Artículo publicado en la revista Energética: http://www.energetica21.com/revistas-digitales/revista-energetica-noviembre-2020

¿Qué relación guardan factores como el aumento demográfico, el desarrollo industrial global, el uso más intensivo de dispositivos electrónicos y los nuevos planes de movilidad eléctrica? Pues que estos factores, entre otros, están motivando un crecimiento exponencial de la demanda de energía a nivel mundial.

Esta tendencia obliga a reforzar las infraestructuras de la red eléctrica actual para garantizar la calidad del suministro eléctrico, además de conseguir un balance óptimo entre energía generada y energía demandada. Todo ello ligado al compromiso global de promover fuentes de energía limpia para limitar el uso de combustibles fósiles. No obstante, la variabilidad inherente de las fuentes de energía renovables dificulta su integración en el sistema eléctrico.

En otros tiempos, la solución ante aumentos en la demanda pasaba por incrementar la inversión en infraestructuras de la red de transporte y distribución. La estrategia actual, sin embargo, se basa en la optimización de los recursos existentes porque las redes eléctricas inteligentes posibilitan nuevos modelos de negocio en los que el almacenamiento energético se ha convertido en un pilar clave, no sólo como sistemas de respaldo de la red sino como un elemento fundamental en la integración de las renovables.

La versatilidad del almacenamiento energético permite hacer frente a las actuales necesidades energéticas entre las que cabe destacar: la electrificación de poblaciones aisladas, aplicaciones para respaldo de la red, instalaciones de autoconsumo y aplicaciones a gran escala integradas en la red de distribución que contribuyan a su estabilidad.

Si nos centramos en aplicaciones para respaldo de red, el almacenamiento de energía aporta otra serie de funcionalidades adicionales, además asegurar la continuidad de suministro a los clientes, como son:

• Modulación de la curva de la demanda. Permite amortiguar los picos de demanda, inyectando o almacenando energía para evitar trabajar en regímenes de saturación. A la vez evita que las instalaciones de la zona trabajen en un régimen de saturación al no tener que adecuarse a las puntas de demanda.
• Mejora de la calidad del suministro. Se realiza mediante el control de variables como la tensión, potencia y frecuencia de la red.
• Desplazamiento de inversiones en el tiempo. Permite posponer e incluso eliminar inversiones para dar respuesta a necesidades energéticas de una manera rápida y modular asegurando una segunda alternativa de alimentación de la zona.
• Garantizar el suministro energético en zonas donde sea inestable o de baja calidad.

Las soluciones de almacenamiento de energía se componen principalmente de un sistema de conversión de potencia (PCS), que permite el intercambio energético con la red, y de un medio físico de acumulacion de energía, normalmente, un banco de baterías.

Convertidor de potencia (PCS)

El elemento central del sistema de almacenamiento es el convertidor de potencia. El PCS GRID de ZIGOR es un convertidor bidireccional capaz de realizar la carga y la descarga de las baterías de forma coordinada con el sistema de gestión de baterías (BMS). Todo esto, sin olvidar la función principal, garantizar y mejorar la calidad de la red en el punto de conexión.

Para poder realizar estas funciones, Zigor, por ejemplo, ha desarrollado un convertidor que dispone de los siguientes modos de operación:

• Control de Potencia. El convertidor PCS GRID responde a consignas directas de carga y descarga de la batería a petición de un cliente o de un sistema de supervisión superior.
• Control de Tensión y Frecuencia. Gracias al PCS GRID es posible monitorizar y corregir cualquier variación tanto en frecuencia como en voltaje. Mediante la inyección o consumo de potencia activa, se logra modificar la frecuencia; para el control de tensión, se gestionan tanto la potencia activa como la reactiva.
• Funcionamiento en Isla. En caso de caída de suministro de red, el convertidor PCS GRID tiene la capacidad de generar una red aislada de tres fases más neutro, utilizando la energía disponible en las baterías. Esta función debe ser coordinada con los elementos de protección y seccionamiento de la red de distribución.
• Modo Alisamiento de la Demanda. Esta función se utiliza para optimizar las infraestructuras existentes cargando las baterías en periodos de baja demanda para poder inyectar energía en periodos de consumo elevado.

Almacenamiento electroquímico

Respecto a los medios de almacenamiento electroquímico se pueden utilizar varias alternativas en función de las necesidades energéticas de la instalación (ciclabilidad, energía y potencia). Las opciones más comunes son las baterías de plomo ácido (Pb ácido) y las baterías de litio-íon.

Las baterías de plomo ácido son, sin duda, la tecnología más madura y fiable. Sin embargo, su densidad energética y su ciclabilidad son más limitadas en comparación con las de litio-íon. Una característica destacable de estas baterías es su bajo mantenimiento aunque se precisa mayor espacio para su instalación.

Respecto a las baterías de litio-íon, ofrecen alta eficiencia energética, elevada energía y potencia específicas, gran ciclabilidad y baja autodescarga. Sin embargo, necesitan un control propietario (tensión, temperatura y protecciones) y la coordinación con el BMS del fabricante de las baterías.

Ejemplo de integración de una solución de almacenamiento

Es preciso capacidad de cálculo, diseño, ingeniería, integración y suministro de soluciones personalizadas ante necesidades específicas de los clientes para presentar una integración de estas características. La localidad de San Vicente del Monte (Cantabria) cuenta con un sistema de almacenamiento totalmente desarrollado por Zigor para Viesgo. Está integrado en un contenedor de 20 pies y sectorizado en dos zonas principalmente:

1. Zona de batería, donde se alberga la batería de litio (LFP) que disponde de un sistema de refrigeración basado en aire acondicionado con temperatura controlada, con el fin de asegurar la mayor disponibilidad de la batería.
2. Zona de electrónica, lugar en el que se instalan el resto de componentes: el convertidor PCS GRID, sistema de comunicaciones, cuadro de protecciones, transformador de aislamiento y servicios auxiliares. Al soportar un rango mayor de temperatura, esta zona esta refrigerada por aire forzado.

El objetivo de este despliegue es dar soporte a una población rural en final de línea de red de distribución que presenta las siguientes problemáticas:

• En época estival tiene puntas de consumo que son compensadas con el sistema de almacenamiento.
• El suministro energético presentaba variaciones de tensión en función de la carga que son compensadas con esta solución.
• Este desarrollo, además, asegura la red ante posibles caídas de la red de media tensión.

Todo ello, integrado y supervisado con el centro de control de Viesgo.

El almacenamiento energético a futuro

La exitosa experiencia de Cantabria llega tras el despliegue para Iberdrola de una integración similar de Zigor en San Agustin de Guadalix (Madrid). En este caso, el objetivo era estudiar las mejoras que introduce la flexibilidad aportada por los sistemas de almacenamiento en las redes de distribución eléctrica aprovechando el potencial de las redes eléctricas inteligentes.

Asimismo, en Europa también se está apostando fuertemente por el almacenamiento para hacer frente al cambio climático gracias a proyectos como ISLANDER, en el que ha recaído en Zigor la responsabilidad de desarrollar un sistema de almacenamiento eléctrico comunitario de corta y media duración (convertidores de potencia y sistema de ultracapacidades incluidos), así como de los sistemas de conversión de energía para edificios. Todo ello para continuar con la conversión de la isla alemana de Borkum en un sistema energético insular totalmente autónomo y descarbonizado para posteriormente replicar los resultados en otras islas de la UE.

Otra apuesta europea es el proyecto iStormy. Su objetivo es conseguir un sistema de almacenamiento de energía estacionario híbrido, innovador e interoperable, basado en un paquete de baterías modulares, una interfaz modular de electrónica de potencia (PE) y una estrategia universal de gestión de energía autorregenerable (SHEMS). En iStormy, Zigor va a diseñar, prototipar y testear una nueva arquitectura de electrónica de potencia modular basada en convertidores DC/DC y DC/AC de bajo coste, alta confiabilidad y alta eficiencia para almacenamiento híbrido multi-tecnológico para aplicación estacionaria.

A medida que el almacenamiento energético vaya cobrando mayor protagonismo dentro de la red eléctrica irán surgiendo nuevos modelos de negocio, casos de uso y otras necesidades que requieran desarrollos personalizados. Muestra de ello es el creciente interés de la utilización del hidrógeno verde como un elemento de almacenamiento energético. Esta tecnología supone nuevos retos en el desarrollo de equipos de electrónica de potencia que garanticen una correcta irrupción del hidrógeno verde en la infraestructura eléctrica actual.