Es pot utilitzar un sistema d'emmagatzematge d'energia basat en bateries (BESS) per a l'aplanament de pics en xarxes elèctriques urbana?

Comprendre l'aplanament de pics i la tensió en les xarxes elèctriques urbana

Les xarxes elèctriques urbana es troben davant d'un desajust fonamental entre oferta i demanda. El consum d'electricitat augmenta bruscament durant les hores del matí i de la tarda, quan edificis comercials, sistemes de transport públic i usuaris residencials consumeixen energia simultàniament. La diferència entre la càrrega base i aquests pics de demanda obliga les empreses elèctriques a mantenir una capacitat de reserva en marxa — centrals tèrmiques que funcionen a sortida parcial, cremant combustible mentre esperen augments de demanda que poden o no materialitzar-se.

El retall de pics resol aquesta ineficiència reduint la potència màxima extreta de la xarxa durant els períodes de demanda elevada. En lloc d’incrementar la generació, les empreses elèctriques o els grans consumidors despleguen energia emmagatzemada per cobrir la diferència. La justificació econòmica del retall de pics es fa més forta a mesura que els preus de l’electricitat segons l’hora del dia es converteixen en norma als mercats metropolitans, on els preus de pic poden superar els preus fora de pic en un factor de tres o més.

Bess — Sistemes de magatzematge d’energia amb bateries (BESS) — s’ha imposat com la tecnologia dominant per a aquesta aplicació. A diferència de l’emmagatzematge tradicional per bombeig hidràulic, que requereix una geografia específica, o dels sistemes de volants d’inèrcia, limitats a impulsos de curta durada, l’emmagatzematge amb bateries s’escala des d’aplicacions en edificis comercials fins a instal·lacions a escala de servei públic que atenen districtes urbans sencers.

Com funciona el BESS per al retall de pics en entorns urbans

Lògica de cicle de càrrega i descàrrega

A bess la instal·lació connectada a una subestació urbana es carrega durant les hores de baixa demanda —normalment entre la mitjanit i les 6 del matí, quan la generació de càrrega base supera la demanda. L’energia emmagatzemada es torna a injectar a la xarxa durant el pic matinal (7–10 del matí) i el pic vespre (5–9 de la tarda), aplanant la corba neta de càrrega que ha de gestionar la xarxa de transmissió superior.

Les bateries de fosfat de ferro-liti (LiFePO4) dominen les implantacions urbanes de sistemes d’emmagatzematge d’energia per diverses raons. La seva estabilitat tèrmica redueix el risc d’incendi en àrees densament poblades, on un esdeveniment de descontrol tèrmic comportaria conseqüències inacceptables. Una vida útil de més de 6.000 cicles de càrrega-descàrrega a una profunditat de descàrrega del 80 % significa que un sistema instal·lat avui romandrà econòmicament productiu durant 15–20 anys d’operació diària de retallada de pics.

Una empresa municipal d’energia de l’Àsia del Sud-est va desplegar un sistema de magatzemament d’energia basat en bateries (BESS) de 20 MW/40 MWh en una subestació urbana congestionada on les restriccions d’espai físic impedien afegir un tercer transformador. El sistema de bateries va absorbir el pic de 15 MW de la tarda causat pels sistemes d’aire condicionat, ajornant aproximadament 12 milions de dòlars en despeses de capital per a la millora de la subestació durant uns set anys.

Integració amb la infraestructura existent de la subestació

Les instal·lacions urbanes de BESS solen connectar-se al nivell de mitjana tensió (10–35 kV) mitjançant transformadors elevadors integrats al contenidor de bateries o instal·lats a prop d’aquest. El sistema de conversió de potència (PCS) gestiona el flux bidireccional de potència, canviant de rectificació durant la càrrega a inversió durant la descàrrega en qüestió de mil·lisegons després de rebre una senyal de comandament de la xarxa.

Les configuracions de sistemes d'emmagatzematge d'energia per bateries (BESS) per muntatge en bastidor són adequades per a desplegaments en subestacions interiors on l'espai disponible és limitat. Els dissenys de BESS apilables permeten als operadors elèctrics ampliar la capacitat de forma incremental: es pot començar amb un contenidor de 5 MWh i afegir unitats a mesura que evolucionin els patrons de demanda. Aquest enfocament modular redueix el compromís inicial de capital comparat amb la construcció d'una instal·lació BESS específica.

Requisits tècnics per al desplegament urbà de BESS

Consideracions d'espai i seguretat

Les subestacions urbanes rarament disposen de terrenys lliures per a instal·lacions massives de bateries. Les solucions BESS en contenidor resolen aquest problema prefabricant tot el sistema —bateries, convertidors de potència (PCS), gestió tèrmica i supressió d'incendis— en formes estàndard de contenidors marítimes, que es poden instal·lar directament sobre les plaques de formigó existents a les subestacions.

Els protocols de seguretat contra incendis exigeixen una protecció multicapa: monitoratge a nivell de cel·la per detectar anomalies de tensió abans que es produeixi la descontrol tèrmic, detecció de gasos a nivell de mòdul que activa la ventilació abans que s’acumulin vapors d’electròlit inflamables i sistemes de supressió amb aerosol a nivell de contenidor que s’activen automàticament. La norma NFPA 855 estableix l’estàndard d’instal·lació per als sistemes d’emmagatzematge d’energia, especificant distàncies de separació i requisits de ventilació que les instal·lacions urbannes han de complir a causa de la seva proximitat a edificis habitats.

Normes de connexió a la xarxa

La norma IEEE 1547 regula la connexió de recursos energètics distribuïts, incloent-hi els sistemes d’emmagatzematge d’energia basats en bateries (BESS), a la xarxa elèctrica. En entorns urbans, cal demostrar la capacitat de «ride-through»: és a dir, mantenir-se connectat durant caigudes breus de tensió, en lloc de desconnectar-se, cosa que agreujaria la inestabilitat de la xarxa just durant els esdeveniments de màxima càrrega, que són precisament aquells que el sistema ha estat dissenyat per atenuar. El convertidor de potència (PCS) ha de sincronitzar-se amb la freqüència de la xarxa dins d’un marge de ±0,5 Hz i ha de respondre als senyals d’ordres enviats per la companyia elèctrica mitjançant la integració amb sistemes SCADA.

Preguntes freqüents

Quina mida de BESS es necessita per a l’aplanament de pics urbans?

Les aplicacions en edificis comercials solen requerir entre 500 kWh i 2 MWh per aplanar el pic de consum a nivell d’instal·lació. L’aplanament de pics a nivell de subestació de distribució exigeix entre 10 i 50 MWh, segons els perfils de càrrega dels alimentadors. Les instal·lacions urbans a escala de companyia elèctrica comencen a partir de 100 MWh. La mida depèn de la magnitud i la durada del pic de demanda, així com del percentatge de reducció objectiu, i no d’una fórmula fixa.

Quant de temps pot mantenir una descàrrega per a l’aplanament de pics un BESS?

La majoria de sistemes urbans d’aplanament de pics tenen com a objectiu 2–4 hores de descàrrega contínua a potència nominal. Això cobreix la finestra típica de pics matinals o vespres. Hi ha sistemes d’una durada més llarga (6–8 hores), però el seu cost per kWh és superior i rarament justifica la capacitat addicional només per a l’aplanament de pics, tot i que afegeixen valor mitjançant serveis auxiliars com la regulació de freqüència.

L’aplanament de pics amb BESS funciona amb la integració d’energies renovables?

Sí. Associar BESS amb energia solar en sostres o generació eòlica urbana crea un sistema híbrid on l’excés de generació renovable al migdia carrega la bateria per a la descàrrega durant el pic vespre. Això resol el problema de la «corba del ànec», on la producció solar disminueix precisament quan la demanda vespre augmenta. Proveïdors com Liaoning Sinotech Group ofereixen solucions integrades de BESS i energia solar per a aquesta aplicació.

Quina és la diferència entre el muntatge en rack i els BESS apilables?

El sistema d’emmagatzematge d’energia basat en bateries (BESS) per muntatge en rack s’instal·la en racks de servidors estàndard de 19 polzades per a instal·lacions interiors amb entorns controlats. El BESS apilable utilitza armaris exteriors resistents a les intempèries que es connecten elèctricament i es comuniquen mitjançant un controlador central. El muntatge en rack és adequat per a edificis de control de subestacions; l’apilable, per a desplegaments exteriors sobre plataformes on no hi ha espai interior disponible.

Com redueix els costos elèctrics la reducció de pics de càrrega del BESS?

Els usuaris comercials i industrials amb tarifes horàries eviten les tarifes de demanda traient energia del BESS durant les finestres de preus màxims. Aquestes tarifes de demanda —basades en l’interval de consum de 15 minuts més elevat cada mes— poden representar entre el 30 % i el 70 % de la factura elèctrica total d’una instal·lació. La reducció de pics elimina o redueix aquestes tarifes sense disminuir el consum real d’energia.

Quin manteniment requereix una instal·lació urbana de BESS?

Inspecció trimestral del sistema de gestió tèrmica, proves de capacitat semestrals i monitorització remota contínua mitjançant el sistema de gestió de bateries. La química LiFePO4 no requereix reposició d’electròlit, a diferència de les alternatives de plom-àcid. L’equilibratge de cel·les es produeix automàticament mitjançant el BMS durant l’operació a estat de càrrega parcial, típica dels cicles de funcionament per a tall de pics.