Almacenamiento de energía mediante volante de inercia es una tecnología de almacenamiento de energía con alta densidad de potencia, alta fiabilidad, larga vida útil y respetuosa con el medio ambiente. Se caracteriza por la levitación magnética total, el bajo consumo de energía, la respuesta rápida, la larga vida útil y el elevado número de ciclos de carga y descarga.
1. ¿Qué es el almacenamiento de energía con volante de inercia?
Según los distintos métodos de almacenamiento de energía, las tecnologías de almacenamiento de energía se dividen principalmente en tres categorías: almacenamiento de energía mecánica (como el almacenamiento de energía por bombeo de agua, el almacenamiento de energía por aire comprimido, el almacenamiento de energía por volante de inercia, etc.), almacenamiento de energía electromagnética (como el almacenamiento de energía electromagnética superconductora, el almacenamiento de energía por supercondensador, etc.), almacenamiento de energía electroquímica (como las baterías de plomo-ácido, las baterías de flujo redox, el almacenamiento de energía por baterías de sodio-azufre, almacenamiento de energía en baterías de iones de litioetc.).
La tecnología de almacenamiento de energía en volantes de inercia es un tipo de tecnologías de almacenamiento de energía que utiliza motores bidireccionales recíprocos (motores/generadores) para realizar la conversión mutua entre energía eléctrica y energía mecánica de volantes de inercia giratorios de alta velocidad. Utiliza un volante de inercia que gira a gran velocidad para almacenar energía en forma de energía cinética. Cuando falta o se necesita urgentemente energía, el volante de inercia frena y libera la energía almacenada.
2. El principio técnico del almacenamiento de energía en volantes de inercia
El almacenamiento de energía en un volante de inercia es un dispositivo de almacenamiento mecánico que realiza la conversión y el almacenamiento mutuos de energía eléctrica y energía cinética mecánica de un volante de inercia giratorio de alta velocidad a través de un motor eléctrico/generador bidireccional recíproco. La energía almacenada en el volante de inercia se basa en el principio de masa giratoria. La energía de entrada para un sistema de almacenamiento de energía en un volante de inercia suele proceder de la red o de cualquier otra fuente de energía eléctrica. El volante de inercia está conectado coaxialmente con el motor, lo que demuestra que controlando el motor se puede controlar el volante de inercia.
El volante giratorio es accionado por un motor eléctrico, intercambiando energía eléctrica con energía mecánica y viceversa. Cuando el volante almacena energía, el motor acciona el volante para acelerar, y la energía eléctrica se convierte en energía cinética; cuando la energía se libera, el volante acciona el motor para generar electricidad, el volante desacelera, y la energía cinética se convierte en energía eléctrica.
3. Características del almacenamiento de energía en volantes de inercia
Como nueva tecnología en el almacenamiento mundial de energía de la industria, el almacenamiento de energía mediante volantes de inercia presenta ventajas únicas en muchos lugares. Actualmente es una de las tecnologías de almacenamiento de energía de alta potencia a corto plazo más prometedoras, como se muestra en:
- El volante de inercia tiene una alta densidad de almacenamiento de energía y una gran potencia instantánea. Puede emitir más energía en poco tiempo, lo que favorece el lanzamiento del cañón electromagnético y el arranque rápido del vehículo.
- Largo ciclo de vida. Durante todo el ciclo de vida, la densidad de almacenamiento de energía y la vida útil no se verán afectadas por la sobrecarga o la sobredescarga, y el volante de inercia no sufrirá daños. Su vida útil depende principalmente de la vida útil de los componentes electrónicos de la batería del volante de inercia, generalmente hasta unos 20 años.
- Es fácil medir la profundidad de descarga y la "potencia" restante.
- El tiempo de carga es corto. Por lo general, la batería puede cargarse completamente en pocos minutos.
- Alta eficiencia de conversión de energía. Generalmente, puede alcanzar alrededor de 90%, lo que significa que hay más energía disponible y menos disipación de calor, que es mayor que la eficiencia de conversión de las baterías químicas.
- Ecológico y respetuoso con el medio ambiente, no contamina.
4. Composición del almacenamiento de energía del volante de inercia
El sistema de almacenamiento de energía del volante de inercia está compuesto por el rotor del volante, el motor, el rodamiento, la interfaz electrónica de potencia y la carcasa.
- rotor del volante
La energía almacenada en un volante de inercia viene determinada por la forma y el material del rotor. La energía es linealmente proporcional al momento de inercia y al cuadrado de su velocidad angular, por lo que la energía almacenada de un volante de inercia puede optimizarse aumentando la velocidad de rotación o aumentando el momento de inercia. Esto ofrece dos opciones para los sistemas de almacenamiento con volante de inercia: sistemas de almacenamiento con volante de inercia de baja velocidad (normalmente hasta 10.000 rpm) y sistemas de almacenamiento con volante de inercia de alta velocidad (hasta 100.000 rpm).
Los volantes de inercia de baja velocidad suelen estar fabricados con materiales metálicos más pesados y se apoyan en cojinetes mecánicos o magnéticos. Los volantes de inercia de alta velocidad suelen estar fabricados con materiales compuestos más ligeros pero más resistentes y suelen requerir cojinetes magnéticos. Los volantes de inercia de alta velocidad suelen costar hasta 5 veces más que los de baja velocidad.
- motor
El motor eléctrico/generador bidireccional recíproco se acopla con el volante de inercia para realizar la conversión de energía y carga de la batería proceso del volante de inercia. Esta máquina actúa como un motor, almacenando energía cinética para el volante de inercia acelerándolo y extrayendo electricidad de la fuente de alimentación.
La energía almacenada en el volante de inercia es extraída por el mismo motor eléctrico que actúa como generador, por lo que el volante se ralentiza en el proceso de conversión de energía cinética en electricidad. Los motores utilizados habitualmente en los sistemas de almacenamiento de energía en volantes de inercia son los motores de inducción (IM), los motores de imanes permanentes (PM) y los motores de reluctancia variable (VRM). Los motores de inducción se utilizan en aplicaciones de alta potencia por su robustez, alto par y bajo coste. Los principales problemas de los motores de inducción son las limitaciones de velocidad, la complejidad de los controles y la mayor necesidad de mantenimiento.
- Los motores de inducción de doble alimentación (DFIM) se utilizan actualmente en aplicaciones de sistemas de almacenamiento de energía en volantes de inercia debido a su control flexible y a su menor potencia de conversión, lo que reduce el tamaño de la electrónica de potencia.
- El motor de reluctancia variable tiene las características de rendimiento estable, baja pérdida en ralentí y amplia gama de velocidades. Para el funcionamiento a alta velocidad, los motores de reluctancia variable tienen un mecanismo de control más sencillo que los motores de inducción. Sus desventajas son el bajo factor de potencia, la baja densidad de potencia y la gran fluctuación del par. Tanto la reluctancia conmutada como la reluctancia síncrona son adecuadas para los sistemas de almacenamiento de energía en volantes de inercia de alta velocidad.
- El motor de imanes permanentes tiene un alto rendimiento, una alta densidad de potencia y bajas pérdidas en el rotor, y es el motor más utilizado para los sistemas de almacenamiento de energía en volantes de inercia. Se utiliza mucho en aplicaciones de alta velocidad. Los principales problemas de los motores de imanes permanentes son la pérdida por ralentí debida a la pérdida por corrientes parásitas del estator, su elevado precio y su baja resistencia a la tracción.
- Los motores de corriente continua sin escobillas (BLDCM), los motores síncronos de imanes permanentes (PMSM) y las máquinas de matriz Halbach (HAM) son los principales tipos de motores de imanes permanentes utilizados en aplicaciones de sistemas de almacenamiento de energía en volantes.
- rodamiento
El almacenamiento de energía en volantes de inercia requiere rodamientos que mantengan el rotor en su sitio con muy baja fricción, al tiempo que proporcionan el mecanismo de soporte para el volante de inercia. Los sistemas de rodamientos pueden ser mecánicos o magnéticos, en función del peso, la vida útil y las menores pérdidas.
Tradicionalmente se utilizan rodamientos mecánicos de bolas, pero, en comparación con los magnéticos, éstos presentan una mayor fricción y requieren mayores costes de mantenimiento debido a la degradación del lubricante. Estas deficiencias pueden paliarse utilizando un sistema híbrido de rodamientos magnéticos y mecánicos. Los cojinetes magnéticos no tienen pérdidas por fricción y no necesitan lubricación.
Los cojinetes magnéticos permanentes (pasivos) (PMB), los cojinetes magnéticos activos (AMB) y los cojinetes magnéticos superconductores (SMB) son los principales tipos de sistemas de cojinetes magnéticos.
- Los PMB tienen una gran rigidez, un bajo coste y pocas pérdidas. Sin embargo, los PMB tienen limitaciones a la hora de proporcionar estabilidad y, por lo general, se consideran sistemas de rodamientos auxiliares.
- El AMB es accionado por un campo magnético generado por una bobina portadora de corriente que controla la posición del rotor. El coste del AMB es elevado, el sistema de control es complejo y se consume energía durante el funcionamiento, lo que aumenta las pérdidas del sistema. Para garantizar una buena eficacia del sistema global, hay que llegar a un compromiso entre velocidad y pérdidas.
- SMB proporciona alta velocidad, sin fricción, larga vida útil, funcionamiento compacto y estable. Es el mejor rodamiento magnético para el funcionamiento a alta velocidad, ya que estabiliza el volante de inercia sin energía eléctrica ni sistemas de posicionamiento. Sin embargo, el SMB requiere un sistema de refrigeración criogénico porque funciona a temperaturas muy bajas; pero en los últimos años se ha mejorado utilizando superconductores de alta temperatura (HTS). El principal inconveniente del sistema SMB es que es muy caro.
5. Rendimiento de los parámetros de la tecnología de almacenamiento de energía con volante de inercia
| Proyecto | Almacenamiento de energía en volantes de inercia de alta velocidad |
|---|---|
| Madurez tecnológica | Comercial |
| Densidad energética (W.h/kg) | 32 |
| Densidad de potencia (W/kg) | 4500 |
| Eficiencia de conversión energética, % | ＞85 |
| Nivel de potencia/MW | 0～20 |
| Tiempo de descarga continua | 1ms～1min |
| Tasa de autodescarga (%/mes) | 2~20 |
| Años de servicio | 20 |
| Número de ciclos | Más de un millón de veces |
| Tiempo de arranque/ms | ＜2 |
| Velocidad correspondiente/ms | ＜2 |
| Coste de la energía (yuanes/kW) | 1700～2000 |
| Coste energético (yuanes/kW.h) | 100000～400000 |
| Coste de explotación y mantenimiento/(yuanes/kW) | 50～100 |
6. Ventajas técnicas del almacenamiento de energía en volantes de inercia
A través de la comparación técnica de varios métodos de almacenamiento de energía, se puede ver que el almacenamiento de energía por volante de inercia tiene una alta eficiencia (hasta 90%), gran potencia instantánea (nivel de un megavatio), velocidad de respuesta rápida (varios milisegundos) y larga vida útil (10 Es una de las tecnologías de almacenamiento de energía de alta potencia a corto plazo más prometedoras en la actualidad.
7. Escenarios de aplicación del almacenamiento de energía en volantes de inercia
- Tránsito ferroviario
Las ventajas de alta densidad de potencia y alta eficiencia del almacenamiento de energía mediante volante de inercia encajan perfectamente con el sistema de tránsito ferroviario, y su efecto de ahorro de energía supera con creces el de otros equipos de ahorro de energía.
En los costes de explotación del transporte ferroviario urbano, como el metro, los costes de electricidad representan unas 40%, y la energía de tracción del tren supone 45%-60% del coste total de electricidad de las operaciones del metro, de las cuales 17% son energía de frenado regenerativa reciclable. La energía de frenado recuperada suele consumirse mediante la disipación del calor de resistencia, lo que plantea problemas de derroche de recursos e impacto en la red eléctrica. El uso del dispositivo de almacenamiento de energía del volante de inercia puede ahorrar 15% de consumo de energía de tracción.
- Red eléctrica
El almacenamiento de energía en volantes de inercia tiene una alta potencia, una respuesta rápida y una larga vida útil, y es adecuado para la regulación de picos de la red eléctrica y la regulación de la frecuencia.
Algunos países europeos han aplicado sistemas de almacenamiento de energía en volantes de inercia a la regulación de picos y frecuencias de la red eléctrica. En la actualidad, muchos lugares de China han puesto en marcha proyectos de almacenamiento de energía en volantes de inercia para la regulación de picos de la red eléctrica y la regulación de la frecuencia. Se espera que el ritmo de las aplicaciones de almacenamiento de energía en volantes de inercia en la regulación de picos de la red eléctrica y la regulación de la frecuencia siga acelerándose.
- SAI sistema de alimentación ininterrumpida
Almacenamiento de energía SAI en el sistema eléctrico, hay un gran número de usuarios que tienen elevados requisitos de calidad de la energía, como la fabricación de semiconductores, los sistemas informáticos de los bancos, los sistemas de comunicación, los equipos médicos de precisión de los hospitales, etc. Cuando la red eléctrica externa se interrumpe o la calidad del suministro eléctrico es anormal, para garantizar un suministro eléctrico continuo y fiable a estos usuarios, se puede equipar el sistema de alimentación ininterrumpida SAI con almacenamiento de energía en volante de inercia.
- Otros
El almacenamiento de energía en volantes de inercia también es adecuado para su aplicación en la generación de energía solar, eólica y otros sistemas, y también se utiliza en el campo aeroespacial.
8. Situación del mercado mundial del almacenamiento de energía mediante volante de inercia
La tecnología de almacenamiento de energía en volantes de inercia se viene desarrollando desde mediados del siglo XX, y cuenta con más de 50 años de historia de investigación, desarrollo y aplicación. En la actualidad, la investigación y el desarrollo mundiales de la tecnología de almacenamiento de energía en volantes de inercia se concentran principalmente en Estados Unidos, Europa y Japón. Están muy por delante de otros países en investigación de aplicaciones básicas de la tecnología de volantes de inercia, tecnologías clave, procesos de fabricación, desarrollo de industrialización de productos y operaciones de mercado. En la actualidad, a medida que otros países conceden gran importancia a la tecnología de almacenamiento de energía e invierten fuertemente en ella, la tendencia a la multipolarización se hace cada vez más evidente.
Estados Unidos: En la actualidad, Estados Unidos ocupa la primera posición en la investigación de la tecnología de almacenamiento de energía en volantes de inercia, lo que se debe principalmente a la inversión a largo plazo de instituciones como el DOE y la NASA desde los años 70 y al apoyo continuo del mercado de capitales durante más de 10 años.
Europa: Entre muchos países europeos, Alemania y el Reino Unido son los que más han investigado la tecnología de almacenamiento de energía en volantes de inercia, y Francia, Italia y otros países también han realizado grandes inversiones.
Japón: Japón tiene una gran fortaleza técnica en materiales de fibra de carbono de alta resistencia y materiales superconductores de alta temperatura, lo que proporciona condiciones favorables para el desarrollo de la tecnología de almacenamiento de energía en volantes de inercia.
China: China lleva prestando atención a la tecnología de almacenamiento de energía en volantes de inercia desde la década de 1980. En la actualidad, el almacenamiento de energía con volante de inercia de China ha logrado muchas experiencias exitosas de aplicación práctica y demostración en los campos de la generación de energía, la perforación petrolífera y la navegación.
9. Dirección de desarrollo de la tecnología de almacenamiento de energía en volantes de inercia
- El sistema de motor y convertidor evolucionará hacia el bajo coste;
- Los rotores de alta densidad energética evolucionarán hacia los materiales compuestos;
- Los cojinetes de apoyo evolucionarán hacia la suspensión magnética y los cojinetes compuestos;
- Mejora de la energía almacenada en volantes de inercia;
- Los sistemas de almacenamiento de energía mediante volantes de inercia de gran capacidad evolucionarán hacia conjuntos modulares
En cuanto a los cuellos de botella técnicos, para los productos de almacenamiento de energía en volantes de inercia de gran capacidad, cuando el momento de inercia y la velocidad máxima del rotor del volante de inercia superen un determinado valor, habrá que hacer frente a problemas técnicos y de diseño, tales como: material del rotor del volante de inercia de gran resistencia y tecnología de diseño y fabricación estructural, tecnología de diseño y fabricación de rodamientos compuestos, tecnología de diseño y fabricación de motores bidireccionales, tecnología de refrigeración de motores y rodamientos en estado de vacío, etc.
Basándose en el desarrollo real de la industria, este artículo analiza las principales tecnologías de almacenamiento de energía, la aplicación en el mercado, los problemas y los retos.
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