Nos últimos 50 anos, produciuse un aumento continuo do consumo mundial de electricidade, cun uso estimado duns 25.300 terawatts-hora no ano 2021. Coa transición cara á industria 4.0, hai un aumento das demandas de enerxía en todo o mundo. Estas cifras aumentan cada ano, sen incluír as necesidades enerxéticas dos sectores industriais e outros sectores económicos. Este cambio industrial e o alto consumo de enerxía van acompañados de efectos máis tanxibles do cambio climático debido ás emisións excesivas de gases de efecto invernadoiro. Actualmente, a maioría das centrais e instalacións de xeración de enerxía dependen en gran medida de fontes de combustibles fósiles (petróleo e gas) para satisfacer tales demandas. Estas preocupacións climáticas prohiben a xeración adicional de enerxía mediante métodos convencionais. Polo tanto, o desenvolvemento de sistemas de almacenamento de enerxía eficientes e fiables tornouse cada vez máis importante para garantir un subministro continuo e fiable de enerxía procedente de fontes renovables.
O sector enerxético respondeu cambiando cara ás enerxías renovables ou ás solucións "verdes". A transición viuse favorecida pola mellora das técnicas de fabricación, o que levou, por exemplo, a unha fabricación máis eficiente das palas dos aeroxeradores. Ademais, os investigadores puideron mellorar a eficiencia das células fotovoltaicas, o que levou a unha mellor xeración de enerxía por área de uso. En 2021, a xeración de electricidade a partir de fontes solares fotovoltaicas (FV) aumentou significativamente, alcanzando un récord de 179 TWh e representando un crecemento do 22 % en comparación con 2020. A tecnoloxía solar FV representa agora o 3,6 % da xeración mundial de electricidade e é actualmente a terceira maior fonte de enerxía renovable despois da enerxía hidroeléctrica e a eólica.
Non obstante, estes avances non resolven algúns dos inconvenientes inherentes aos sistemas de enerxía renovable, principalmente a dispoñibilidade. A maioría destes métodos non producen enerxía baixo demanda como as centrais de carbón e petróleo. A produción de enerxía solar está dispoñible durante todo o día, con variacións dependendo dos ángulos de irradiación solar e da posición dos paneis fotovoltaicos. Non pode producir enerxía durante a noite, mentres que a súa produción redúcese significativamente durante a tempada de inverno e nos días moi nubrados. A enerxía eólica tamén sofre flutuacións dependendo da velocidade do vento. Polo tanto, estas solucións deben combinarse con sistemas de almacenamento de enerxía para manter o subministro de enerxía durante os períodos de baixa produción.
Que son os sistemas de almacenamento de enerxía?
Os sistemas de almacenamento de enerxía poden almacenar enerxía para usala nunha fase posterior. Nalgúns casos, haberá unha forma de conversión de enerxía entre a enerxía almacenada e a enerxía proporcionada. O exemplo máis común son as baterías eléctricas, como as baterías de ións de litio ou as baterías de chumbo-ácido. Estas proporcionan enerxía eléctrica mediante reaccións químicas entre os eléctrodos e o electrolito.
As baterías, ou BESS (sistema de almacenamento de enerxía en baterías), representan o método de almacenamento de enerxía máis común empregado nas aplicacións da vida cotiá. Existen outros sistemas de almacenamento, como as centrais hidroeléctricas, que converten a enerxía potencial da auga almacenada nunha presa en enerxía eléctrica. A auga que cae fará xirar o volante dunha turbina que produce enerxía eléctrica. Outro exemplo é o gas comprimido; ao liberarse, o gas fará xirar a roda da turbina producindo enerxía.
O que diferencia as baterías doutros métodos de almacenamento son as súas posibles áreas de funcionamento. Desde pequenos dispositivos e subministración de enerxía para automóbiles ata aplicacións domésticas e grandes parques solares, as baterías pódense integrar perfectamente en calquera aplicación de almacenamento fóra da rede. Por outra banda, os métodos de enerxía hidroeléctrica e aire comprimido requiren infraestruturas moi grandes e complexas para o almacenamento. Isto leva a custos moi elevados que requiren aplicacións moi grandes para que se xustifique.
Casos de uso para sistemas de almacenamento fóra da rede.
Como se mencionou anteriormente, os sistemas de almacenamento fóra da rede poden facilitar o uso e a dependencia de métodos de enerxía renovables como a enerxía solar e eólica. Non obstante, hai outras aplicacións que poden beneficiarse enormemente destes sistemas.
As redes eléctricas urbanas teñen como obxectivo fornecer a cantidade correcta de enerxía en función da oferta e a demanda de cada cidade. A enerxía necesaria pode fluctuar ao longo do día. Os sistemas de almacenamento illados utilizáronse para atenuar as flutuacións e proporcionar máis estabilidade en casos de demanda máxima. Desde unha perspectiva diferente, os sistemas de almacenamento illados poden ser moi beneficiosos para compensar calquera fallo técnico imprevisto na rede eléctrica principal ou durante os períodos de mantemento programados. Poden satisfacer as necesidades de enerxía sen ter que buscar fontes de enerxía alternativas. Pódese citar, por exemplo, a tormenta de xeo de Texas a principios de febreiro de 2023 que deixou aproximadamente a 262 000 persoas sen electricidade, mentres que as reparacións se atrasaron debido ás difíciles condicións meteorolóxicas.
Os vehículos eléctricos son outra aplicación. Os investigadores dedicaron moito esforzo a optimizar a fabricación de baterías e as estratexias de carga/descarga para prolongar a vida útil e a densidade de potencia das baterías. As baterías de ións de litio estiveron na vangarda desta pequena revolución e utilizáronse amplamente en novos coches eléctricos, pero tamén en autobuses eléctricos. Neste caso, unhas mellores baterías poden levar a unha maior quilometraxe, pero tamén a tempos de carga reducidos coas tecnoloxías axeitadas.
Outros avances tecnolóxicos como os UAV e os robots móbiles beneficiáronse enormemente do desenvolvemento das baterías. As súas estratexias de movemento e control dependen en gran medida da capacidade e da potencia proporcionada pola batería.
Que é un BESS?
Un sistema de almacenamento de enerxía en baterías ou BESS é un sistema de almacenamento de enerxía que se pode empregar para almacenar enerxía. Esta enerxía pode proceder da rede principal ou de fontes de enerxía renovables como a enerxía eólica e a enerxía solar. Está composto por varias baterías dispostas en diferentes configuracións (serie/paralelo) e dimensionadas segundo os requisitos. Están conectadas a un inversor que se emprega para converter a enerxía CC en enerxía CA para o seu uso.sistema de xestión de baterías (BMS)úsase para monitorizar o estado da batería e a operación de carga/descarga.
En comparación con outros sistemas de almacenamento de enerxía, son particularmente flexibles para colocar/conectar e non requiren unha infraestrutura moi custosa, pero aínda teñen un custo considerable e requiren un mantemento máis regular en función do uso.
Tamaño e hábitos de uso de BESS
Un punto crucial a abordar ao instalar un sistema de almacenamento de enerxía en baterías é o dimensionamento. Cantas baterías se necesitan? En que configuración? Nalgúns casos, o tipo de batería pode xogar un papel crucial a longo prazo en termos de aforro de custos e eficiencia.
Isto faise caso por caso, xa que as aplicacións poden abarcar desde fogares pequenos ata grandes plantas industriais.
A fonte de enerxía renovable máis común para os fogares pequenos, especialmente en zonas urbanas, é a enerxía solar mediante paneis fotovoltaicos. O enxeñeiro xeralmente consideraría o consumo medio de enerxía do fogar e avaliaría a irradiancia solar ao longo do ano para a localización específica. O número de baterías e a súa configuración de rede escóllense para que se axusten ás demandas do fogar durante o período de menor subministración de enerxía solar do ano sen esgotar por completo as baterías. Isto supón unha solución que teña unha completa independencia enerxética da rede principal.
Manter un estado de carga relativamente moderado ou non descargar completamente as baterías é algo que pode resultar contraintuitivo ao principio. Despois de todo, para que usar un sistema de almacenamento se non podemos extraer todo o seu potencial? En teoría é posible, pero pode que non sexa a estratexia que maximice o retorno do investimento.
Unha das principais desvantaxes das baterías con tecnoloxía BESS é o custo relativamente alto das baterías. Polo tanto, é esencial elixir un hábito de uso ou unha estratexia de carga/descarga que maximice a vida útil da batería. Por exemplo, as baterías de chumbo-ácido non se poden descargar por debaixo do 50 % da súa capacidade sen sufrir danos irreversibles. As baterías de ións de litio teñen unha maior densidade de enerxía e unha longa vida útil. Tamén se poden descargar utilizando rangos máis grandes, pero isto ten un custo de maior prezo. Existe unha gran variación no custo entre as diferentes composicións químicas; as baterías de chumbo-ácido poden ser centos ou miles de dólares máis baratas que unha batería de ións de litio do mesmo tamaño. É por iso que as baterías de chumbo-ácido son as máis utilizadas en aplicacións solares en países do terceiro mundo e comunidades pobres.
O rendemento da batería vese fortemente afectado pola degradación durante a súa vida útil, non ten un rendemento estable que remate cunha falla repentina. En cambio, a capacidade proporcionada pode diminuír progresivamente. Na práctica, considérase que a vida útil dunha batería rematou cando a súa capacidade alcanza o 80 % da súa capacidade orixinal. Noutras palabras, cando experimenta un descenso da capacidade do 20 %. Na práctica, isto significa que se pode proporcionar unha menor cantidade de enerxía. Isto pode afectar os períodos de uso para sistemas totalmente independentes e a cantidade de quilometraxe que pode percorrer un vehículo eléctrico.
Outro punto a ter en conta é a seguridade. Cos avances na fabricación e na tecnoloxía, as baterías recentes son, en xeral, quimicamente máis estables. Non obstante, debido á degradación e ao historial de abuso, as celas poden entrar en fuga térmica, o que pode levar a resultados catastróficos e, nalgúns casos, poñer en perigo a vida dos consumidores.
É por iso que as empresas desenvolveron un mellor software de monitorización de baterías (BMS) para controlar o uso da batería, pero tamén para monitorizar o estado da batería co fin de proporcionar un mantemento oportuno e evitar consecuencias agravadas.
Conclusión
Os sistemas de almacenamento de enerxía da rede ofrecen unha gran oportunidade para lograr a independencia enerxética da rede principal, pero tamén proporcionan unha fonte de enerxía de reserva durante os períodos de inactividade e os períodos de carga máxima. Este desenvolvemento facilitaría o cambio cara a fontes de enerxía máis ecolóxicas, limitando así o impacto da xeración de enerxía no cambio climático e, ao mesmo tempo, satisfazendo as necesidades enerxéticas cun crecemento constante do consumo.
Os sistemas de almacenamento de enerxía en baterías son os máis empregados e os máis fáciles de configurar para diferentes aplicacións cotiás. A súa alta flexibilidade contrarrestase cun custo relativamente elevado, o que leva ao desenvolvemento de estratexias de monitorización para prolongar a vida útil respectiva tanto como sexa posible. Actualmente, a industria e o mundo académico están a dedicar moitos esforzos a investigar e comprender a degradación das baterías en diferentes condicións.
Artigo relacionado:
Solucións enerxéticas personalizadas: enfoques revolucionarios para o acceso á enerxía
Maximización das enerxías renovables: o papel do almacenamento de enerxía en baterías
Avances na tecnoloxía de baterías para sistemas de almacenamento de enerxía mariña
