Què és l'emmagatzematge d'energia del volant?

L'emmagatzematge d'energia és el procés de captura i emmagatzematge d'energia de diverses fonts, com ara solar, eòlica o nuclear, i alliberar-la quan sigui necessari, com ara durant la demanda punta, talls d'energia o emergències. L'emmagatzematge d'energia pot millorar la fiabilitat, l'eficiència i la sostenibilitat de la xarxa elèctrica, així com reduir les emissions de gasos d'efecte hivernacle i la dependència dels combustibles fòssils.

Hi ha molts tipus de sistemes d'emmagatzematge d'energia, com ara bateries, condensadorshidràulica bombada, aire comprimit, tèrmic, i cinètica. En aquest bloc, ens centrarem en una de les formes més prometedores i innovadores d'emmagatzematge d'energia cinètica: Emmagatzematge d'energia del volant (FES).

introducció

!Un volant de baixa velocitat)

• Què és l'emmagatzematge d'energia del volant (FES)?
  • FES és una tecnologia que utilitza un dispositiu giratori, anomenat volant, per emmagatzemar i alliberar energia com a energia cinètica de rotació.
  • El principi bàsic de FES és accelerar un volant a una gran velocitat, utilitzant un motor elèctric o generador, i després desaccelerar-lo quan es necessita energia, utilitzant el mateix dispositiu que un generador o motor.
  • La quantitat d'energia emmagatzemada en un volant depèn de la seva massa, forma i velocitat de rotació. Com més ràpid giri el volant, més energia pot emmagatzemar.
• Com funciona FES?
  • Un sistema FES típic consta de quatre components principals:
    • Un volant, que és un dispositiu cilíndric o en forma de disc fet d'acer, compost o altres materials, muntat sobre un eix i tancat en una cambra de buit per reduir la fricció de l'aire.
    • Un motor/generador, que és un dispositiu elèctric que pot fer girar el volant utilitzant electricitat de la xarxa o produir electricitat a partir de la rotació del volant.
    • Una unitat d'electrònica de potència, que és un dispositiu que controla la velocitat, la direcció i el flux de potència del motor/generador, així com converteix el corrent altern (AC) de la xarxa en corrent continu (DC) per al motor/generador, i viceversa.
    • Un sistema de coixinets, que és un dispositiu que suporta l'eix del volant i li permet girar amb suavitat i amb una fricció mínima. Hi ha dos tipus principals de coixinets: mecànics i magnètics. Els coixinets mecànics utilitzen el contacte físic, com ara coixinets de boles o de rodets, per suportar l'eix. Els coixinets magnètics utilitzen camps magnètics, com ara imants permanents o electroimants, per fer levitar l'eix sense contacte.
  • El funcionament d'un sistema FES es pot dividir en dos modes: càrrega i descàrrega:
    • En el mode de càrrega, la unitat d'electrònica de potència converteix l'AC de la xarxa a DC i l'envia al motor/generador, que fa girar el volant a una gran velocitat, emmagatzemant energia com a energia cinètica de rotació.
    • En el mode de descàrrega, la unitat d'electrònica de potència inverteix el procés i converteix el corrent continu del motor/generador en CA i l'envia de nou a la xarxa, a mesura que el volant s'alenteix, alliberant energia com a energia elèctrica.
• Quins són els avantatges i els inconvenients de FES?
  • FES té molts avantatges respecte d'altres sistemes d’emmagatzematge d’energia, tal com :
    • Alta eficiència: FES pot aconseguir fins a un 90% d'eficiència d'anada i tornada, el que significa que només es perd el 10% de l'energia durant els cicles de càrrega i descàrrega.
    • Llarga vida útil: FES pot durar més de 20 anys i suportar milers de cicles de càrrega-descàrrega sense degradació significativa.
    • Resposta ràpida: FES pot carregar i descarregar energia en mil·lisegons, el que el fa adequat per a aplicacions que requereixen una regulació de freqüència elevada i ràpida.
    • Manteniment baix: FES té poques peces mòbils i no requereix refrigeració, calefacció o reposició química, a diferència de les bateries o els condensadors.
    • Respecte al medi ambient: FES no utilitza materials tòxics o perillosos, com ara plom, àcid o liti, i no emet gasos d'efecte hivernacle ni contaminants, a diferència dels combustibles fòssils o l'energia nuclear.
  • FES també té alguns desavantatges i reptes, com ara:
    • Cost elevat: el FES encara és relativament car en comparació amb altres sistemes d'emmagatzematge d'energia, especialment per a aplicacions a gran escala. Els principals factors de cost són els materials, la fabricació i la instal·lació del volant, el motor/generador, l'electrònica de potència i el sistema de coixinets.
    • Densitat d'energia limitada: el FES només pot emmagatzemar una quantitat limitada d'energia per unitat de massa o volum, en comparació amb les bateries o els condensadors. Això vol dir que FES requereix més espai i pes per a la mateixa quantitat d'emmagatzematge d'energia.
    • Riscos de seguretat: FES implica la rotació a gran velocitat d'objectes pesats, que poden suposar perills potencials en cas de fallada, com ara la ruptura del volant, la fallada dels coixinets o un incendi. Per tant, FES requereix un disseny, una protecció i un seguiment adequats per garantir un funcionament segur.

Tipus de volants

!Un volant d'inercia d'alta velocitat)

• Volants de baixa velocitat
  • Material i disseny
    • Els volants de baixa velocitat són volants que funcionen a velocitats inferiors a 10,000 revolucions per minut (rpm).
    • Els volants de baixa velocitat solen estar fets d'acer o altres metalls, que tenen una gran resistència i durabilitat.
    • Els volants de baixa velocitat solen ser cilíndrics o en forma de disc, amb un gran diàmetre i un petit gruix, per maximitzar el moment d'inèrcia i minimitzar l'estrès.
  • Aplicacions i exemples
    • Els volants de baixa velocitat s'utilitzen principalment per a l'emmagatzematge d'energia a curt termini, com ara la millora de la qualitat de l'energia, la font d'alimentació ininterrompuda (UPS) i l'anivellament de càrrega.
    • Els volants de baixa velocitat poden proporcionar energia durant uns quants segons a uns minuts, depenent de la mida i la velocitat del volant.
    • Alguns exemples d'aplicacions de volant de baixa velocitat són:
      • El volant d'inercia Beacon Power de 20 kW, que és un sistema modular i escalable que pot proporcionar regulació de freqüència i suport de tensió per a la xarxa.
      • El SAI Active Power CleanSource, que és un SAI basat en volant que pot proporcionar energia de reserva per a centres de dades, hospitals i instal·lacions industrials.
      • El Vycon REGEN, que és un sistema de volant que pot capturar i reutilitzar l'energia de frenada de grues, trens i ascensors.
• Volants d'alta velocitat
  • Material i disseny
    • Els volants d'alta velocitat són volants que funcionen a velocitats superiors a 10,000 rpm, fins a 100,000 rpm o més.
    • Els volants d'inercia d'alta velocitat solen estar fets de materials compostos, com ara fibra de carboni o fibra de vidre, que tenen una gran rigidesa i baixa densitat.
    • Els volants d'inèrcia d'alta velocitat solen tenir forma d'anell, amb un diàmetre petit i un gran gruix, per minimitzar la força centrífuga i maximitzar la densitat d'energia.
  • Aplicacions i exemples
    • Els volants d'inèrcia d'alta velocitat s'utilitzen principalment per a l'emmagatzematge d'energia a llarg termini, com ara la integració d'energies renovables, l'afaitat màxim i l'estabilització de la xarxa.
    • Els volants d'inercia d'alta velocitat poden proporcionar energia durant uns quants minuts a unes poques hores, depenent de la mida i la velocitat del volant.
    • Alguns exemples d'aplicacions de volant d'inercia d'alta velocitat són:
      • El volant Amber Kinetics M32, que és un volant de 32 kWh que pot proporcionar quatre hores de descàrrega a 8 kW, adequat per a la integració solar i eòlica.
      • El volant Temporal Power 2 MW, que és un volant a gran escala que pot proporcionar regulació de freqüència i serveis auxiliars per a la xarxa.
      • El volant Glenn de la NASA, que és un volant de 500 Wh que pot proporcionar potència i control d'actitud per a les naus espacials.

Comparació amb altres sistemes d'emmagatzematge d'energia

!Una comparació de diferents sistemes d'emmagatzematge d'energia)

• bateries
  • Pros i contres
    • Les bateries són dispositius que emmagatzemen i alliberen energia com a energia química, utilitzant reaccions electroquímiques entre elèctrodes i electròlits.
    • Les bateries tenen molts avantatges, com ara:
      • Alta densitat d'energia: les bateries poden emmagatzemar una gran quantitat d'energia per unitat de massa o volum, en comparació amb els volants o els condensadors.
      • Baixa autodescàrrega: les bateries poden retenir la seva energia emmagatzemada durant molt de temps, sense pèrdues importants, a diferència dels volants o condensadors.
      • Escalabilitat: Les bateries es poden connectar fàcilment en sèrie o en paral·lel per augmentar la tensió o la capacitat, respectivament, del sistema d'emmagatzematge d'energia.
    • Les bateries també tenen alguns inconvenients, com ara:
      • Baixa eficiència: les bateries tenen una eficiència d'anada i tornada més baixa que els volants o els condensadors, a causa de la resistència interna i la generació de calor de les reaccions electroquímiques.
      • Vida útil curta: les bateries tenen una vida útil i un cicle limitats, a causa de la degradació dels elèctrodes i els electròlits amb el temps i l'ús.
      • Manteniment elevat: les bateries requereixen refrigeració, calefacció o reposició de productes químics, segons el tipus i l'estat de la bateria, per garantir un rendiment i una seguretat òptims.
      • Problemes mediambientals: les bateries utilitzen materials tòxics o perillosos, com ara plom, àcid o liti, que poden provocar contaminació o riscos per a la salut.

      Comparació amb altres sistemes d'emmagatzematge d'energia

      !Una comparació de diferents sistemes d'emmagatzematge d'energia)

      • bateries
        • Pros i contres
          • Les bateries són dispositius que emmagatzemen i alliberen energia com a energia química, utilitzant reaccions electroquímiques entre elèctrodes i electròlits.
          • Les bateries tenen molts avantatges, com ara:
            • Alta densitat d'energia: les bateries poden emmagatzemar una gran quantitat d'energia per unitat de massa o volum, en comparació amb els volants o els condensadors.
            • Baixa autodescàrrega: les bateries poden retenir la seva energia emmagatzemada durant molt de temps, sense pèrdues importants, a diferència dels volants o condensadors.
            • Escalabilitat: Les bateries es poden connectar fàcilment en sèrie o en paral·lel per augmentar la tensió o la capacitat, respectivament, del sistema d'emmagatzematge d'energia.
          • Les bateries també tenen alguns inconvenients, com ara:
            • Baixa eficiència: les bateries tenen una eficiència d'anada i tornada més baixa que els volants o els condensadors, a causa de la resistència interna i la generació de calor de les reaccions electroquímiques.
            • Vida útil curta: les bateries tenen una vida útil i un cicle limitats, a causa de la degradació dels elèctrodes i els electròlits amb el temps i l'ús.
            • Manteniment elevat: les bateries requereixen refrigeració, calefacció o reposició de productes químics, segons el tipus i l'estat de la bateria, per garantir un rendiment i una seguretat òptims.
            • Problemes mediambientals: les bateries utilitzen materials tòxics o perillosos, com ara plom, àcid o liti, que poden provocar contaminació o riscos per a la salut.
        • Casos d'ús i escenaris
          • Les bateries són adequades per a aplicacions que requereixen molta energia i poca potència, com ara l'arbitratge d'energia, l'afaitat màxim i l'energia de reserva.
          • Les bateries poden proporcionar energia durant hores o dies, depenent de la mida i el tipus de bateria.
          • Alguns exemples d'aplicacions de bateries són:
            • El Tesla Powerwall, que és una bateria d'ions de liti que pot emmagatzemar l'excés d'energia solar per a ús residencial o serveis de xarxa.
            • Hornsdale Power Reserve, que és una bateria d'ions de liti de 100 MW/129 MWh que pot proporcionar regulació de freqüència i estabilitat de la xarxa per al sud d'Austràlia.
            • La bateria Vanadium Redox Flow, que és una bateria líquida que pot emmagatzemar grans quantitats d'energia durant llargues durades, adequada per a la integració renovable i microxarxes.
      • Condensadors
        • Pros i contres
          • Els condensadors són dispositius que emmagatzemen i alliberen energia com a càrrega elèctrica, utilitzant dues plaques conductores separades per un material dielèctric.
          • Els condensadors tenen molts avantatges, com ara:
            • Alta eficiència: els condensadors tenen una eficiència d'anada i tornada més alta que les bateries o els volants, a causa de la baixa resistència i la generació de calor de la transferència de càrrega elèctrica.
            • Llarga vida útil: els condensadors tenen una vida útil i un cicle il·limitats, ja que no es degraden amb el temps i l'ús.
            • Resposta ràpida: els condensadors poden carregar i descarregar energia en microsegons, el que els fa adequats per a aplicacions que requereixen una gran potència i una ràpida regulació de voltatge.
          • Els condensadors també tenen alguns desavantatges, com ara:
            • Baixa densitat d'energia: els condensadors només poden emmagatzemar una petita quantitat d'energia per unitat de massa o volum, en comparació amb les bateries o els volants.
            • Alta autodescàrrega: els condensadors poden perdre la seva energia emmagatzemada ràpidament, a causa de la fuita de la càrrega elèctrica a través del material dielèctric o del circuit extern.
            • Cost: els condensadors encara són relativament cars en comparació amb altres sistemes d'emmagatzematge d'energia, especialment per a aplicacions a gran escala. Els principals factors de cost són els materials, la fabricació i la instal·lació de les plaques de condensadors i el material dielèctric.
        • Casos d'ús i escenaris
          • Els condensadors són adequats per a aplicacions que requereixen poca energia i alta potència, com ara la millora de la qualitat de l'energia, el suport de càrrega transitòria i l'acceleració de vehicles elèctrics.
          • Els condensadors poden proporcionar energia durant mil·lisegons a segons, depenent de la mida i el tipus del condensador.
          • Alguns exemples d'aplicacions de condensadors són:
            • El Maxwell Ultracapacitor, que és un condensador electrostàtic que pot proporcionar energia a autobusos, trens i camions híbrids, així com a turbines eòliques i grues.
            • Skeleton Technologies SkelCap, que és un supercondensador basat en grafè que pot proporcionar energia per a aplicacions d'automoció, aeroespacial i industrial, així com serveis de xarxa.
            • L'EEStor EESU, que és un condensador a base de ceràmica que afirma tenir una densitat d'energia més alta que les bateries d'ions de liti, adequat per a vehicles elèctrics i emmagatzematge en xarxa.
      • Altres sistemes d'emmagatzematge d'energia cinètica
        • Pros i contres
          • Altres sistemes d'emmagatzematge d'energia cinètica són sistemes que emmagatzemen i alliberen energia com a energia mecànica, utilitzant diferents formes de moviment, com ara lineal, rotacional o vibracional.
          • Altres sistemes d'emmagatzematge d'energia cinètica tenen alguns avantatges, com ara:
            • Alta eficiència: altres sistemes d'emmagatzematge d'energia cinètica poden assolir una alta eficiència d'anada i tornada, semblant als volants, depenent del tipus i disseny del sistema.
            • Llarga vida útil: altres sistemes d'emmagatzematge d'energia cinètica poden tenir una vida útil i un cicle llargs, similars als volants, depenent del tipus i disseny del sistema.
            • Manteniment baix: Altres sistemes d'emmagatzematge d'energia cinètica poden tenir requisits de manteniment baixos, similars als volants, depenent del tipus i disseny del sistema.
          • Altres sistemes d'emmagatzematge d'energia cinètica també tenen alguns inconvenients, com ara:
            • Baixa densitat d'energia: Altres sistemes d'emmagatzematge d'energia cinètica poden tenir una baixa densitat d'energia, similar als volants, depenent del tipus i disseny del sistema.
            • Riscos de seguretat: Altres sistemes d'emmagatzematge d'energia cinètica poden suposar riscos de seguretat, similars als volants, depenent del tipus i disseny del sistema.
            • Reptes tècnics: Altres sistemes d'emmagatzematge d'energia cinètica poden afrontar reptes tècnics, com ara la selecció de materials, la reducció de la fricció i el control de vibracions, depenent del tipus i disseny del sistema.
        • Casos d'ús i escenaris
          • Altres sistemes d'emmagatzematge d'energia cinètica són adequats per a aplicacions que requereixen energia mitjana i potència mitjana, com ara la integració de renovables, l'estabilització de la xarxa i l'anivellament de càrrega.
          • Altres sistemes d'emmagatzematge d'energia cinètica poden proporcionar energia durant segons a minuts, depenent de la mida i el tipus del sistema.
          • Alguns exemples d'altres sistemes d'emmagatzematge d'energia cinètica són:
            • El mòdul de potència de gravetat, que és un sistema que utilitza un pistó gran i un eix ple d'aigua per emmagatzemar i alliberar energia com a energia potencial gravitatòria.
            • El Advanced Rail Energy Storage, que és un sistema que utilitza locomotores elèctriques i vies del ferrocarril per emmagatzemar i alliberar energia com a energia potencial gravitatòria.
            • El volant Velkess, que és un sistema que utilitza un rotor flexible i un coixinet magnètic per emmagatzemar i alliberar energia com a energia cinètica de rotació.

      Perspectives i reptes de futur

      • Innovacions i desenvolupaments tecnològics
        • FES és una tecnologia en ràpida evolució que té el potencial de millorar el seu rendiment, cost i fiabilitat, mitjançant diverses innovacions i desenvolupaments tecnològics, com ara:
          • Nous materials i dissenys: FES es pot beneficiar del desenvolupament de nous materials i dissenys que poden augmentar la força, la rigidesa i la durabilitat del volant, així com reduir el pes, la mida i el cost del sistema.
          • Electrònica de potència avançada i sistemes de control: FES pot beneficiar-se del desenvolupament d'electrònica de potència avançada i sistemes de control que poden optimitzar la velocitat, la direcció i el flux de potència del motor/generador, així com millorar l'eficiència, l'estabilitat i la seguretat del sistema.
          • Sistemes híbrids i integrats: FES es pot beneficiar del desenvolupament de sistemes híbrids i integrats que poden combinar FES amb altres sistemes d'emmagatzematge d'energia, com ara bateries o condensadors, per aconseguir una densitat d'energia més alta, una menor autodescàrrega i un millor rendiment.
      • Tendències i oportunitats del mercat
        • FES és un mercat en creixement que té l'oportunitat d'ampliar les seves aplicacions, clients i regions, a través de diverses tendències i oportunitats del mercat, com ara:
          • Augment de la demanda d'emmagatzematge d'energia: FES pot satisfer la demanda creixent d'emmagatzematge d'energia, impulsada pel creixement de les energies renovables, els vehicles elèctrics i les xarxes intel·ligents, així com la necessitat de qualitat, fiabilitat i seguretat de l'energia.
          • Polítiques i regulacions favorables: FES es pot beneficiar de les polítiques i regulacions favorables que donen suport al desenvolupament i desplegament de l'emmagatzematge d'energia, com ara subvencions, incentius, estàndards i mandats, a nivell local, nacional i internacional.
          • Avantatges competitius i diferenciació: FES pot aprofitar els seus avantatges competitius i la seva diferenciació, com ara alta eficiència, llarga vida útil, resposta ràpida, baix manteniment i respecte al medi ambient, per atraure i retenir clients, així com per crear i capturar valor.
      • Impactes ambientals i socials
        • FES és una tecnologia sostenible que té el potencial de crear impactes ambientals i socials positius, com ara:
          • Reduir les emissions de gasos d'efecte hivernacle i la dependència dels combustibles fòssils: FES pot reduir les emissions de gasos d'efecte hivernacle i la dependència dels combustibles fòssils, permetent la integració d'energies renovables, millorant l'eficiència de la xarxa elèctrica i proporcionant energia neta i fiable per a diverses aplicacions.
          • Millorar l'accés a l'energia i l'assequibilitat: FES pot millorar l'accés a l'energia i l'assequibilitat, proporcionant solucions d'emmagatzematge d'energia distribuïdes i descentralitzades, especialment per a zones remotes i rurals, així com per als països en desenvolupament i emergents.
          • Creació de llocs de treball i creixement econòmic: FES pot crear llocs de treball i creixement econòmic, estimulant la innovació i el desenvolupament de la indústria d'emmagatzematge d'energia, així com donant suport al desplegament i el funcionament dels sistemes d'emmagatzematge d'energia.

      Conclusió

      • Resum dels punts principals
        • En aquest bloc, hem comentat què és l'emmagatzematge d'energia del volant, com funciona, quins són els seus avantatges i desavantatges, com es compara amb altres sistemes d'emmagatzematge d'energia i quines són les seves perspectives i reptes futurs.
        • Hem après que l'emmagatzematge d'energia del volant és una tecnologia prometedora i innovadora que pot emmagatzemar i alliberar energia com a energia cinètica de rotació, utilitzant un dispositiu giratori anomenat volant.