Introducción
El entorno energético actual está cambiando rápidamente en todo el mundo, y la razón de ello es la necesidad de que las soluciones energéticas sean más sostenibles y resistentes para hacer frente al cambio climático. El núcleo de esta revolución es el sistema de almacenamiento de energía en baterías (BESS), que está emergiendo rápidamente como una tecnología de alto perfil que tiene la capacidad de integrar fuentes de energía renovables intermitentes, estabilizar y desestabilizar las redes, y generar energía estable en el lugar y momento adecuados.
La transición energética ya está en marcha, y en nuestro movimiento hacia un panorama energético que utilizará cada vez más energías limpias, es crucial la contribución del almacenamiento en baterías y el tiempo que pueden almacenar energía para su uso posterior. La energía renovable puede almacenarse ahora para su uso posterior sin quemar combustibles fósiles, lo que reduce las emisiones de carbono y contribuye a un suministro eléctrico estable a cualquier hora del día. El complejo funcionamiento y la importancia de un BESS ya no es dedicación exclusiva de los ingenieros, sino el conocimiento necesario que interesa a todo inversor, responsable político y futuro entusiasta de la industria energética.
El siguiente artículo ofrece un análisis detallado de la composición de los BESS hasta sus elementos vitales y arroja algo de luz sobre la importancia de estos últimos. También examinaremos un tema que se ignora demasiado pero que, en realidad, es fundamental: la gestión térmica y cómo la selección térmica desempeña un papel esencial a la hora de aumentar el rendimiento de los BESS y permitirles alcanzar una mayor vida útil.
El núcleo del almacenamiento de energía: ¿Qué es un sistema de almacenamiento de energía en baterías (BESS)?
El sistema de almacenamiento de energía en baterías (BESS) es un sistema complejo e integrado destinado a almacenar la energía producida por diversas fuentes y liberarla cuando sea necesario. Interviene principalmente en la cadena de generación y demanda de energía para dar flexibilidad y fiabilidad tanto a las redes eléctricas como a los consumidores individuales.
Piense en una batería recargable gigante, pero mucho más avanzada, capaz de procesar enormes cantidades de energía e incluso comunicarse con la red de forma inteligente. Las aplicaciones de los BESS son cada vez más variadas, lo que se ha reflejado en escenarios como la energía de reserva en caso de apagón, el almacenamiento del exceso de energía solar o eólica para utilizarla más tarde, o la reducción del coste de la energía mediante el recorte de picos. El desarrollo de la energía solar fotovoltaica va unido al desarrollo de la tecnología BESS, que ha transformado la gestión de la energía solar y la disponibilidad de la energía incluso en ausencia de sol.
¿Cómo funciona?
A nivel básico, un BESS funciona permitiendo que la energía eléctrica se convierta en energía química y se almacene, y en un momento posterior, la energía eléctrica puede volver a convertirse en energía eléctrica, cuando se necesite.
En caso de exceso de electricidad, como durante las horas de máxima producción del sistema de energía solar o cuando las renovables producen electricidad en exceso, el BESS se carga y la corriente alterna (de la red o de las renovables) se convierte en corriente continua para almacenar la energía en esta batería. Por otro lado, el sistema se descarga cuando la demanda de electricidad es alta o en caso de que la generación renovable sea baja.
Cuando se descarga, la energía almacenada (corriente continua) se convierte en corriente alterna y se inyecta en la red o se suministra a las cargas. Todo este vaivén entre carga y descarga se controla mediante complejos sistemas de control para proporcionar un flujo óptimo de energía y estabilidad al sistema. De este modo, los BESS ayudan al sistema energético actual en su transición hacia un sistema energético más sostenible.
Componentes esenciales del sistema de almacenamiento de energía en batería
Para dominar correctamente un sistema de almacenamiento de energía (SEE), conviene comprender la relación de interdependencia entre sus principales componentes. Todos los elementos son cruciales para definir el grado de eficiencia, seguridad y vida útil del sistema. El fallo o la ineficacia de un componente puede producirse en cascada y acabar afectando al rendimiento de todo el sistema, incluida la capacidad energética y la producción fiable de energía del sistema.
Módulos y células de baterías
Quizá la parte más conocida de un BESS sean los módulos y celdas de la batería, que representan la base del almacenamiento de energía. Las celdas de las baterías se empaquetan en módulos, y los módulos se unen en bastidores o contenedores. La tecnología de la composición de las células puede variar mucho, y una célula de batería común que se puede encontrar en los BESS actuales es una célula de iones de litio debido a su alta densidad de energía y vida de ciclo.
La química de la batería también influye mucho en las características de rendimiento del sistema, como el flujo de energía, el estado de carga, la potencia de salida, la vida útil y las características térmicas. Por ejemplo, las baterías de litio-hierro-fosfato (LFP) son cada vez más populares en las aplicaciones BESS, ya que ofrecen mejores niveles de seguridad, ciclos de vida más largos y tolerancias en cuanto al aspecto visual que otras variedades de baterías de iones de litio, aunque a veces también se reduce la densidad energética.
Sistema de gestión de baterías (BMS)
También llamado el cerebro del pack de baterías, un Sistema de Gestión de Baterías (BMS) es un sistema electrónico esencial que desempeña un papel de centinela entre las celdas de la batería. Las principales funciones de este producto son escanear parámetros importantes como la tensión de la célula, la corriente y la temperatura del módulo.
Además de supervisar, el BMS también equilibra las cargas de cada célula, prohibiendo los estados de sobrecarga o sobredescarga que pueden reducir significativamente la vida útil de la batería o provocar repercusiones de seguridad como el desbordamiento térmico. Un BMS que funcione bien es un componente obligatorio para maximizar la vida útil de la batería, operar con seguridad y proporcionar información precisa sobre el estado de carga (SoC) y el estado de salud (SoH) de la batería.
También realiza un seguimiento del número de veces que se completan los ciclos de carga/descarga por la valiosa información que aporta con respecto al rendimiento y al uso que se hará de la batería. Sin un sofisticado BMS, el alto rendimiento y la larga vida útil de nuestras baterías de última tecnología no habrían sido posibles.
Sistema de conversión de potencia (PCS) / Inversor bidireccional
Cuando la batería está conectada a la red externa o a la carga, es la interfaz, y esta interfaz es el Sistema de Conversión de Potencia (PCS), que se utiliza frecuentemente como un inversor. El PCS utiliza la corriente alterna entrante (suministrada por la red o por energías renovables, por ejemplo, un sistema fotovoltaico) y la convierte en corriente continua para que las baterías puedan utilizarla.
Por otro lado, cuando llega el momento de la descarga, convierte la energía de CC de las baterías en CA y sincroniza su frecuencia con la de la red y la tensión en cada momento. El tamaño y la construcción del PCS determinan directamente la eficiencia global de ida y vuelta del BESS, y los sistemas modernos pueden tener eficiencias superiores a 97-98%. El PCS también tiene la tarea de controlar el flujo de energía, el control de la tensión y la funcionalidad de los servicios de red, lo que lo convierte en una pieza extremadamente compleja y esencial. Con los sistemas de almacenamiento de energía en constante evolución, será importante garantizar que sus costes repercutan lo menos posible en las facturas de electricidad, ya que optimizan la utilización de la energía suministrada.
Sistema de gestión de la energía (SGE)
El cerebro mayor es el Sistema de Gestión de la Energía (EMS), que optimiza la actividad de todo el BESS. Aunque el BMS se encarga de la vida intrínseca (interna) de la batería y el PCS de la conversión de energía, el EMS determina el momento y la forma en que el BESS debe cargarse y descargarse. Utiliza datos en tiempo real, como el precio de la electricidad, la estabilidad de la red, la demanda de la red, las previsiones de energía renovable y los perfiles de carga de la planta para tomar decisiones de forma inteligente.
Con un BESS a escala comercial, el EMS puede ofrecer servicios como regulación de frecuencia, reducción de picos y desplazamiento de carga. También proporciona servicios auxiliares, que mantienen la estabilidad de la red eléctrica equilibrando la oferta y la demanda. En el caso de las aplicaciones comerciales e industriales, el EMS puede optimizar el autoconsumo de energía solar o participar en programas de respuesta a la demanda. Cuando se produce un apagón, el EMS es capaz de alimentar el sistema de baterías, lo que garantiza la disponibilidad de electricidad. Un EMS sofisticado también mejora considerablemente la rentabilidad y la flexibilidad de un BESS, por lo que sin duda aportará el mayor valor.
Sistemas de cerramiento y seguridad
La protección del conjunto del BESS, junto con la seguridad de las personas y los bienes, debe ser de la máxima importancia en lo que respecta a su envolvente y sus sistemas de seguridad. La seguridad física contra los factores ambientales (por ejemplo, temperaturas extremas, humedad, polvo) viene dada por la caja, que también contiene todos los componentes internos, como el bastidor de baterías, donde se guardan los módulos.
Más allá del confinamiento físico, los sistemas de seguridad incorporados funcionarán para detectar y contrarrestar peligros probables. Abarcan sistemas de extinción de incendios de alta tecnología, como detectores de aerosoles, agentes limpios, agua nebulizada o humo, sensores de temperatura, sistemas de ventilación, etc.
Teniendo en cuenta la posibilidad de que se produzcan incidentes térmicos en las grandes instalaciones de baterías, no sólo es un mandato normativo, sino una necesidad técnica que la instalación se lleve a cabo con un nivel seguro de evaluación, tal y como establecen normas como la UL 9540 (Norma para Sistemas y Equipos de Almacenamiento de Energía). Estos sistemas proporcionan el beneficiario final frente a cualquier imprevisto, de ahí su importancia innegociable en el ámbito de la energía fiable y la estabilidad de la red.
Sistemas auxiliares e interconexiones
Además de los elementos clave, un BESS dispone de un sistema de sistemas auxiliares y conexiones sobre los que funciona. Entre ellos figuran:
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Transformers: Aumentar (subir) o disminuir (bajar) la tensión para conectarse a la red eléctrica.
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Interruptores y disyuntores: Proteger, aislar y controlar el flujo de energía en el sistema.
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Cableado y barras colectoras: Realizar conexiones eléctricas seguras y eficaces en todo el sistema.
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Redes de comunicación: Se trata de los enlaces de comunicación a través de los cuales se pueden intercambiar datos de BMS, PCS, EMS y centros de supervisión remotos (normalmente mediante sistemas SCADA - Supervisory Control and Data Acquisition).
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HVAC (calefacción, ventilación y aire acondicionado): Muy importante para que todos los componentes electrónicos sensibles y las baterías funcionen a temperaturas óptimas.
Todo esto parecen pequeños detalles, pero estructuralmente son esenciales para garantizar el buen funcionamiento, la seguridad y la durabilidad de todo el BESS y forman parte de la capacidad de potencia y de la producción global.
Sistemas de gestión térmica para BESS
Aunque los sistemas de gestión térmica de los BESS, de los que rara vez se habla, pueden añadirse al conjunto de sistemas categorizados como auxiliares, es necesario abordar este tema con más detalle, ya que este aspecto tiene una de las mayores influencias en el rendimiento de estos sistemas, su durabilidad y su seguridad. Las baterías, especialmente las de iones de litio, son propensas a los cambios de temperatura. El funcionamiento a temperaturas superiores a las recomendadas (entre 15 °C y 35 °C en la mayoría de las baterías de iones de litio) puede provocar graves problemas.
Una temperatura excesiva acelera la degradación, reduce la vida útil del ciclo y lo somete a embalamiento térmico.
Un nivel de temperatura excesivamente bajo puede reducir la capacidad disponible, aumentar la resistencia interna y afectar negativamente a las velocidades de carga, lo que puede afectar al potencial para satisfacer la demanda de energía durante periodos críticos.
La gestión térmica inteligente queda relegada a mantener tres cosas, la más importante, los módulos de la batería y la electrónica de potencia, dentro del rango operativo deseado en términos de temperatura. Esto es muy importante en el momento de máxima demanda, cuando se necesita energía y el sistema debe funcionar dentro de su máxima capacidad. Las estrategias típicas de gestión térmica que se utilizan en los BESS son:
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Refrigeración/Calefacción por aire: Mover un ventilador sobre el aire ambiente o el aire acondicionado para enfriar o calentar los componentes. Es una forma rentable de controlar la temperatura intermedia y podría utilizarse para reducir los costes de funcionamiento cuando relativamente no hay demanda de energía.
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Refrigeración/calefacción por líquido: El uso de un refrigerante líquido (mezcla de glicol y agua) que circula a través de placas o canales fríos para mantener el contacto directo con las celdas o módulos de la batería. Esto también proporciona un control más estricto y eficaz de la temperatura, especialmente en sistemas de alta densidad de potencia, por lo que la energía no deseada acumulada en la descarga de alta potencia se puede disipar eficazmente.
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Materiales de cambio de fase (PCM): Materiales capaces de absorber/liberar grandes cantidades de calor latente asociado a un cambio de fase (por ejemplo, de sólido a líquido), y que podrían utilizarse en un sistema pasivo de estabilización/regulación de la temperatura para mantener el sistema estable durante un consumo de energía variado a lo largo de un período de tiempo más prolongado.
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Refrigeración/Chillers: Se emplea con el uso de refrigeración líquida para lograr un enfriamiento más agresivo de la temperatura de entornos calientes o aplicaciones de gran potencia y alto consumo de W. Es una buena estrategia, sobre todo cuando se trata de almacenar energía térmica para utilizarla después, y se tiene cuidado de que la energía almacenada no se desperdicie en condiciones extremas.
La estrategia de gestión térmica se elegirá en función del tamaño del BESS, la aplicación, el clima ambiental y las características de rendimiento deseadas.
Importancia de una refrigeración eficaz en el rendimiento y la longevidad de los BESS
La gestión térmica de un BESS tiene una conexión irrevocable con la eficiencia y la vida útil del BESS, especialmente la redundancia y la eficacia de las medidas de refrigeración. Una refrigeración deficiente no sólo causa muchos inconvenientes, sino que es un camino directo hacia la degradación prematura del sistema, la ineficacia en el funcionamiento y el aumento de los riesgos para la seguridad. Una gestión eficaz de la temperatura garantizará que el coste de la electricidad se reduzca durante un largo periodo de tiempo, que el flujo de energía sea eficaz y que la capacidad energética se haya optimizado al máximo.
Piense en lo siguiente: cada vez que la temperatura supera en 10 °C el rango óptimo, la vida útil de una batería de iones de litio puede reducirse en un 50%. Este decaimiento superlineal se traslada directamente a una enorme cantidad de dinero que se pierde en las operaciones de los BESS debido a la reducción de la vida útil de sus activos y al aumento vertiginoso de los costes de sus sustituciones. Además, un funcionamiento a altas temperaturas disminuye la eficiencia energética de la batería, es decir, es menos eficiente energéticamente, disipando más de ella en forma de calor durante los procesos de carga y descarga, lo que disminuye la eficiencia general de ida y vuelta del sistema y aumenta sus costes operativos. Una gestión térmica deficiente puede provocar puntos calientes locales en el peor de los casos, lo que hace que la degradación de la célula se produzca más rápidamente y se corra el riesgo de un ataque de fuga térmica, una reacción en cadena que puede culminar en un incendio.
Mediante el uso de una gestión térmica óptima, los sistemas BESS son más adecuados para gestionar los costes de la electricidad durante las horas de máxima demanda, que a su vez almacenan el exceso de energía y la utilizan más tarde, reduciendo de hecho los costes operativos generales a lo largo del tiempo y elevando el número de fiabilidad de la red en épocas de carga energética sostenida.
| Aspecto | Repercusiones de una refrigeración inadecuada | Ventajas de una refrigeración eficaz |
| Duración de la batería | Reducción de hasta 50% por cada 10°C de aumento por encima del óptimo. | Prolonga la duración de la batería, maximizando el retorno de la inversión. |
| Eficiencia del sistema | Mayor pérdida de energía, menor eficiencia de ida y vuelta. | Optimiza la transferencia de energía y reduce los costes operativos. |
| Riesgos para la seguridad | Mayor probabilidad de desbocamiento térmico e incendio. | Mitiga los riesgos de seguridad y garantiza un funcionamiento seguro. |
| Rendimiento | Disminución de la capacidad y la potencia, especialmente en climas cálidos. | Mantiene la capacidad nominal y la potencia de salida. |
| Costes de mantenimiento | Sustitución más frecuente de componentes por sobrecalentamiento. | Reduce la frecuencia y los costes de mantenimiento. |
Soluciones ACDCFAN: Refrigeración a medida para sus componentes BESS
Es aquí donde las soluciones de refrigeración especializadas resultan esenciales y convierten lo que serían puntos débiles de su BESS en sus puntos fuertes. En ACDCFAN, donde hemos acumulado más de dos décadas de experiencia, también hemos hecho realidad los sutiles requisitos de las infraestructuras energéticas estratégicas. Como uno de los fabricantes más profesionales, producimos ventiladores axiales y radiales de CA, ventiladores axiales y radiales de CC y ventiladores axiales EC de alta calidad al detalle, para satisfacer las estrictas exigencias de los componentes de BESS.
El nivel de ingeniería de alta calidad se refleja directamente en las ventajas rentables de su BESS. Por ejemplo, disponemos de ventiladores de refrigeración de inversores cuyos bastidores están fabricados con la mejor aleación de aluminio ADC-12 a la que se ha añadido cobre 3-5 %. Gracias a esta aleación exclusiva, obtendrá un rendimiento del ventilador un 30% más duradero, una característica importante para la capacidad operativa estable e invariable a largo plazo de sus sistemas de conversión de energía. Nuestros ventiladores no sólo son fiables, sino que además tienen una extraordinaria vida útil de 70.000 horas a 40 o C. Nuestros ventiladores pueden funcionar a temperaturas elevadas de -40 o C a 120 o C. Esta longevidad garantizará que su BESS se mantenga en excelentes condiciones térmicas hasta el límite de las cargas operativas extremas.
Entendiendo los diversos y desafiantes entornos de BESS, ACDCFAN se centra en el suministro de ventiladores de CC de alta calidad con avanzados motores sin escobillas. Esto permite a nuestros ventiladores hacer uso de un impresionante grado de protección IP68, una excepcional madriguera de entrada de aire de polvo/agua, así como capacidades antiniebla salina, vitales en entornos costeros o húmedos.
Nuestros productos están totalmente certificados en CE, UL, RoHS y EM, y la calidad está garantizada. Le proporcionamos la excelencia como calidad constante, y debe saber que sus piezas BESS funcionan dentro de las envolturas térmicas que les proporcionan una larga durabilidad para rentabilizar al máximo su inversión. Gracias a una producción eficaz, hemos reducido al mínimo el plazo de entrega de nuestros ventiladores axiales, sólo 1 ó 2 semanas, para que sus proyectos se desarrollen a tiempo y con menores costes.
Conclusión
Adoptar un Sistema de Almacenamiento de Energía en Batería es mucho más que limitarse a comprar baterías. Requiere una base de conocimientos integrada de sus complejas piezas, como los módulos de almacenamiento de energía de la batería, el BMS de protección, el PCS de conversión de potencia, el EMS de optimización y los sistemas de seguridad y el armario de detección. Todos ellos son ruedas cruciales de un complicado mecanismo, destinado a transformar nuestro futuro energético. Con la energía solar y otras fuentes de energía renovables cada vez más cruciales, los sistemas de almacenamiento en baterías son fundamentales para la gestión del suministro energético y la transición de la energía fuera del sector de la energía fósil en lugar de la fósil.
No obstante, la gestión térmica puede entenderse como un elemento primordial de la sostenibilidad operativa y a largo plazo de un BESS. La refrigeración inteligente y proactiva, con sus ventiladores de alto rendimiento, no puede considerarse una característica bonita, sino un requisito innegociable para proporcionar longevidad a las baterías, eficiencia y un alto grado de seguridad en el sistema.
Invertir en sistemas de refrigeración de alta calidad significa que los promotores y operadores de BESS podrían no sólo proteger sus participaciones, sino también optimizar su inversión y ser capaces de asegurar su inversión con confianza y contribuir activamente a un mejor sistema energético con más resiliencia y sostenibilidad, asumiendo un papel importante en la actual transición energética.
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