudios exploratorios y de análisis ambiental, incluyeron estudios
botánicos y exámenes de presencia/ausencia de tortugas en el desierto.
• Ingeniería: Se investigarán las carreteras y las vías de acceso temporal para la construcción y
mantenimiento de las líneas de transporte.
• Recursos naturales: Se pretendía localizar, documentar y evaluar los recursos arqueológicos ubicados
dentro del área.
• Biológicas: Se realizaron inspecciones de la tortuga y se observó una tortuga viva y se identificaron
múltiples madrigueras. [19]
3.6. Construcción
La construcción durará aproximadamente nueve meses, implica movimiento de tierras, provisiones de drenaje,
colocación de materiales típicos de la carretera y la construcción de servicios de alineación de tren, la
construcción de edificios de operaciones, la línea de transporte de energía y la línea de ferrocarril. Algunas de
estas actividades se realizarán simultáneamente.
Posibles problemas y su solución:
• Acceso recreativo: Los caminos existentes no serán bloqueados o cerrados.
• Tortuga del desierto: Un cruce será instalado y alcantarillas diseñadas para acomodar el movimiento.
• Polvo: La creación de polvo se evitará en lo posible.
• Ruido: El trabajo de construcción tendrá lugar durante las horas de luz.
• Caballos y Burros: El carril ferroviario no serán cercado pero el tren será de movimiento lento.
3.7. Demolición
Al final de la vida del proyecto, todas las estructuras serán removidas por ARES y eliminadas usando las normas
actuales para demolición y eliminación en Nevada. Los ferrocarriles serán completamente removidos. Las
56
superficies perturbadas se restaurarán al contorno original de la superficie terrestre. Las plantas nativas
recuperadas se usarán para la revegetación, si es apropiado, junto con la siembra usando mezclas de semillas.
Todos los materiales serán almacenados y eliminados de manera aprobada. [19]
3.8. Datos
Algunos de los datos de la instalación de ARES que se va a llevar a cabo en Nevada son:
ESPECIFICACIONES ELÉCTRICAS
Eficiencia de ida/vuelta 80%
Potencia subestación 75 MVA
Transformador subestación 230 kV
FDP 0,95
ESPECIFICACIONES GENERALES
Localización del sistema Pahrup, Nevada
Número de pistas 2
Longitud 5,5 millas (8,9 km)
Elevación 2.000 ft (610 m)
Pendiente 7% (4º)
ESPECIFICACIONES TRENES
Número de trenes 7
Locomotoras por tren 2
Peso cada locomotora 220 tn
Masas por tren 7
Peso cada masa 150 tn
Número de masas 60
Velocidad del tren 18 mph (8 m/s)
Tabla 7. Datos Nevada [20]
57
4 ARES
sta propuesta es una iniciativa de la compañía ARES, una empresa principiante con sede en Santa Bárbara
que lleva el nombre de su tecnología, Advanced Rail Energy Storage y y tiene oficinas múltiples en
California, un centro de investigación en Tehachapi (California) y está desarrollando una segunda
instalación en Moorpark (California). Además, suministra sistemas de frenado regenerativo en los vehículos
eléctricos. Esta compañía se ha asociado con VEA, una cooperativa que proporcionará la interconexión con
California donde planean vender servicios auxiliares de energía mediante esta tecnología.
ARES se compromete a proporcionar la tecnología de almacenamiento de energía a escala de red que permitirá
una integración mucho más amplia y segura de las nuevas tecnologías de generación que reducen nuestra
dependencia de los combustibles fósiles. Desde su fundación en febrero de 2010, ARES ha desarrollado y
presentado patentes nacionales e internacionales para un método avanzado de almacenamiento eléctrico a escala
de red. Las instalaciones de ARES están diseñadas para proporcionar seguridad y confiabilidad a la red, apoyar
el uso creciente de tecnologías renovables y proporcionar una solución de almacenamiento de energía que no
dependa del agua. ARES utiliza el poder de la gravedad para lograr todo esto.
Jim Kelly, director ejecutivo de ARES, tiene más de 38 años de experiencia en servicios de energía eléctrica. Él
es ex-vicepresidente de transporte y distribución del Sur de California, Jim fué uno de los primeros pioneros de
la red inteligente y condujo a los avances en la detección de la red, monitoreo y control.
ARES se dedicada al diseño, desarrollo y construcción de sistemas de almacenamiento de energía ferroviarios.
[20]
E
58
5 COMPARACIONES
a tecnología de almacenamiento de ARES tiene una serie de caracterísitcas que lo diferencian de otros
sistemas de almacenamiento de energía. El bombeo podría ser la tecnología de almacenamiento que más
se aproxime a ARES y por eso vamos a centrarnos en comparar ambas tecnologías.
5.1. Características
Las características de las que dispone el sistema de almacenamiento de ARES son:
• Cuidado del medio ambiente: ARES no produce emisiones y no requiere combustibles fósiles ni agua
ni ningún material dañino. Tampoco crea residuos peligrosos. Además, puede ser desmantelado de
forma rápida y limpia sin ningún impacto duradero en el medio ambiente.
• La degradación de la instalación es baja y la cantidad de almacenamiento disponible está limitada por
la elevación.
• ARES puede responder a aumentos o disminuciones de la demanda en cuestión de segundos.
• Las baterías son buenas para el almacenamiento de energía en escala de tiempo de minutos o horas,
mientras que ARES es bueno para una escala de tiempo ligeramente más larga.
5.2. Comparación de un sistema de bombeo con ARES
El dispositivo de almacenamiento de energía potencial convencional, bombeo, es un método que almacena
energía potencial contenida en agua bombeada hacia arriba contra la fuerza de la gravedad. En el bombeo, el
agua se bombea desde un depósito inferior a un depósito superior para almacenarla. Cuando hay demanda, se
libera el agua almacenada a través de turbinas para convertir la energía almacenada en electricidad.
Tanto el sistema ARES como el bombeo para almacenar energía suben un sólido o un líquido desde un depósito
inferior a uno superior y luego el proceso contrario cuando hay mucha demanda. Estos procedimientos se basan
en la energía potencial cuya fórmula es:
𝐸𝑝 = 𝑚 ∙ 𝑔 ∙ ℎ (5-1)
donde:
• m: Masa.
• g: Aceleración de la gravedad.
• h: Altura.
En primer lugar, vamos a explicar como se obtiene la fórmula de la energía potencial.
5.2.1. Energía potencial
La energía potencial (Ep) va a depender del tipo de interacción que se ejerce sobre el cuerpo, de su posición y de
la configuración en el espacio. La energía potencial se relaciona con el trabajo realizado por las fuerzas para
trasladar el cuerpo de un sitio a otro.
El trabajo (W) entre energías potenciales se define como:
L
59
𝑊𝐴𝐵 = ∫ �⃗� ∙ 𝑑𝑙⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ 𝐴
𝐵
= 𝐸𝑝𝐴− 𝐸𝑝𝐵
(5-2)
Se considera una masa M en el origen del sistema de coordenadas como fuente del campo gravitatorio y se elige
como referencia el infinito, punto en el que cualquier masa tiene Wp = 0. La energía potencial es el trabajo
necesario para llevar una masa m desde el infinito hasta A definido por la coordenada r (distancia de A al origen
de coordenadas):
𝑊𝐴𝐵 = 𝐸𝑝𝐴− 𝐸𝑝∞
= − ∫ 𝐹𝑔⃗⃗ ⃗⃗ ∙ 𝑑𝑟⃗⃗⃗⃗⃗
𝐴
∞
(5-3)
donde Fg es la fuerza gravitatoria sobre m situada a una distancia r de M que crea el campo gravitatorio:
𝐹𝑔 = 𝐺 ∙ 𝑀 ∙ 𝑚
𝑟2
(5-4)
Sustituyendo la ecuación 5-4 en la 5-3 se obtiene:
𝑊𝐴𝐵 = 𝐸𝑝𝐴− 𝐸𝑝∞
= − ∫ 𝐹𝑔 ∙⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ 𝑑𝑟⃗⃗⃗⃗⃗ 𝐴
∞
= − ∫ 𝐺 ∙ 𝑀 ∙ 𝑚
𝑟2
𝐴
∞
∙ 𝑑𝑟 =
= 𝐺 ∙ 𝑀 ∙ 𝑚 [1
𝑟𝐴−
1
∞] =
𝐺 ∙ 𝑀 ∙ 𝑚
𝑟𝐴 = 𝑊𝑝𝐴
(5-5)
La formula 5-1 es un caso particual de la ecuación anterior (5-3) cuando la masa se encuentra a una altura
pequeña sobre la superficie de la tierra y suponemos:
𝑟1 = 𝑅𝑡 + ℎ1 (5-6)
𝑟2 = 𝑅𝑡 + ℎ2 (5-7)
donde Rt es el radio de la tierra.
∆𝐸𝑝 = 𝐸𝑝2− 𝐸𝑝1
= 𝐺 ∙ 𝑀 ∙ 𝑚 [1
𝑟1−
1
𝑟2] =
= 𝐺 ∙ 𝑀 ∙ 𝑚 [1
𝑅𝑡 + ℎ1−
1
𝑅𝑡 + ℎ2] ≅ 𝐺 ∙ 𝑀 ∙ 𝑚[
ℎ2 − ℎ1
𝑅𝑡2 ]
(5-5)
Se ha supuesto que Rt x (h1 +h2) y h1 x h2 <<<<< Rt y se despecian, además:
𝑔 =𝐺 ∙ 𝑀
𝑅𝑡2
(5-8)
Por lo que se obtiene:
∆𝐸𝑝 = 𝐸𝑝2− 𝐸𝑝1
= 𝐺 ∙ 𝑀 ∙ 𝑚 [ℎ2 − ℎ1
𝑅𝑡2 ] = 𝑔 ∙ 𝑚 ∙ [ℎ2 − ℎ1]
(5-5)
donde:
• g: Aceleración de la gravedad.
• m: Masa del cuerpo.
• h2 – h1: Diferencia de altura entre dos puntos. [21]
60
5.2.2. Demostraciones
Se van a relizar una serie de suposiciones para comparar el sistema ARES con el de bombeo.
5.2.2.1. Primer caso
En este primer caso se quiere estudiar cuanta energía es posible almacenar con cada sistema.
• Primera suposicón: La altura (h) entre los parques de almacenamiento o depóstios es la misma para
ambos sistemas:
ℎ𝐴 = ℎ𝐵 (5-9)
• Segunda suposición: El volumen (V) de masas de hormigón almacenadas o de agua es el mismo para
ambos sistemas.
𝑉𝐴 = 𝑉𝐵 (5-10)
Fórmula de la energía potencial:
𝐸𝑝 = 𝑚 ∙ 𝑔 ∙ ℎ (5-1)
Según las suposiciones realizadas y como la aceleración de la gravedad (g) es la misma para ambos sistemas
vamos a centrarnos en la masa:
𝑚 = 𝜌 ∙ 𝑉 (5-11)
donde:
• v: volumen.
• ρ: Densidad:
o Bombeo: La densidad del agua es: ρ = 1 g/cm3
o ARES, suponemos que la masa es de hormigón, la densidad del hormigón es: ρ = 2,2 g/cm3
Por tanto, la diferencia entre ambos sistemas va a estar en la densidad de las sustancias que transportan de un
depósito a otro. La fórmula de la energía potencial para cada sistema sería:
BOMBEO
𝐸𝑝𝐵= 𝑚 ∙ 𝑔 ∙ ℎ = 𝜌 ∙ 𝑉 ∙ 𝑔 ∙ ℎ = 1 ∙ 𝑉 ∙ 𝑔 ∙ ℎ
(5-12)
ARES
𝐸𝑝𝐴= 𝑚 ∙ 𝑔 ∙ ℎ = 𝜌 ∙ 𝑉 ∙ 𝑔 ∙ ℎ = 2,2 ∙ 𝑉 ∙ 𝑔 ∙ ℎ
(5-13)
Teniendo en cuenta la primera y segunda suposición que corresponden a las ecuaciones 5-9 y 5-10
respectivamente, obtenemos:
𝐸𝑝𝐴= 2,2 ∙ 𝑉 ∙ 𝑔 ∙ ℎ = 2,2 ∙ 𝐸𝑝𝐵
(5-14)
61
Es decir, es posible en estas condiciones almacenar con ARES más del doble de energía que con una
instalación de bombeo.
5.2.2.2. Segundo caso
En este segundo caso queremos averiguar la relación que existen entre las alturas de los depósitos.
• Primera suposición: La capacidad de energía potencial almacenda (Ep) en bombeo y ARES va a ser la
misma:
𝐸𝑝𝐴= 𝐸𝑝𝐵
(5-15)
• Segunda suposición: El volumen (V) de masas de hormigón almacenadas o de agua es el mismo para
ambos sistemas.
𝑉𝐴 = 𝑉𝐵 (5-10)
Teniendo en cuentas las ecuaciones 5-12 y 5-13 y las suposiciones, se obtiene:
𝑉 ∙ 𝑔 ∙ ℎ𝐵 = 2,2 ∙ 𝑉 ∙ 𝑔 ∙ ℎ𝐴 (5-16)
Despejando:
ℎ𝐵 = 2,2 ∙ ℎ𝐴 (5-16)
Por tanto, se demuestra que con bombeo se necesita más del doble de la altura que con ARES para obtener la
misma energía potencial.
5.2.2.3. Tercer caso
En este tercer caso queremos estudiar el volumen que puede almacenar cada sistema.
• Primera suposición: La energía potencial (Ep) en bombeo y ARES va a ser la misma:
𝐸𝑝𝐴= 𝐸𝑝𝐵
(5-15)
• Segunda suposicón: La altura (h) entre los parques de almacenamiento o depóstios es la misma para
ambos sistemas:
ℎ𝐴 = ℎ𝐵 (5-9)
Teniendo en cuentas las ecuaciones 5-12 y 5-13 y las suposiciones, se obtiene:
𝑉𝐵 ∙ 𝑔 ∙ ℎ = 2,2 ∙ 𝑉𝐴 ∙ 𝑔 ∙ ℎ (5-17)
Es decir:
𝑉𝐵 = 2,2 ∙ 𝑉𝐴 (5-17)
Por tanto, se demuestra que con bombeo se necesita más del doble de volumen que con ARES para obtener la
misma energía potencial.
Al realizar una serie de suposiciones para comparar ARES con bombeo se comprueba que la diferencia radica
en la densidad de la sustancia utilizada para almacenar, y que al tener una mayor densidad se obtienen mejores
resultados.
62
5.2.3. Rendimientos
Cuando nos referimos a la potencia entran en juego los rendimientos de cada sistema que van a depender de
cuando se almacena o se genera energía:
5.2.3.1. Bombeo
ALMACENAMIENTO
𝐸𝑎𝑙𝑚 = 𝐸𝑏𝑜𝑚𝑏 ∙ 𝜂𝐵 ∙ 𝜂𝑀 ∙ 𝜂𝑇 ∙ 𝜂𝐻 = 𝐸𝑏𝑜𝑚𝑏 ∙ 𝜂𝑎𝑙𝑚 (5-18)
donde:
• Ebomb: Energía consumida de la red durante el bombeo.
• ηB: Rendimiento de la bomba.
• ηM: Rendimiento de la máquina motor/generador como motor.
• ηT: Rendimiento del transformador.
• ηH: Pérdidas debidas a las tuberías.
• ηalm: Rendimiento en el almacenamiento.
GENERACIÓN
𝐸𝑔𝑒𝑛 = 𝐸𝑡𝑢𝑟 ∙ 𝜂𝑡𝑢𝑟 ∙ 𝜂𝐺 ∙ 𝜂𝑇 ∙ 𝜂𝐻 = 𝐸𝑡𝑢𝑟 ∙ 𝜂𝑔𝑒𝑛 (5-19)
donde:
• Etur: Energía almacenada.
• ηtur: Rendimiento de la turbina.
• ηG: Rendimiento de la máquina motor/generador como generador.
• ηT: Rendimiento del transformador.
• ηH: Pérdidas debidas a las tuberías.
• ηgen: Rendimiento en la generación.
Vamos a suponer que la misma energía almacenada es la utilizada para generar, es decir:
𝐸𝑎𝑙𝑚 = 𝐸𝑡𝑢𝑟 (5-20)
Sustituyendo esto en las ecuaciones 5-18, 5-19 y 5-20, tenemos:
𝐸𝑔𝑒𝑛 = 𝐸𝑡𝑢𝑟 ∙ 𝜂𝑔𝑒𝑛 = 𝐸𝑏𝑜𝑚𝑏 ∙ 𝜂𝑎𝑙𝑚 ∙ 𝜂𝑔𝑒𝑛 (5-21)
Si ηCICLO = ηalm x ηgen entonces:
𝐸𝑔𝑒𝑛 = 𝐸𝑏𝑜𝑚𝑏 ∙ 𝜂𝐶𝐼𝐶𝐿𝑂 (5-21)
63
Valor típico de ηCICLO = 70%, Egen = 0,70 x Ebomb, lo que quiere decir que si se consume en bombeo una energía
de 100 MWh genero solo 70 MWh.
El rendimiento de ciclo es:
𝜂𝐶𝐼𝐶𝐿𝑂 = 𝜂𝑎𝑙𝑚 ∙ 𝜂𝑔𝑒𝑛 = (𝜂𝐵 ∙ 𝜂𝑀 ∙ 𝜂𝑇 ∙ 𝜂𝐻) ∙ (𝜂𝑡𝑢𝑟 ∙ 𝜂𝐺 ∙ 𝜂𝑇 ∙ 𝜂𝐻)
(5-22)
Se ha realizado una búsqueda para obtener el valor de cada uno de estos rendimientos, para ello hemos buscado
los valores de rendimiento para unos dispositivos de las mismas características que los utilizados en Guillena:
• Turbina/bomba: En la central de Guillena se utiliza una turbina Francis.
Figura 37. Rendimineto turbina [22]
Vamos a suponer un caudal nominal del 80%, por lo que obtenemos un 92% de rendimiento.
• Transformador: Datos transformador trifásico 20/220 kV, 50 MVA.
En el catálogo Smit transformer se encuentran unos estudios realizados para transformadores de 12,5
MVA a 140 MVA que indican según la potencia aparente las pérdidas en vacío y en cortocircuito, las
gráficas son las siguientes:
o Pérdidas en vacío:
Figura 38. Pérdidas vacío [23]
64
o Pérdidas de cortocircuito:
Figura 39. Pérdidas cortocircuito [23]
Las tres líneas que aparecen en las gráficas representan:
o Rojo: Valores según DIN 42508.
o Negro: Normativa EVU típica.
o Azul: Valores realizables mediante SGB.
Nos quedamos en la línea azul que se trata de este catálogo. Para nuestro caso que el transformador es
de 50 MVA, Po = 5 kW y Pcc = 75 kW.
Las pérdidas del hierro son las de vacío:
𝑃𝐹𝑒 = 𝑃𝑜 = 5 kW = 5.000 W (5-23)
Las pérdidas de cobre son proporcionales a las de cortocircuito:
𝑃𝐶𝑢 = 𝑐2 ∙ 𝑃𝑐𝑐 = 0,92 ∙ 75.000 = 60.750 W = 60,75 kW (5-24)
donde c es el índice de carga y su fórmula es:
𝑐 = 𝐼2
𝐼𝑛=
118,09
131,20= 0,9
(5-25)
La intensidad nominal (In) se calcula porque en el catálogo se indica una potencia nominal de 100
MVA y una tensión nominal de 525 kV:
𝐼𝑛 = 𝑆𝑛
√3 ∙ 𝑈2
= 50.000.000
√3 ∙ 220.000= 131,20 A
(5-26)
50 MVA sería la potencia aparente máxima de esta central, vamos a suponer que a la hora del
funcionamiento esta potencia sería un 90% entonces la intensidad a la salida del transformador sería:
65
𝐼2 = 𝑆2
√3 ∙ 𝑈2
= 45.000.000
√3 ∙ 220.000= 118,09 A
(5-27)
La potencia a la salida del transformador sería:
𝑃2 = √3 ∙ 𝑈2 ∙ 𝐼2 ∙ cos 𝜑 = √3 ∙ 220.000 ∙ 118,09 ∙ 0,95= 42.748.416,89 W
(5-28)
Las pérdidas totales serían:
𝑃𝑡 = 𝑃𝐹𝑒 + 𝑃𝐶𝑢 = 5.000 + 60.750 = 65.750W = 65,75 kW (5-29)
El rendimiento se obtendría como:
𝜂𝑇 = 𝑃2
𝑃2 + 𝑃𝑡=
42.748.416,89
42.748.416,89 + 65.750= 0,99 = 99%
(5-30)
• Motor/Generador: Sabemos que la tensión nominal (Vn) es de 13,8 kV.
En el catálogo Siemens podemos encontrar la siguiente tabla:
Figura 40. Rendimiento M/G Guillena [24]
Con estas características el rendimiento del motor/generador sería de 98,5%.
• Pérdidas hidraúlicas: Debidas al elemento que transporta el fluido, tuberías en nuestro caso:
Salto neto es el salto total menos las pérdidas de carga (Pc,5% - 10%), vamos a suponer un 5 %:
𝐻𝑛𝑒𝑡𝑜 = 𝐻 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 − (𝐻 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 ∙ 𝑃𝑐) = 307 − (307 ∗ 0,05) = 307 − 15,35= 291,65 𝑚
(5-31)
𝜂𝐻 = 𝐻𝑛𝑒𝑡𝑜
𝐻 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙=
291,65
307= 0,95 = 95%
(5-32)
[25] [26] [27]
Resumiendo:
• ηTUR/B = 92%
• ηT = 99%
• ηM/G = 98,5%
• ηH=95%
El rendimiento de ciclo sería:
66
𝜂𝐶𝐼𝐶𝐿𝑂 = 𝜂𝑎𝑙𝑚 ∙ 𝜂𝑔𝑒𝑛 = (𝜂𝐵 ∙ 𝜂𝑀 ∙ 𝜂𝑇 ∙ 𝜂𝐻) ∙ (𝜂𝑡𝑢𝑟 ∙ 𝜂𝐺 ∙ 𝜂𝑇 ∙ 𝜂𝐻) (5-22)
= (0,92 ∙ 0,985 ∙ 0,99 ∙ 0,95) ∙ (0,92 ∙ 0,985 ∙ 0,99 ∙ 0,95)
= (0,85) ∙ (0,85) = 0,72 = 72 %
5.2.3.2. ARES
ALMACENAMIENTO
𝐸𝑎𝑙𝑚 = 𝐸𝑠𝑢𝑏𝑖𝑟 ∙ 𝜂𝐵𝑇𝐵 ∙ 𝜂𝑀 ∙ 𝜂𝑇 ∙ 𝜂𝑠𝑢𝑏𝑖𝑟 = 𝐸𝑠𝑢𝑏𝑖𝑟 ∙ 𝜂𝑎𝑙𝑚 (5-34)
donde:
• Esubir: Energía utilizada para subir la pendiente.
• ηBTB: Rendimiento del sistema BTB (inversor/rectificador).
• ηM: Rendimiento de la máquina motor/generador como motor.
• ηT: Rendimiento del transformador.
• ηsubir: Rendimiento de rodadura durante el almacenamiento.
• ηalm: Rendimiento en el almacenamiento.
GENERACIÓN
𝐸𝑔𝑒𝑛 = 𝐸𝑑𝑖𝑠𝑝 ∙ 𝜂𝐵𝑇𝐵 ∙ 𝜂𝐺 ∙ 𝜂𝑇 ∙ 𝜂𝑏𝑎𝑗𝑎𝑟 = 𝐸𝑑𝑖𝑠𝑝 ∙ 𝜂𝑔𝑒𝑛 (5-35)
donde:
• Edisp: Energía almacenada.
• ηBTB: Rendimiento del sistema BTB (inversor/rectificador).
• ηG: Rendimiento de la máquina motor/generador como generador.
• ηT: Rendimiento del transformador.
• ηbajar: Rendimiento de rodadura durante la generación.
• ηgen: Rendimiento en la generación.
Vamos a suponer que la misma energía almacenada es la utilizada para generar, es decir:
𝐸𝑎𝑙𝑚 = 𝐸𝑑𝑖𝑠𝑝 (5-36)
Sustituyendo esto en las ecuaciones 5-34, 5-35 y 5-36, tenemos:
𝐸𝑔𝑒𝑛 = 𝐸𝑑𝑖𝑠𝑝 ∙ 𝜂𝑔𝑒𝑛 = 𝐸𝑠𝑢𝑏𝑖𝑟 ∙ 𝜂𝑎𝑙𝑚 ∙ 𝜂𝑔𝑒𝑛 (5-37)
67
Si ηCICLO = ηalm x ηgen entonces:
𝐸𝑔𝑒𝑛 = 𝐸𝑠𝑢𝑏𝑖𝑟 ∙ 𝜂𝐶𝐼𝐶𝐿𝑂 (5-37)
Valor típico de ηCICLO = 80%, Egen = 0,80 x Esubir, lo que quiere decir que si utilizo para subir 100 MWh genero
solo 80 MWh.
El rendimiento de ciclo es:
𝜂𝐶𝐼𝐶𝐿𝑂 = 𝜂𝑎𝑙𝑚 ∙ 𝜂𝑔𝑒𝑛 = (𝜂𝐵𝑇𝐵 ∙ 𝜂𝑀 ∙ 𝜂𝑇 ∙ 𝜂𝑠𝑢𝑏𝑖𝑟) ∙ (𝜂𝐵𝑇𝐵 ∙ 𝜂𝐺 ∙ 𝜂𝑇 ∙ 𝜂𝑏𝑎𝑗𝑎𝑟) (5-38)
Se ha realizado una búsqueda para obtener el valor de cada uno de estos rendimientos, para ello hemos buscado
los valores de rendimiento para unos dispositivos de las mismas características que los utilizados en ARES:
• BTB:
En el catálogo Supsonik s.l. Electrónica de potencia.
Figura 41. BTB [28]
En un artículo [28] se explica unos criterios para calcular el rendimiento de los convertidores BTB y
vamos a utilizarlo en el presente trabajo:
Las pérdidas asociadas a un convertidor VSC se pueden estimar mediante:
𝑃𝑝𝑒𝑟𝑑 = 𝐴 + 𝐵 ∙ 𝐼 + 𝐶 ∙ 𝐼2 (5-39)
donde:
o A, B y C son los coeficientes de pérdidas, cuyas fórmulas son:
𝐴𝑅 = 6,62 ∙ 𝑆𝑁
600, 𝐵𝑅 =
1,8 ∙ 𝑈𝑁𝑅
350, 𝐶𝑅 =
1,98 ∙ 𝑈𝑁𝑅2
240 ∙ 𝑆𝑁
(5-40)
o I es el valor eficaz de la intensidad, que se calcula como:
68
𝐼 = 𝑆𝑁
√3 ∙ 𝑈𝑁
(5-41)
donde UN es la tensión nominal.
Tenemos que diferenciar entre rectificador e inversor.
o Rectificador:
▪ Pérdidas:
𝑃𝑝𝑒𝑟𝑑𝑅 = 𝐴 + 𝐵 ∙ 𝐼𝑅 + 𝐶 ∙ 𝐼𝑅2 = 1.986 + 11,83 ∙ 45,18 + 0,24 ∙ 45,182
= 3.010,38 W
(5-39)
donde
𝐴𝑅 =6,62 ∙ 180.000
600= 1.986 , 𝐵𝑅 =
1,8 ∙ 2.300
350= 11,83,
𝐶𝑅 =1,98 ∙ 2.3002
240 ∙ 180.000= 0,24
(5-40)
𝐼𝑅 = 𝑆𝑁
√3 ∙ 𝑈𝑅
=180.000
√3 ∙ 2.300= 45,18 A
(5-41)
▪ Potencia en el rectificador:
𝑃𝑅 = √3 ∙ 𝑈𝑁𝑅 ∙ 𝐼𝑅 ∙ cos(𝜑) = √3 ∙ 2.300 ∙ 45,18 ∙ 0,95 = 170.985,11 W (5-42)
▪ Rendimiento:
𝜂𝑅 = (1 − 𝑃𝑝𝑒𝑟𝑑𝑅
𝑃𝑅 ) ∙ 100 = (1 −
3.010,38
170.985,11) ∙ 100 = 98,24%
(5-43)
o Inversor:
▪ Pérdidas:
𝑃𝑝𝑒𝑟𝑑𝐼 = 𝐴 + 𝐵 ∙ 𝐼𝐼 + 𝐶 ∙ 𝐼𝐼2 = 1.986 + 2,89 ∙ 173,21 + 0,026 ∙ 173,212
= 3.266,62 W
(5-39)
donde
𝐴𝐼 = 6,62 ∙ 180.000
600= 1.986, 𝐵𝐼 =
1,8 ∙ 600
374= 2,89,
𝐶𝐼 = 3 ∙ 6002
233 ∙ 180.000= 0,026
(5-40)
𝐼𝐼 = 𝑆𝑁
√3 ∙ 𝑈𝐼
= 180.000
√3 ∙ 600= 173,21 A
(5-41)
▪ Potencia en el inversor:
69
𝑃𝐼 = √3 ∙ 𝑈𝑁𝐼 ∙ 𝐼𝐼 ∙ cos(𝜑) = √3 ∙ 600 ∙ 173,21 ∙ 0,95 = 171.004,86 W (5-44)
▪ Rendimiento:
𝜂𝐼 = (1 − 𝑃𝑝𝑒𝑟𝑑𝐼
𝑃𝐼 ) ∙ 100 = (1 −
3.266,62
171.004,86 ) ∙ 100 = 98%
(5-45)
Durante el almacenamiento el convertidor conectado al lado de red trabajará como rectificador y el
convertidor conectado a la red interna como inversor y por el contrario durante la generación, el
convertidor conectado al lado de red trabajará como inversor y el convertidor conectado a la red interna
como rectificador. Por lo tanto, tanto en almcenamiento como generación el rendimiento del BTB será:
𝜂𝐵𝑇𝐵 = (𝜂𝑅 ) ∙ (𝜂𝐼 ) = (0,9824) ∙ (0,98) = 0,96 = 96% (5-46)
• Transformador: Datos transformador trifásico 34,5/2,3 kV.
En el catálogo SUNTEC Grupo WEG cogemos los datos de un transformador de 36 kV de tensión
nominal y 10 MVA:
Figura 42. Rendimineto transformador ARES [30]
Las pérdidas del hierro son las de vacío:
𝑃𝐹𝑒 = 𝑃𝑜 = 12.300 W = 12,30 kW (5-47)
Las pérdidas de cobre son proporcionales a la de cortocircuito:
𝑃𝐶𝑢 = 𝑐2 ∙ 𝑃𝑐𝑐 = 0,932 ∙ 61.000 = 52.758,90 W = 52,76 kW (5-48)
donde c es el índice de carga y su fórmula es:
𝑐 = 𝐼2
𝐼𝑛=
2.319,44
2.501,22= 0,93
(5-49)
La intensidad nominal (In) se calcula con una potencia nominal de 10 MVA y una tensión nominal de
2,3 kV:
𝐼𝑛 = 𝑆𝑛
√3 ∙ 𝑈𝑛
= 10.000.000
√3 ∙ 2.300= 2.501,22 A
(5-50)
A la salida del transformador la intensidad será la que necesite cada tren del sistema ARES:
Motor/Generador ARES tiene una potencia de 1,25 MW, suponiendo un factor de potencia de 0,95, la
potencia reactiva sería 0,41 MVAr, la potencia aparente sería 1,32 MVA, la intensidad sería:
𝐼𝑚/𝑔 = 𝑆𝑚/𝑔
√3 ∙ 𝑈2
= 1.320.000
√3 ∙ 2.300= 331,35 A
(5-51)
70
Como hay 7 trenes se multiplica esta intensidad calculada por 7 y daría: 2.319,44 A, que sería la
intensidad a la salida del transformador:
𝐼2 = 7 ∙ 𝐼𝑚𝑔
= 7 ∙ 331,35 = 2.319,44 A (5-51)
La potencia a la salida del transformador sería:
𝑃2 = √3 ∙ 𝑈2 ∙ 𝐼2 ∙ cos 𝜑 = √3 ∙ 2.300 ∙ 2.319,44 ∙ 0,95 = 8.777.992,62 W (5-52)
Las pérdidas totales serían:
𝑃𝑡 = 𝑃𝐹𝑒 + 𝑃𝐶𝑢 = 12.300 + 52.758,90 = 65.058,90 W = 65,06kW (5-53)
El rendimiento se obtendría como:
𝜂𝑇 = 𝑃2
𝑃2 + 𝑃𝑡=
8.777.992,62
8.777.992,62 + 78.277,60 = 0,99 = 99%
(5-54)
• Motor/Generador: 1,25 MW.
En el Catálogo de Siemens cogemos los siguientes datos:
Figura 43. Rendimiento M/G ARES [31]
El rendimiendo sería del 95%.
• Los rendimientos por rodadura se han calculado anteriormente.
Resumiendo:
• ηBTB = 96%
• ηT = 99%
• ηM/G = 95%
• ηsubir= 96%
• ηbajar= 99%
𝜂𝐶𝐼𝐶𝐿𝑂 = 𝜂𝑎𝑙𝑚 ∙ 𝜂𝑔𝑒𝑛 = (𝜂𝐵𝑇𝐵 ∙ 𝜂𝑀 ∙ 𝜂𝑇 ∙ 𝜂𝑠𝑢𝑏𝑖𝑟) ∙ (𝜂𝐵𝑇𝐵 ∙ 𝜂𝐺 ∙ 𝜂𝑇 ∙ 𝜂𝑏𝑎𝑗𝑎𝑟) (5-38)
= (0,96 ∙ 0,99 ∙ 0,95 ∙ 0,96) ∙ (0,96 ∙ 0,99 ∙ 0,95 ∙ 0,99) = (0,87) ∙ ( 0,89)
≅ 0,77 = 77 %
5.2.3.3. Ejemplo numérico
Vamos a dar valores numéricos a las fórmulas anteriores para comprobar lo indicado anteriormente.
71
GUILLENA
GUILLENA
ALTURA ENTRE DEPÓSITOS (h) 244 m
VOLUMEN (V) 2,21 Hm3
Se obtiene una energía potencial de:
𝐸𝑝 = 𝑚 ∙ 𝑔 ∙ ℎ = 2,21 ∙ 109 ∙ 9,81 ∙ 244 = 5.289.944.400.000,00 J
≅ 1.469,43 MWh = 𝐸𝑎𝑙𝑚
(5-1)
𝐸𝑎𝑙𝑚 = 𝐸𝑏𝑜𝑚𝑏 ∙ 𝜂𝑎𝑙𝑚 = 𝐸𝑏𝑜𝑚𝑏 ∙ 0,85 (5-18)
Despejando Ebomb tenemos:
𝐸𝑏𝑜𝑚𝑏 = 𝐸𝑎𝑙𝑚
𝜂𝑎𝑙𝑚=
1.469,43
0,85= 1.728,74 MWh
(5-18)
Sabiendo que Etur= Ealm = 1.469,43 MWh, obtemos:
𝐸𝑔𝑒𝑛 = 𝐸𝑡𝑢𝑟 ∙ 𝜂𝑔𝑒𝑛 = 1.469,43 ∙ 0,85 = 1.249,02 MWh (5-19)
Si ηCICLO = 72%, obtenemos:
𝐸𝑔𝑒𝑛 = 𝐸𝑏𝑜𝑚𝑏 ∙ 𝜂𝐶𝐼𝐶𝐿𝑂 = 1.728,74 ∙ 0,72 = 1.244,69 MWh (5-21)
Esto quiere decir que si tengo almacenada una energía potencial de 1.469,43 MWh genero unos 1.244,69
MWh.
ARES
ARES
ALTURA ENTRE DEPÓSITOS (h) 610 m
NÚMERO DE MASAS 60
NÚMERO DE TRENES 2
CADA BLOQUE 150.000 Kg
CADA TREN 220.000 Kg
Se obtiene una energía potencial de:
72
𝐸𝑝 = 𝑀 ∙ 𝑔 ∙ ℎ = ((60 ∙ 150.000) + (2 ∙ 220.000)) ∙ 9,81 ∙ 610
= 56.489.900.000 J ≅ 15,69 MWh = 𝐸𝑎𝑙𝑚
(5-1)
𝐸𝑎𝑙𝑚 = 𝐸𝑠𝑢𝑏𝑖𝑟 ∙ 𝜂𝑎𝑙𝑚 = 𝐸𝑠𝑢𝑏𝑖𝑟 ∙ 0,87 (5-34)
Despejando Esubir, tenemos:
𝐸𝑠𝑢𝑏𝑖𝑟 = 𝐸𝑎𝑙𝑚
𝜂𝑎𝑙𝑚=
15,69
0,87= 18,03 MWh
(5-34)
Sabiendo que Edisp= Ealm = 15,69 MWh, obtemos:
𝐸𝑔𝑒𝑛 = 𝐸𝑑𝑖𝑠𝑝 ∙ 𝜂𝑔𝑒𝑛 = 15,69 ∙ 0, 89 = 13,96 MWh (5-35)
Si ηCICLO = 77%, obtenemos:
𝐸𝑔𝑒𝑛 = 𝐸𝑠𝑢𝑏𝑖𝑟 ∙ 𝜂𝐶𝐼𝐶𝐿𝑂 = 18,03 ∙ 0,77 = 13,88 MWh (5-37)
Esto quiere decir que si tengo almacenada una energía potencial de 15,69 MWh genero unos 13,88 MWh.
5.2.3.4. Diferentes rendimientos
Ahora vamos a suponer que no existen pérdidas, es decir rendimiento 100%, en alguno de los dispositivos y
vamos a comprobar que valores obtenemos en la instalación de ARES.
PRIMER CASO
Para este primer caso vamos a suponer que no existen pérdidas en el BTB, es decir:
• ηBTB = 100%
• ηT = 99%
• ηM/G = 95%
• ηsubir= 96%
• ηbajar= 99%
Por lo que:
𝜂𝐶𝐼𝐶𝐿𝑂 = 𝜂𝑎𝑙𝑚 ∙ 𝜂𝑔𝑒𝑛 = (𝜂𝐵𝑇𝐵 ∙ 𝜂𝑀 ∙ 𝜂𝑇 ∙ 𝜂𝑠𝑢𝑏𝑖𝑟) ∙ (𝜂𝐵𝑇𝐵 ∙ 𝜂𝐺 ∙ 𝜂𝑇 ∙ 𝜂𝑏𝑎𝑗𝑎𝑟) (5-38)
= (1 ∙ 0,99 ∙ 0,95 ∙ 0,96) ∙ (1 ∙ 0,99 ∙ 0,95 ∙ 0,99) = (0,90) ∙ ( 0,93)
≅ 0,84 = 84 %
Lo primero que comprobamos es que el rendimiento de ciclo aumenta.
𝐸𝑎𝑙𝑚 = 𝐸𝑝 = 15,69 MWh (5-1)
𝐸𝑎𝑙𝑚 = 𝐸𝑠𝑢𝑏𝑖𝑟 ∙ 𝜂𝑎𝑙𝑚 = 𝐸𝑠𝑢𝑏𝑖𝑟 ∙ 0,90 (5-34)
Despejando Esubir, tenemos:
73
𝐸𝑠𝑢𝑏𝑖𝑟 = 𝐸𝑎𝑙𝑚
𝜂𝑎𝑙𝑚=
15,69
0,90= 17,43 MWh
(5-34)
Sabiendo que Edisp= Ealm = 15,69 MWh, obtenemos:
𝐸𝑔𝑒𝑛 = 𝐸𝑑𝑖𝑠𝑝 ∙ 𝜂𝑔𝑒𝑛 = 15,69 ∙ 0,93 = 14,59 MWh (5-35)
Si ηCICLO = 84%, obtenemos:
𝐸𝑔𝑒𝑛 = 𝐸𝑠𝑢𝑏𝑖𝑟 ∙ 𝜂𝐶𝐼𝐶𝐿𝑂 = 17,43 ∙ 0,84 = 14,64 MWh (5-37)
Esto quiere decir que si tengo almacenada una energía potencial de 15,69 MWh genero unos 14,64 MWh.
Se comprueba que al ser mayor el rendimiento por ciclo también es mayor la energía que generamos.
SEGUNDO CASO
Para este caso vamos a suponer que no existen pérdidas en el transformador, es decir:
• ηBTB = 96%
• ηT = 100%
• ηM/G = 95%
• ηsubir= 96%
• ηbajar= 99%
Por lo que:
𝜂𝐶𝐼𝐶𝐿𝑂 = 𝜂𝑎𝑙𝑚 ∙ 𝜂𝑔𝑒𝑛 = (𝜂𝐵𝑇𝐵 ∙ 𝜂𝑀 ∙ 𝜂𝑇 ∙ 𝜂𝑠𝑢𝑏𝑖𝑟) ∙ (𝜂𝐵𝑇𝐵 ∙ 𝜂𝐺 ∙ 𝜂𝑇 ∙ 𝜂𝑏𝑎𝑗𝑎𝑟) (5-38)
= (0,96 ∙ 1 ∙ 0,95 ∙ 0,96) ∙ (0,96 ∙ 1 ∙ 0,95 ∙ 0,99) = (0,88) ∙ ( 0,90)
≅ 0,79 = 79 %
Lo primero que comprobamos es que el rendimiento de ciclo aumenta.
𝐸𝑎𝑙𝑚 = 𝐸𝑝 = 15,69 MWh (5-1)
𝐸𝑎𝑙𝑚 = 𝐸𝑠𝑢𝑏𝑖𝑟 ∙ 𝜂𝑎𝑙𝑚 = 𝐸𝑠𝑢𝑏𝑖𝑟 ∙ 0,88 (5-34)
Despejando Esubir, tenemos:
𝐸𝑠𝑢𝑏𝑖𝑟 = 𝐸𝑎𝑙𝑚
𝜂𝑎𝑙𝑚=
15,69
0,88= 17,83 MWh
(5-34)
Sabiendo que Edisp= Ealm = 15,33 MWh, obtenemos:
𝐸𝑔𝑒𝑛 = 𝐸𝑑𝑖𝑠𝑝 ∙ 𝜂𝑔𝑒𝑛 = 15,69 ∙ 0,90 = 14,12 MWh (5-35)
Si ηCICLO = 79%, obtenemos:
74
𝐸𝑔𝑒𝑛 = 𝐸𝑠𝑢𝑏𝑖𝑟 ∙ 𝜂𝐶𝐼𝐶𝐿𝑂 = 17,83 ∙ 0,79 = 14,09 MWh (5-37)
Esto quiere decir que si tengo almacenada una energía potencial de 15,69 MWh genero unos 14,09 MWh.
Se comprueba que al ser mayor el rendimiento por ciclo también es mayor la energía que generamos.
TERCER CASO
Para este caso vamos a suponer que no existen pérdidas en el generador/motor, es decir:
• ηBTB = 96%
• ηT = 99%
• ηM/G = 100%
• ηsubir= 96%
• ηbajar= 99%
Por lo que:
𝜂𝐶𝐼𝐶𝐿𝑂 = 𝜂𝑎𝑙𝑚 ∙ 𝜂𝑔𝑒𝑛 = (𝜂𝐵𝑇𝐵 ∙ 𝜂𝑀 ∙ 𝜂𝑇 ∙ 𝜂𝑠𝑢𝑏𝑖𝑟) ∙ (𝜂𝐵𝑇𝐵 ∙ 𝜂𝐺 ∙ 𝜂𝑇 ∙ 𝜂𝑏𝑎𝑗𝑎𝑟) (5-38)
= (0,96 ∙ 0,99 ∙ 1 ∙ 0,96) ∙ (0,96 ∙ 0,99 ∙ 1 ∙ 0,99) = (0,91) ∙ ( 0,94)
≅ 0,86 = 86 %
Lo primero que comprobamos es que el rendimiento de ciclo aumenta.
𝐸𝑎𝑙𝑚 = 𝐸𝑝 = 15,69 MWh (5-1)
𝐸𝑎𝑙𝑚 = 𝐸𝑠𝑢𝑏𝑖𝑟 ∙ 𝜂𝑎𝑙𝑚 = 𝐸𝑠𝑢𝑏𝑖𝑟 ∙ 0,91 (5-34)
Despejando Esubir, tenemos:
𝐸𝑠𝑢𝑏𝑖𝑟 = 𝐸𝑎𝑙𝑚
𝜂𝑎𝑙𝑚=
15,69
0,91= 17,24 MWh
(5-34)
Sabiendo que Edisp= Ealm = 15,33 MWh, obtenemos:
𝐸𝑔𝑒𝑛 = 𝐸𝑑𝑖𝑠𝑝 ∙ 𝜂𝑔𝑒𝑛 = 15,69 ∙ 0,94 = 14,75 MWh (5-35)
Si ηCICLO = 79%, obtenemos:
𝐸𝑔𝑒𝑛 = 𝐸𝑠𝑢𝑏𝑖𝑟 ∙ 𝜂𝐶𝐼𝐶𝐿𝑂 = 17,24 ∙ 0,86 = 14,83 MWh (5-37)
Esto quiere decir que si tengo almacenada una energía potencial de 15,69 MWh genero unos 14,83 MWh.
Se comprueba que al ser mayor el rendimiento por ciclo también es mayor la energía que generamos.
CUARTO CASO
75
Para este caso vamos a suponer que no existen pérdidas en el generador/motor, es decir:
• ηBTB = 96%
• ηT = 99%
• ηM/G = 95%
• ηsubir= 100%
• ηbajar= 100%
Por lo que:
𝜂𝐶𝐼𝐶𝐿𝑂 = 𝜂𝑎𝑙𝑚 ∙ 𝜂𝑔𝑒𝑛 = (𝜂𝐵𝑇𝐵 ∙ 𝜂𝑀 ∙ 𝜂𝑇 ∙ 𝜂𝑠𝑢𝑏𝑖𝑟) ∙ (𝜂𝐵𝑇𝐵 ∙ 𝜂𝐺 ∙ 𝜂𝑇 ∙ 𝜂𝑏𝑎𝑗𝑎𝑟) (5-38)
= (0,96 ∙ 0,99 ∙ 0,95 ∙ 1) ∙ (0,96 ∙ 0,99 ∙ 0,95 ∙ 1) = (0,90) ∙ ( 0,90)
≅ 0,81 = 81 %
Lo primero que comprobamos es que el rendimiento de ciclo aumenta.
𝐸𝑎𝑙𝑚 = 𝐸𝑝 = 15,69 MWh (5-1)
𝐸𝑎𝑙𝑚 = 𝐸𝑠𝑢𝑏𝑖𝑟 ∙ 𝜂𝑎𝑙𝑚 = 𝐸𝑠𝑢𝑏𝑖𝑟 ∙ 0,90 (5-34)
Despejando Esubir, tenemos:
𝐸𝑠𝑢𝑏𝑖𝑟 = 𝐸𝑎𝑙𝑚
𝜂𝑎𝑙𝑚=
15,69
0,90= 17,43 MWh
(5-34)
Sabiendo que Edisp= Ealm = 15,33 MWh, obtenemos:
𝐸𝑔𝑒𝑛 = 𝐸𝑑𝑖𝑠𝑝 ∙ 𝜂𝑔𝑒𝑛 = 15,69 ∙ 0,90 = 14,12 MWh (5-35)
Si ηCICLO = 81%, obtenemos:
𝐸𝑔𝑒𝑛 = 𝐸𝑠𝑢𝑏𝑖𝑟 ∙ 𝜂𝐶𝐼𝐶𝐿𝑂 = 17,43 ∙ 0,81 = 14,12 MWh (5-37)
Esto quiere decir que si tengo almacenada una energía potencial de 15,69 MWh genero unos 14,12 MWh.
Se comprueba que al ser mayor el rendimiento por ciclo también es mayor la energía que generamos.
5.2.4. Comparación ARES y Guillena
A continuación, vamos a hacer una serie de comparaciones con datos reales de las instalaciones de ARES y de
la instalación de bombeo de Guillena.
Voluem ARES:
𝑉 =𝑚
𝜌 =
(60 ∙ 150.000) + (2 ∙ 220.000)
2.200.000.000= 0,00429 Hm3
(5-11)
Los datos de cada instalación de almacenamiento son:
76
ARES GUILLENA
ALTURA ENTRE DEPÓSITOS (h) 610 m 244 m
VOLUMEN (V) 0,00429 Hm3 2,21 Hm3
DENSIDAD (ρ) 2,2 g/cm3 1 g/cm3
CAUDAL (Q) - 103,2 m3/s
NÚMERO DE MASAS 60 -
CADA BLOQUE 150.000 Kg -
ENERGÍA ALMACENADA 15,33 MWh 1.469,43 MWh
POTENCIA 50 MW 210 MW
5.2.4.1. Parámetros
En el Capítulo 1 se describieron una serie de parámetros que definen las tecnologías de almacenamiento:
• Energía específica: Energía almacenada por unidad de masa [Whkg-1].
o Guillena:
1.469.430.000 Wh
2.210.000.000 Kg= 0,66 WhKg−1
(5-55)
o ARES:
15.690.000 Wh
((60 ∙ 150.000) + (2 ∙ 220.000) Kg= 1,66 WhKg−1
(5-55)
• Densidad de energía: Energía almacenada por unidad de volumen [Whl-1].
Como 1 Kg es un litro, tenemos:
o Guillena:
1.469.430.000 Wh
2.210.000.000 Kg= 0,66 WhKg−1 = 0,66 Whl−1
(5-55)
o ARES:
15.690.000 Wh
((60 ∙ 150.000) + (2 ∙ 220.000) Kg= 1,66 WhKg−1 = 1,66 Whl−1
(5-55)
• Capacidad de almacenamiento: Es la cantidad de energía disponible en el sistema de almacenamiento
después de completar el ciclo de carga [Wh]. Suponemos la capacidad máxima, 60 masas en ARES:
77
o Guillena:
𝐸𝑝𝐵= 1.469.430.000 Wh
(5-1)
o ARES:
𝐸𝑑𝑖𝑠𝑝 = 𝐸𝑝𝐴= 15.330.000 Wh
(5-1)
• Tiempo de descarga: Tiempo que transcurre mientras se suministra la energía almacenada:
𝜏(𝑠) = 𝑊𝑠𝑡
𝑃𝑚𝑎𝑥
(5-56)
o Guillena:
𝜏𝐵(𝑠) = 1.469.430.000
210.000.000= 7 h
(5-56)
o ARES:
𝜏𝐴(𝑠) = 15.690.000
50.000.000= 0,31 h
(5-56)
5.2.4.2. Energía potencial
Se quiere calcular la energía potencial que se obtiene con cada sistema de almacenamiento:
• Guillena: Vamos a utilizar los datos de la central hidroeléctrica de Guillena, volumen de 2,21 Hm3
(2,21 106 m3), un salto de 244 m:
𝑚 = 𝜌 ∙ 𝑉 = 1 ∙ 103 ∙ 2,21 ∙ 106 = 2,21 ∙ 109 kg (5-11)
𝐸𝑝𝐵= 𝑚 ∙ 𝑔 ∙ ℎ = 2,21 ∙ 109 ∙ 9,81 ∙ 244 = 5.289.944.400.000,00 J
= 5,29 ∙ 106 MJ = 1.469,43 MWh
(5-1)
• ARES: Según la patente los patios de almacenamiento se pueden almacenar 60 masas, teniendo en
cuenta que el peso de cada masa es de 150.000 kg y que la altura entre los patios es de 610 m, se
obtiene:
𝐸𝑝𝐴= 𝑀 ∙ 𝑔 ∙ ℎ = ((60 ∙ 150.000) + (2 ∙ 220.000)) ∙ 9,81 ∙ 610
= 56.489.900.000 J = 15,69 MWh
(5-1)
donde M es el número de masas por las toneladas de cada masa más la masa del tren por cada tren.
En este ejemplo numérico se comprueba que con los datos reales que tenemos, la central de bombeo de Guillena
obtiene una mayor energía potencial que el sistema ARES. En este ejemplo se ha supuesto que ambos sistemas
van a almacenar lo máximo posible que permita su capacidad.
5.2.4.3. Volumen
Suponemos que vamos a obtener tanto con ARES como con Guillena la misma energía potencial, ¿qué
instalación va a necesitar más volumen?
78
• Guillena:
𝐸𝑝𝐵= 𝑚 ∙ 𝑔 ∙ ℎ = 1 ∙ 𝑉𝐵 ∙ 𝑔 ∙ ℎ𝐵 = 𝑉𝐵 ∙ 9,81 ∙ 244 = 2.394 ∙ 𝑉𝐵
(5-1)
• ARES:
𝐸𝑝𝐴= 𝑚 ∙ 𝑔 ∙ ℎ = 𝜌 ∙ 𝑉𝐴 ∙ 𝑔 ∙ ℎ = 2,2 ∙ 𝑉𝐴 ∙ 9,81 ∙ 610 = 13.165,02 ∙ 𝑉𝐴
(5-1)
Suponiendo EpA = EpB:
13.165,02 ∙ 𝑉𝐴 = 2.394 ∙ 𝑉𝐵 (5-1)
Despejando tenemos:
𝑉𝐴 = 0,18 ∙ 𝑉𝐵 (5-1)
Para obetener la misma energía potencial, en la instalación de ARES se necesita menos volumen que en la de
Guillena.
5.2.4.4. Altura
Suponemos que vamos a obtener tanto con ARES como con Guillena la misma energía almacenada, ¿qué
instalación va a necesitar más altura?
• Guillena:
𝐸𝑝𝐵= 𝑚 ∙ 𝑔 ∙ ℎ = 2,21 ∙ 109 ∙ 9,81 ∙ ℎ𝐵 = 2,2 ∙ 1010 ∙ ℎ𝐵
(5-1)
• ARES:
𝐸𝑝𝐴= 𝑀 ∙ 𝑔 ∙ ℎ = ((60 ∙ 150.000) + (2 ∙ 220.000)) ∙ 9,81 ∙ ℎ𝐴
= 92 ∙ 106 ∙ ℎ𝐴
(5-1)
Suponiendo EpA = EpB:
92 ∙ 106 ∙ ℎ𝐴 = 2,2 ∙ 1010 ∙ ℎ𝐵 (5-1)
Despejando tenemos:
ℎ𝐵 = 0,0042 ∙ ℎ𝐴 (5-1)
Para obetener la misma energía almacenada, con la central de Guillena necesitamos menos altura que con ARES.
5.2.4.5. Tiempo de almacenamiento
Vamos a estudiar el tiempo que tarda la central de Guillena en llevar el depósito hasta su capacidad máxima y
el tiempo que tarda ARES en transportar todas las masas desde el patio de almacenamiento inferior al superior:
79
GUILLENA
Para calcular el tiempo necesitamos conocer el volumen y el caudal:
𝑡 = 𝑉
𝑄=
2.210.000
103,4= 21.373,30 s = 6 horas
(5-57)
donde:
o V es la capacidad máxima, 2,21 Hm3.
o Q es el caudal: 103,2 m3/s
ARES
La instalación que se va a contruir consta de 2 pistas, la primera se llama pista de potencia es donde circulan
los trenes cargados cada uno con 7 masas y la otra es la pista de derivación por donde circula el tren una vez ha
descargado. Vamos a ver esto gráficamente:
Figura 44. Tiempo 1
Vamos a suponer que cada tren sale cada 2 minutos y que tarda en bajar la pendiente cuando está descargado 5
minutos:
Figura 45.Tiempo 2
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555657585960
TIEMPO
TREN 1 TREN 2 TREN 3 TREN 4 TREN 5 TREN 6 TREN 7
80
Como se puede ver en la gráfica, suben 7 trenes cargados por lo que en el minuto 32 han subido los 7 trenes con
sus 7 masas, es decir, se ha tardado 31 minutos en subir 49 masas. El sistema ARES cuenta con 60 masas por lo
que viendo la gráfica en subir estas masas se tarda 46 minutos.
81
6 SIMULACIONES
e van a llevar a cabo una serie de simulaciones para entender mejor el sistema ARES. Vamos a empezar
suponiendo una única masa, un único tren y una única pista e iremos añadiendo masas y trenes para ver cuál
sería el resultado respecto a la potencia de almacenamiento y generación. Nos iremos acercando con estas
suposiciones a la instalación de ARES.
6.1. Primera simulación
En la primera simulación, se va a suponer:
• Una única masa transportada por cada tren.
• Un único tren.
• Una única pista.
Al utilizarse solo una masa y un único tren, va a transcurrir un tiempo entre que el tren descarga una masa en un
patio de almacenamiento y va al otro para coger una nueva masa, este tiempo lo vamos a nombrar como tu. En
la patente no se indica este tiempo, nosotros vamos a suponer 5 minutos, lo que supondrá una velocidad
aproximadamente 30 m/s.
En primer lugar, vamos a almacenar energía y luego generaremos con esa energía almacenada. Cómo se ha
calculado en el Capítulo 2:
• Almacenamiento:
𝑃𝑎 = 𝐹𝑎 ∙ 𝑣𝑎 = 𝑚 ∙ 𝑔 ∙ [ 𝐶𝑟𝑟 ∙ cos(𝛼) + sin(𝛼) ] ∙ 𝑣𝑎 =
= (150.000 + 220.000) ∙ 9,81 ∙ [0,0015 ∙ cos(4𝑜) + 𝑠𝑒𝑛 (4𝑜)] ∙ 8= 2.069.010,88 W ≅ 2,07 MW
(2-15)
• Generación:
𝑃𝑔 = 𝐹𝑔 ∙ 𝑣𝑔 = 𝑚 ∙ 𝑔 ∙ [ 𝐶𝑟𝑟 ∙ cos(𝛼) − sin(𝛼) ] ∙ 𝑣𝑔 =
= (150.000 + 220.000) ∙ 9,81 ∙ [0,0015 ∙ cos(4𝑜) − 𝑠𝑒𝑛 (4𝑜)] ∙ 8= − 1.982.110,28 W ≅ − 1,98 MW
(2-21)
En la siguiente tabla se muestra los valores de los que disponemos:
POTENCIA TIEMPO
ALMACENAMIENTO 2,07 MW 19 minutos
GENERACIÓN -1,98 MW 19 minutos
Tabla 8. Una masa
Lo dicho anteriormente quedaría representado en la siguiente figura:
S
82
Figura 46. Una masa
En esta gráfica se ve que cada vez que se descarga la masa que se va a almacenar transcurre un tiempo (tu)
mientras se va a por la siguiente masa.
6.2. Segunda simulación
Ahora vamos a suponer:
• Siete masas transportadas por cada tren.
• Un único tren.
• Una única pista.
Entonces el valor de potencia sería el mismo de antes, pero multiplicado por el número de masas y el tiempo
sería el mismo ya que sigue siendo un único tren. Sigue existiendo un tiempo entre que el tren descarga las masas
(tu).
• Almacenamiento:
𝑃𝑎 = 𝐹𝑎 ∙ 𝑣𝑎 = 𝑀 ∙ 𝑔 ∙ [ 𝐶𝑟𝑟 ∙ cos(𝛼) + sin(𝛼) ] ∙ 𝑣𝑎 =
= ((7 ∙ 150.000) + 220.000) ∙ 9,81 ∙ [0,0015 cos(4𝑜) + 𝑠𝑒𝑛 (4𝑜)] ∙ 8= 7.101.74. ,05 W ≅ 7,10 MW
(2-15)
• Generación:
𝑃𝑔 = 𝐹𝑔 ∙ 𝑣𝑔 = 𝑀 ∙ 𝑔 ∙ [ 𝐶𝑟𝑟 ∙ cos(𝛼) − sin(𝛼) ] ∙ 𝑣𝑔 =
= (7 ∙ 150.000 + 220.000) ∙ 9,81 ∙ [0,0015 ∙ cos(4𝑜) − 𝑠𝑒𝑛 (4𝑜)] ∙ 8= −6.803.45,62 W ≅ −6,80 MW
(2-21)
En la siguiente tabla se muestra los valores de los que disponemos:
83
POTENCIA TIEMPO
ALMACENAMIENTO 7,10 MW 19 minutos
GENERACIÓN -6,80 MW 19 minutos
Tabla 9. Siete masas
Esto gráficamente sería:
Figura 47. Siete masas
Al compararlo con la primera simulación, se tiene que en el mismo tiempo obtenemos mayor energía al disponer
de más masas.
6.3. Tercera simulación
En la última simulación vamos a utilizar datos reales de la instalación ARES que se va a construir:
• Siete masas transportadas por cada tren.
• Siete trenes.
• Dos pistas.
Cada tren va a llevar siete masas, los valores para cada tren son los de la siguiente tabla:
POTENCIA TIEMPO
ALMACENAMIENTO 7,10 MW 19 minutos
GENERACIÓN -6,80 MW 19 minutos
Tabla 10. Dos pistas
84
6.3.1. Primera suposición
Como no se indica en la patente, vamos a suponer que cada tren sale cada 2 minutos (ts=2 minutos) y que tarda
en bajar la pendiente cuando está descargado 5 minutos (td=5 minutos), es decir va a 30 m/s. Esto gráficamente
sería:
Figura 48. Trenes dos pistas 1
Esta gráfica representa como cada tren va a ir saliendo con respecto al anterior.
El comportamiento que tendría la potencia durante el almacenamiento sería:
Figura 49. Almacenamiento dos pistas 1
En la gráfica se ha representado el número de trenes que van a estar subiendo la pendiente para almacenar
energía.
85
Y durante la generación:
Figura 50. Generación dos pistas 1
En la gráfica se ha representado el número de trenes que van a bajando la pendiente para generar energía.
En este caso al disponer de dos pistas cuando un tren termina de descargar las masas, baja por la pista de
derivación descargado, por lo que no hay ningún tiempo de espera (no tenemos tu). Comprobamos que se
producen fluctuaciones.
6.3.2. Segunda suposición
Ahora vamos a suponer que cada tren sale cada 2 minutos (ts=2 minutos) y que tarda en bajar la pendiente
cuando está descargado 3 minutos (td=3 minutos), es decir va a 50 m/s. Esto gráficamente sería:
Figura 51. Trenes dos pistas 2
Esta gráfica representa como cada tren va a ir saliendo con respecto al anterior.
86
El comportamiento que tendría la potencia durante el almacenamiento sería:
Figura 52. Almacenamiento dos pistas 2
En la gráfica se ha representado el número de trenes que van a estar subiendo la pendiente para almacenar
energía.
Y durante la generación:
Figura 53. Generación dos pistas 2
En la gráfica se ha representado el número de trenes que van a estar bajando la pendiente para generar energía.
Se comprueba que al reducir el tiempo que tarda en bajar la pendiente un tren descargado, continúa habiendo
fluctuaciones, pero duran menos.
87
6.3.3. Tercera suposición
Ahora vamos a suponer que cada tren sale cada 2 minutos (ts=2 minutos) y que tarda en bajar la pendiente cuando
está descargado 7 minutos (td=7 minutos), es decir va a 21 m/s. Esto gráficamente sería:
Figura 54. Trenes dos pistas 3
Esta gráfica representa como cada tren va a ir saliendo con respecto al anterior.
El comportamiento que tendría la potencia durante el almacenamiento sería:
Figura 55. Almacenamiento dos pistas 3
En la gráfica se ha representado el número de trenes que van a estar subiendo la pendiente para almacenar
energía.
Y durante la generación:
En la siguiente gráfica se ha representado el número de trenes que van a estar bajando la pendiente para
generar energía.
88
Figura 56. Generación dos pistas 3
Se comprueba que al aumentar el tiempo que tarda en bajar la pendiente un tren descargado, continúa habiendo
fluctuaciones y estas son mayores.
Se indica una tabla resumen con los resultados obtenidos al ir variando el tiempo que tardar en descender un
tren descargado:
TIEMPO BAJAR
DESCARGADO
FLUCTUACIONES PARA
ALMACENAMIENTO
DURACIÓN
FLUCTUACIÓN
5 minutos 35,5 MW (tren 5) – 28,4 MW (tren 4) 17 minutos
3 minutos 42,6 MW (tren 6) – 35,5 MW (tren 5) 15 minutos
7 minutos 28,4 MW (tren 4) – 21,3 (tren 3) 19 minutos
Tabla 11. Resumen 1
6.3.4. Cuarta suposición
Por último, se va a variar el tiempo que tarda un tren en salir respecto del anterior, antes era de 2 minutos y al
pasarlo a 4 minutos pasa lo siguiente:
Figura 57. Trenes dos pistas 4
89
El comportamiento que tendría la potencia durante el almacenamiento sería:
Figura 58. Almacenamiento dos pistas 4
En la gráfica se ha representado el número de trenes que van a estar subiendo la pendiente para almacenar
energía.
Y durante la generación:
Figura 59. Generación dos pistas 4
En la gráfica se ha representado el número de trenes que van a estar bajando la pendiente para generar energía.
Se comprueba que al variar el tiempo en salir un tren con respecto al anterior produce muchas fluctuaciones, por
lo que según los estudios realizados (ya que en la patente no se indican estos tiempos), suponemos que la mejor
opción es que el tiempo entre trenes sea de dos minutos y que el tiempo en bajar descargados sea de 3 minutos.
Se comprueba que al disponer de dos pistas y siete trenes se soluciona el problema del tiempo de espera ya que
mientras un tren descarga las masas, otro va por la otra pista para cargar de nuevo masas. Ya dependiendo del
número de masas obtendremos más o menos potencia.
90
7 CONCLUSIONES
l objetivo de este proyecto es explicar una nueva tecnología de almacenamiento y para ello en primer lugar
se ha indicado el porqué de la necesidad de almacenar energía y las distintas tecnologías que se conocen hoy
día. Comparando estas tecnologías se llegan a las siguientes conclusiones:
• Sistemas de almacenamiento de gran volumen de energía, para el nivelado de carga en las horas punta
se requieren tecnologías de alta energía almacenada, como bombeo, aire comprimido y baterías de flujo.
• Para satisfacer las necesidades de almacenamiento de la energía procedente de recursos intermitentes
(energías renovables), destaca el bombeo para sistemas a gran escala.
• Los sistemas EES para tiempos de descarga cortos y medios cubren amplios rangos de potencia nominal
y densidad de energía. En estas gamas se pueden utilizar varias tecnologías como sistemas FES
(Flywheel Energy Storage – Almacenmiento de energía con Volante de Inercia.), DLC (Double Layer
Capacitor – Condensadores de Doble Capa) y baterías.
• PHS es el único EES de gran capacidad disponible actualmente para tiempos de descarga medios. Los
lugares adecuados para los grandes sistemas PHS (Pumped Hydroelectric Storage – Almacenamiento
Hidroeléctrico de bombeo) y CAES (Compressed Air Energy Storage - Sistema de Almacenamiento
de Aire Comprimido) están topográficamente limitados.
En segundo lugar, para explicar esta novedosa tecnología de almacenamiento se parte de una masa en un plano
inclinado y se estudian las fuerzas que actúan. Realizando una serie de demostraciones se obtiene:
• Suponiendo que no existen transitorios ni en el arranque ni en la parada, que la velocidad de subida y
bajada por la pendiente es la misma y que se van a utilizar el mismo número de masas en el
almacenamiento y la generación, se obtiene que la potencia empleada en el almacenamiento es un 5%
superior a la empleada en la generación.
Entre las diversas tecnologías de almacenamiento la más parecida al sistema ARES es el bombeo y por eso se
decide comparar ambas. Se realizan una serie de estudios y se obtiene:
• Suponiendo que en ambas instalaciones la altura entre los parques de almacenamiento o los depósitos
es la misma y que se almacena el mismo volumen, es posible almacenar con ARES más del doble de
energía que con una instalación de bombeo.
• Suponiendo que la capacidad de almacenamiento y el volumen es la misma en ambas instalaciones, con
bombeo se necesita más del doble de la altura que con ARES para obtener la misma energía potencial.
• Suponiendo que la capacidad de almacenamiento y la altura es la misma en ambas tecnologías, con
bombeo se necesita más del doble de volumen que con ARES para obtener la misma energía potencial.
Es decir, la diferencia radica en la densidad de la sustancia utilizada para almacenar, y que al tener una mayor
densidad se obtienen mejores resultados.
Además, se decide comparar datos reales de una central de cada tipo, la de bombeo sería la de Guillena y ARES
la que se va a construir en Nevada. Se comprueba que la central de bombeo de Guillena obtiene una mayor
energía potencial que el sistema ARES, suponiendo que ambos sistemas van a almacenar lo máximo posible
que permita su capacidad. Para obtener la misma energía potencial, en la instalación de ARES se necesita menos
volumen que en la de Guillena; sin embargo, para obtener la misma energía almacenada, con la central de
E
91
Guillena necesitamos menos altura que con ARES.
Por último, se realizan una serie de simulaciones que ayuden a entender mejor el funcionamiento de ARES. Se
empieza con una única pista y un único tren, existe un tiempo entre que un tren se carga, descarga en el parque
de almacenamiento y vuelve a cargarse en el otro parque. Si tenemos dos trenes y una única pista, sigue
existiendo este tiempo de espera. Cuando el sistema tiene dos pistas este problema desaparece ya que por una
pista transcurre el tren cargado y por la otra iría el tren una vez descargue en el correspondiente parque de
almacenamiento. Dependiendo del número de masas obtendremos más o menos potencia.
En la patente no se indica el tiempo en bajar un tren descargado para volverse a cargar ni el tiempo que tarda en
salir un tren con respecto al anterior por lo que se realizan una serie de suposiciones para determinarlo, se llega
a la conclusión que la mejor opción es que el tiempo entre trenes sea de dos minutos y que el tiempo en bajar
descargados sea de tres minutos.
También se debe tener en cuenta que el sistema de almacenamiento de ARES respeta el medio ambiente,
utilizando una tecnología limpia que no supone emisiones ni usa materiales dañinos. Sería una gran opción para
poder insertar generación renovable y poder bajar los picos de demanda.
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93
REFERENCIAS
[1] Electrical Energy Storage White Paper, IEC, 2011.
[2] http://elperiodicodelaenergia.com/las-10-mayores-centrales-hidroelectricas-de-espana/
[3] http://www.sotaventogalicia.com/es/proyectos/sistema-de-producion-de-hidrogeno-con-eolica
[4]http://www.ree.es/es/sala-de-prensa/notas-de-prensa/2015/03/el-proyecto-almacena-de-red-electrica-
culmina-satisfactoriamente-su-primer-ano-en-pruebas
[5] http://www.sc.ehu.es/sbweb/energiasrenovables/temas/almacenamiento_1/almacenamiento_1.html
[6]http://www.abengoasolar.com/export/sites/abengoasolar/resources/pdf/PS20_la_mayor_planta_comercial
_termosolar_del_mundo_Infopower_julio2009.pdf
[7] http://www.laenergiadelcambio.com/del-vapor-a-las-sales-fundidas-en-la-tecnologia-termosolar
[8] http://www.endesa.com/es/sostenibilidad/PoliticaSostenibilidad/CompromisoTecnologia/El_Hierro
[9] Aplicaciones pequeño almacenamiento. Endesa Red- Head of Living Labs and innovation. Jacob Rodriguez
Rivero.
[10] http://www.google.ch/patents/US8593012
[11] Advanced Rail Energy Storage (All About ARES).
[12] Wikipedia
[13] https://www.google.ch/patents/US8674541
[14] http://www.scielo.cl/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0718-07642014000600014
[15] http://www2.fisica.unlp.edu.ar/materias/fisicageneralcn/Resistenciarodadura.pdf
[16] Regulación de frecuencia y potencia. Universidad Carlos III de Madrid. Pablo Ledesma.
[17] http://euanmearns.com/is-ares-the-solution-to-the-energy-storage-problem/
[18] ARES REgulation Energy Management Project.
[19] Plan of development for the advanced rail energy storage regulation energy management system project,
ARES Nevada, LLC, 2014.
[20] http://www.aresnorthamerica.com/
[21] https://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_potencial
[22] http://www.anacafe.org/glifos/index.php?title=Hidrogeneracion_Hidroelectricas
[23] Transformadores de potencia. Información técnica. Smit Transformers. SGB.
[24] Siemens Air-Cooled Generators. SGen-100A-4P Series. Siemens.
[25] http://www.sinais.es/Productos/MCRHidro/calculos-rendimiento.html
[26] http://www.juanjosegarciaegocheaga.com/tecnicadiseno.html
[27] http://www.saltosdelpirineo.com/equipos/autoconsumo/calculo.pdf
[28] Catálogo de productos. Supsonik s.l. Electrónica de potencia.
[29] A General Unified AC/DC Power Flow Algorithm With MTDC. Jingting Lei, Ting An, Zhengchun Du,
Member, IEEE, and Zheng Yuan.
[30] Transformadores de potencia. Serie hasta 69 kV y 20.000 kVA Inmerso en Líquido refrigerante. Suntec
Grupo WEG.
[31] DC Motors. Catalog DA 12 – 2008. Siemens.
94
ABREVIATURAS
ARES: Advanced Rail Energy Storage – Almacenamiento de Energía de Ferrocarril Avanzado.
BTB: Back To Back
CAES: Compressed Air Energy Storage - Sistema de Almacenamiento de Aire Comprimido.
CAISO: California Independent System Operator – Operador del Sistema Independiente de California.
CSP: Concentrated Solar Power – Energía Solar Concentrada.
DLC: Double Layer Capacitor – Condensadores de Doble Capa.
EES: Electrical Energy Storage – Almacenamiento de Energí Eléctrica.
FDP: Power Factor of Load – Factor De Potencia.
FES: Flywheel Energy Storage – Almacenmiento de energía con Volante de Inercia.
MPH: Mille Por Hour – Milla Por Hora.
PCM: Phase Change Material – Material de Cambio de Fase.
SNG: Synthetic Natural Gas – Gas Natural Sintético.
TCU: Unidad de tracción.
VEA: Valley Electric Association – Asociación Eléctrica Valle.
VSC: Voltage Source Converter – Convertidor Fuente Tensión.
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GLOSARIO
Bogie o boje: Es un conjunto de dos o tres pares de ruedas montadas sobre sendos ejes próximos, paralelos y
solidarios entre sí, que se utilizan en ambos extremos de los vehículos de gran longitud destinados a circular
sobre carriles.
Capacitancia: Propiedad que tienen los cuerpos para mantener una carga eléctrica, es también una medida de la
cantidad de energía eléctrica almacenada para una diferencia de potencial eléctrico dada.
Especie electroactiva: Todas aquellas sustancias con carácter oxidante y reductor, que son capaces de
oxidante y reductor, que son capaces de transportar carga, sin sufrir modificación transportar carga, sin
sufrir modificación atómica.
Frenado regenerativo: Energía que se pierde en forma de calor se reconduce a un sistema que lo convierte en
energía eléctrica que podemos almacenar y reutilizar mas tarde. Permite reducir la velocidad transformando
parte de su energía cinética en energía eléctrica.
Helioestato: Conjunto de espejos que se mueven sobre dos ejes, lo que permite mantener el reflejo de los rayos
solares que inciden sobre él en todo momento en un punto o pequeña superficie.
Temperatura crítica: La temperatura crítica es la temperatura límite por encima de la cual un gas miscible no
puede ser licuado por compresión. Por encima de esta temperatura no es posible condensar un gas aumentando
la presión.
Transpondedor: Es un dispositivo electrónico que produce una respuesta cuando se recibe una llamada de radio-
frecuencia. Este dispositivo se utiliza principalmente como un nuevo transmisor debido a que recibe una señal
en particular a partir de una fuente, entonces amplifica (refuerza) la señal antes de enviarla a un sitio predefinido.
Velocidad de sincronismo: La velocidad de sincronismo en una máquina de corriente alterna depende de la
polaridad y de la frecuencia de la red de suministro eléctrico.
