Introducció

El sistema HYBRIS, basat en la hibridació de la bateria d’òxid de titanat de liti i una bateria de flux orgànic aquós, constitueix un emmagatzematge d’energia híbrid avançat per a aplicacions de microxarxes capaç de mostrar un alt rendiment, ser rendible i respectuós amb el medi ambient, en comparació amb les solucions d’emmagatzematge habituals.

Una de les activitats principals realitzades durant el projecte va ser definir clarament com es pot provar i validar el sistema, quan s’instal·la en llocs de demostració reals. En particular, s’han escollit 3 llocs de demostració (i contextos) per a aquest àmbit, per destacar la flexibilitat que ofereix un sistema d’emmagatzematge híbrid per a una millor gestió de l’energia elèctrica i un ús més eficient. De fet, els sistemes híbrids d’emmagatzematge d’energia (HESS) permeten una major integració de la generació d’energia renovable local amb les sol·licituds de càrregues i un servei de xarxa múltiple, tant energètic com intensiu. És ben sabut que la imprevisibilitat de les fonts d’energia renovables (FER) i el desajust general entre aquest tipus de generació i la sol·licitud dels usuaris d’energia constitueixen un problema.

La qüestió no només es refereix a l’alliberament d’energia efectiva sinó també al rendiment de tota la xarxa energètica (és a dir, en termes de nivell de tensió i valor de freqüència, que ha de respectar els llindars de funcionament). L’avaluació de l’impacte positiu a la xarxa que porten els HESS és crucial per subratllar la importància del desenvolupament i el desplegament d’aquest tipus de tecnologia.

Més en detall, els HESS permeten la participació en els serveis del mercat energètic, regulats mitjançant la intervenció de diversos factors, com els TSO nacionals (Operadors de sistemes de transport), els DSO locals (Operadors de sistemes de distribució) i els agregadors, per ajudar la xarxa principal a mantenir uns bons estàndards de rendiment. Tot i que l’accés al mercat de serveis i la seva implantació encara s’estan definint en diversos països, és possible classificar els serveis més importants tant per a la xarxa principal com per als clients tal com es mostra a la figura següent.

Contextos d’aplicació i serveis per demostrar el rendiment del sistema HYBRIS

En el projecte HYBRIS, per demostrar les potencialitats del HESS proposat, es van seleccionar alguns serveis específics per als diferents casos d’ús, tenint en compte les peculiaritats dels llocs i com s’integren en tot el sistema energètic.

Els tres llocs pilot representen diferents contextos d’aplicació:

• El pilot italià (situat a Messina, IT), demostrarà la realització de serveis comunitaris per a una microxarxa residencial amb funcionament insular.
• El pilot belga (situat a Brasschaat, BE), mostrarà el desenvolupament de nous serveis de flexibilitat sota el model Energy as a Service (EaaS) per a un parc empresarial comercial i industrial amb alta penetració solar.
• Finalment, el pilot holandès a Tholen (Països Baixos, fàbrica Delta Glass) constituirà una demostració virtual del sistema propietat del client capaç de millorar el consum verd en una PIME (petita i mitjana empresa) i permetre serveis d’energia de xarxa lents i ràpids.

Després d’una avaluació preliminar de les característiques dels llocs pilot, es van escollir els serveis següents per demostrar el rendiment de l’HESS:

• Resposta a la demanda de la comunitat/descàrrega: En aquest servei, l’HESS subministrarà directament les càrregues locals fins que es permeti el nivell de SoC. La integració d’un AORFB amb bateries LTO permet un ús intel·ligent combinat del sistema d’emmagatzematge per servir plenament l’abast mentre es té cura de la vida útil del sistema. Les bateries LTO garanteixen un alt nivell de DoD, però el contingut d’energia és menor que l’AORFB. Per tant, la contribució combinada d’ambdós mantindrà cap intercanvi d’energia amb la xarxa. Des del punt de vista de la xarxa, representa un servei de descàrrega perquè la sol·licitud de càrrega s’atén directament des de l’HESS i no es necessita energia d’aquest.
• Reducció SAIFI: l’índex de freqüència d’interrupció mitjana del sistema (SAIFI) és una mètrica que s’utilitza per descriure la qualitat de l’estabilitat de la xarxa. El nombre d’interrupcions d’alimentació a l’any és un paràmetre important, sobretot a les zones remotes o menys desenvolupades. El sistema HYBRIS pot evitar interrupcions d’alimentació en el costat instal·lat de manera automàtica, garantint així l’absència d’aquest tipus de mal servei als usuaris. En particular, l’inversor LTO podrà llegir la interrupció i iniciar la formació de la xarxa local. La intervenció de l’AORFB es pot programar en cas d’interrupcions més llargues.
• Funcionament a l’illa: el funcionament en mode illa consisteix a equilibrar localment la producció i el consum, mentre que la xarxa principal està desconnectada. A diferència del cas de tall elèctric, en aquest cas la microxarxa passa intencionadament en aquest mode de funcionament, quan es produeixen condicions favorables. L’HESS pot proporcionar energia i energia a les llars locals en cas de separació total de la xarxa, assegurant un seguiment de càrrega amb una freqüència real i estable de 50 Hz.
• Formació de la xarxa/interruptor següent: durant el mode de funcionament anterior es produeixen dos esdeveniments transitoris, quan s’ha de fer la desconnexió i la reconnexió a la xarxa principal. Aquests dos moments són especialment crítics i cal analitzar-los amb una activitat de prova específica. En particular, s’ha de comprovar l’alimentació regular de les càrregues locals i la correcta connexió a la xarxa principal (absència de caigudes i/o caigudes de tensió, desviació de freqüència, etc.).
• Afaitat de pics (costat de càrrega, també conegut com a “descàrrega”): el HESS es pot utilitzar per reduir els costos per a l’usuari final i l’estrès a la xarxa del DSO reduint els pics de càrrega. En particular, s’utilitzarà per reduir els costos de capacitat i prevenir problemes per al DSO, mitjançant la reducció del consum màxim d’energia en el lloc. La implementació pràctica d’aquest servei utilitzarà el Sistema de Gestió d’Energia (EMS) basat en núvol: calcularà un objectiu màxim en funció del que ha passat en el passat i del que s’espera en el futur. Aleshores, amb un bucle de control d’un minut, indicarà a la bateria que es descarregui si és probable que l’energia en una franja horària anterior de 15 minuts superi el pic objectiu. A més, és possible l’afaitat màxim per a la producció local de FER. En aquest cas, l’emmagatzematge s’utilitza per reduir els pics de producció no equilibrats per les càrregues locals.
• Augment de l’energia autoconsumida: per reduir els costos energètics i les pèrdues i congestions de la xarxa, el HESS s’utilitzarà per emmagatzemar l’excés d’energia i lliurar-la més tard (quan es demani), amb l’objectiu principal d’aprofitar la producció d’energia d’alt valor local a partir del font solar (no injectar-la a la xarxa). Per a l’usuari final pot ser econòmicament avantatjós evitar injectar energia a la xarxa en temps d’excés de producció solar i, més aviat, emmagatzemar-la en una bateria per a un ús posterior. L’HESS millorarà així l’autoconsum gestionant l’excés de producció solar i alliberant-lo posteriorment.
• Arbitratge: Un altre servei molt útil des del punt de vista de l’usuari final (per reduir els costos energètics) és comprar i vendre estratègicament energia tenint en compte les fluctuacions dels preus durant el dia mitjançant el desplegament de la bateria. Aquest servei pot ser activat per l’usuari. El HESS desenvolupat utilitzarà l’EMS per realitzar la lògica de gestió d’energia/preus. Intentarà maximitzar els beneficis per a l’usuari final comprant baix i venent alt diàriament.
• FCR: Aquest servei consisteix a participar en el mercat de Frequency Containment Reserve FCR. A causa del desajust entre la generació i el consum, un efecte directe sobre el senyal d’energia elèctrica és la desviació del valor de freqüència nominal. Els elements de resposta ràpida estan presents al sistema de generació per evitar aquesta desviació dins de certs marges, mitjançant la modulació de la injecció de potència activa a la xarxa. HESS podria representar un d’aquests elements pel seu rendiment en termes de capacitat de resposta. Tingueu en compte que a causa de la necessitat d’agrupar una capacitat energètica important per participar en mercats de serveis auxiliars (per exemple, com a mínim 1 MW), aquest servei només s’implementarà a nivell demostratiu.
• Comunitat de l’Energia: aquest tipus d’associació innovador té com a objectiu compartir FER entre els seus participants, per generar i gestionar de manera independent energia verda a costos avantatjoses, reduint significativament les emissions de CO2 i el malbaratament energètic. Els HESS poden representar elements essencials de la infraestructura energètica d’aquestes comunitats, a causa de la flexibilitat que ofereix en la gestió energètica. En particular, el HESS proposat realitzarà l’algorisme per a la gestió global de l’energia per millorar el consum d’energia verda.

Escrit per Davide Aloisio, Francesco Sergi i Giovanni Brunaccini del CNR-ITAE

[1] Fitzgerald, Garrett, James Mandel, J.M.; Touati i H. L’economia de l’emmagatzematge d’energia de les bateries: com les bateries multiús i ubicades al client ofereixen la majoria de serveis i valor als clients i a la xarxa 2015.