Que é o almacenamento de enerxía do volante?

O almacenamento de enerxía é o proceso de captación e almacenamento de enerxía de diversas fontes, como solar, eólica ou nuclear, e liberala cando sexa necesario, como durante os picos de demanda, cortes de enerxía ou emerxencias. O almacenamento de enerxía pode mellorar a fiabilidade, a eficiencia e a sustentabilidade da rede eléctrica, así como reducir as emisións de gases de efecto invernadoiro e a dependencia dos combustibles fósiles.

Existen moitos tipos de sistemas de almacenamento de enerxía, como baterías, capacitoreshidráulica bombeada, aire comprimido, térmica, e cinética. Neste blog, centrarémonos nunha das formas máis prometedoras e innovadoras de almacenamento de enerxía cinética: almacenamento de enerxía do volante (FES).

introdución

!Un volante de baixa velocidade)

• Que é o almacenamento de enerxía do volante (FES)?
  • FES é unha tecnoloxía que utiliza un dispositivo rotativo, chamado volante, para almacenar e liberar enerxía como enerxía cinética rotacional.
  • O principio básico do FES é acelerar un volante a alta velocidade, utilizando un motor eléctrico ou xerador, e despois desaceleralo cando se precisa enerxía, utilizando o mesmo dispositivo que un xerador ou motor.
  • A cantidade de enerxía almacenada nun volante depende da súa masa, forma e velocidade de rotación. Canto máis rápido xire o volante, máis enerxía pode almacenar.
• Como funciona FES?
  • Un sistema FES típico consta de catro compoñentes principais:
    • Un volante, que é un dispositivo cilíndrico ou en forma de disco feito de aceiro, composto ou outros materiais, montado nun eixe e encerrado nunha cámara de baleiro para reducir a fricción do aire.
    • Un motor/xerador, que é un dispositivo eléctrico que pode facer xirar o volante usando electricidade da rede ou producir electricidade a partir da rotación do volante.
    • Unha unidade electrónica de potencia, que é un dispositivo que controla a velocidade, a dirección e o fluxo de enerxía do motor/xerador, así como converte a corrente alterna (AC) da rede en corrente continua (DC) para o motor/xerador, e viceversa.
    • Un sistema de rodamentos, que é un dispositivo que soporta o eixe do volante e permite xirar suavemente e cunha mínima fricción. Hai dous tipos principais de rodamentos: mecánicos e magnéticos. Os rodamentos mecánicos usan contacto físico, como rodamentos de bolas ou de rolos, para soportar o eixe. Os rodamentos magnéticos usan campos magnéticos, como imáns permanentes ou electroimáns, para levitar o eixe sen contacto.
  • O funcionamento dun sistema FES pódese dividir en dous modos: carga e descarga:
    • No modo de carga, a unidade electrónica de potencia converte a CA da rede en CC e envíaa ao motor/xerador, que fai xirar o volante a unha alta velocidade, almacenando enerxía como enerxía cinética rotacional.
    • No modo de descarga, a unidade electrónica de potencia inverte o proceso e converte o DC do motor/xerador en AC e envíao de volta á rede, mentres o volante ralentiza, liberando enerxía como enerxía eléctrica.
• Cales son as vantaxes e inconvenientes do FES?
  • FES ten moitas vantaxes sobre outros sistemas de almacenamento de enerxía, como:
    • Alta eficiencia: FES pode acadar ata o 90% de eficiencia de ida e volta, o que significa que só se perde o 10% da enerxía durante os ciclos de carga e descarga.
    • Longa vida útil: o FES pode durar máis de 20 anos e soportar miles de ciclos de carga-descarga sen unha degradación significativa.
    • Resposta rápida: FES pode cargar e descargar enerxía en milisegundos, o que o fai axeitado para aplicacións que requiren alta potencia e regulación de frecuencia rápida.
    • Mantemento baixo: o FES ten poucas pezas móbiles e non require arrefriamento, calefacción ou reposición química, a diferenza das baterías ou dos capacitores.
    • Respecto ao medio ambiente: FES non utiliza materiais tóxicos ou perigosos, como chumbo, ácido ou litio, e non emite gases de efecto invernadoiro nin contaminantes, a diferenza dos combustibles fósiles ou da enerxía nuclear.
  • FES tamén ten algunhas desvantaxes e desafíos, como:
    • Alto custo: FES aínda é relativamente caro en comparación con outros sistemas de almacenamento de enerxía, especialmente para aplicacións a gran escala. Os principais factores de custo son os materiais, a fabricación e a instalación do volante, o motor/xerador, a electrónica de potencia e o sistema de rodamentos.
    • Densidade de enerxía limitada: o FES só pode almacenar unha cantidade limitada de enerxía por unidade de masa ou volume, en comparación coas baterías ou os capacitores. Isto significa que FES require máis espazo e peso para a mesma cantidade de almacenamento de enerxía.
    • Riscos de seguridade: FES implica a rotación a alta velocidade de obxectos pesados, o que pode representar perigos potenciais en caso de avaría, como a rotura do volante, a falla dos rodamentos ou o lume. Polo tanto, FES require un deseño, protección e seguimento adecuados para garantir un funcionamento seguro.

Tipos de volantes

!Un volante de alta velocidade)

• Volantes de baixa velocidade
  • Material e deseño
    • Os volantes de baixa velocidade son volantes que funcionan a velocidades inferiores ás 10,000 revolucións por minuto (rpm).
    • Os volantes de inercia de baixa velocidade adoitan estar feitos de aceiro ou outros metais, que teñen unha alta resistencia e durabilidade.
    • Os volantes de inercia de baixa velocidade son normalmente cilíndricos ou en forma de disco, cun gran diámetro e un pequeno grosor, para maximizar o momento de inercia e minimizar a tensión.
  • Aplicacións e exemplos
    • Os volantes de inercia de baixa velocidade úsanse principalmente para o almacenamento de enerxía a curto prazo, como a mellora da calidade da enerxía, a subministración de enerxía ininterrompida (UPS) e a nivelación de carga.
    • Os volantes de baixa velocidade poden proporcionar enerxía durante uns segundos a uns minutos, dependendo do tamaño e da velocidade do volante.
    • Algúns exemplos de aplicacións de volante de baixa velocidade son:
      • O volante de inercia Beacon Power de 20 kW, que é un sistema modular e escalable que pode proporcionar regulación de frecuencia e soporte de tensión para a rede.
      • O UPS Active Power CleanSource, que é un UPS baseado en volante que pode proporcionar enerxía de reserva para centros de datos, hospitais e instalacións industriais.
      • O Vycon REGEN, que é un sistema de volante que pode capturar e reutilizar a enerxía de freada de guindastres, trens e ascensores.
• Volantes de alta velocidade
  • Material e deseño
    • Os volantes de alta velocidade son volantes que funcionan a velocidades superiores a 10,000 rpm, ata 100,000 rpm ou máis.
    • Os volantes de alta velocidade adoitan estar feitos de materiais compostos, como fibra de carbono ou fibra de vidro, que teñen unha alta rixidez e baixa densidade.
    • Os volantes de inercia de alta velocidade adoitan ter forma de anel, cun diámetro pequeno e un gran grosor, para minimizar a forza centrífuga e maximizar a densidade de enerxía.
  • Aplicacións e exemplos
    • Os volantes de alta velocidade utilízanse principalmente para o almacenamento de enerxía a longo prazo, como a integración de enerxías renovables, o afeitado dos picos e a estabilización da rede.
    • Os volantes de alta velocidade poden proporcionar enerxía durante uns minutos a unhas horas, dependendo do tamaño e da velocidade do volante.
    • Algúns exemplos de aplicacións de volante de alta velocidade son:
      • O volante Amber Kinetics M32, que é un volante de 32 kWh que pode proporcionar catro horas de descarga a 8 kW, axeitado para a integración solar e eólica.
      • O volante Temporal Power 2 MW, que é un volante a gran escala que pode proporcionar regulación de frecuencia e servizos auxiliares para a rede.
      • O volante Glenn da NASA, que é un volante de 500 Wh que pode proporcionar potencia e control de actitude para as naves espaciais.

Comparación con outros sistemas de almacenamento de enerxía

!Unha comparación de diferentes sistemas de almacenamento de enerxía)

• Baterías
  • Pros e contras
    • As baterías son dispositivos que almacenan e liberan enerxía como enerxía química, utilizando reaccións electroquímicas entre electrodos e electrólitos.
    • As baterías teñen moitas vantaxes, como:
      • Alta densidade de enerxía: as baterías poden almacenar unha gran cantidade de enerxía por unidade de masa ou volume, en comparación cos volantes ou os capacitores.
      • Baixa autodescarga: as baterías poden reter a enerxía almacenada durante moito tempo, sen perdas importantes, a diferenza dos volantes ou dos capacitores.
      • Escalabilidade: as baterías pódense conectar facilmente en serie ou en paralelo para aumentar a tensión ou a capacidade, respectivamente, do sistema de almacenamento de enerxía.
    • As baterías tamén teñen algunhas desvantaxes, como:
      • Baixa eficiencia: as baterías teñen unha eficiencia de ida e volta máis baixa que os volantes ou os capacitores, debido á resistencia interna e á xeración de calor das reaccións electroquímicas.
      • Vida útil curta: as baterías teñen unha vida útil e unha vida útil limitadas, debido á degradación dos electrodos e electrólitos ao longo do tempo e do uso.
      • Mantemento elevado: as baterías requiren refrixeración, calefacción ou reposición de produtos químicos, dependendo do tipo e do estado da batería, para garantir un rendemento e seguridade óptimos.
      • Problemas ambientais: as baterías usan materiais tóxicos ou perigosos, como chumbo, ácido ou litio, que poden causar contaminación ou riscos para a saúde.

      Comparación con outros sistemas de almacenamento de enerxía

      !Unha comparación de diferentes sistemas de almacenamento de enerxía)

      • Baterías
        • Pros e contras
          • As baterías son dispositivos que almacenan e liberan enerxía como enerxía química, utilizando reaccións electroquímicas entre electrodos e electrólitos.
          • As baterías teñen moitas vantaxes, como:
            • Alta densidade de enerxía: as baterías poden almacenar unha gran cantidade de enerxía por unidade de masa ou volume, en comparación cos volantes ou os capacitores.
            • Baixa autodescarga: as baterías poden reter a enerxía almacenada durante moito tempo, sen perdas importantes, a diferenza dos volantes ou dos capacitores.
            • Escalabilidade: as baterías pódense conectar facilmente en serie ou en paralelo para aumentar a tensión ou a capacidade, respectivamente, do sistema de almacenamento de enerxía.
          • As baterías tamén teñen algunhas desvantaxes, como:
            • Baixa eficiencia: as baterías teñen unha eficiencia de ida e volta máis baixa que os volantes ou os capacitores, debido á resistencia interna e á xeración de calor das reaccións electroquímicas.
            • Vida útil curta: as baterías teñen unha vida útil e unha vida útil limitadas, debido á degradación dos electrodos e electrólitos ao longo do tempo e do uso.
            • Mantemento elevado: as baterías requiren refrixeración, calefacción ou reposición de produtos químicos, dependendo do tipo e do estado da batería, para garantir un rendemento e seguridade óptimos.
            • Problemas ambientais: as baterías usan materiais tóxicos ou perigosos, como chumbo, ácido ou litio, que poden causar contaminación ou riscos para a saúde.
        • Casos de uso e escenarios
          • As baterías son adecuadas para aplicacións que requiren alta enerxía e baixa potencia, como a arbitraxe enerxética, o afeitado máximo e a enerxía de reserva.
          • As baterías poden proporcionar enerxía durante horas ou días, dependendo do tamaño e do tipo da batería.
          • Algúns exemplos de aplicacións de batería son:
            • O Tesla Powerwall, que é unha batería de iones de litio que pode almacenar o exceso de enerxía solar para uso residencial ou servizos de rede.
            • A Hornsdale Power Reserve, que é unha batería de iones de litio de 100 MW/129 MWh que pode proporcionar regulación de frecuencia e estabilidade da rede para o sur de Australia.
            • A batería Vanadium Redox Flow, que é unha batería líquida que pode almacenar grandes cantidades de enerxía durante longas duracións, adecuada para a integración de enerxías renovables e microredes.
      • Capacitores
        • Pros e contras
          • Os capacitores son dispositivos que almacenan e liberan enerxía como carga eléctrica, utilizando dúas placas condutoras separadas por un material dieléctrico.
          • Os capacitores teñen moitas vantaxes, como:
            • Alta eficiencia: os capacitores teñen unha maior eficiencia de ida e volta que as baterías ou os volantes, debido á baixa resistencia e á xeración de calor da transferencia de carga eléctrica.
            • Longa vida útil: os capacitores teñen ciclos de vida útil e calendario ilimitados, xa que non se degradan co paso do tempo e do uso.
            • Resposta rápida: os capacitores poden cargar e descargar enerxía en microsegundos, polo que son axeitados para aplicacións que requiren alta potencia e regulación de voltaxe rápida.
          • Os capacitores tamén teñen algunhas desvantaxes, como:
            • Baixa densidade de enerxía: os capacitores só poden almacenar unha pequena cantidade de enerxía por unidade de masa ou volume, en comparación coas baterías ou os volantes.
            • Alta autodescarga: os capacitores poden perder rapidamente a súa enerxía almacenada, debido á fuga da carga eléctrica a través do material dieléctrico ou do circuíto externo.
            • Custo: os capacitores aínda son relativamente caros en comparación con outros sistemas de almacenamento de enerxía, especialmente para aplicacións a gran escala. Os principais factores de custo son os materiais, a fabricación e a instalación das placas de capacitores e do material dieléctrico.
        • Casos de uso e escenarios
          • Os capacitores son axeitados para aplicacións que requiren baixa enerxía e alta potencia, como mellora da calidade da enerxía, soporte de carga transitoria e aceleración de vehículos eléctricos.
          • Os capacitores poden proporcionar enerxía durante milisegundos a segundos, dependendo do tamaño e do tipo do capacitor.
          • Algúns exemplos de aplicacións de capacitores son:
            • O Maxwell Ultracapacitor, que é un capacitor electrostático que pode proporcionar enerxía para autobuses, trens e camións híbridos, así como para aeroxeradores e guindastres.
            • Skeleton Technologies SkelCap, que é un supercondensador baseado en grafeno que pode proporcionar enerxía para aplicacións automotrices, aeroespaciais e industriais, así como para servizos de rede.
            • O EEStor EESU, que é un capacitor a base de cerámica que afirma ter maior densidade de enerxía que as baterías de ión-litio, axeitado para vehículos eléctricos e almacenamento en rede.
      • Outros sistemas de almacenamento de enerxía cinética
        • Pros e contras
          • Outros sistemas de almacenamento de enerxía cinética son sistemas que almacenan e liberan enerxía como enerxía mecánica, utilizando diferentes formas de movemento, como lineal, rotacional ou vibracional.
          • Outros sistemas de almacenamento de enerxía cinética teñen algunhas vantaxes, como:
            • Alta eficiencia: outros sistemas de almacenamento de enerxía cinética poden acadar unha alta eficiencia de ida e volta, semellante aos volantes, dependendo do tipo e deseño do sistema.
            • Longa vida útil: Outros sistemas de almacenamento de enerxía cinética poden ter un ciclo de vida longo e unha vida útil calendario, semellante aos volantes, dependendo do tipo e deseño do sistema.
            • Baixo mantemento: Outros sistemas de almacenamento de enerxía cinética poden ter esixencias de mantemento baixas, semellantes aos volantes, dependendo do tipo e deseño do sistema.
          • Outros sistemas de almacenamento de enerxía cinética tamén teñen algunhas desvantaxes, como:
            • Baixa densidade de enerxía: outros sistemas de almacenamento de enerxía cinética poden ter baixa densidade de enerxía, semellante aos volantes, dependendo do tipo e deseño do sistema.
            • Riscos de seguridade: Outros sistemas de almacenamento de enerxía cinética poden supor riscos de seguridade, similares aos volantes, dependendo do tipo e deseño do sistema.
            • Retos técnicos: Outros sistemas de almacenamento de enerxía cinética poden afrontar retos técnicos, como a selección de materiais, a redución da fricción e o control das vibracións, dependendo do tipo e deseño do sistema.
        • Casos de uso e escenarios
          • Outros sistemas de almacenamento de enerxía cinética son axeitados para aplicacións que requiren enerxía media e potencia media, como a integración de enerxías renovables, a estabilización da rede e a nivelación de carga.
          • Outros sistemas de almacenamento de enerxía cinética poden proporcionar enerxía durante segundos a minutos, dependendo do tamaño e do tipo do sistema.
          • Algúns exemplos doutros sistemas de almacenamento de enerxía cinética son:
            • O módulo de potencia por gravidade, que é un sistema que utiliza un pistón grande e un eixe cheo de auga para almacenar e liberar enerxía como enerxía potencial gravitatoria.
            • O Advanced Rail Energy Storage, que é un sistema que utiliza locomotoras eléctricas e vías férreas para almacenar e liberar enerxía como enerxía potencial gravitatoria.
            • O volante Velkess, que é un sistema que utiliza un rotor flexible e un rodamento magnético para almacenar e liberar enerxía como enerxía cinética rotacional.

      Perspectivas e retos de futuro

      • Innovacións e desenvolvementos tecnolóxicos
        • FES é unha tecnoloxía en rápida evolución que ten o potencial de mellorar o seu rendemento, custo e fiabilidade, a través de diversas innovacións e desenvolvementos tecnolóxicos, como:
          • Novos materiais e deseños: FES pode beneficiarse do desenvolvemento de novos materiais e deseños que poden aumentar a resistencia, rixidez e durabilidade do volante, así como reducir o peso, o tamaño e o custo do sistema.
          • Sistemas de control e electrónica de potencia avanzados: FES pode beneficiarse do desenvolvemento de sistemas de control e electrónica de potencia avanzados que poden optimizar a velocidade, a dirección e o fluxo de enerxía do motor/xerador, así como mellorar a eficiencia, estabilidade e seguridade do motor. sistema.
          • Sistemas híbridos e integrados: os FES poden beneficiarse do desenvolvemento de sistemas híbridos e integrados que poden combinar os FES con outros sistemas de almacenamento de enerxía, como baterías ou capacitores, para conseguir unha maior densidade de enerxía, unha menor autodescarga e un mellor rendemento.
      • Tendencias e oportunidades do mercado
        • FES é un mercado en crecemento que ten a oportunidade de expandir as súas aplicacións, clientes e rexións, a través de varias tendencias e oportunidades de mercado, como:
          • Aumento da demanda de almacenamento de enerxía: FES pode satisfacer a crecente demanda de almacenamento de enerxía, impulsada polo crecemento das enerxías renovables, os vehículos eléctricos e as redes intelixentes, así como a necesidade de calidade, fiabilidade e seguridade da enerxía.
          • Políticas e normativas favorables: FES pode beneficiarse das políticas e regulamentos favorables que apoian o desenvolvemento e implantación de almacenamento de enerxía, como subvencións, incentivos, normas e mandatos, a nivel local, nacional e internacional.
          • Vantaxes competitivas e diferenciación: FES pode aproveitar as súas vantaxes competitivas e diferenciación, como alta eficiencia, longa vida útil, resposta rápida, baixo mantemento e respeto ao medio ambiente, para atraer e reter clientes, así como para crear e captar valor.
      • Impactos ambientais e sociais
        • FES é unha tecnoloxía sostible que ten o potencial de crear impactos ambientais e sociais positivos, como:
          • Reducir as emisións de gases de efecto invernadoiro e a dependencia dos combustibles fósiles: FES pode reducir as emisións de gases de efecto invernadoiro e a dependencia dos combustibles fósiles, ao permitir a integración de enerxías renovables, mellorar a eficiencia da rede eléctrica e proporcionar enerxía limpa e fiable para varias aplicacións.
          • Mellorar o acceso e a accesibilidade á enerxía: FES pode mellorar o acceso á enerxía e a súa accesibilidade, proporcionando solucións de almacenamento de enerxía distribuídas e descentralizadas, especialmente para as zonas remotas e rurais, así como para os países en desenvolvemento e emerxentes.
          • Creación de emprego e crecemento económico: FES pode crear emprego e crecemento económico, estimulando a innovación e o desenvolvemento da industria de almacenamento de enerxía, así como apoiando a implantación e funcionamento dos sistemas de almacenamento de enerxía.

      Conclusión

      • Resumo dos puntos principais
        • Neste blog comentamos que é o almacenamento de enerxía do volante, como funciona, cales son as súas vantaxes e inconvenientes, como se compara con outros sistemas de almacenamento de enerxía e cales son as súas perspectivas e retos futuros.
        • Aprendemos que o almacenamento de enerxía do volante é unha tecnoloxía prometedora e innovadora que pode almacenar e liberar enerxía como enerxía cinética rotacional, utilizando un dispositivo xiratorio chamado volante.