Los sistemas de almacenamiento de energía en baterías generalmente están diseñados para poder generar su potencia nominal máxima durante varias horas. El almacenamiento en baterías se puede utilizar para generar energía máxima a corto plazo [2] y para servicios auxiliares , como proporcionar reserva operativa y control de frecuencia para minimizar la posibilidad de cortes de energía . A menudo se instalan en otras centrales eléctricas activas o en desuso o cerca de ellas y pueden compartir la misma conexión a la red para reducir costos. Dado que las plantas de almacenamiento en baterías no requieren entregas de combustible, son compactas en comparación con las centrales generadoras y no tienen chimeneas ni grandes sistemas de enfriamiento, se pueden instalar rápidamente y colocar, si es necesario, dentro de áreas urbanas, cerca de la carga del cliente o incluso dentro de las instalaciones del cliente.
A partir de 2021, la potencia y la capacidad del sistema de almacenamiento de baterías individual más grande es un orden de magnitud menor que la de las plantas de energía de almacenamiento por bombeo más grandes , la forma más común de almacenamiento de energía en la red . Por ejemplo, la estación de almacenamiento por bombeo del condado de Bath , la segunda más grande del mundo, puede almacenar 24 GWh de electricidad y despachar 3 GW, mientras que la primera fase de la instalación de almacenamiento de energía Moss Landing de Vistra Energy puede almacenar 1,2 GWh y despachar 300 MW. [3] Sin embargo, las baterías de red no tienen que ser grandes, se puede implementar ampliamente una gran cantidad de baterías más pequeñas (a menudo como energía híbrida ) en una red para lograr una mayor redundancia y una gran capacidad general.
A partir de 2019, el almacenamiento de energía en baterías suele ser más económico que la energía de turbinas de gas de ciclo abierto para un uso de hasta dos horas, y había alrededor de 365 GWh de almacenamiento en baterías implementado en todo el mundo, una cifra que está creciendo rápidamente. [4] El costo nivelado de almacenamiento (LCOS) ha caído rápidamente, reduciéndose a la mitad en dos años para llegar a US$150 por MWh en 2020, [5] [6] [7] y reduciéndose aún más a US$117 para 2023. [8]
Las centrales eléctricas con baterías de almacenamiento y los sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI) son comparables en cuanto a tecnología y funcionamiento. Sin embargo, las centrales eléctricas con baterías de almacenamiento son más grandes.
Por razones de seguridad, las baterías se almacenan en sus propias estructuras, como almacenes o contenedores. Al igual que con un SAI, una preocupación es que la energía electroquímica se almacena o emite en forma de corriente continua (CC), mientras que las redes eléctricas suelen funcionar con corriente alterna (CA). Por este motivo, se necesitan inversores adicionales para conectar las centrales eléctricas de almacenamiento de baterías a la red de alta tensión. Este tipo de electrónica de potencia incluye tiristores de desconexión por compuerta , que se utilizan habitualmente en la transmisión de corriente continua de alta tensión (HVDC).
Se pueden utilizar varios sistemas de acumuladores en función de la relación potencia-energía, la vida útil esperada y los costos. En la década de 1980, se utilizaron baterías de plomo-ácido para las primeras plantas de energía de almacenamiento de baterías. Durante las décadas siguientes, se utilizaron cada vez más baterías de níquel-cadmio y sodio-azufre. [11] Desde 2010, cada vez más plantas de almacenamiento de baterías a gran escala dependen de las baterías de iones de litio, como resultado de la rápida disminución del costo de esta tecnología, causada por la industria automotriz eléctrica. Se utilizan principalmente baterías de iones de litio . Ha surgido un sistema de batería de flujo , pero las baterías de plomo-ácido todavía se utilizan en aplicaciones de bajo presupuesto. [12]
Seguridad
La mayoría de los sistemas BESS están compuestos por paquetes de baterías selladas de forma segura , que se monitorean electrónicamente y se reemplazan una vez que su rendimiento cae por debajo de un umbral determinado. Las baterías sufren envejecimiento cíclico o deterioro causado por ciclos de carga y descarga. Este deterioro es generalmente mayor a altas tasas de carga y mayor profundidad de descarga . Este envejecimiento causa una pérdida de rendimiento (disminución de capacidad o voltaje), sobrecalentamiento y eventualmente puede conducir a fallas críticas (fugas de electrolito, incendio, explosión). A veces, las centrales eléctricas de almacenamiento de baterías se construyen con sistemas de energía de almacenamiento de volante de inercia para conservar la energía de la batería. [13] Los volantes de inercia pueden manejar fluctuaciones rápidas mejor que las plantas de baterías más antiguas. [14]
Las garantías BESS generalmente incluyen límites de vida útil en el rendimiento energético, expresado como número de ciclos de carga y descarga. [15]
Baterías a base de plomo-ácido
Las baterías de plomo-ácido son baterías de primera generación que se utilizan generalmente en sistemas BESS más antiguos. [16] Algunos ejemplos son la batería de 1,6 MW pico, 1,0 MW continuo que se puso en servicio en 1997. [17] En comparación con las baterías recargables modernas, las baterías de plomo-ácido tienen una densidad de energía relativamente baja . A pesar de esto, pueden suministrar altas corrientes de sobretensión . Sin embargo, las baterías de plomo-ácido no selladas producen hidrógeno y oxígeno a partir del electrolito acuoso cuando se sobrecargan. El agua debe rellenarse regularmente para evitar dañar la batería; y los gases inflamables deben ventilarse para evitar riesgos de explosión. Sin embargo, este mantenimiento tiene un costo, y las baterías recientes, como las de iones de litio, no tienen ese problema.
Baterías a base de litio
Las baterías de iones de litio están diseñadas para tener una larga vida útil sin necesidad de mantenimiento. Por lo general, tienen una alta densidad energética y una baja autodescarga . [18] Debido a estas propiedades, la mayoría de los BESS modernos son baterías basadas en iones de litio. [19]
Un inconveniente de algunos tipos de baterías de iones de litio es la seguridad contra incendios, sobre todo las que contienen cobalto. [20] El número de incidentes con BESS se ha mantenido en torno a 10-20 por año (sobre todo en los primeros 2-3 años de vida), a pesar del gran aumento en el número y el tamaño de los BESS. Por tanto, la tasa de fallos ha disminuido. Los fallos se produjeron sobre todo en los controles y el equilibrio del sistema , mientras que el 11% se produjeron en las celdas. [21]
Entre los ejemplos de accidentes de incendio de BESS se incluyen módulos individuales en 23 granjas de baterías en Corea del Sur entre 2017 y 2019, [22] un Tesla Megapack en Geelong , [23] [24] el incendio y posterior explosión de un módulo de batería en Arizona , [21] y el incendio por cortocircuito del líquido refrigerante en la batería LG de Moss Landing . [25] [26]
Esto ha dado lugar a más investigaciones en los últimos años sobre medidas de mitigación para la seguridad contra incendios. [27]
Para 2024, la batería de fosfato de hierro y litio (LFP) se ha convertido en otro tipo importante para grandes almacenamientos debido a la alta disponibilidad de sus componentes y una mayor seguridad en comparación con las químicas de iones de litio basadas en níquel. [28] Como evidencia de un uso seguro a largo plazo, se eligió un sistema de almacenamiento de energía basado en LFP para instalarlo en Paiyun Lodge en el monte Jade (Yushan) (el albergue alpino más alto de Taiwán ). Hasta ahora, el sistema sigue funcionando de forma segura desde 2016. [29]
Baterías a base de sodio
Alternativamente, las baterías a base de sodio son materiales que se utilizan cada vez más en BESS. En comparación con las baterías de iones de litio, las baterías de iones de sodio tienen un coste algo menor, mejores características de seguridad y características de suministro de energía similares. Sin embargo, tiene una densidad de energía menor en comparación con las baterías de iones de litio. Su principio de funcionamiento y la construcción de las celdas son similares a los de los tipos de baterías de iones de litio (LIB), pero reemplaza el litio por sodio como ion intercalante . Algunas baterías a base de sodio también pueden funcionar de forma segura a altas temperaturas ( batería de sodio-azufre ). Algunos productores notables de baterías de sodio con altos requisitos de seguridad incluyen (no exclusivos) Altris AB, SgNaPlus y Tiamat. Actualmente, las baterías a base de sodio aún no están completamente comercializadas. El BESS más grande que utiliza tecnología de iones de sodio comenzó a operar en 2024 en la provincia de Hubei, cuenta con una capacidad de 50 MW / 100 MWh. [30]
Características de funcionamiento
Central eléctrica con baterías de Schwerin (vista interior 2014, filas modulares de acumuladores)
Como no tienen partes mecánicas, las plantas de energía de almacenamiento de baterías ofrecen tiempos de control y tiempos de arranque extremadamente cortos, tan solo 10 ms. [31] Por lo tanto, pueden ayudar a amortiguar las oscilaciones rápidas que ocurren cuando las redes eléctricas funcionan cerca de su capacidad máxima. Estas inestabilidades (fluctuaciones de voltaje con períodos de hasta 30 segundos) pueden producir oscilaciones de voltaje pico de tal amplitud que pueden causar apagones regionales. Una planta de energía de almacenamiento de baterías de tamaño adecuado puede contrarrestar eficientemente estas oscilaciones; por lo tanto, las aplicaciones se encuentran principalmente en aquellas regiones donde los sistemas de energía eléctrica funcionan a plena capacidad, lo que genera un riesgo de inestabilidad. [ cita requerida ] Sin embargo, algunas baterías tienen sistemas de control insuficientes, fallando durante interrupciones moderadas que deberían haber tolerado. [32] Las baterías también se utilizan comúnmente para el recorte de picos durante períodos de hasta unas pocas horas. [2]
Los sistemas de almacenamiento de baterías pueden estar activos en mercados spot mientras brindan servicios de sistemas como estabilización de frecuencia. [33] El arbitraje es otra forma de beneficiarse de las características operativas de los sistemas de almacenamiento de baterías.
Las plantas de almacenamiento también se pueden utilizar en combinación con una fuente de energía renovable intermitente en sistemas de energía independientes . [34]
Las baterías de red más grandes
Bajo construcción
Planificado
Desarrollo y despliegue del mercado
Crecimiento de la capacidad instalada de baterías en EE. UU. entre 2015 y 2023 [82]
Si bien el mercado de baterías de red es pequeño en comparación con la otra forma principal de almacenamiento de energía en la red, la energía hidroeléctrica bombeada, está creciendo muy rápido. Por ejemplo, en los Estados Unidos, el mercado de plantas de almacenamiento de energía en 2015 aumentó un 243% en comparación con 2014. [83] El precio de 2021 de una instalación de batería de 60 MW/240 MWh (4 horas) en los Estados Unidos fue de US$379/kWh utilizable, o US$292/kWh nominal, una caída del 13% con respecto a 2020. [84] [85]
En 2010, Estados Unidos tenía una capacidad de almacenamiento de 59 MW en baterías, provenientes de 7 plantas de energía a batería. Esta cifra aumentó a 49 plantas, que comprendían 351 MW de capacidad, en 2015. En 2018, la capacidad era de 869 MW, provenientes de 125 plantas, capaces de almacenar un máximo de 1236 MWh de electricidad generada. A fines de 2020, la capacidad de almacenamiento de baterías alcanzó los 1756 MW. [86] [87] A fines de 2021, la capacidad aumentó a 4588 MW. [88] En 2022, la capacidad de Estados Unidos se duplicó a 9 GW/25 GWh. [89]
En mayo de 2021, en el Reino Unido había 1,3 GW de almacenamiento en baterías en funcionamiento y se estaban preparando 16 GW de proyectos que podrían implementarse en los próximos años. [90] En 2022, la capacidad del Reino Unido creció en 800 MWh, hasta llegar a 2,4 GW/2,6 GWh. [91] Europa añadió 1,9 GW y hay varios proyectos más planificados. [92]
En 2020, China añadió 1.557 MW a su capacidad de almacenamiento de baterías, mientras que las instalaciones de almacenamiento para proyectos fotovoltaicos representaron el 27% de la capacidad, [93] del total de 3.269 MW de capacidad de almacenamiento de energía electroquímica. [94]
Hay mucho movimiento en el mercado, por ejemplo, algunos desarrolladores están construyendo sistemas de almacenamiento a partir de baterías viejas de coches eléctricos, donde los costes probablemente se pueden reducir a la mitad en comparación con los sistemas convencionales a partir de baterías nuevas. [95]
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