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El éxito de los sistemas de almacenamiento con baterías

Según la Agencia Internacional de la Energía (AIE), la potencia mundial de proyectos de sistemas de almacenamiento en baterías se ha multiplicado por más de 15 estos últimos cinco años, pasando de 0,2 GW a 3,1 GW, y no parece que la tendencia vaya a estancarse. Fundamentalmente, hay dos razones detrás: las baterías son cada vez más baratas y los avances en electrónica de potencia combinados con las baterías proporcionan una versatilidad sin rival para satisfacer las necesidades de los cambiantes sistemas eléctricos.

A la unión de baterías con la electrónica de potencia se le llama sistemas de almacenamiento en base a baterías (BESS, por sus siglas en inglés).

La tecnología BESS es el mejor medio del que disponemos para llevar a cabo la transición desde los sistemas energéticos tradicionales a infraestructuras energéticas digitalizadas, descentralizadas, descarbonizadas y con menos dependencia de la nuclear.

A medida que los precios de la energía solar y eólica continúan bajando, la transición se acelera. Las centrales de generación basadas en combustibles fósiles están siendo sustituidas, proceso que continuará durante las próximas décadas. Un problema que es más grande de lo que parece es que los actuales sistemas energéticos se concibieron para funcionar con generadores convencionales (basados en combustibles fósiles). Los sistemas BESS no se necesitan sólo para permitir a los propietarios participar en los mercados energéticos o desconectarse de la red, también se necesitan porque sin ellos sería imposible asimilar el aumento constante del porcentaje de renovables en el mix energético.

La realidad técnica es que, por cada nuevo vatio instalado de energía eólica o solar, nuestros sistemas energéticos se debilitan un poco hasta el punto de que una mala gestión de la situación resultaría en el colapso de la red central que garantiza que la energía se distribuya de una manera fiable a todo el mundo.

La gestión de esta situación es un mercado de Servicios Auxiliares que está en crecimiento. Los países ricos con sistemas eléctricos con menos resiliencia han llevado a cabo más avances que la media en este tipo de negocio y están promoviendo soluciones en las que baterías enormes se usan para garantizar la estabilidad de la red. Los primeros sistemas que se han puesto en funcionamiento están teniendo buenos beneficios y ya están sustituyendo a tecnologías basadas en combustibles fósiles que habían monopolizado el mercado hasta ahora, cobrando grandes cantidades de dinero por un servicio de calidad inferior al conseguido mediante BESS.

El buque insignia de estos proyectos es el de Hornsdale Power Reserve (HPR) de 100 MW/129 MWh, cuyo dueño y operador es NEOEN en Australia Meridional. Durante el primer año en operación, recuperó casi una quinta parte de los costes de construcción y de operación por lo que se amortizará en unos pocos años más, consiguió más de un 50% del mercado de regulación de frecuencia y proporcionó un ahorro de 40 millones de dólares australianos a los consumidores. Es difícil saber cómo se llevará a cabo esta estrategia de tarificación en un futuro dado que puede ser que el mercado se colapse pronto con nuevos inversores que busquen beneficios similares.

 

Figura 1 – La llegada del BESS HPR redujo drásticamente los pagos realizados por servicios auxiliares de control de frecuencia, lo que resultó en una bajada del precio de la electricidad para los consumidores.

 

Es solo cuestión de tiempo que países con sistemas energéticos más fuertes necesiten un apoyo a la rede similar a medida que el porcentaje de renovables en su mix energético aumente más y más. En Europa veremos que esto va a pasar primero en el Reino Unido y el Mar del Norte.

Las baterías empiezan a ser económicamente viables y pueden ayudar a la transición que queremos, pero ¿cómo es que un sistema eléctrico patina cuando se le introduce energía solar y eólica? ¿No se suponía que estas tecnologías eran mejores? La respuesta corta es que la solar y la eólica son buenas para tener una visión un poco más profunda sobre porqué están perturbando el orden establecido es necesario que nos pongamos un poco más técnicos.

LA ESTABILIDAD DE LA FRECUENCIA DE RED

Un sistema energético es la infraestructura e inteligencia operacional que produce, almacena y distribuye energía en áreas que van desde pequeñas islas a continentes enteros. Tienden a la inestabilidad de muchas formas. La eólica y la solar son buenas… es sólo que nuestros sistemas eléctricos no fueron concebidos para acomodar mucha energía eólica y solar ya que fueron diseñados teniendo en mente la generación síncrona.

Se muevan por medio de explosiones, vapor o agua, las enormes máquinas síncronas producen fuerzas eléctricas y magnéticas que mantienen la red unida a través de naciones enteras ya que rotan de manera síncrona, a la misma velocidad. Si intentásemos hacer que una de ellas girase a una velocidad ligeramente diferente, contrarrestarían nuestros esfuerzos con la fuerza de un continente hasta el punto de que las fuerzas contrarias harían que algo se rompiese antes de que pudiésemos variar la velocidad. Este esfuerzo cooperativo es lo que hace que los sistemas energéticos convencionales sean robustos y con un diseño muy inteligente.

La frecuencia es ubicua pero no fija. Su valor depende del equilibrio entre generación y demanda a través de la inercia del sistema y se controla con márgenes muy estrechos. En el momento en el que diverge más de 0,15 Hz de 50 Hz, los operadores de red comienzan a ajustar botones para volver a centrarla. La inercia es la oposición al cambio. Un sistema energético con más generadores síncronos y más grandes tiene más inercia y es más difícil desequilibrarlo que uno más pequeño.

Desafortunadamente, las centrales solares y eólicas no aportan mucho a la unión de la red. Es sencillo ver por qué no: no hay nada que gire en ellas. Se puede obtener algo de inercia sobredimensionando y limitando los inversores, lo que proporciona espacio para distribuir algo de electricidad adicional cuando sea necesario, pero no para absorberla.

En potencia, los aerogeneradores pueden hacerlo, pero, a pesar de los esfuerzos, hasta la fecha no se ha conseguido una solución que permita aprovechar la inercia al máximo por lo que, en la práctica, ninguna de las dos energías responde a los cambios de frecuencia de la red y no proporcionan ninguna oposición a esos cambios. Hoy en día, el comportamiento inercial de los aerogeneradores es el mejor posible: se aprovecha poco y durante poco tiempo, pero veremos desarrollos efectivos en el campo a medida que las necesidades de inercia se hagan más urgentes.

Hay una analogía que describe muy bien las dinámicas de frecuencia. Imagina una báscula de dos platos. La barra que une ambos platos tiene cierta masa y se inclina a izquierda o a derecha según se deposita peso en cada plato. Una manecilla mide el nivel de desequilibrio.

En esta analogía, se relacionan las siguientes magnitudes:

  • Peso de un plato = electricidad generada por las centrales eléctricas
  • Peso del otro plato = electricidad consumida en industrias y ciudades
  • Manecilla = medida de la frecuencia del sistema eléctrico
  • Masa de la barra = cantidad de generación síncrona en el sistema eléctrico (inercia)

Los operadores de red llevan a cabo simulaciones dinámicas complejas para comprobar lo robustas que son sus redes. La analogía de la báscula nos permite llevar a cabo una simulación simplificada en nuestras mentes cuando entendemos que, para una diferencia de peso dada, una barra más pesada se moverá menos y más despacio que una más ligera ya que tiene más momento de inercia.

En resumidas, cuando las renovables sustituyen a los sistemas síncronos, el sistema eléctrico pierde su unidad. Hay menos masa manteniendo todo unido y los desequilibrios entre generación y demanda resultan en oscilaciones más bruscas y rápidas de frecuencia (la masa de la barra se reduce), lo que implica que el operador de red tiene menos tiempo para restaurar el equilibrio del sistema. Por vez primera, la pérdida de control es una posibilidad, en nuestro camino hacia la descarbonización hemos debilitado los cimientos de nuestros sistemas eléctricos poniendo en riesgo la propia transición.

Los sistemas BESS pueden ayudar en esta situación, además son flexibles para proporcionar más servicios que otras tecnologías y a precios competitivos, lo que explica su éxito más allá del almacenamiento de energía para comercializarla cuando los precios son favorables.

En los sistemas BESS la inercia la proporciona la batería junto a sistemas de control de actuación rápida. Poniendo las cosas en perspectiva, la respuesta primara a las contingencias de frecuencia tiene que ser respondida durante los 2-5 primeros segundos del evento, lo que implica un esfuerzo enorme para cualquier generador basado en combustibles fósiles. Sin embargo, el BESS instalado en HPR ha sido puesto en marcha para que de respuesta en 0,15 segundos: lo que se acerca mucho a la verdadera inercia. Se creé que la respuesta puede ser incluso instantánea usando sistemas de control más avanzados basados en algoritmos de formación de red.

Teniendo en cuenta la relevancia y las perspectivas de la tecnología BESS, en Norvento estamos desarrollando nuestro propio sistema BESS de formación de red para la red aislada de nuestras oficinas centrales (CIne). Las capacidades ampliadas del sistema permitirán unir dos redes aisladas, dando como resultado una red más fuerte y resiliente, de la misma forma en la que varios generadores síncronos colaboran a través de fuerzas eléctricas y magnéticas para crear todo un sistema energético.

Figura 2 – Prueba de ingeniería en la sede de Norvento: CIne. La situación de la izquierda represente un sistema eléctrico en el que los generadores síncronos coexisten con renovables: un generador diésel crea una red sólo y un BESS seguidor de red simplemente mantiene la corriente constante. A la derecha se muestra un sistema eléctrico reforzado con un BESS de formación de red (BESS de formación de red + Diésel de formación de red). A destacar la reducida oscilación de frecuencia en comparación con un BESS seguidor de red convencional (izquierda) cuando se aplica la misma perturbación. El BESS se configura para mostrar gran inercia y como resultado absorbe transitorios eléctricos rápidos lo que da como resultado menores variaciones de frecuencia. El generador diésel proporciona el aumento constante de la carga, pero es el BESS el que maneja el transitorio.

 

UNA RÁPIDA REFLEXIÓN SOBRE LA VERSATILIDAD DE LOS BESS

Como se mencionó anteriormente, los BESS proporcionan versatilidad sin rival. El Departamento de Energía de los EEUU (DOE) proporciona acceso a una base de datos en la que el almacenamiento electroquímico figura como la tecnología predominante que puede proporcionar hasta 30 tipos de servicios de red y que sólo en dos de ellas las centrales hidráulicas reversibles la supera, cuando se necesita una gran cantidad de energía almacenada.

El lector puede inclinarse a considerar que los beneficios de los sistemas BESS sólo pueden ser recogidos instalando baterías mastodónticas en puntos débiles de las redes de transmisión. Sin embargo, creemos que no es así: la ubicuidad de la frecuencia implica que cualquier nodo puede soportar la red sin tener en cuenta su tamaño ni su relevancia. Un escenario posible y que no había sido planeado es que la proliferación de pequeños sistemas BESS reforzarían naturalmente nuestro sistema eléctrico de la misma forma en la que lo hacían nuevas máquinas síncronas a medida que nuestras ciudades crecieron en el pasado. Esto pasará a nivel de distribución, pero podemos especular incluso más allá: los vehículos eléctricos son los sistemas BESS sobre ruedas. En julio de 2019, hay en España más de 20.000 vehículos 100% eléctricos que representan un total de 700 MWh de almacenamiento (más de 5 veces el HPR). Teniendo en cuenta que los coches están aparcados la mayor parte del tiempo, parece una cifra considerable de energía estabilizadora distribuida que aumentará con el tiempo. ¿Será la sociedad lo suficientemente inteligente como para aprovecharla?

REFERENCIAS

 

Gerardo Medrano Arana

gmedranoGerardo es ingeniero industrial especializado en teoría de control y sistemas eléctricos. Forma parte del grupo de Electrónica de Potencia de Norvento donde colabora en el desarrollo de convertidores para baterías y aerogeneradores. Ha trabajado también con otros fabricantes en España, Alemania y Australia en tareas de diseño y conexión a red. Contacta con Gerardo