Mucho se ha hablado de la eficiencia y sustentabilidad energética, sin embargo existe poco conocimiento acerca de las tecnologías que nos pueden encaminar a un futuro sostenible de la mano de las energías renovables.
Los Sistemas de Almacenamiento de Energía en Baterías (BESS, por sus siglas en inglés) son una de dichas tecnologías. Este tipo de sistemas no solo son baterías, implica mucho más en términos de hardware y software.
En este artículo hablaremos de los aspectos más relevantes de los BESS, qué son y los elementos que se deben tomar en cuenta cuando se piensa invertir en un sistema de almacenamiento de energía en baterías para el sector industrial.
Tabla de contenidos:
BESS son las siglas en inglés de Battery Energy Storage System, en español, Sistema de Almacenamiento de Energía en Baterías.
Los BESS son de las soluciones más recientes de los Sistemas de Almacenamiento de Energía (SAE), término general para sistemas mecánicos, químicos o térmicos que almacenan energía para su uso posterior.
Existen diversos tipos de sistemas de almacenamiento y se clasifican dependiendo de cómo almacenan la energía. En otros artículos de nuestro blog ya hemos hablado sobre el panorama general del almacenamiento energético, en este texto solo nos enfocaremos en los BESS, que utilizan soluciones electroquímicas para almacenar la energía.
En su mayoría, los BESS utilizan baterías de iones de litio para almacenar electricidad. Se pueden utilizar de forma independiente o junto con fuentes renovables de energía, pues este tipo de sistemas pueden capturar energía de diversas fuentes, almacenando dicha energía en baterías recargables para su uso futuro.
Actualmente los sistemas de almacenamiento en baterías son los más usados para la acumulación energética, esto por las diversas ventajas que ofrecen: no requieren mucho mantenimiento regular y tienen una mayor densidad de energía, es decir, pueden almacenar más energía en un menor espacio.
Estos sistemas sirven, entre otras cosas, como complemento de las fuentes renovables, como la energía solar, mareomotriz o eólica, además de ayudar a eliminar las intermitencias de la red eléctrica dando resiliencia a los usuarios finales gracias a que pueden asegurar el suministro energético y dar continuidad operativa.
Un BESS no solo se compone de baterías, es todo un sistema complejo que comprende componentes tanto de hardware como de software, de bajo y alto nivel.
Empecemos por lo básico, el elemento principal de los Battery Energy Storage Systems son las baterías de litio.
Teniendo en cuenta que la electricidad es el tránsito de electrones, el litio, por la facilidad que tiene de desprenderse de sus electrones, encaja perfecto para producir energía.
No obstante, un sistema de almacenamiento de energía en baterías es mucho más que solo la batería. Los BESS están compuestos, entre otros elementos, por un inversor bidireccional que conecta la batería a una fuente eléctrica.
El inversor bidireccional permite que la energía fluya en ambas direcciones para cargar y descargar las baterías, de este modo, la batería puede cargarse y suministrar la energía cuando es necesario. El inversor de corriente permite convertir la corriente de directa a alterna y viceversa para poder hacer la carga y descarga de la batería.
Este mecanismo posibilita servicios auxiliares como la reducción de picos en la demanda, el desplazamiento de carga y la gestión de excedentes de energías renovables, como la fotovoltaica, evitando desperdicios de energía.
En este artículo hablamos de las diferentes variantes de las baterías para BESS, su costo y cómo funcionan.
Como mencionamos, los BESS no solo están compuestos por baterías, sino que incluyen diversos elementos que en conjunto hacen que funcione todo el sistema.
A continuación explicamos brevemente las principales partes de un BESS:
Son conjuntos de celdas de baterías individuales que convierten energía química (almacenada en la batería) en energía eléctrica (utilizada en el inmueble).
Las celdas están dispuestas en módulos que, a su vez, forman paquetes de baterías conectados en serie y en paralelo para la capacidad requerida.
Un Battery Management System garantiza la seguridad del sistema, pues supervisa el estado de las celdas de la batería y mide sus parámetros y estados, como el estado de carga (SOC, por sus siglas en inglés) y el estado de salud (SOH, por sus siglas en inglés).
Además de lo anterior, protege a las baterías de incendios y otros peligros que puedan suscitarse por las reacciones químicas, monitoreando continuamente el voltaje, la temperatura, advertencias de incendio y regulando la potencia de carga y descarga dependiendo de la señal de entrada.
Un inversor o Power Conversion System convierte la corriente continua (DC), producida por las baterías, en corriente alterna (AC), suministrada a las instalaciones.
Como mencionamos anteriormente, los BESS tienen inversores bidireccionales que permiten tanto la carga como la descarga del sistema.
El Energy Management System es responsable de monitorear y controlar el flujo de energía dentro de un BESS.
El EMS es el encargado de coordinar el trabajo del sistema de gestión (BMS), de coordinar el inversor (PCS) y de también gestionar los otros componentes del sistema, siempre tomando decisiones basadas en el perfil de carga de la ubicación.
La lógica de control se ejecuta en el EMS, proporcionando señal de entrada al PCS para carga/descarga según el requisito programado. Al recopilar y analizar los datos energéticos, un EMS puede administrar eficientemente los recursos de energía del sistema, siendo similar al cerebro de los BESS.
Asimismo, dependiendo de su funcionalidad y condiciones de operación, los sistemas de almacenamiento de energía en baterías también pueden incluir una gama de sistemas de seguridad, como un sistema de control de incendios, detector de humo, sistema de control de temperatura, ventilación y aire acondicionado.
Los sistemas de seguridad cuentan con sus propias unidades de monitoreo y control que brindan las condiciones necesarias para la operación segura de un BESS al monitorear sus parámetros y responder a emergencias rápidamente.
Los sistemas de almacenamiento de energía en baterías tienen una serie de criterios de rendimiento que ayudan a evaluar su desempeño con mayor facilidad.
A la hora de invertir en un BESS se recomienda al menos conocer dichos criterios que dependen de la química de las celdas de las baterías que se utilicen.
La capacidad se refiere a la cantidad de energía que se puede almacenar en las baterías o la cantidad de electricidad disponible en un BESS.
En cuanto a la densidad, indica la cantidad de energía que se puede almacenar en un volumen determinado. En ubicaciones donde el área es un factor limitante, es importante tomar en cuenta esta característica, por ejemplo, en una instalación industrial ubicada en una zona urbana donde el espacio podría ser reducido.
La potencia determina la cantidad de energía que puede suministrar el sistema y la cantidad de energía por unidad de tiempo de salida que se tiene.
La densidad se refiere a la cantidad de potencia que el sistema puede entregar para un volumen determinado.
Muestra cuánta energía se usó realmente entre la carga de la batería y la descarga o la energía perdida durante cada ciclo. Generalmente los valores fluctúan entre el 60% y el 95%.
Muestra el porcentaje de energía descargada de una batería en relación con su capacidad total.
Las baterías que cuentan con un porcentaje bajo de DoD del total de energía almacenada tienen una energía neta disponible menor, dado que no pueden ser descargadas de forma completa. El ciclo profundo a menudo se define como un 80% o más.
Mantenerse dentro del DoD máximo recomendado es importante para un rendimiento y una vida útil óptimos de la batería. Por ejemplo, si el fabricante de una batería de 100 kilowatts-hora (kWh) recomienda una DoD máxima del 80%, no se deberían usar más de 80 kWh de la batería sin recargar.
Este criterio se puede definir como el número de ciclos de carga y descarga de una batería, o la cantidad de energía que una batería puede suministrar durante su vida útil (rendimiento de la batería).
Es el tiempo que necesita un BESS para pasar del estado inactivo y comenzar a funcionar a plena potencia.
El tiempo de respuesta es un buen parámetro para saber qué tan flexible es un Battery Energy Storage System en relación con los demás sistemas de almacenamiento de energía.
Los sistemas BESS tienen un tiempo de respuesta muy corto (milisegundos), lo cual es una ventaja para suplir cortes en el suministro eléctrico o intermitencias de la red.
Indica el porcentaje al que el sistema puede aumentar o disminuir su potencia de salida en un determinado periodo de tiempo.
Se refiere a la cantidad de tiempo que un sistema de almacenamiento retiene su carga.
Existen tipos de almacenamiento que tienden a autodescargarse disipando la energía que tienen almacenada sin realmente usarla, desperdiciando dicha energía y disminuyendo su eficiencia.
La temperatura puede tener efectos en el rendimiento final del sistema. Por lo mismo, es importante, sobre todo en climas extremos, contar con sistema de control de temperatura, ventilación y aire acondicionado.
Los sistemas BESS cuentan con contenedores con diversos certificados que garantizan que pueden estar a la intemperie. Además, como se mencionó en la sección de Componentes, los sistemas de seguridad de los BESS tiene unidades de monitoreo y control para la operación segura que vigilan constantemente sus parámetros y responden a emergencias rápidamente.
De cualquier forma, en Enlight antes de cada instalación hacemos un estudio de la ubicación y del clima para instalar el sistema en las condiciones y con los componentes adecuados.
Diferentes criterios juegan un papel notable en la selección de los diversos componentes para BESS. Estos van desde cuestiones regulatorias hasta dimensiones de costos y tecnología, por lo que es importante contar con un instalador profesional de estos sistemas.
En Enlight contamos con más de doce años de experiencia en almacenamiento de energía y sabemos que el factor más importante para la selección de la batería es la aplicación para la que se requiere el BESS, junto con la gestión de requisitos de rendimiento; por lo que antes de la instalación hablamos con cada cliente para conocer qué necesidades requiere cubrir.
Elegir un sistema de baterías para el almacenamiento energético tiene diversas ventajas. En primer lugar, el almacenamiento por baterías no tiene límites con respecto a la ubicación: no es necesario contar con presas de agua o depósitos de aire subterráneos para almacenar energía.
Además, debido a su disponibilidad y flexibilidad, un BESS puede adaptarse óptimamente a aplicaciones que requieren niveles variables de capacidad de almacenamiento y energía.
A continuación explicamos las principales ventajas de un sistema de baterías para almacenamiento de energía.
Contar con un BESS como complemento ayuda a equilibrar las cargas eléctricas entre las horas punta y las horas intermedias. La demanda de electricidad puede variar según el día, la hora, la temporada y la tarifa eléctrica bajo la que está determinada industria.
En el caso de México, aunque existen diversas tarifas industriales en el país, la tarifa GDMTH, que se designa a las empresas con una demanda superior a los 100 kilowatts al mes, tiene un esquema horario de tres niveles, donde el costo de la energía varía dependiendo del momento del día en el que se consume.
Cuanto mayor sea la demanda, mayor será el costo de la electricidad y viceversa, así, los precios bajan durante las horas de menor actividad y suben cuando la red está más saturada por la demanda.
Al acumular energía cuando la demanda es baja y descargarla en los períodos de mayor consumo, las soluciones de almacenamiento en baterías permiten ahorrar en las tarifas eléctricas gestionando la demanda y la oferta de la misma.
Como mencionamos, los precios de la electricidad fluctúan en diferentes momentos y su precio varía dependiendo de la tarifa eléctrica que se tenga.
Los sistemas de almacenamiento de energía en baterías permiten el desplazamiento de carga, es decir, regulan la compra de energía a un precio bajo durante los períodos de menor actividad, la almacenan y utilizan la energía acumulada cuando el precio aumenta.
Por lo tanto, independientemente de la temporada y de la demanda de electricidad, un BESS puede disminuir los precios de la energía y estabilizar los costos operativos de la empresa supliendo los picos de demanda con energía almacenada.
Esta ventaja es una de las más conocidas de las baterías en general. Un BESS, gracias a los componentes mencionados anteriormente, puede suministrar energía de respaldo en caso de falla de la red eléctrica hasta la restauración completa de la energía.
Con una amplia capacidad de almacenamiento y la integración de fuentes de energía renovable los BESS pueden respaldar la energía durante períodos prolongados de tiempo.
En cierta manera, este tipo de sistemas actúan como una fuente de alimentación ininterrumpida (UPS) pero con mucho mayor tiempo de suministro. Tener una solución de almacenamiento en baterías en plantas industriales ahorra tiempo y dinero, eliminando el tiempo de inactividad, evitando mermas y cuidando la maquinaria de fluctuaciones drásticas de voltaje.
Los sistemas BESS pueden reemplazar un generador de gas natural o diésel utilizado por las centrales eléctricas, para restaurar la generación de energía después de cortes de energía.
Lo anterior se logra a través de aprovechar sus capacidades de arranque autógeno, esto es, comenzar a operar sin la ayuda de una corriente externa, sino con la propia energía almacenada.
Los sistemas de energía pueden reiniciarse después de un apagado total, sin usar redes eléctricas externas. El rápido tiempo de respuesta de un BESS (milisegundos) ayuda a que los sistemas se recuperen en el menor tiempo posible, sin depender de la respuesta de la red eléctrica.
Los sistemas de almacenamiento de baterías regulan la frecuencia en la red, asegurándose que ésta se encuentre dentro del rango requerido.
Esto es importante debido a que, si la cantidad de energía que se genera no está equilibrada con la demanda de electricidad real, la frecuencia puede exceder o caer por debajo de su valor nominal, pudiendo ocasionar desconexiones temporales, cortes de energía o apagones.
Los BESS, además de reaccionar inmediatamente a las interrupciones de energía, proporcionan una respuesta de frecuencia menor a un segundo estabilizando la red y protegiendo maquinaria sensible a variaciones en el voltaje.
Además, también puede garantizar la estabilidad de la tensión, manteniendo su nivel dentro del rango especificado.
La integración de los sistemas BESS con fuentes de energía renovable, como la fotovoltaica, abre la puerta a la electricidad económica con disponibilidad continua para los sistemas en la red, fuera de la red y redes híbridas.
En las últimas décadas, la energía cero emisiones ha ganado popularidad como una alternativa económicamente viable y ecológica a los combustibles fósiles.
Según la Agencia Internacional de Energía (AIE), las energías renovables aumentaron su participación en la generación de electricidad mundial del 27% en 2019, al 28.7% en 2021. Además, se prevé que alcancen el 45% para 2040.
La incorporación de soluciones de almacenamiento basadas en energías renovables cuenta con el amplio apoyo e incentivos de los gobiernos a través de subsidios y tasas impositivas más bajas.
Asimismo, la tecnología de almacenamiento en baterías mejora la eficiencia de las energías renovables, pues las convierte en una fuente estable e independiente.
Esta ventaja permite que las fuentes renovables se puedan utilizar en una amplia variedad de aplicaciones, como plantas industriales, instalaciones fuera de la red y comunidades aisladas, como islas y áreas rurales remotas.
Por ejemplo, en lugares con alta radiación solar, un BESS en complemento con un sistema fotovoltaico, puede proporcionar energía a las industrias, cargando las baterías con la misma energía generada por los paneles solares.
Además, la energía fotovoltaica cargada en el sistema de almacenamiento se puede utilizar cuando la demanda de electricidad es alta y el recurso de energía, el sol, no está disponible, en la noche por ejemplo.
Otra de las ventajas del almacenamiento de energía en baterías es que puede disminuir o eliminar la necesidad de construir nuevos sistemas de transmisión y distribución, o actualizar los activos de T&D existentes que carecen de capacidad o se han vuelto obsoletos.
Esto debido a que, al almacenar el exceso de energía y proporcionar capacidad de reserva, un BESS puede aliviar la carga de las líneas de transmisión y distribución sobrecargadas y evitar la congestión en los sistemas de transmisión, alargando su vida útil.
Los Battery Energy Storage Systems son parte esencial de las microrredes, es decir, redes de energía distribuida que pueden conectarse a la red pública o ser totalmente independientes.
Las microrredes independientes ubicadas en regiones remotas pueden depender de sistemas de almacenamiento en baterías integrados con fuentes de energía renovable.
Estas soluciones permiten la generación de energía fluida, ayudan a evitar altos costos y disminuyen la contaminación del aire asociada con los generadores diésel.
De acuerdo con el último pronóstico de la empresa de investigación BloombergNEF, por el reciente impulso de nuevas políticas, las instalaciones de almacenamiento de energía en el mundo se estima que alcancen los 411 millones de kilowatts (kW) de potencia o 1,194 millones de kilowatts-hora (kWh) de capacidad de almacenamiento para finales de 2030.
Siendo 15 veces más de los 27 millones de kilowatts y 56 millones kilowatts-hora funcionando a finales de 2021.
Finalmente, un factor importante para el rápido aumento del uso de la tecnología BESS ha sido la disminución en los costos de fabricación en los últimos años.
Según la encuesta anual de precios de baterías de Bloomberg New Energy Finance (BloombergNEF) del 2021, los costos de las baterías de ion litio han caído un 89% en un periodo de diez años. Las baterías recién salidas de fábrica comenzaron costando poco más de mil dólares por kilowatt-hora (kWh) en 2010, a costar solo 132 dólares por kWh en 2021.
La ubicación de cualquier recurso de generación y almacenamiento de energía es importante, la inmensa flexibilidad del BESS significa que se pueden instalar y utilizar de varias maneras:
Depende enteramente de las necesidades específicas que se tengan, qué tan relevante resulta este punto para su industria.
Existe una variedad de configuraciones disponibles para BESS dependiendo de la ubicación. Específicamente, para los casos de sistemas fotovoltaicos más almacenamiento, se utilizan cuatro tipos de configuraciones:
En este tipo de configuración, tanto los sistemas solares fotovoltaicos como los de almacenamiento no están ubicados físicamente en el mismo lugar y no comparten componentes comunes ni sistemas de control.
Al ser independiente, el almacenamiento responde a las condiciones generales de la red eléctrica para proporcionar capacidad máxima, cambiar la energía de los períodos de menor actividad a los períodos de máxima actividad y brindar servicios auxiliares.
En este esquema, aunque el almacenamiento puede cargarse con energía fotovoltaica, solo lo haría cuando las condiciones de la red hicieran que esta fuera la opción más económica.
En este caso, la energía fotovoltaica y el almacenamiento se acoplan en el lado de corriente continua (DC) de un inversor compartido.
El inversor utilizado es un inversor bidireccional que facilita el almacenamiento para poder cargarse desde la red y desde la fuente solar.
Esta configuración es similar a la anterior, pero el almacenamiento se puede cargar solo con energía solar, no con la red eléctrica. También se conoce como la configuración DC estrechamente acoplada.
Los sistemas acoplados a DC son más comunes para las nuevas instalaciones fotovoltaicas que tienen almacenamiento desde el principio.
En este caso, la energía fotovoltaica y el almacenamiento se ubican con dos inversores separados.
El BESS se carga convirtiendo la electricidad de los paneles fotovoltáicos de DC a AC y luego de vuelta a DC en el inversor para que el sistema la almacene.
Dado que no hay componentes compartidos, el almacenamiento aún puede actuar independientemente del sistema fotovoltaico.
Las configuraciones acopladas a AC generalmente se usan para sistemas fotovoltaicos existentes, pues es más fácil solo agregar un segundo inversor, agregar un BESS y luego usar el circuito existente para integrarlo.
Siendo sistemas complejos con diversos componentes funcionando al mismo tiempo y debido al tamaño, complejidad, densidad de energía de los sistemas y la química de la batería de iones de litio involucrada, este artículo no estaría completo sin mencionar las medidas de seguridad necesarias en el uso industrial de BESS.
Como mencionamos al principio, el litio es un metal con alta capacidad de oxidación (capacidad de compartir electrones) por lo que, si no se tiene una instalación hecha por profesionales en la materia, aumenta el riesgo de incidentes por la naturaleza del elemento, pues es altamente reactivo.
Por lo mismo, los instaladores profesionales son capacitados regularmente para no perder el expertise y el dominio de la instalación. Es de suma importancia que a la hora de implementar un sistema BESS la industria lo adquiera e instale con profesionales.
Debido a esto y la complejidad del sistema en sí, existen medidas de seguridad importantes para asegurar la correcta operación de los BESS a continuación mencionadas.
La fuga térmica, ciclo en el que el calor excesivo genera más calor y se vuelve un bucle, es el mayor riesgo para la tecnología de baterías de iones de litio.
Esta fuga puede ser causada, entre otras cuestiones, por daños mecánicos o sobrevoltaje del equipo. Por lo mismo, es importante tener especialistas al pendiente del sistema una vez instalado y darle mantenimiento periódico especializado para detectar fallas o posibles sobrecargas a tiempo.
También es importante tener en cuenta los sistemas de control del equipo. Una falla del sistema de gestión de baterías (BMS) puede provocar sobrecarga y la incapacidad de monitorear el entorno operativo, como la temperatura o el voltaje de la celda. Este tipo de fallas son fácilmente prevenibles si se le da un mantenimiento adecuado al sistema regularmente.
Ciertas químicas de baterías son muy sensibles a daños mecánicos del equipo y a sobrevoltajes eléctricos por cuestiones ambientales, como tormentas eléctricas.
Lo anterior puede provocar cortocircuitos en la batería interna estimulando el calentamiento de la misma, además de haber riesgo de explosiones e incendios en casos muy extremos.
Para mitigar este tipo de riesgos es de suma importancia en la instalación del BESS contar con profesionales con el conocimiento necesario para supervisar que todos los componentes están en estado óptimo y, una vez instalado, darle mantenimiento regular al sistema para detectar a tiempo desgastes o fallos de los componentes y repararlos.
El mercado mundial de almacenamiento de energía en baterías abunda en ofertas. Además, gracias al incremento de la demanda, los BESS han dejado de ser lujos fuera del alcance de los consumidores finales.
Según BloombergNEF, para 2023, el precio promedio de la celda de la batería salida directamente de la fábrica se desplomará a $100 dólares por kilowatt-hora (kWh).
No obstante, hay que tomar en cuenta que el precio del sistema final dependerá del tamaño del proyecto, la química utilizada y la capacidad de almacenamiento que se necesite.
Por lo mismo, antes de adquirir un sistema BESS es importante tener en claro las necesidades específicas de cada industria y el problema principal que se quiere atacar con esta solución.
Ahora bien, al elegir un sistema de almacenamiento de energía de baterías, se deben considerar muchos otros factores además de su costo. Por ejemplo:
El software BMS, mencionado en el apartado de Componentes, juega un papel fundamental en el rendimiento general del sistema de baterías, ya que es el responsable de la carga y descarga junto con la seguridad de la batería.
Una vez que esté listo para invertir en un BESS, asegúrese de que usted o la empresa instaladora tengan la experiencia y las calificaciones suficientes para verificar la calidad y la integridad de todo el sistema.
La configuración, el mantenimiento y el soporte de un BESS también requiere que se realicen por personal capacitado en el campo, además, al adquirir este tipo de tecnología, es importante asegurar que el fabricante ofrezca una garantía que cubra la reparación o el reemplazo del sistema y sus componentes en caso de falla.
Como hemos visto, un BESS es un sistema de almacenamiento de energía de múltiples componentes, capaz de almacenar cantidades variables de energía electroquímica y utilizarla más tarde para una variedad de propósitos, ya sea reducción de picos de demanda, desplazamiento de carga o respaldo de energía.
Los avances en la tecnología de baterías hacen del BESS una solución asequible tanto para uso industrial como comercial, incluidas instalaciones a gran escala y redes de servicios públicos.
Además, los BESS ofrecen una gran cantidad de opciones con diversas capacidades de almacenamiento y con una amplia gama de aplicación y presupuesto.
La adquisición de un BESS puede satisfacer las necesidades eléctricas de su industria, resolver problemas energéticos y reducir los costos operativos, siempre y cuando cuente con profesionales para su planeación, instalación y monitoreo.
Encontrar el equipo de desarrollo e instalador adecuado puede ayudarle a crear una solución, ya sea llave en mano o a la medida, que funcione y cumpla con sus expectativas.
En Enlight contamos con una amplia experiencia en tecnologías de almacenamiento de baterías, incluidos sus componentes de hardware y software.
Según los requisitos de la industria y del sector, calculamos las características de rendimiento necesarias para cada proyecto y los costos de diseño de cada BESS. Al elegir los componentes y las técnicas de diseño correctas, haremos que su producto sea confiable, altamente eficiente y que cumpla con todos los estándares definidos específicamente para su industria.
Si está buscando adquirir un sistema de almacenamiento de energía de baterías o necesita una opinión experta sobre su desarrollo e implementación, no dude en contactarnos para comenzar.