En colaboraciones anteriores cubrimos el tema de la auto producción energética por medios renovables, principalmente mediante la energía solar. Al estar interconetados a la red eléctrica hacemos un intercambio entre lo producido contra el consumo, lo que permite ser interactivos o completamente independientes del proveedor de energía eléctrica si se opta por la configuración de un sistema de almacenamiento de energía eléctrica.
En términos más simples, el almacenamiento de electricidad implica dos procesos: almacenamiento de energía eléctrica (carga) y liberación de energía eléctrica (descarga).
Aunque existen diferencias significativas entre las tecnologías, los sistemas de almacenamiento de energía contienen los mismos componentes básicos:
•Tecnología de almacenamiento: para almacenar y liberar energía.
•Conversión de energía: para convertir la forma (CA o CC) de la energía entrante y saliente.
•Gestión térmica: para mantener la tecnología de almacenamiento dentro del rango de temperatura de funcionamiento requerido.
•Software y controles: para controlar y controlar el flujo de energía.
Las tecnologías más discutidas se han agrupado en categorías electroquímicas y no electroquímicas. El primero incluye las baterías más comunes de ácido de plomo y sodio-azufre, así como tecnologías de baterías como níquel cadmio, hidruro metálico de níquel, iones de litio y baterías de flujo. Las tecnologías no electroquímicas incluyen el almacenamiento con bombeo hidroeléctrico, el almacenamiento de energía de aire comprimido y los volantes.
La tecnología a elegir dependerá del tiempo de almacenamiento requerido, así como de la demanda energética.
El almacenamiento de energía eléctrica puede proporcionar beneficios tanto para el consumidor como para la red eléctrica en general al servir, al mismo tiempo, como generador y como sistema de carga.
Conceptualizando su aplicación para clientes comerciales, los escenarios son:
• Arbitraje Energético (comprar a bajo costo, vender / usar a alto costo).
• Gestión de carga de la demanda.
• Gestión de carga de factor de potencia.
• Interrupciones momentáneas.
• Interrupciones sostenidas.
• Desplazamiento y suavizado de energía renovable.
Algunos sistemas de almacenamiento de energía eléctrica también pueden generar ingresos, al proporcionar servicios a la red eléctrica general de distribución, y para estos casos, se realiza un acuerdo entre el propietario del sistema y la red. Esto se hace directamente inyectando la energía eléctrica a través de la red, o a través de un agregador del sistema para proporcionar servicios a la red, el cual se les denominan plantas de energía virtual (VPP).
Arbitraje Energético
Debido a las fluctuaciones en la demanda, el precio de la electricidad varía a lo largo del día y durante todo el año. Aunque a algunos clientes se les puede cobrar una tarifa fija por su electricidad, las empresas de servicios públicos intentan incentivar la energía utilizada durante las horas bajas de bajo costo ofreciendo a los clientes tiempo de uso (TOU) o precios en tiempo real. Cuando el precio de TOU es el plan tarifario vigente, un sistema de almacenamiento de energía puede cargarse cuando el precio es bajo y descargarse para compensar la carga de la instalación cuando el precio es alto.
Gestión de carga de la demanda
Los cargos por demanda varían según la estructura del servicio y la tasa, pero generalmente se basan en la demanda máxima de un cliente cada mes. En los mercados con altos cargos por demanda, los cargos por demanda pueden representar hasta la mitad de la factura total de electricidad. Un sistema de almacenamiento de energía puede reducir los cargos de demanda al descargar cuando se está acercando su carga máxima. Esto es más efectivo para cargas «pico» en comparación con aquellas cargas con un perfil «plano» constante.
Gestión de carga de factor de potencia
La administración de carga del factor de potencia es más común para usuarios industriales, pero puede aplicarse a usuarios comerciales que tienen cargas inductivas significativas en el sitio, como motores eléctricos. Se puede usar un sistema de almacenamiento de energía en lugar de comprar bancos de capacitores para corregir el factor de potencia o pagar los cargos del factor de potencia.
Interrupciones momentáneas
Para los clientes con equipos sensibles (por ejemplo, fabricantes de semiconductores), las interrupciones momentáneas pueden causar interrupciones significativas en sus operaciones. Para cargas pequeñas, incluidas computadoras, sistemas de control y equipos médicos, se usa un pequeño sistema de almacenamiento de energía. Estos se conocen como fuentes de alimentación ininterrumpida (UPS) y están conectados directamente a la carga. Se puede usar un sistema de almacenamiento de energía más grande con equipo adicional para permitir el uso de islas para evitar interrupciones momentáneas en una variedad de cargas críticas, o incluso en todas las cargas dentro de un edificio.
Interrupciones sostenidas
El almacenamiento de energía puede proporcionar una alternativa más limpia y silenciosa a los generadores de gas o diesel convencionales en caso de una interrupción de la red. Sin embargo, un sistema de almacenamiento de energía no se puede cargar de la misma manera que un generador convencional. Como tal, algunas instalaciones solo usarán el sistema de almacenamiento de energía para cargas críticas, integrarán alguna forma de generación renovable o lo vincularán con un generador.
Desplazamiento y suavizado de energía renovable
La generación renovable de energía eólica y solar genera energía intermitentemente, ya sea cuando sopla el viento o cuando brilla el sol. El almacenamiento de energía puede suavizar las fluctuaciones momentáneas y de más largo plazo de la energía proveniente de recursos renovables intermitentes. Actualmente no existen flujos de ingresos asociados con la suavización de las fluctuaciones a corto plazo de la energía, ya que la red eléctrica proporciona estos mismos servicios sin costo alguno. Sin embargo, el almacenamiento de energía puede usarse para cambiar la energía de la generación renovable a otras en las que tendría más valor. Esto podría utilizarse para protegerse contra cambios en las políticas, los reglamentos o la estructura tarifaria, como las nuevas tasas de tiempo de uso, los nuevos cargos por demanda o las modificaciones en las tarifas netas de medición.
Alcance de códigos y estándares en relación con el almacenamiento de energía eléctrica
Como cualquier equipamiento, debe estar reglamentado. A continuación, menciono los códigos y estándares involucrados conforme al siguiente diagrama, que considero muy útil para entender las aplicaciones.
Códigos y estándares generales (Overarching CSR)
• NFPA 1-2015 (Fire Code) Capitulo 52.
• NFPA 70-2017 (National Electrical Code) Articulo 408 and 706.
• 2018 IFC (ICC International Fire Code) Seccion 1206.
• 2018 IRC (ICC International Residential Code).
• IEEE C2-2017 (National Electric Safety Code) DNVGL-RP-0043, Seguridad, Operación, Mantenimiento y Desempeño de sistemas de almacenamiento de energía interconectados a redes eléctricas.
Códigos y estándares para instalación de sistemas de almacenamiento de energía eléctrica (CS for ESS Installation)
• NFPA 855-20XX. Estándar para la instalación de sistemas estacionarios de almacenamiento de energía.
• NECA 416-2016 Recomendaciones practicas por la instalación de sistemas de almacenamiento de energía.
• FM Global Hoja de datos # 5-33: Características para prevención de perdidas en sistemas de almacenamiento de energía eléctrica.
Códigos y estándares para productos de almacenamiento de energía eléctrica (CS for Complete ESS ‘Product’)
• UL 9540: Equipamiento y sistemas de almacenamiento de energía
• ASME TES-1 Estándar de seguridad para sistemas térmicos de almacenamientos de energía.
Códigos y estándares para Componentes de sistemas de almacenamiento de energía eléctrica (CS for ESS Components)
• IEEE P1679.1: Guía para la evaluación de baterías de litio para aplicaciones fijas.
• IEEE P1679.2: Guía para la evaluación de baterías de Sodio-Beta para aplicaciones fijas.
• UL 1973: Baterias para uso ligero en aplicaciones fijas y móviles
• UL 1974: Evaluación para reutilización de baterías
• UL 810: Condensadores electroquímicos
Como conclusión, para ciertos clientes la combinación de fotovoltaico y almacenamiento puede reducir de manera dramática la facturación, más que la fotovoltaica o el almacenamiento de manera individualizada. Esto es posible porque:
• La producción fotovoltaica reduce la cantidad de electricidad extraída de la red eléctrica, pero como no se puede dosificar su inyección para cuando es necesaria, es difícil que ayude a reducir el pico mensual y los cargos de demanda asociados.
• La incorporación de un sistema fotovoltaico a una instalación puede hacer que la carga de un sistema de almacenamiento sea más atractiva y económica, y ayude a reducir la carga de demanda.
Como regla general, antes de cualquier inversión significativa en sistemas de este tipo, se recomienda una auditoría energética para plantear una estrategia de eficiencia energética, que pueda reducir los consumos de electricidad, y que permita que la propuesta de la instalación de un sistema fotovoltaico y de almacenamiento de energía eléctrica sea más rentable.
Bibliografía
U.S. Department Of Energy (DOE), Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), SANDIA National Laboratories. “DOE OE Energy Storage Systems Safety Roadmap Focus on Codes and Standards, August 2017”.
U.S. Department Of Energy (DOE), Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), SANDIA National Laboratories. “Protocol for Uniformly Measuring and Expressing the Performance of Energy Storage Systems”.
U.S. Department Of Energy (DOE), Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), SANDIA National Laboratories. “Energy Storage System Guide for Compliance with Safety Codes and Standards”.
Lecturas sugeridas
U.S. Department Of Energy (DOE), Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), SANDIA National Laboratories. “DOE/EPRI Electricity Storage Handbook”.
DNV-GL, RP-0043. “Safety, operation and performance of grid connected energy storage systems, edition september 2017”.
IEA International Energy Agency. “Technology Roadmap Energy storage”.
A quien seguir en Twitter
Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), @PNNLab
SANDIA National Laboratories, @SandiaLabs
Oak Ridge National Laboratory (ORNL), @ORNL
Creo que el modo mas económico de almacenar los excedentes de las instalaciones fotovoltáicas domiciliarias sería mediante un equipo de aire comprimido individual. El sistema CAES se pensó para grandes volumenes de almacenamiento pero se puede utilizar a un bajo costo para instalaciones particulares y es mas económico que las baterias actualmente disponibles.
Otro modo de almacenamiento potencial de electricidad podría ser un volante de inercia alimentado por energía potencial elástica o gravitatoria. Han aparecido muchos desarrollos en materiales elásticos, tanto para resortes como para muelles, cuerdas y tensores.
Supongo que se puede conectar el eje de un volante de inercia a un muelle o resorte para acumular energía que luego será eficazmente devuelta por el dispositivo, generando electricidad.
Se sabe que los volantes de inercia son muy eficaces en el almacenamiento de energía, pero si los cargamos directamente con electricidad de la red a las pocas horas se habrán descargado. La clave está en poder activarlos a voluntad asociándolos a un medio de conservación de la energía, como energía potencial gravitatoria o elástica.
Pueden ser péndulos, martillos o pesos descendentes para aprovechar la potencial gravitatoria o resortes y muelles para la elástica.