En los últimos 50 años, ha habido un aumento continuo en el consumo mundial de electricidad, con un uso estimado de alrededor de 25,300 horas de terawatt en el año 2021. Con la transición hacia la industria 4.0, hay un aumento en las demandas de energía en todo el mundo. Estos números están aumentando cada año, sin incluir los requisitos de potencia de los sectores económicos industriales y otros. Este cambio industrial y consumo de alta potencia están junto con efectos de cambio climático más tangibles debido a las emisiones excesivas de los gases de efecto invernadero. Actualmente, la mayoría de las plantas e instalaciones de generación de energía dependen en gran medida de las fuentes de combustibles fósiles (petróleo y gas) para satisfacer tales demandas. Estas preocupaciones climáticas prohíben la generación de energía adicional 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 de energía continuo y confiable de fuentes renovables.
El sector energético ha respondido cambiando hacia energía renovable o soluciones "verdes". La transición ha sido ayudada por mejores técnicas de fabricación, que conducen, por ejemplo, a la fabricación más eficiente de las cuchillas de la turbina eólica. 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, las fuentes de generación de electricidad de solar fotovoltaica (PV) aumentaron significativamente, alcanzando un récord de 179 TWH y que representa un crecimiento del 22% en comparación con 2020. La tecnología solar fotovoltaica ahora representa el 3.6% de la generación de electricidad global y actualmente es el tercer mayor renovable más grande. Fuente de energía después de la energía hidroeléctrica y el viento.
Sin embargo, estos avances no resuelven algunos de los inconvenientes inherentes de los sistemas de energía renovable, principalmente disponibilidad. La mayoría de estos métodos no producen energía a pedido como plantas de energía de carbón y petróleo. Las salidas de energía solar están disponibles, por ejemplo, durante todo el día con variaciones, dependiendo de los ángulos de irradiación solar y el posicionamiento del panel fotovoltaico. No puede producir ninguna 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 de las fluctuaciones dependiendo de la velocidad del viento. Por lo tanto, estas soluciones deben acoplarse con los sistemas de almacenamiento de energía para mantener el suministro de energía durante los períodos de bajo rendimiento.
¿Qué son los sistemas de almacenamiento de energía?
Los sistemas de almacenamiento de energía pueden almacenar energía para usarse 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 baterías de iones de litio o baterías de plomo-ácido. Proporcionan energía eléctrica a través de reacciones químicas entre los electrodos y el electrolito.
Las baterías, o Bess (sistema de almacenamiento de energía de la batería) representan el método de almacenamiento de energía más común utilizado en aplicaciones de vida diaria. Existe otro sistema de almacenamiento, como las plantas hidroeléctricas que convierten la energía potencial del agua almacenada en una presa en energía eléctrica. El agua que cae girará el volante de una turbina que produce energía eléctrica. Otro ejemplo es el gas comprimido, al liberar, el gas girará la rueda de la potencia productora de la turbina.
Lo que separa las baterías de los otros métodos de almacenamiento son sus posibles áreas de operación. Desde dispositivos pequeños y suministro de energía del automóvil hasta aplicaciones domésticas y grandes granjas solares, las baterías se pueden integrar sin problemas en cualquier aplicación de almacenamiento fuera de la red. Por otro lado, los métodos de aire hidroeléctrico y de aire comprimido requieren infraestructuras muy grandes y complejas para el almacenamiento. Esto lleva a costos muy altos que requieren aplicaciones muy grandes para que se justifique.
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 los métodos de energía renovable, como la energía solar y eólica. No obstante, hay otras aplicaciones que pueden beneficiarse enormemente de tales sistemas
Las redes eléctricas de la ciudad tienen como objetivo proporcionar la cantidad correcta de energía basada en la oferta y la demanda de cada ciudad. La potencia requerida puede fluctuar durante todo el día. Los sistemas de almacenamiento fuera de la red se han utilizado para atenuar las fluctuaciones y proporcionar más estabilidad en casos de demanda máxima. Desde una perspectiva diferente, los sistemas de almacenamiento de la cuadrícula pueden ser muy beneficiosos para compensar cualquier falla técnica imprevista en la red eléctrica principal o durante los períodos de mantenimiento programados. Pueden cumplir con los requisitos de energía sin tener que buscar fuentes de energía alternativas. Uno puede citar, por ejemplo, la tormenta de hielo de Texas a principios de febrero de 2023 que dejó aproximadamente 262 000 personas sin energía, mientras que las reparaciones se retrasaron debido a las difíciles condiciones climáticas.
Los vehículos eléctricos son otra aplicación. Los investigadores han vertido mucho esfuerzo para optimizar las estrategias de fabricación de baterías y carga/descarga para extender 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 nuevos automóviles eléctricos pero también en autobuses eléctricos. Las mejores baterías en este caso pueden conducir a un kilometraje mayor, pero también reducen los tiempos de carga con las tecnologías correctas.
A otro avance tecnológico les gusta los UAV y los robots móviles se han beneficiado enormemente del desarrollo de la batería. Las estrategias de movimiento y las estrategias de control dependen en gran medida de la capacidad de la batería y la energía proporcionadas.
¿Qué es un Bess?
Bess o sistema de almacenamiento de energía de la 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 renovable como la energía eólica y la energía solar. Se compone de múltiples baterías dispuestas en diferentes configuraciones (series/paralelas) y dimensionantes según los requisitos. Están conectados a un inversor que se utiliza para convertir la potencia de CC a la alimentación de CA para su uso. Se utiliza un sistema de gestión de la 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 para colocar/conectarse y no requieren una infraestructura altamente costosa, pero aún tienen un costo considerable y requieren un mantenimiento más regular en función del uso.
Bess dimensionados y hábitos de uso
Un punto crucial para abordar al instalar un sistema de almacenamiento de energía de la batería es dimensionar. ¿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 costos y eficiencia
Esto se hace caso por caso, ya que las aplicaciones pueden variar desde hogares pequeños hasta grandes plantas industriales.
La fuente de energía renovable más común para los hogares pequeños, especialmente en las zonas urbanas, es la energía solar con paneles fotovoltaicos. En general, el ingeniero consideraría el consumo promedio de energía del hogar y evalúa la irradiancia solar durante el año para la ubicación específica. Se elige el número de baterías y su configuración de cuadrícula para que coincida con las demandas del hogar durante la oferta de energía solar más baja del año, sin agotar las baterías. Esto supone una solución para tener una independencia de potencia completa de la cuadrícula principal.
Mantener un estado de carga relativamente moderado o no descargar por completo las baterías es algo que podría ser contrario a la intuición al principio. Después de todo, ¿por qué usar un sistema de almacenamiento si no podemos extraerlo por máximo? En teoría, es posible, pero podría no ser la estrategia que maximice el retorno de la inversión.
Una de las principales desventajas de Bess es el costo relativamente alto de las baterías. Por lo tanto, es esencial elegir un hábito de uso o una estrategia de carga/descarga que maximice la vida útil de la batería. Por ejemplo, las baterías de ácido de plomo no pueden descargarse por debajo del 50% de capacidad sin sufrir daños irreversibles. Las baterías de iones de litio tienen mayor densidad de energía, larga vida útil del ciclo. También se pueden descargar usando rangos más grandes, pero esto tiene un costo de mayor precio. Hay una alta variación en el costo entre diferentes químicas, las baterías ácidas de plomo pueden ser de cientos a miles de dólares más baratos que una batería de iones de litio del mismo tamaño. Esta es la razón por la cual las baterías ácidas de plomo son las más utilizadas en las aplicaciones solares en países del 3er mundo y comunidades pobres.
El rendimiento de la batería se ve muy afectado por la degradación durante su vida útil, no tiene un rendimiento constante que termina con una falla repentina. En cambio, la capacidad y la proporcionada pueden desvanecerse progresivamente. En la práctica, se considera que una vida útil de la batería se agotó cuando su capacidad alcanza el 80% de su capacidad original. En otras palabras, cuando experimenta un 20% de capacidad de 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 EV.
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 a la degradación e historial de abuso, las células pueden entrar en fugas térmicas, lo que puede conducir a resultados catastróficos y, en algunos casos, poner en peligro la vida de los consumidores.
Esta es la razón por la cual las empresas han desarrollado un mejor software de monitoreo de baterías (BMS) para controlar el uso de la batería, pero también monitorean el estado de salud para proporcionar mantenimiento oportuno y evitar consecuencias agravadas.
Conclusión
De los sistemas de almacenamiento de energía de la cuadrícula brindan una gran oportunidad para lograr la independencia de energía desde la cuadrícula principal, pero también proporcionan una fuente de energía de respaldo durante los tiempos de inactividad y los períodos de carga máxima. El desarrollo facilitaría el cambio hacia fuentes de energía más ecológicas, lo que limita el impacto de la generación de energía en el cambio climático mientras cumple con los requisitos de energía con un crecimiento constante en el consumo.
Los sistemas de almacenamiento de energía de la batería son los más utilizados y los más fáciles de configurar para diferentes aplicaciones cotidianas. Su alta flexibilidad es contrarrestada por un costo relativamente alto, lo que lleva al desarrollo de estrategias de monitoreo para prolongar la vida útil respectiva tanto como sea posible. Actualmente, la industria y la academia están vertiendo mucho esfuerzo para investigar y comprender la degradación de la batería en diferentes condiciones.
