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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, HPR recuperó casi una quinta parte de los costes de construcción y de operación por lo que se amortizará en unos pocos años más. Además, se hizo con más de la mitad del mercado de regulación de frecuencia y proporcionó un ahorro de 40 millones de dólares australianos a los consumidores. Es difícil saber cómo evolucionará la estrategia de tarificación pues el mercado podría saturarse con la llegada de inversores en busca de 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 eléctricos más fuertes necesiten un apoyo a la red similar a medida que el porcentaje de renovables en su mix energético aumente. En Europa esto sucederá antes en el Reino Unido y en los países cercanos al Mar del Norte.

Las baterías empiezan a ser económicamente viables y pueden ayudar a la transición que queremos, pero ¿por qué se debilita la red al introducir energía solar y eólica? ¿No se suponía que estas tecnologías eran mejores? Nosotros pensamos que sí, pero para tener una visión un poco más completa sobre por qué 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.

Movidos por explosiones, vapor o agua, enormes generadores síncronos crean las fuerzas eléctricas y magnéticas que, como un pegamento, mantienen a la red eléctrica unida a través de países enteros, rotando a la misma velocidad.

Si intentásemos hacer que uno de ellos girase a una velocidad ligeramente diferente, el resto contrarrestaría nuestros esfuerzos con la fuerza de un continente hasta el punto de que algún elemento del sistema literalmente se rompería antes de que pudiésemos cambiar la velocidad. Este esfuerzo cooperativo es lo que hace que los sistemas energéticos convencionales sean robustos y su diseño es muy inteligente.

La frecuencia es igual en todas partes pero no es 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 sobre su valor central (50 Hz en Europa), los operadores de la red comienzan a realizar ajustes para volver a centrarla. La inercia es la oposición al cambio: a un sistema eléctrico con más generadores síncronos y más grandes (más inercial) es más difícil desequilibrarlo que a uno más pequeño.

Desafortunadamente, las centrales solares y eólicas no aportan mucho al ‘pegamento’ que mantiene la cohesión en la red eléctrica.

En el caso de la energía solar es sencillo ver por qué no: no hay nada girando. Se puede obtener algo de inercia sobredimensionando y limitando los inversores, lo que proporciona margen para producir algo de electricidad durante pequeños intervalos de tiempo, pero no para absorberla.

Los aerogeneradores tienen la capacidad de hacerlo, pero a pesar de los esfuerzos invertidos hasta la fecha no se ha conseguido una solución que permita aprovechar su inercia al máximo por lo que, en la práctica, la eólica tampoco responde a los cambios de frecuencia de la red y no ayuda a minimizarlos.

Hoy en día, el comportamiento inercial de los aerogeneradores está, en el mejor de los casos, muy poco aprovechado, pero veremos desarrollos efectivos en este campo a medida que las necesidades de inercia se hagan más urgentes.

Hay una analogía que describe muy bien la dinámica de la 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 en un plato = electricidad generada por las centrales eléctricas
  • Peso en el 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.

La pérdida de inercia conlleva que cuando las renovables sustituyen a los generadores síncronos, el sistema eléctrico pierde la cohesión que lo unifica. 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 y por vez primera, la pérdida de control es una posibilidad. En nuestro camino hacia la descarbonización estamos debilitando 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 proporcionan las batería y los sistemas de control de actuación rápida. Poniendo las cosas en perspectiva, la respuesta primaria a las contingencias de frecuencia se proporciona tradicionalmente en unos 2-5 segundos, lo que implica un esfuerzo considerable para cualquier generador basado en combustibles fósiles. El BESS instalado en HPR ha sido puesto en marcha con una respuesta de 0,15 segundos, lo que se acerca mucho a un comportamiento inercial real. Esta respuesta puede ser incluso más rápida usando sistemas de control más avanzados basados en algoritmos formadores 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 una tecnología predominante que puede proporcionar hasta 30 tipos de servicios de red. Sólo la tecnología de almacenamiento hidráulico reversible resulta más competitiva en el caso de requerirse enormes cantidades de almacenamiento.

El lector podría pensar que los beneficios de los sistemas BESS sólo pueden ser recogidos instalando baterías mastodónticas en los puntos más débiles de las redes de transmisión. Sin embargo, creemos que no es así: la ubicuidad de la frecuencia implica que desde cualquier nodo se puede dar apoyo a la red independientemente de su tamaño. Un escenario posible y tal vez poco considerado es que la proliferación de pequeños sistemas BESS puede reforzar naturalmente el sistema eléctrico de la misma forma en la que lo hacían nuevas máquinas síncronas a medida que nuestras ciudades crecieron en el pasado. Esto sucederá a nivel de distribución, pero podemos ir más allá: los vehículos eléctricos son sistemas BESS sobre ruedas. En julio de 2019, hay en España más de 20.000 vehículos 100% eléctricos, lo que equivale a 700 MWh de almacenamiento (más de cinco veces HPR). Teniendo en cuenta que los coches están aparcados la mayor parte del tiempo, parece una cifra considerable de energía distribuida que podría ser usada para estabilizar la red. En un futuro próximo todos los problemas de estabilidad podrían ser cosa del pasado. ¿Seremos lo suficientemente inteligentes como para aprovechar este potencial?

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