Implementación del almacenamiento de energía para el desplazamiento de carga máxima

Reducción de costos

Cuando se aplica el desplazamiento de la carga máxima para reducir los costos de energía, a menudo se denomina "reducción de picos". La reducción de picos de consumo se produce cuando una instalación utiliza un sistema de almacenamiento de energía local para compensar el gran consumo de energía de la instalación durante las horas pico del día. La mayoría de las instalaciones no funcionan las 24 horas del día. De hecho, la mayoría de las instalaciones ni siquiera funcionan la mayor parte del día. En este caso, la demanda de energía, normalmente medida en kW, se mantiene relativamente baja la mayor parte del día y solo aumenta durante las horas de funcionamiento. Al cargar un sistema de almacenamiento de energía durante las horas de menor actividad y descargarlo durante las horas de funcionamiento, se puede reducir la carga de la demanda máxima de la empresa de servicios públicos.

En la mayoría de los casos, las empresas de servicios públicos ofrecen una tarifa de facturación más baja por la energía utilizada fuera de las horas pico de funcionamiento, lo que aumenta aún más el beneficio económico de la implantación de un ESS. Por ejemplo, considere que la tarifa de ERCOT el 27 de junio de 2014 varió de aproximadamente $35/MWh (0,035 $/kWh) a aproximadamente 1.000 $/MWh ($1.00/kWh) entre la 1 y las 4 de la tarde. Cada MWh consumido para cargar las baterías en las horas de menor consumo ahorraría $965, para ser descargado durante las horas punta. Para los grandes usuarios de energía, esto podría suponer un ahorro de miles de dólares al día.

En una típica evaluación típica, la demanda máxima y el ahorro asociado al uso fuera de horario se compararía con el gasto de capital del sistema de almacenamiento de energía, además de las ineficiencias del sistema. Los cálculos del retorno de la inversión de los ESS pueden ser incluso más atractivos en lugares con incentivos gubernamentales o de las empresas de servicios públicos. Por ejemplo, los esquemas de oferta de CAL-ISO recompensan actualmente a las fuentes de carga que pueden comprometerse, con certeza, con precios más altos frente a las que son intermitentes. En California se están realizando mayores esfuerzos para aumentar los incentivos financieros de las ESS y reflejar mejor su valor potencial para la red como sistema, así como para el medio ambiente.

Calidad de la potencia

Además de la reducción de los costos, los sistemas de almacenamiento de energía son capaces de aumentar la calidad de la energía de una instalación, en términos de mantenimiento de los valores nominales de voltaje y frecuencia. Los dispositivos de almacenamiento de energía de acción rápida, como las baterías o los ultracondensadores, pueden absorber o descargar la energía para compensar las fluctuaciones transitorias de la red eléctrica.

Generación renovable

A medida que las energías renovables se van convirtiendo en una fuente de energía más importante en la red eléctrica, se hace cada vez más necesario convertir la producción de energía variable e intermitente en una fuente más estable y confiable.

Como la energía fotovoltaica solo se genera de forma intermitente entre la salida y la puesta del sol, es posible que la generación no coincida con los picos de demanda de energía de la red. Incluso si la fuente de generación coincide con los picos de demanda de energía la mayor parte del tiempo, la compañía eléctrica debe tener activos de generación para alimentar la red en caso de que la demanda siga siendo alta mientras la cobertura de nubes restringe la generación fotovoltaica. A medida que la energía fotovoltaica crezca y represente una mayor contribución a la red, podrían surgir problemas de confiabilidad, similares al impacto de la energía eólica en los estados donde esta ha tenido una penetración mucho mayor.

El concepto de desplazamiento de picos puede ayudar a remediar esta situación con un enfoque ligeramente diferente: el desplazamiento de la generación. En otras palabras, el ESS no solo promete ayudar a los usuarios finales a reducir sus costos, sino que, mediante el desplazamiento de la generación, también permite a los generadores acceder a un mayor valor de generación despachable.

El almacenamiento de energía puede utilizarse para desplazar la generación pico del sistema fotovoltaico y utilizarla cuando la demanda lo requiera. El exceso de energía puede almacenarse durante los picos de generación fotovoltaica. Esto permite distribuir esta energía cuando el sistema fotovoltaico no está generando la potencia adecuada o no la genera en absoluto.

El almacenamiento de energía también puede utilizarse para suavizar los picos con la generación renovable. Esto es similar al desplazamiento de picos, pero con un período significativamente más corto y una mayor frecuencia. Durante una situación de baja irradiación, como un día nublado, un conjunto fotovoltaico generará energía de forma esporádica con bajadas y picos. Esta potencia irregular se aplica a los cambios repentinos de la velocidad del viento con los aerogeneradores o los molinos de viento. Ambos tipos de fluctuaciones pueden causar inestabilidad dinámica en el sistema de generación de la infraestructura eléctrica. El almacenamiento local de energía puede mitigar estas fluctuaciones en la potencia de salida regulando los controles de incremento y absorbiendo los picos de potencia, así como respondiendo a las caídas repentinas inyectando potencia. Esta suavización de la curva de generación proporciona una fuente de energía más estable y una red de distribución confiable. En algunas jurisdicciones, las empresas de servicios públicos exigen que la generación conectada a la red regule las formas de onda de la producción de energía mediante el almacenamiento de energía. Esto es especialmente cierto cuando la red de servicios públicos se considera débil o aislada, como en una isla. Con el crecimiento exponencial de las energías renovables, la integración en estas redes eléctricas puede tener un efecto más dramático, lo que explica la expansión de las renovables, bastante atrofiada, en estas regiones.

Uso de los servicios públicos 

Hasta ahora, hemos hablado principalmente del uso privado o del desplazamiento de la carga máxima de los generadores comerciales renovables. Sin embargo, esta técnica también la emplean las empresas de servicios públicos. A medida que las plantas de generación de energía envejecen, las averías de los equipos se aceleran y, a medida que la demanda de energía aumenta con el paso de los años, las plantas existentes tienen problemas para satisfacer las necesidades de carga. Para compensar esto, una planta puede optar por instalar un sistema de almacenamiento de energía que pueda cargarse cuando la demanda es baja y descargarse cuando la fuente de generación primaria no pueda satisfacer la demanda. De este modo, las plantas de energía pueden aplazar las actualizaciones importantes que podrían ser exponencialmente más costosas.

Tipos de almacenamiento de energía

Hoy en día se aplican una gran variedad de métodos para almacenar energía, dependiendo de la aplicación específica y de la naturaleza del sistema que lo requiera. La energía puede almacenarse mediante sistemas de almacenamiento eléctricos, mecánicos, térmicos y químicos, cada uno con sus propias ventajas y aplicaciones. Los sistemas de almacenamiento eléctrico son los más omnipresentes, normalmente en forma de baterías o condensadores. Pueden ir desde pequeñas baterías de reloj, pasando por el almacenamiento en centros de datos con baterías emergentes de litio, hasta sistemas de almacenamiento a escala de servicios públicos que pueden implementar tipos de baterías de flujo.

Los sistemas de almacenamiento mecánico funcionan convirtiendo la energía eléctrica en energía potencial o cinética para su almacenamiento. Cuando se descarga, se vuelve a convertir en energía eléctrica. El almacenamiento mecánico suele referirse a los sistemas de volantes, aire comprimido o almacenamiento hidráulico por bombeo.

El almacenamiento químico (excluyendo las baterías) suele utilizar la energía eléctrica para realizar la electrólisis del agua, que produce hidrógeno. El hidrógeno puede utilizarse de forma diferente según la aplicación. Aunque el almacenamiento químico es poco eficaz, permite almacenar grandes cantidades de energía. A pesar de que cada uno de estos métodos puede ser una forma eficaz de almacenar energía, este artículo se centrará en los sistemas de almacenamiento de energía mediante baterías, ya que son los sistemas más utilizados en la actualidad.

Los sistemas de almacenamiento de energía en baterías son el tipo más común, en gran medida por la flexibilidad que ofrecen. Como el almacenamiento de energía en baterías se construye combinando unidades eléctricas más pequeñas en serie y en paralelo, permite dimensionar o modificar fácilmente el sistema para la mayoría de las aplicaciones. Además, el tiempo de respuesta permite el flujo de carga y la contribución dinámica para el control del voltaje y la regulación de la frecuencia, un elemento crítico para acoplar el almacenamiento de energía con la generación renovable y mantener la estabilidad de la red.

Hasta hace poco, las baterías de plomo han sido la opción preferida para los sistemas de almacenamiento de baterías. Esto puede atribuirse a su construcción sólida y a su costo relativamente bajo. Además, se pueden construir grandes configuraciones sin necesidad de un sistema de gestión, lo que requiere un respaldo mínimo. A pesar de estas ventajas, la limitada vida media de aproximadamente 2.000 ciclos, que puede variar sustancialmente según el entorno y el método de uso, ha facilitado la propagación de la investigación y el desarrollo de nuevas tecnologías de baterías, como las empleadas en el sistema de almacenamiento de energía de baterías modulares, que se utilizan para aplicaciones de alta corriente en el desplazamiento de energía, sistemas de propulsión de estaciones de transporte masivo y regulación in situ.

Recientemente, las baterías de iones de litio han entrado en juego en el mercado de almacenamiento de energía industrial, y por una buena razón. A diferencia de las baterías de plomo-ácido, las de iones de litio ofrecen una mayor densidad energética y eficiencia, y tienen más del doble de vida útil que un sistema típico de plomo-ácido, con un promedio de 5.000 ciclos de funcionamiento. Las baterías de iones de litio se hicieron populares inicialmente como pequeñas baterías portátiles para dispositivos electrónicos, como ordenadores portátiles y teléfonos móviles. Sin embargo, con los recientes avances en la tecnología de iones de litio, atribuidos sobre todo al crecimiento de los vehículos eléctricos, se ha hecho posible el desarrollo de sistemas más grandes. Estos sistemas requieren un sistema de gestión que monitoree las baterías para que se carguen, descarguen y regulen el voltaje interno. Este requisito se deriva de su construcción, en la que los electrodos térmicamente inestables de la batería podrían sufrir un desbordamiento térmico. En la actualidad, el costo de las baterías de iones de litio es un obstáculo para esta tecnología. Sin embargo, a medida que la producción siga aumentando, se espera que los precios bajen considerablemente.

Red inteligente

Muchos consideran que la red inteligente es el futuro de la red eléctrica, y el almacenamiento de energía desempeña un papel esencial como parte de ella. La topología de la distribución de energía hoy en día suele estar centralizada en torno a una planta que suministra energía a través de líneas de transmisión. Estas líneas de transmisión transfieren la energía a las estaciones de distribución, que luego suministran energía a las cargas atendidas en áreas localizadas.

A medida que aumenta la demanda de energía, existen limitaciones clave en todo el sistema. Los activos de generación adicionales pueden requerir un tiempo considerable para obtener los permisos necesarios, y las líneas de transmisión que necesitan ser mejoradas a menudo incurren en una considerable resistencia pública al desarrollo y al costo, particularmente si tales mejoras requieren modificar las líneas aéreas existentes para que corran bajo tierra. Por lo tanto, un proceso de reflexión clave para el desarrollo de la red inteligente no es pensar únicamente en términos de desplazamiento de los enfoques existentes, sino en cómo las metodologías y los enfoques de la red inteligente pueden complementar los sistemas existentes para mejorar la confiabilidad y el funcionamiento de la red en general, al tiempo que se satisfacen esas expectativas de crecimiento.

Un elemento esencial del concepto de Red inteligente es complementar los recursos centralizados con opciones descentralizadas. La red inteligente apoya la configuración de la planta de energía con la integración de fuentes de energía renovable situadas en toda la red eléctrica, desde la generación a escala de servicios públicos que puede ocupar cientos de hectáreas, hasta las pequeñas fuentes de energía residenciales. Esto se consigue a través de un centro de control y automatización que monitorea y reacciona a los sucesos que se producen en el sistema, desde la regulación de la generación y el flujo de carga hasta el aislamiento de los cortes de energía.

Para que las energías renovables desempeñen este papel fundamental en la red inteligente, no pueden ser fuentes intermitentes, como ocurre con las tecnologías eólica y fotovoltaica tal y como existen en la actualidad. Deben ser generadores confiables con salidas de voltaje estables, lo que puede lograrse utilizando el almacenamiento de energía para una penetración óptima en la red. Para crear la red inteligente, la compañía eléctrica y los generadores renovables necesitan una tecnología flexible que pueda responder rápidamente a las fluctuaciones transitorias y dinámicas de energía. Lo ideal es que en el futuro, además de los productores de energía, se anime a los consumidores a tener sus propios sistemas de almacenamiento de energía para desplazar las cargas máximas y mitigar las fluctuaciones de la demanda en la red.

Códigos y normas para el almacenamiento de energía

El Código Eléctrico Nacional (NEC) ha incluido secciones sobre sistemas de almacenamiento de energía desde hace algún tiempo. A medida que la implementación del almacenamiento de energía sigue evolucionando, también lo hacen los códigos. Aunque este artículo ofrece una breve sinopsis de los principales códigos y normas que deben tenerse en cuenta, la implementación de los sistemas de almacenamiento de energía puede ser muy compleja y solo debe realizarla un ingeniero bien versado en la aplicación de ESS y en el diseño de sistemas de potencia. Deben consultarse los siguientes artículos del NEC en el diseño e implementación de los sistemas de almacenamiento de baterías:

• El artículo 480 de 2011 del NEC dicta los requisitos para el uso de baterías de almacenamiento, incluyendo el entorno de almacenamiento, la protección contra sobrecorriente, el material aislante y la ventilación.
• El artículo 690.71 de 2011 del NEC también se aplica al almacenamiento de energía en baterías, específicamente para los sistemas fotovoltaicos.
• El artículo 690.71(H) de 2014 del NEC es una nueva adición que describe los requisitos aplicados a los circuitos de almacenamiento de la batería que son mayores a 5 pies de largo o que pasan a través de una pared o partición. Los cinco requisitos son los siguientes:

1. En el extremo del circuito del dispositivo de almacenamiento de energía deberá haber un medio de desconexión con fusibles y una protección contra sobrecorriente. Se aceptan medios de desconexión con fusibles o disyuntores.
2. Cuando se utilicen medios de desconexión con fusibles, los terminales de línea de los medios de desconexión deberán estar conectados hacia los terminales del dispositivo de almacenamiento de energía.
3. Los dispositivos de sobrecorriente o los medios de desconexión no se instalarán en recintos de dispositivos de almacenamiento de energía en los que pueda existir una atmósfera explosiva.
4. Se instalará un segundo medio de desconexión situado en el equipo conectado cuando el medio de desconexión exigido por el requisito No. 1 no esté a la vista del equipo conectado.
5. Cuando los medios de desconexión del dispositivo de acumulación de energía no estén a la vista de los medios de desconexión de CA y CC del sistema fotovoltaico, se instalarán carteles o directorios en las ubicaciones de todos los medios de desconexión que indiquen su ubicación. 

Deben consultarse las siguientes normas IEEE, según corresponda, en el diseño e implementación de los sistemas de almacenamiento de baterías:

• IEEE 484-2002: práctica recomendada para el diseño e instalación de baterías de plomo-ácido ventiladas para aplicaciones estacionarias
• IEEE 485-1997: práctica recomendada para el dimensionamiento de baterías de plomo-ácido ventiladas para aplicaciones estacionarias
• IEEE 1145-2007: práctica recomendada para la instalación y el mantenimiento de baterías de níquel-cadmio para sistemas fotovoltaicos
• IEEE 1187-2002: práctica recomendada para el diseño de la instalación y la instalación de baterías de plomo-ácido reguladas por válvula para aplicaciones estacionarias
• IEEE 1375-1996 (Rev. 2003): guía de IEEE para la protección de sistemas de baterías estacionarias
• IEEE 1578-2007: práctica recomendada para la contención y gestión de derrames de electrolitos de baterías estacionarias
• IEEE 1635/ASHRAE 21-2012: guía para la ventilación y la gestión térmica de las instalaciones de baterías estacionarias.

A medida que se desarrolle la red inteligente y las energías renovables aumenten su porcentaje de generación, el uso de la tecnología de sistemas de almacenamiento de energía madurará para adaptarse a estas demandas. A medida que los sistemas de baterías y otras tecnologías de cambio de energía mejoren la calidad y la eficiencia de nuestros sistemas de distribución, los usuarios experimentarán una mayor confiabilidad y una estabilidad superior del voltaje y la frecuencia, a menor costo.

Robert C. Corson, PE, es ingeniero eléctrico senior en Triad Consulting Engineers Inc. Diseña e implementa sistemas de potencia y proyectos de energías renovables que requieren sistemas de almacenamiento de energía para el desplazamiento de carga máxima. También es profesor adjunto en la Universidad de Nueva York.

Ronald R. Regan, PE, es director de Triad Consulting Engineers Inc. Es responsable de proyectos de energías renovables y de generación de energía en Estados Unidos, el Caribe y Sudamérica.

Scott C. Carlson es ingeniero en plantilla de Triad Consulting Engineers Inc. Se especializa en la optimización y el uso de sistemas de almacenamiento de energía para su aplicación en proyectos de energías renovables.