Poden els sistemes de magatzematge d'energia basats en bateries (BESS) millorar l'estabilitat dels sistemes elèctrics aïllats?

Conceptes fonamentals dels sistemes de magatzemament d'energia (BESS) per a l'estabilitat fora de xarxa

Per què els sistemes fora de xarxa són vulnerables: manca d'inèrcia de xarxa i capacitat limitada de suport durant fallades

Els sistemes independents de la xarxa no tenen el mateix tipus d'inèrcia rotacional que provenen d'aquells grans generadors giratoris presents en les xarxes elèctriques convencionals. Aquesta inèrcia actua com una mena d'amortidor per al sistema, ajudant a mantenir-lo estable quan hi ha canvis sobtats en la demanda o quan la generació disminueix inesperadament. Quan aquest amortiment natural no està present, petits problemes poden escalar ràpidament fora de control, fent que els nivells de freqüència fluctuïn perillosament. El que agrava la situació és que molts sistemes aïllats de la xarxa tenen dificultats amb allò que es coneix com a capacitat de suport de fallades (fault ride through). Els protocols de seguretat habituals solen aturar els inversors o tallar l'alimentació a determinades càrregues cada cop que hi ha una caiguda de tensió o una breu fluctuació de freqüència, en lloc de continuar funcionant, fins i tot de forma subòptima. Això resulta especialment problemàtic en àrees remotes on simplement no hi ha fonts alternatives d'energia disponibles a prop. Com a conseqüència, aquestes petites pertorbacions sovint es converteixen en apagades generals. A causa d'aquestes debilitats inherents, cal incorporar mesures especials d'estabilització des del principi si volem assegurar que les operacions fora de xarxa siguin tant fiables com robustes al llarg del temps.

Capacitats fonamentals del BESS: resposta ràpida, flux de potència bidireccional i desplaçament temporal de l’energia

Els sistemes BESS resolen aquests problemes de tres maneres principals que realment marquen la diferència. El primer aspecte destacable és la seva rapidesa de resposta. Parlem de respostes inferiors a 100 mil·lisegons la majoria de les vegades. Aquesta velocitat permet injectar o absorbir potència instantàniament quan les freqüències comencen a desviar-se del seu valor nominal, evitant així possibles inestabilitats del sistema abans que es descontrolin. Una altra característica clau és la seva capacitat per transferir potència en ambdós sentits. Això significa que la commutació entre càrrega i descàrrega es produeix de forma fluida en temps real, cosa que ajuda a equilibrar les fluctuacions de les fonts d’energia renovables amb les necessitats variables dels consumidors. I, finalment, hi ha la qüestió de l’emmagatzematge d’energia addicional procedent de panells solars o turbines eòliques durant els períodes en què la demanda elèctrica és baixa. Aquesta energia emmagatzemada resulta molt útil durant les hores de màxima demanda o quan no hi ha vent ni sol. Segons algunes recerques recents de 2023 realitzades per l’Institut Microgrid juntament amb el NREL, aquest enfocament redueix l’ús de generadors dièsel entre un 30 i un 50 per cent en comunitats aïllades que disposen dels seus propis microrxos.

Estabilització de la freqüència i la tensió impulsada per BESS

Inèrcia sintètica i control de caiguda: compensació per a microrxos dominats per inversors

Els microrxos basats en inversors estan esdevenint més habituals, especialment en àrees on les energies renovables dominen la configuració fora de xarxa. Aquests sistemes no tenen la inèrcia rotacional natural que tenen les xarxes tradicionals, de manera que són molt vulnerables a canvis sobtats de freqüència quan hi ha un desequilibri entre l’energia generada i la consumida. Els sistemes de magatzematge d’energia elèctrica amb bateries (BESS) ajuden imitant allò que anomenem inèrcia sintètica. Bàsicament, l’electrònica de potència detecta aquests canvis de freqüència, coneguts com a RoCoF (Rate of Change of Frequency), i llavors injecta o extreu potència del sistema a una velocitat extremadament elevada, reduint la taxa de RoCoF en més de la meitat respecte als sistemes sense controls. També hi ha un sistema anomenat control de caiguda (droop control) que permet que diferents fonts d’energia comparteixin automàticament la càrrega. Si la freqüència baixa, les bateries alliberen l’energia emmagatzemada per estabilitzar el sistema; quan n’hi ha massa, en canvi, l’absorbeixen. Totes aquestes funcions treballen conjuntament per actuar com ho farien les antigues màquines síncrones, mantenint tot el sistema en funcionament de forma estable fins i tot quan es produeixen tallades de generadors o canvis sobtats de càrrega, gairebé sempre sense necessitar la intervenció manual d’una persona.

Suport dinàmic de potència reactiva i regulació activa de la tensió mitjançant el sistema de gestió d’energia de l’emmagatzematge (BESS)

La inestabilitat de la tensió continua afectant molts sistemes aïllats que depenen fortement d’energies renovables com l’eòlica i la solar. Els reguladors tradicionals de tensió simplement no estan dissenyats per gestionar els canvis ràpids que experimenten aquests sistemes. Els sistemes de magatzematge d’energia amb bateries (BESS, per les seves sigles en anglès) combinats amb sistemes avançats de gestió energètica (EMS, per les seves sigles en anglès) resolen eficaçment aquest problema. Aquests sistemes proporcionen suport dinàmic de potència reactiva que funciona independentment del flux habitual d’energia. L’EMS vigila constantment l’estat de la xarxa i pot injectar o absorbir vars capacitius o inductius per corregir problemes com caigudes de tensió, pics o formes d’ona anòmales gairebé instantàniament. Durant caigudes sobtades de la producció solar o ràfegues de vent intenses, el sistema emmagatzema potència reactiva. També filtra els harmònics indesitjats i s’ajusta automàticament per mantenir la tensió estable dins d’un marge d’aproximadament un 2 % dels nivells normals, sense necessitat d’engegar generadors dièsel de reserva. Segons informes del Comitè de Microxarxes de l’IEEE PES, aquestes funcions redueixen aproximadament un 70 % les interrupcions de subministrament relacionades amb la tensió. A més, mantenir la tensió estable allarga la vida útil de l’equipament sensible, ja que no patirà l’esforç causat per fluctuacions constants.

Resiliència operativa: Des de l’aplanament de pics fins a l’engegada des de zero

Equilibri de càrrega i evitació dels generadors dièsel mitjançant la gestió intel·ligent dels sistemes d’emmagatzematge d’energia (BESS)

Quan la producció d'energia renovable augmenta i disminueix i la demanda d'electricitat fluctua de forma imprevisible, es creen problemes reals per als sistemes aïllats de la xarxa, especialment aquells que encara depenen molt dels generadors dièsel com a font de reserva. Els sistemes de magatzematge d'energia amb bateries (BESS) resolen aquests problemes mitjançant algorismes intel·ligents capaços de predir quan cal emmagatzemar o alliberar energia, cosa que ajuda a aplanar aquestes corbes de càrrega extremes en un 60 %, fins i tot potser en un 80 %, comparat amb el que passa sense ells. Aquests sistemes absorbeixen l'electricitat excedentia dels panells solars o les turbines eòliques quan n'hi ha massa i la reintrodueixen a la xarxa quan la demanda augmenta sobtadament. Això significa que les empreses no necessiten mantenir els seus costosos generadors dièsel en marxa contínuament només per garantir nivells estables d'energia. Una empresa minera va veure com les seves factures anuals de combustible es reduïen aproximadament en 700.000 dòlars després de la instal·lació dels BESS, i va aconseguir reduir el temps de funcionament dels motors dièsel fins a només un 8 % del que era abans, tot mantenint les operacions essencials en funcionament sense problemes. La capacitat de fer un seguiment en temps real de l'ús energètic i ajustar-ne els horaris en conseqüència també implica que els generadors no s'engeguin ni s'aturin tan sovint, fet que, de fet, allarga la seva vida útil i assegura que hi hagi prou potència de reserva disponible si es produeix algun problema durant períodes més llargs.

Capacitat de reinici en negre: Restauració de la infraestructura crítica fora de la xarxa sense ajuda externa

Els sistemes aïllats de la xarxa poden fallar completament en ocasions, però els sistemes d’emmagatzematge d’energia en bateries (BESS) ofereixen una característica especial anomenada capacitat autònoma d’engegada en negre. Aquests sistemes poden restablir l’alimentació elèctrica a infraestructures essencials totalment de forma autònoma, sense necessitar cap ajuda externa de la xarxa ni que ningú engegui manualment els generadors. Les unitats dièsel tradicionals requereixen nombrosos passos, com ara l’alimentació de combustible, el gir del motor i la sincronització correcta de tots els elements. En canvi, els BESS eviten tot aquesta complicació i proporcionen una tensió i una freqüència estables gairebé instantàniament, cosa que permet reiniciar els controladors de la microrxarxa i restablir progressivament les càrregues prioritàries. Prenguem un exemple real en un hospital situat lluny de les grans ciutats: després d’un tall de subministrament total, el BESS va tornar a posar en marxa les llums quirúrgiques i els sistemes de suport vital en només 28 segons. Com funciona això? El procés comença reconnectant les comunicacions de control, a continuació alimenta allò que anomenem càrregues essencials (normalment menys del 10 % de la capacitat total) i, finalment, torna a posar en marxa els actius de generació locals. Els models més nous de BESS incorporen funcions com ara circuits precarregats, detecció integrada de funcionament aïllat (islanding) i programari intern reforçat, que els fan fiables fins i tot quan es troben profundament descarregats. Totes aquestes millores redueixen la dependència respecte als subministraments de combustible i redueixen dràsticament el temps de reinici, passant de diverses hores a un màxim d’uns dos minuts.

Secció de preguntes freqüents

Què és un BESS?

Els sistemes de magatzematge d’energia amb bateries (BESS) són tecnologies que emmagatzemen energia per a utilitzar-la posteriorment, ajudant a estabilitzar els sistemes d’aprovisionament elèctric i a equilibrar la demanda amb la generació.

Per què són vulnerables els sistemes aïllats de la xarxa?

Els sistemes aïllats de la xarxa manquen d’inèrcia de xarxa i sovint tenen dificultats per suportar falles, cosa que provoca una inestabilitat i interrupcions del subministrament elèctric freqüents.

Com ajuda el BESS a estabilitzar els sistemes aïllats de la xarxa?

El BESS ofereix una resposta ràpida, flux de potència bidireccional i desplaçament temporal de l’energia, el que contribueix a estabilitzar la freqüència i la tensió, i redueix la dependència dels grups electrògens dièsel.

Què és la capacitat de reinici en negre?

La capacitat de reinici en negre fa referència a la capacitat del BESS de restablir autonomament l’alimentació elèctrica a infraestructures crítiques aïllades de la xarxa sense cap ajuda externa.