O éxito dos sistemas de almacenamento con baterías

Segundo a Axencia Internacional da Enerxía (AIE), a potencia mundial de proxectos de sistemas de almacenamento en baterías multiplicouse por máis de 15 estes últimos cinco anos, pasando de 0,2 GW a 3,1 GW, e non parece que a tendencia vaia a estancarse. Fundamentalmente, hai dúas razóns detrás: as baterías son cada vez máis baratas e os avances en electrónica de potencia combinados coas baterías proporcionan unha versatilidade sen rival para satisfacer as necesidades dos cambiantes sistemas eléctricos.

Á unión de baterías coa electrónica de potencia chámaselle sistemas de almacenamento en base a baterías (BESS, polas súas siglas en inglés).

A tecnoloxía BESS é o mellor medio do que dispoñemos para levar a cabo a transición desde os sistemas enerxéticos tradicionais a infraestruturas enerxéticas dixitalizadas, descentralizadas, descarbonizadas e con menos dependencia da nuclear.

A medida que os prezos da enerxía solar e eólica continúan baixando, a transición acelérase. As centrais de xeración baseadas en combustibles fósiles están a ser substituídas, proceso que continuará durante as próximas décadas. Un problema que é máis grande do que parece é que os actuais sistemas enerxéticos concibíronse para funcionar con xeradores convencionais (baseados en combustibles fósiles). Os sistemas BESS non se necesitan só para permitir aos propietarios participar nos mercados enerxéticos ou desconectarse da rede, tamén se necesitan porque sen eles sería imposible asimilar o aumento constante da porcentaxe de renovables no mix enerxético.

A realidade técnica é que, por cada novo vatio instalado de enerxía eólica ou solar, os nosos sistemas enerxéticos debilítanse un pouco ata o punto de que unha mala xestión da situación resultaría no colapso da rede central que garante que a enerxía se distribúa dunha maneira fiable a todo o mundo.

A xestión desta situación é un mercado de Servizos Auxiliares que está en crecemento. Os países ricos con sistemas eléctricos con menos resiliencia levaron a cabo máis avances que a media neste tipo de negocio e están a promover solucións nas que baterías enormes se usan para garantir a estabilidade da rede. Os primeiros sistemas que se puxeron en funcionamento están a ter bos beneficios e xa están a substituír a tecnoloxías baseadas en combustibles fósiles que monopolizaran o mercado ata o de agora, cobrando grandes cantidades de diñeiro por un servizo de calidade inferior ao conseguido mediante BESS.

O buque insignia destes proxectos é o de Hornsdale Power Reserve (HPR) de 100 MW/129 MWh, cuxo dono e operador é NEOEN en Australia Meridional. Durante o primeiro ano en operación, HPR recuperou case unha quinta parte dos custos de construción e de operación polo que se amortizará nuns poucos anos máis. Ademais, fíxose con máis da metade do mercado de regulación de frecuencia e proporcionou un aforro de 40 millóns de dólares australianos aos consumidores. É difícil saber como evolucionará a estratexia de tarificación pois o mercado podería saturarse coa chegada de investidores en busca de beneficios similares.

É só cuestión de tempo que países con sistemas eléctricos máis fortes necesiten un apoio á rede similar a medida que a porcentaxe de renovables no seu mix enerxético aumente. En Europa isto sucederá antes no Reino Unido e nos países próximos ao Mar do Norte.

As baterías empezan a ser economicamente viables e poden axudar á transición que queremos, pero por que se debilita a rede ao introducir enerxía solar e eólica? Non se supoñía que estas tecnoloxías eran mellores? Nós pensamos que si, pero para ter unha visión un pouco máis completa sobre por que están a perturbar a orde establecida é necesaria que nos poñamos un pouco máis técnicos.

A ESTABILIDADE DA FRECUENCIA DE REDE

Un sistema enerxético é a infraestrutura e intelixencia operacional que produce, almacena e distribúe enerxía en áreas que van dende pequenas illas a continentes enteiros. Tenden á inestabilidade de moitas formas. A eólica e a solar son boas… é só que os nosos sistemas eléctricos non foron concibidos para acomodar moita enerxía eólica e solar xa que foron deseñados tendo en mente a xeración síncrona.

Movidos por explosións, vapor ou auga, enormes xeradores síncronos crean as forzas eléctricas e magnéticas que, como un pegamento, manteñen á rede eléctrica unida a través de países enteiros, rotando á mesma velocidade.

Se tentásemos facer que un deles virase a unha velocidade lixeiramente diferente, o resto contrarrestaría os nosos esforzos coa forza dun continente ata o punto de que algún elemento do sistema literalmente se rompería antes de que puidésemos cambiar a velocidade. Este esforzo cooperativo é o que fai que os sistemas enerxéticos convencionais sexan robustos e o seu deseño é moi intelixente.

A frecuencia é igual en todas partes pero non é fixa. O seu valor depende do equilibrio entre xeración e demanda a través da inercia do sistema e contrólase con marxes moi estreitas. No momento no que diverxe máis de 0,15 Hz sobre o seu valor central (50 Hz en Europa), os operadores da rede comezan a realizar axustes para volver centrala. A inercia é a oposición ao cambio: a un sistema eléctrico con máis xeradores síncronos e máis grandes (máis inercial) é máis difícil desequilibralo que a un máis pequeno.

Desafortunadamente, as centrais solares e eólicas non achegan moito ao ‘pegamento’ que mantén a cohesión na rede eléctrica.

No caso da enerxía solar é sinxelo ver por que non: non hai nada virando. Pódese obter algo de inercia sobredimensionando e limitando os investidores, o que proporciona marxe para producir algo de electricidade durante pequenos intervalos de tempo, pero non para absorbela.

Os aeroxeradores teñen a capacidade de facelo, pero a pesar dos esforzos investidos ata a data non se conseguiu unha solución que permita aproveitar a súa inercia ao máximo polo que, na práctica, a eólica tampouco responde aos cambios de frecuencia da rede e non axuda a minimizalos.

Hoxe en día, o comportamento inercial dos aeroxeradores está, no mellor dos casos, moi pouco aproveitado, pero veremos desenvolvementos efectivos neste campo a medida que as necesidades de inercia se fagan máis urxentes.

Hai unha analoxía que describe moi ben a dinámica da frecuencia. Imaxina unha báscula de dous pratos. A barra que une ambos os pratos ten certa masa e inclínase á esquerda ou á dereita conforme se deposita peso en cada prato. Unha agulla mide o nivel de desequilibrio.

Nesta analoxía, relaciónanse as seguintes magnitudes:

• Peso nun prato = electricidade xerada polas centrais eléctricas
• Peso no outro prato = electricidade consumida en industrias e cidades
• Agulla = medida da frecuencia do sistema eléctrico
• Masa da barra = cantidade de xeración síncrona no sistema eléctrico (inercia)

Os operadores de rede levan a cabo simulacións dinámicas complexas para comprobar o robustas que son as súas redes. A analoxía da báscula permítenos levar a cabo unha simulación simplificada nas nosas mentes cando entendemos que, para unha diferenza de peso dada, unha barra máis pesada moverase menos e máis amodo que unha máis lixeira xa que ten máis momento de inercia.

A perda de inercia conleva que cando as renovables substitúen aos xeradores síncronos, o sistema eléctrico perde a cohesión que o unifica. Hai menos masa mantendo todo unido e os desequilibrios entre xeración e demanda resultan en oscilacións máis bruscas e rápidas de frecuencia (a masa da barra redúcese), o que implica que o operador de rede ten menos tempo para restaurar o equilibrio do sistema e por vez primeira, a perda de control é unha posibilidade. No noso camiño cara á descarbonización estamos a debilitar os cimentos dos nosos sistemas eléctricos poñendo en risco a propia transición.

Os sistemas BESS poden axudar nesta situación, ademais son flexibles para proporcionar máis servizos que outras tecnoloxías e a prezos competitivos, o que explica o seu éxito máis aló do almacenamento de enerxía para comercializala cando os prezos son favorables.

Nos sistemas BESS a inercia proporciónana as baterías e os sistemas de control de actuación rápida. Poñendo as cousas en perspectiva, a resposta primaria ás continxencias de frecuencia proporciónase tradicionalmente nuns 2-5 segundos, o que implica un esforzo considerable para calquera xerador baseado en combustibles fósiles. O BESS instalado en HPR foi posto en marcha cunha resposta de 0,15 segundos, o que se achega moito a un comportamento inercial real. Esta resposta pode ser mesmo máis rápida usando sistemas de control máis avanzados baseados en algoritmos formadores de rede.

Tendo en conta a relevancia e as perspectivas da tecnoloxía BESS, en Norvento estamos a desenvolver o noso propio sistema BESS de formación de rede para a rede illada das nosas oficinas centrais (CIne). As capacidades ampliadas do sistema permitirán unir dúas redes illadas, dando como resultado unha rede máis forte e resiliente, da mesma forma na que varios xeradores síncronos colaboran a través de forzas eléctricas e magnéticas para crear todo un sistema enerxético.

UNHA RÁPIDA REFLEXIÓN SOBRE A VERSATILIDADE DOS BESS

Como se mencionou anteriormente, os BESS proporcionan versatilidade sen rival. O Departamento de Enerxía dos EEUU (DOE) proporciona acceso a unha base de datos na que o almacenamento electroquímico figura como unha tecnoloxía predominante que pode proporcionar ata 30 tipos de servizos de rede. Só a tecnoloxía de almacenamento hidráulico reversible resulta máis competitiva no caso de requirirse enormes cantidades de almacenamento.

O lector podería pensar que os beneficios dos sistemas BESS só poden ser recollidos instalando baterías mastodónticas nos puntos máis débiles das redes de transmisión. Con todo, cremos que non é así: a ubicuidade da frecuencia implica que dende calquera nodo se pode dar apoio á rede independentemente do seu tamaño. Un escenario posible e quizais pouco considerado é que a proliferación de pequenos sistemas BESS pode reforzar naturalmente o sistema eléctrico da mesma forma na que o facían novas máquinas síncronas a medida que as nosas cidades creceron no pasado. Isto sucederá a nivel de distribución, pero podemos ir máis aló: os vehículos eléctricos son sistemas BESS sobre rodas. En xullo de 2019, hai en España máis de 20.000 vehículos 100% eléctricos, o que equivale a 700 MWh de almacenamento (máis de cinco veces HPR). Tendo en conta que os coches están aparcados a maior parte do tempo, parece unha cifra considerable de enerxía distribuída que podería ser usada para estabilizar a rede. Nun futuro próximo todos os problemas de estabilidade poderían ser cousa do pasado. Seremos o suficientemente intelixentes como para aproveitar este potencial?

REFERENCIAS

· Energy Storage, Tracking Clean Energy Progress
· DOE Global Energy Storage Database
· Energy Storage Projects: a global overview of trends and developments
· Definition and classification of power system stability
· Battery energy storage’s role in a sustainable energy future
· The role of Fast Frequency Response (FFR) in keeping the lights on