Durant els darrers 50 anys, s'ha produït un augment continu del consum d'electricitat global, amb un ús estimat d'uns 25.300 terawatts-hora l'any 2021. Amb la transició cap a la indústria 4.0, hi ha un augment de la demanda d'energia a tot el món. Aquestes xifres augmenten cada any, sense incloure les necessitats energètiques dels sectors industrials i d'altres sectors econòmics. Aquest canvi industrial i el consum elevat d'energia s'uneixen a efectes més tangibles del canvi climàtic a causa de les emissions excessives de gasos d'efecte hivernacle. Actualment, la majoria de plantes i instal·lacions de generació d'energia depenen en gran mesura de 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 és cada cop més important per garantir un subministrament continu i fiable d'energia procedent de fonts renovables.
El sector energètic ha respost canviant cap a les energies renovables o solucions "verdes". La transició s'ha vist ajudada per tècniques de fabricació millorades, que han portat, per exemple, a una fabricació més eficient de les pales d'aerogeneradors. A més, els investigadors han pogut millorar l'eficiència de les cèl·lules fotovoltaiques, donant lloc a una millor generació d'energia per àrea d'ús. L'any 2021, la generació d'electricitat a partir de fonts solars fotovoltaiques (PV) va augmentar significativament, assolint un rècord de 179 TWh i representant un creixement del 22% respecte al 2020. La tecnologia solar fotovoltaica representa ara el 3,6% de la generació d'electricitat mundial i actualment és la tercera renovable més gran. font d'energia després de l'energia hidràulica i eòlica.
Tanmateix, aquests avenços no solucionen alguns dels inconvenients inherents als sistemes d'energies renovables, principalment la disponibilitat. La majoria d'aquests mètodes no produeixen energia sota demanda com a centrals elèctriques de carbó i petroli. Per exemple, les sortides d'energia solar estan disponibles durant tot el dia amb variacions en funció dels angles d'irradiació solar i de la posició dels panells fotovoltaics. No pot produir cap energia durant la nit, mentre que la seva producció es redueix significativament durant la temporada d'hivern i els dies molt ennuvolats. L'energia eòlica també pateix fluctuacions en funció de la velocitat del vent. Per tant, aquestes solucions s'han de combinar amb sistemes d'emmagatzematge d'energia per tal de mantenir el subministrament d'energia durant els períodes de baixa producció.
Què són els sistemes d'emmagatzematge d'energia?
Els sistemes d'emmagatzematge d'energia poden emmagatzemar energia per utilitzar-la en una fase posterior. En alguns casos, hi haurà una forma de conversió d'energia entre l'energia emmagatzemada i l'energia subministrada. L'exemple més comú són les bateries elèctriques com les bateries d'ió de liti o les bateries de plom-àcid. Proporcionen energia elèctrica mitjançant 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 aplicacions de la vida diària. Existeixen altres sistemes d'emmagatzematge com les centrals hidroelèctriques que converteixen l'energia potencial de l'aigua emmagatzemada en una presa en energia elèctrica. L'aigua que cau cap avall farà girar el volant d'una turbina que produeix energia elèctrica. Un altre exemple és el gas comprimit, en alliberar-lo el gas girarà la roda de la turbina produint potència.
El que separa les bateries dels altres mètodes d'emmagatzematge són les seves àrees potencials d'operació. Des de petits dispositius i fonts d'alimentació d'automòbils fins a aplicacions domèstiques i grans granges solars, les bateries es poden integrar perfectament a qualsevol aplicació d'emmagatzematge fora de la xarxa. D'altra banda, els mètodes hidroelèctrics i d'aire comprimit requereixen infraestructures d'emmagatzematge molt grans i complexes. Això comporta uns costos molt elevats que requereixen aplicacions molt grans per poder-ho justificar.
Casos d'ús per a sistemes d'emmagatzematge fora de xarxa.
Com s'ha esmentat anteriorment, els sistemes d'emmagatzematge fora de xarxa poden facilitar l'ús i la dependència de mètodes d'energia renovable com l'energia solar i eòlica. No obstant això, hi ha altres aplicacions que es poden beneficiar molt d'aquests sistemes
Les xarxes elèctriques urbanes tenen com a objectiu proporcionar la quantitat adequada d'energia en funció de l'oferta i la demanda de cada ciutat. La potència necessària pot variar al llarg del dia. S'han utilitzat sistemes d'emmagatzematge fora de xarxa per atenuar les fluctuacions i oferir més estabilitat en casos de demanda punta. Des d'una perspectiva diferent, els sistemes d'emmagatzematge fora de la xarxa poden ser molt beneficiosos per compensar qualsevol avaria tècnica imprevista a la xarxa elèctrica principal o durant els períodes de manteniment programats. Poden satisfer els requisits d'energia sense haver de buscar fonts d'energia alternatives. Es pot citar per exemple la tempesta de gel de Texas a principis de febrer de 2023 que va deixar sense electricitat aproximadament 262 000 persones, 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 molts esforços per optimitzar la fabricació de bateries i les estratègies de càrrega/descàrrega per tal d'allargar la vida útil i la densitat de potència de les bateries. Les bateries d'ió de liti han estat al capdavant d'aquesta petita revolució i s'han utilitzat àmpliament en cotxes elèctrics nous però també en autobusos elèctrics. En aquest cas, millors bateries poden conduir a un quilometratge més gran, però també a reduir els temps de càrrega amb les tecnologies adequades.
Altres avenços tecnològics com els UAV i els robots mòbils s'han beneficiat molt del desenvolupament de la bateria. Les estratègies de moviment i les estratègies de control depenen en gran mesura de la capacitat de la bateria i la potència proporcionada.
Què és un BESS
BESS o sistema d'emmagatzematge d'energia 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 renovables com l'energia eòlica i l'energia solar. Està compost per múltiples bateries disposades en diferents configuracions (sèrie/paral·lel) i dimensionades en funció dels requisits. Estan connectats a un inversor que s'utilitza per convertir l'energia de CC en energia de CA per al seu ús. S'utilitza un sistema de gestió de la bateria (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 molt cara, però encara tenen un cost considerable i requereixen un manteniment més regular en funció de l'ús.
Mides i hàbits d'ús de BESS
Un punt crucial a abordar quan s'instal·la un sistema d'emmagatzematge d'energia de la bateria és el dimensionament. Quantes piles es necessiten? En quina configuració? En alguns casos, el tipus de bateria pot tenir un paper crucial a llarg termini pel que fa a l'estalvi de costos i l'eficiència
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 la solar mitjançant plaques fotovoltaiques. En general, l'enginyer considerarà el consum d'energia mitjà de la llar i avaluarà la irradiància solar durant l'any per a la ubicació específica. El nombre de bateries i la seva configuració de xarxa s'escullen per adaptar-se a les demandes de la llar durant el subministrament d'energia solar més baix de l'any, sense que s'esgotin completament les bateries. Això suposa una solució per tenir una total independència energètica de la xarxa principal.
Mantenir un estat de càrrega relativament moderat o no descarregar completament les bateries és una cosa que pot ser contraintuïtiva al principi. Després de tot, per què utilitzar un sistema d'emmagatzematge si no podem extreure'n tot el potencial? En teoria és possible, però potser no és l'estratègia que maximitza el retorn de la inversió.
Un dels principals desavantatges de BESS és el cost relativament elevat de les bateries. Per tant, és essencial triar un hàbit d'ús o una estratègia de càrrega/descàrrega que maximitzi la vida útil de la bateria. Per exemple, les bateries de plom àcid no es poden descarregar per sota del 50% de la seva capacitat sense patir danys irreversibles. Les bateries d'ió de liti tenen una densitat d'energia més alta i un cicle de vida llarg. També es poden descarregar amb rangs més grans, però això comporta un preu més elevat. Hi ha una gran variació en el cost entre les diferents químiques, les bateries de plom àcid poden ser de centenars a milers de dòlars més barates que una bateria d'ions de liti de la mateixa mida. És per això que les bateries de plom àcid són les més utilitzades en aplicacions solars als països del tercer món i 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 acabi amb una fallada sobtada. En canvi, la capacitat i la prestació es poden esvair progressivament. A la pràctica, es considera que la vida útil d'una bateria s'ha esgotat quan la seva capacitat arriba al 80% de la seva capacitat original. En altres paraules, quan experimenta un esvaïment del 20% de la capacitat. A la pràctica, això significa que es pot proporcionar una quantitat menor d'energia. Això pot afectar els períodes d'ús de sistemes totalment independents i la quantitat de quilometratge que pot cobrir un vehicle elèctric.
Un altre punt a tenir en compte 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 l'historial d'abús, les cèl·lules poden anar a una fuga tèrmica 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 la bateria (BMS) per controlar l'ús de la bateria, però també controlar l'estat de salut per tal de proporcionar un manteniment oportú i evitar conseqüències agreujades.
Conclusió
Els sistemes d'emmagatzematge d'energia de la xarxa ofereixen una gran oportunitat per aconseguir la independència energètica de la xarxa principal, però també proporcionen una font de reserva d'energia durant els temps d'inactivitat i els períodes de càrrega punta. El seu 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 complir les necessitats energètiques 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 alta flexibilitat es veu contrarestada per un cost relativament elevat, la qual cosa condueix al desenvolupament d'estratègies de seguiment per allargar al màxim la vida útil corresponent. Actualment, la indústria i el món acadèmic estan fent molts esforços per investigar i comprendre la degradació de la bateria en diferents condicions.
