Durant els darrers 50 anys, hi ha hagut un augment continu en el consum d’electricitat global, amb un ús estimat d’uns 25.300 hores de Terawatt durant l’any 2021. Amb la transició cap a la indústria 4.0, hi ha un augment de les demandes d’energia a tot el món. Aquests números augmenten cada any, sense incloure els requisits de potència dels sectors industrials i d’altres sectors econòmics. Aquest canvi industrial i un consum elevat de potència s’uneixen a efectes de canvi climàtic més tangibles a causa de les emissions excessives de gasos d’efecte hivernacle. Actualment, la majoria de plantes i instal·lacions de generació d’energia confien molt en fonts de combustibles fòssils (petroli i gas) per satisfer aquestes demandes. Aquestes preocupacions climàtiques prohibeixen la generació d’energia addicional mitjançant mètodes convencionals. Així, el desenvolupament de sistemes d’emmagatzematge d’energia eficients i fiables ha esdevingut cada cop més important per assegurar un subministrament d’energia continu i fiable de fonts renovables.
El sector energètic ha respost canviant -se cap a les energies renovables o solucions “verdes”. La transició ha estat ajudada per una millora de les tècniques de fabricació, portant, per exemple, a la fabricació més eficient de fulles de turbines eòliques. Així mateix, els investigadors han pogut millorar l'eficiència de les cèl·lules fotovoltaiques, donant lloc a una millor generació d'energia per àrea d'ús. El 2021, la generació elèctrica de fonts fotovoltaiques solars (PV) va augmentar significativament, assolint un rècord de 179 TWH i que representa un creixement del 22% en comparació amb el 2020. La tecnologia PV solar representa ara el 3,6% de la generació d'electricitat global i actualment és la tercera major renovable Font d’energia després de l’energia hidroelèctrica i el vent.
Tanmateix, aquests avenços no solucionen alguns dels inconvenients inherents dels sistemes d’energia renovable, principalment disponibilitat. La majoria d’aquests mètodes no produeixen energia a la demanda com a centrals de carbó i petroli. Les sortides d’energia solar estan, per exemple, disponibles durant tot el dia amb variacions segons els angles d’irradiació del sol i el posicionament del panell PV. No pot produir energia durant la nit mentre que la seva producció es redueix significativament durant la temporada d'hivern i en dies molt ennuvolats. L’energia eòlica pateix també de fluctuacions depenent de la velocitat del vent. Per tant, aquestes solucions han de ser combinades amb sistemes d'emmagatzematge d'energia per tal de sostenir el subministrament d'energia durant períodes de baixa producció.
Què són els sistemes d’emmagatzematge d’energia?
Els sistemes d’emmagatzematge d’energia poden emmagatzemar energia per utilitzar -los en una fase posterior. En alguns casos, hi haurà una forma de conversió d’energia entre l’energia emmagatzemada i l’energia proporcionada. L’exemple més comú són les bateries elèctriques com les bateries d’ions de liti o les bateries de plom-àcid. Proporcionen energia elèctrica a través de reaccions químiques entre els elèctrodes i l'electròlit.
Les bateries, o Bess (sistema d’emmagatzematge d’energia de la bateria), representen el mètode d’emmagatzematge d’energia més comú utilitzat en les aplicacions de la vida diària. Existeix un altre sistema d’emmagatzematge com les plantes hidroelèctriques que converteixen l’energia potencial de l’aigua emmagatzemada en una presa en energia elèctrica. L’aigua que baixa girarà el volant d’una turbina que produeix energia elèctrica. Un altre exemple és el gas comprimit, en alliberar el gas girarà la roda de la potència productora de la turbina.
El que separa les bateries dels altres mètodes d’emmagatzematge són les seves àrees de funcionament potencials. Des de petits dispositius i subministrament d’alimentació d’automòbils fins a aplicacions domèstiques i grans explotacions solars, les bateries es poden integrar perfectament a qualsevol aplicació d’emmagatzematge fora de xarxa. D'altra banda, els mètodes d'aire hidroelèctric i d'aire comprimit requereixen infraestructures molt grans i complexes per a l'emmagatzematge. Això comporta costos molt elevats que requereixen aplicacions molt grans per tal que es justifiqui.
Casos d’ús per a sistemes d’emmagatzematge fora de la xarxa.
Com s'ha esmentat anteriorment, els sistemes d'emmagatzematge fora de xarxa poden facilitar l'ús i la confiança en mètodes d'energia renovables com l'energia solar i eòlica. No obstant això, hi ha altres aplicacions que poden beneficiar -se molt d’aquests sistemes
Les xarxes de potència de la ciutat tenen com a objectiu proporcionar la quantitat adequada de potència en funció de l’oferta i la demanda de cada ciutat. La potència necessària pot fluctuar durant tot el dia. Els sistemes d’emmagatzematge fora de la xarxa s’han utilitzat per atenuar les fluctuacions i proporcionar més estabilitat en els casos de demanda màxima. Des d’una perspectiva diferent, els sistemes d’emmagatzematge fora de la xarxa poden ser molt beneficiosos per compensar qualsevol falla tècnica imprevista de la xarxa principal o durant els períodes de manteniment programats. Poden complir els requisits d’energia sense haver de cercar fonts d’energia alternatives. Es pot citar, per exemple, la tempesta de gel de Texas a principis de febrer de 2023 que va deixar aproximadament 262 000 persones sense poder, mentre que les reparacions es van retardar a causa de les difícils condicions meteorològiques.
Els vehicles elèctrics són una altra aplicació. Els investigadors han fet un gran esforç per optimitzar les estratègies de fabricació i càrrega/descàrrega de bateries per tal d’ampliar la vida útil i la densitat de potència de les bateries. Les bateries d’ions de liti han estat al capdavant d’aquesta petita revolució i s’han utilitzat àmpliament en nous cotxes elèctrics, però també autobusos elèctrics. Les bateries millors en aquest cas poden comportar un quilometratge més gran, però també van reduir els temps de càrrega amb les tecnologies adequades.
Altres avenços tecnològics li agraden els UAVs i els robots mòbils s’han beneficiat molt del desenvolupament de bateries. Les estratègies de moviment i les estratègies de control es basen molt en la capacitat i la potència de la bateria proporcionades.
Què és un Bess
El sistema d’emmagatzematge d’energia Bess o de la bateria és un sistema d’emmagatzematge d’energia que es pot utilitzar per emmagatzemar energia. Aquesta energia pot provenir de la xarxa principal o de fonts d’energia renovable com l’energia eòlica i l’energia solar. Es compon de diverses bateries disposades en diferents configuracions (sèries/paral·leles) i de mida en funció dels requisits. Estan connectats a un inversor que s’utilitza per convertir la potència de corrent continu en potència de CA per a l’ús. S'utilitza un sistema de gestió de bateries (BMS) per controlar les condicions de la bateria i l'operació de càrrega/descàrrega.
En comparació amb altres sistemes d’emmagatzematge d’energia, són especialment flexibles per col·locar/connectar i no requereixen una infraestructura altament cara, però encara tenen un cost considerable i requereixen un manteniment més regular en funció de l’ús.
Hàbits de dimensions i ús de Bess
Un punt crucial per afrontar quan s’instal·la un sistema d’emmagatzematge d’energia de la bateria es dimensiona. Quantes bateries es necessiten? En quina configuració? En alguns casos, el tipus de bateria pot tenir un paper crucial a llarg termini en termes d’estalvi i eficiència de costos
Això es fa cas per cas, ja que les aplicacions poden anar des de petites llars fins a grans plantes industrials.
La font d’energia renovable més comuna per a les llars petites, especialment a les zones urbanes, és solar mitjançant panells fotovoltaics. L’enginyer consideraria, en general, el consum mitjà d’energia de la llar i assava la irradiació solar durant tot l’any per a la ubicació específica. El nombre de bateries i la seva configuració de la xarxa és escollida per adaptar -se a les demandes de la llar durant la subministrament solar més baixa de l'any, tot i que no es drena completament les bateries. Això suposa una solució per tenir una independència de potència completa de la xarxa principal.
Mantenir un estat de càrrega relativament moderat o no descarregar completament les bateries és una cosa que pot ser contrària al principi. Al cap i a la fi, per què utilitzar un sistema d’emmagatzematge si no el podem extreure tot potencial? En teoria és possible, però potser no és l'estratègia que maximitzi el rendiment de la inversió.
Un dels principals desavantatges de Bess és el cost relativament elevat de les bateries. Per tant, és imprescindible triar un hàbit d’ús o una estratègia de càrrega/descàrrega que maximitzi la vida útil de la bateria. Per exemple, les bateries d’àcid de plom no es poden descarregar per sota del 50% de la capacitat sense patir danys irreversibles. Les bateries d’ions de liti tenen una densitat d’energia més elevada, una llarga vida en cicle. També es poden descarregar amb intervals més grans, però això suposa un cost més gran. Hi ha una elevada variació del cost entre diferents químics, les bateries d’àcid de plom poden ser de centenars a milers de dòlars més barats que una bateria d’ions de liti de la mateixa mida. És per això que les bateries àcides de plom són les més utilitzades en aplicacions solars als països del tercer món i a les comunitats pobres.
El rendiment de la bateria es veu molt afectat per la degradació durant la seva vida útil, no té un rendiment constant que acaba amb un fracàs sobtat. En canvi, la capacitat i la previsió es pot esvair progressivament. A la pràctica, es considera que una vida útil de la bateria ha acabat quan la seva capacitat arriba al 80% de la seva capacitat original. És a dir, quan experimenta una capacitat del 20% s’esvaeix. A la pràctica, això significa que es pot proporcionar una menor quantitat d’energia. Això pot afectar els períodes d’ús per a sistemes totalment independents i la quantitat de quilometratge que pot cobrir un EV.
Un altre punt a considerar és la seguretat. Amb els avenços en la fabricació i la tecnologia, les bateries recents han estat en general més estables químicament. No obstant això, a causa de la degradació i la història de l'abús, les cèl·lules poden entrar en desbordament tèrmic que pot provocar resultats catastròfics i, en alguns casos, posar en perill la vida dels consumidors.
És per això que les empreses han desenvolupat un millor programari de control de bateries (BMS) per controlar l’ús de la bateria, però també supervisen l’estat de salut per tal de proporcionar un manteniment puntual i evitar conseqüències agreujades.
Conclusió
Dels sistemes d’emmagatzematge d’energia de la xarxa ofereixen una gran oportunitat per aconseguir la independència de potència de la xarxa principal, però també proporcionen una font de potència de còpia de seguretat durant els temps de càrrega i els períodes de càrrega màxima. El desenvolupament facilitaria el canvi cap a fonts d’energia més verdes, limitant així l’impacte de la generació d’energia sobre el canvi climàtic, tot i que compleix els requisits energètics amb un creixement constant del consum.
Els sistemes d’emmagatzematge d’energia de la bateria són els més utilitzats i els més fàcils de configurar per a diferents aplicacions quotidianes. La seva elevada flexibilitat es contraresta per un cost relativament elevat, donant lloc al desenvolupament d’estratègies de control per allargar la vida respectiva tant com sigui possible. Actualment, la indústria i l’àmbit acadèmic estan fent un gran esforç per investigar i comprendre la degradació de la bateria en diferents condicions.
