Durante los últimos 50 años, ha habido un aumento continuo en el consumo mundial de electricidad, con un uso estimado de alrededor de 25.300 teravatios-hora en el año 2021. Con la transición hacia la industria 4.0, hay un aumento en la demanda de energía en todo el mundo. Estas cifras aumentan cada año, sin incluir las necesidades de energía de los sectores industriales y económicos. Este cambio industrial y el alto consumo de energía se combinan con efectos más tangibles del cambio climático debido a las emisiones excesivas de gases de efecto invernadero. Actualmente, la mayoría de las plantas e instalaciones de generación de energía dependen en gran medida de fuentes de combustibles fósiles (petróleo y gas) para satisfacer dichas demandas. Estas preocupaciones climáticas prohíben la generación adicional de energía utilizando métodos convencionales. Por lo tanto, el desarrollo de sistemas de almacenamiento de energía eficientes y confiables se ha vuelto cada vez más importante para garantizar un suministro continuo y confiable de energía procedente de fuentes renovables.
El sector energético ha respondido virando hacia energías renovables o soluciones “verdes”. La transición se ha visto favorecida por técnicas de fabricación mejoradas, que han llevado, por ejemplo, a una fabricación más eficiente de palas de turbinas eólicas. Además, los investigadores han podido mejorar la eficiencia de las células fotovoltaicas, lo que lleva a una mejor generación de energía por área de uso. En 2021, la generación de electricidad a partir de fuentes solares fotovoltaicas (PV) aumentó significativamente, alcanzando un récord de 179 TWh y representando un crecimiento del 22% en comparación con 2020. La tecnología solar fotovoltaica representa ahora el 3,6% de la generación eléctrica mundial y actualmente es la tercera energía renovable más grande. fuente de energía después de la hidroeléctrica y la eólica.
Sin embargo, estos avances no resuelven algunos de los inconvenientes inherentes a los sistemas de energía renovable, principalmente la disponibilidad. La mayoría de estos métodos no producen energía según la demanda como las centrales eléctricas de carbón y petróleo. Por ejemplo, la producción de energía solar está disponible durante todo el día con variaciones según los ángulos de irradiación solar y la posición de los paneles fotovoltaicos. No puede producir energía durante la noche, mientras que su producción se reduce significativamente durante la temporada de invierno y en días muy nublados. La energía eólica también sufre fluctuaciones dependiendo de la velocidad del viento. Por lo tanto, estas soluciones deben combinarse con sistemas de almacenamiento de energía para mantener el suministro de energía durante los períodos de baja producción.
¿Qué son los sistemas de almacenamiento de energía?
Los sistemas de almacenamiento de energía pueden almacenar energía para utilizarla en una etapa posterior. En algunos casos, habrá una forma de conversión de energía entre la energía almacenada y la energía proporcionada. El ejemplo más común son las baterías eléctricas, como las de iones de litio o las de plomo-ácido. Proporcionan energía eléctrica mediante reacciones químicas entre los electrodos y el electrolito.
Las baterías, o BESS (sistema de almacenamiento de energía por batería), representan el método de almacenamiento de energía más común utilizado en aplicaciones de la vida diaria. Existen otros sistemas de almacenamiento, como las centrales hidroeléctricas, que convierten la energía potencial del agua almacenada en una presa en energía eléctrica. El agua que cae hará girar el volante de una turbina que produce energía eléctrica. Otro ejemplo es el gas comprimido; al liberarse, el gas hará girar la rueda de la turbina produciendo energía.
Lo que separa a las baterías de otros métodos de almacenamiento son sus áreas potenciales de operación. Desde pequeños dispositivos y suministro de energía para automóviles hasta aplicaciones domésticas y grandes parques solares, las baterías se pueden integrar sin problemas en cualquier aplicación de almacenamiento fuera de la red. Por otro lado, los métodos hidroeléctricos y de aire comprimido requieren infraestructuras de almacenamiento muy grandes y complejas. Esto conduce a costes muy elevados que requieren aplicaciones muy grandes para que esté justificado.
Casos de uso para sistemas de almacenamiento fuera de la red.
Como se mencionó anteriormente, los sistemas de almacenamiento fuera de la red pueden facilitar el uso y la dependencia de métodos de energía renovable como la energía solar y eólica. No obstante, existen otras aplicaciones que pueden beneficiarse enormemente de estos sistemas.
Las redes eléctricas urbanas tienen como objetivo proporcionar la cantidad adecuada de energía en función de la oferta y la demanda de cada ciudad. La potencia necesaria puede variar a lo largo del día. Se han utilizado sistemas de almacenamiento fuera de la red para atenuar las fluctuaciones y proporcionar más estabilidad en casos de picos de demanda. Desde una perspectiva diferente, los sistemas de almacenamiento fuera de la red pueden resultar muy beneficiosos para compensar cualquier fallo técnico imprevisto en la red eléctrica principal o durante los periodos de mantenimiento programados. Pueden satisfacer las necesidades de energía sin tener que buscar fuentes de energía alternativas. Se puede citar, por ejemplo, la tormenta de hielo de Texas a principios de febrero de 2023, que dejó a aproximadamente 262 000 personas sin electricidad, mientras que las reparaciones se retrasaron debido a las difíciles condiciones climáticas.
Los vehículos eléctricos son otra aplicación. Los investigadores se han esforzado mucho para optimizar la fabricación de baterías y las estrategias de carga/descarga para ampliar la vida útil y la densidad de potencia de las baterías. Las baterías de iones de litio han estado a la vanguardia de esta pequeña revolución y se han utilizado ampliamente en los nuevos coches eléctricos pero también en los autobuses eléctricos. En este caso, mejores baterías pueden generar un mayor kilometraje pero también reducir los tiempos de carga con las tecnologías adecuadas.
Otros avances tecnológicos, como los vehículos aéreos no tripulados y los robots móviles, se han beneficiado enormemente del desarrollo de baterías. Allí, las estrategias de movimiento y las estrategias de control dependen en gran medida de la capacidad de la batería y la energía proporcionada.
¿Qué es un BESS?
BESS o sistema de almacenamiento de energía por batería es un sistema de almacenamiento de energía que se puede utilizar para almacenar energía. Esta energía puede provenir de la red principal o de fuentes de energía renovables como la energía eólica y la energía solar. Está compuesto por múltiples baterías dispuestas en diferentes configuraciones (serie/paralelo) y dimensionadas según los requisitos. Están conectados a un inversor que se utiliza para convertir la energía de CC en energía de CA para su uso. Se utiliza un sistema de gestión de batería (BMS) para monitorear las condiciones de la batería y la operación de carga/descarga.
En comparación con otros sistemas de almacenamiento de energía, son particularmente flexibles en su ubicación/conexión y no requieren una infraestructura muy costosa, pero aun así tienen un costo considerable y requieren un mantenimiento más regular en función del uso.
Tamaño de BESS y hábitos de uso
Un punto crucial a abordar a la hora de instalar un sistema de almacenamiento de energía en baterías es el dimensionamiento. ¿Cuántas baterías se necesitan? ¿En qué configuración? En algunos casos, el tipo de batería puede desempeñar un papel crucial a largo plazo en términos de ahorro de costes y eficiencia.
Esto se hace caso por caso, ya que las aplicaciones pueden variar desde pequeños hogares hasta grandes plantas industriales.
La fuente de energía renovable más común para los hogares pequeños, especialmente en las zonas urbanas, es la energía solar mediante paneles fotovoltaicos. En general, el ingeniero consideraría el consumo de energía promedio del hogar y evaluaría la irradiancia solar a lo largo del año para la ubicación específica. El número de baterías y su configuración de red se elige para satisfacer las demandas domésticas durante el suministro de energía solar más bajo del año, sin agotar por completo las baterías. Esto supone una solución para tener total independencia energética de la red principal.
Mantener un estado de carga relativamente moderado o no descargar completamente las baterías es algo que puede resultar contrario a la intuición al principio. Después de todo, ¿por qué utilizar un sistema de almacenamiento si no podemos extraer todo su potencial? En teoría es posible, pero puede que no sea la estrategia que maximice el retorno de la inversión.
Una de las principales desventajas de BESS es el coste relativamente alto de las baterías. Por tanto, elegir un hábito de uso o una estrategia de carga/descarga que maximice la vida útil de la batería es fundamental. Por ejemplo, las baterías de plomo-ácido no se pueden descargar por debajo del 50% de su capacidad sin sufrir daños irreversibles. Las baterías de iones de litio tienen mayor densidad de energía y un ciclo de vida prolongado. También se pueden descargar usando rangos más grandes, pero esto tiene el costo de un mayor precio. Existe una gran variación en el costo entre las diferentes químicas; las baterías de plomo ácido pueden ser entre cientos y miles de dólares más baratas que una batería de iones de litio del mismo tamaño. Es por eso que las baterías de plomo-ácido son las más utilizadas en aplicaciones solares en países del tercer mundo y comunidades pobres.
El rendimiento de la batería se ve muy afectado por la degradación durante su vida útil, no tiene un rendimiento estable que termina en una falla repentina. En cambio, la capacidad y la provisión pueden desvanecerse progresivamente. En la práctica, se considera que la vida útil de una batería se ha agotado cuando su capacidad alcanza el 80% de su capacidad original. En otras palabras, cuando experimenta una disminución del 20% de su capacidad. En la práctica, esto significa que se puede proporcionar una menor cantidad de energía. Esto puede afectar los períodos de uso de sistemas totalmente independientes y la cantidad de kilometraje que puede cubrir un vehículo eléctrico.
Otro punto a considerar es la seguridad. Con los avances en la fabricación y la tecnología, las baterías recientes en general han sido más estables químicamente. Sin embargo, debido al historial de degradación y abuso, las células pueden sufrir un descontrol térmico, lo que puede provocar resultados catastróficos y, en algunos casos, poner en peligro la vida de los consumidores.
Es por eso que las empresas han desarrollado un mejor software de monitoreo de batería (BMS) para controlar el uso de la batería, pero también monitorear el estado de salud para brindar un mantenimiento oportuno y evitar consecuencias agravadas.
Conclusión
Los sistemas de almacenamiento de energía de la red brindan una gran oportunidad para lograr la independencia energética de la red principal, pero también brindan una fuente de energía de respaldo durante los tiempos de inactividad y los períodos de carga máxima. Su desarrollo facilitaría el cambio hacia fuentes de energía más ecológicas, limitando así el impacto de la generación de energía en el cambio climático y al mismo tiempo satisfaciendo las necesidades energéticas con un crecimiento constante del consumo.
Los sistemas de almacenamiento de energía en baterías son los más utilizados y los más fáciles de configurar para diferentes aplicaciones cotidianas. Su alta flexibilidad se ve contrarrestada por un coste relativamente elevado, lo que lleva al desarrollo de estrategias de seguimiento para prolongar al máximo la respectiva vida útil. Actualmente, la industria y el mundo académico están dedicando muchos esfuerzos a investigar y comprender la degradación de las baterías en diferentes condiciones.
