La arquitectura de los sistemas de almacenamiento de energía en baterías

Antes de profundizar en la arquitectura y los tipos de sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS), es esencial familiarizarnos con la terminología clave que se usa comúnmente en este campo. Varios parámetros son cruciales para describir el comportamiento y el rendimiento de BESS.

· Capacidad [Ah]: Esto representa la cantidad de carga eléctrica que el sistema puede suministrar a una carga conectada mientras mantiene un nivel de voltaje aceptable. La capacidad está influenciada por la tecnología de la batería y normalmente se define a temperaturas y corrientes de descarga específicas.

· Energía nominal [Wh]: Esta es la energía total que una batería puede entregar desde un estado completamente cargado hasta su descarga completa. Se calcula multiplicando la capacidad por el voltaje de la batería. Dado que depende de la capacidad, también se ve afectado por la temperatura y la corriente.

· Potencia [W]: Definir la potencia de salida de un BESS es complejo ya que depende de la carga conectada. Sin embargo, la potencia nominal indica la salida durante condiciones de descarga típicas.

· Energía específica [Wh/kg]: Este parámetro describe la energía que una batería puede almacenar en relación con su masa.

· C Rate: Esto denota la tasa de carga y descarga en relación con la capacidad máxima de la batería. A 1C, la batería se descarga completamente en una hora.

· Ciclo: Una secuencia completa de carga-descarga-carga. No existe un estándar universal que defina qué constituye un ciclo.

· Vida útil: El número de ciclos que una batería puede completar antes de que su rendimiento se degrade significativamente.

· Profundidad de descarga (DoD): Representa el porcentaje de la batería descargada. Un DoD del 100% indica descarga completa.

· Estado de carga (SoC, %): Indica el nivel de carga actual de una batería.

· Eficiencia coulómbica: Esto refleja la eficiencia de la transferencia de carga dentro de la batería. Es la relación entre la carga (Ah) descargada y la carga necesaria para volver al estado inicial. La mayoría de las baterías, excepto las de plomo-ácido, exhiben una eficiencia Coulombic casi perfecta.

Principales tipos de electroquímicos Sistemas de almacenamiento de energía

Varias tecnologías de baterías se basan en diferentes elementos y reacciones químicos. Hoy en día, las baterías de plomo-ácido y de iones de litio son las más comunes, aunque las baterías de níquel, azufre y de flujo también han desempeñado un papel importante en la industria. A continuación se muestra una breve descripción general de las principales ventajas de las tecnologías de baterías de uso común.

Baterías de plomo-ácido

Se utilizan ampliamente en aplicaciones cotidianas. Consisten en un electrodo de plomo negativo, un electrodo positivo de dióxido de plomo y una solución electrolítica de ácido sulfúrico.

Ventajas: Bajo costo y madurez tecnológica.

Desventajas: consulte la Tabla 1 para obtener más detalles.

Baterías de níquel-cadmio (Ni-Cd)

Estas baterías dominaron los sistemas portátiles durante años antes de que surgiera la tecnología de iones de litio. Ofrecen un gran rendimiento energético y una recarga rápida.

Ventajas y desventajas: consulte la Tabla 2.

Las baterías de hidruro metálico de níquel (NiMH), una evolución del Ni-Cd, proporcionan aproximadamente un 40 % más de energía específica.

Baterías de iones de litio (Li-Ion)

Las baterías de iones de litio, con litio metálico como ánodo, proporcionan una energía específica excepcional. Sin embargo, enfrentan desafíos como la formación de dendritas en el ánodo, lo que puede causar cortocircuitos y sobrecalentamiento.

Ventajas y desventajas: consulte la Tabla 3.

Composición de un BESS

Un BESS consta de múltiples componentes interconectados, cada uno con funciones y requisitos de control específicos. A continuación se muestra un resumen de estos componentes principales:

1. Sistema de batería: consta de varios paquetes de baterías, interconectados para lograr los niveles de voltaje y corriente deseados.

2. Sistema de gestión de batería (BMS): garantiza un funcionamiento seguro manteniendo los niveles de voltaje, corriente y temperatura dentro de los límites. También equilibra el estado de carga entre las celdas.

3. Sistema de conversión de energía (PCS): Convierte la energía CC de la batería en CA para uso externo. Las unidades PCS a menudo incluyen servicios auxiliares y de monitoreo para un funcionamiento óptimo.

4. Sistema de gestión de energía (EMS): Supervisa y gestiona el flujo de energía según los requisitos de la aplicación. EMS normalmente se integra con un sistema SCADA (control de supervisión y adquisición de datos) para el monitoreo y control general del sistema.

5. Transformadores: Dependiendo del tamaño del sistema, se utilizan transformadores de media/baja tensión o de alta/media tensión para la conexión a la red.

Integración de módulos fotovoltaicos con BESS

A medida que la energía renovable se vuelve integral para los sistemas eléctricos futuros, la integración de un BESS con fuentes renovables, como módulos fotovoltaicos, mejora tanto el sistema energético como la planta de energía.

Beneficios de la integración PV y BESS:

· Mitigar la volatilidad de la generación: Un BESS suaviza las fluctuaciones en la producción de energía causadas por nubes o picos repentinos, creando una curva de generación más estable (Figura 4).

· Reducción de picos: Reduce la generación de picos, lo que resulta en una curva más suave.

· Soporte de red: proporciona servicios auxiliares como control de voltaje, regulación de frecuencia y compensación de potencia reactiva, lo que permite una mejor integración de la red.

Opciones de acoplamiento para módulos fotovoltaicos y BESS:

1. Acoplamiento de CC: PV y BESS están conectados en el lado de CC, compartiendo inversores y componentes de CA. Común en plantas residenciales y de pequeña escala, pero requiere una lógica de control avanzada para el voltaje de CC y la gestión de la batería.

2. Acoplamiento de CA después del inversor: PV y BESS tienen inversores dedicados, lo que los hace adecuados para plantas residenciales y de gran escala. Este enfoque evita la complejidad del acoplamiento de CC.

3. Acoplamiento de CA en el punto de conexión (POC): Los sistemas fotovoltaicos y BESS comparten solo la instalación de interconexión, con secciones independientes para cada sistema.