Introducción

El sistema HYBRIS, basado en la hibridación de la batería de óxido de titanato de litio y la batería de flujo orgánico acuoso, constituye un almacenamiento de energía híbrido avanzado para aplicaciones de microrred capaz de mostrar un alto rendimiento, ser rentable y respetuoso con el medio ambiente, en comparación con las soluciones de almacenamiento comunes.

Una de las principales actividades realizadas durante el proyecto fue definir claramente cómo se puede probar y validar el sistema, cuando se instala en sitios de demostración reales. En particular, se eligieron 3 sitios (y contextos) de demostración para este alcance, para resaltar la flexibilidad que ofrece un sistema de almacenamiento híbrido para una mejor gestión de la energía eléctrica y un uso más eficiente. De hecho, los sistemas híbridos de almacenamiento de energía (HESS) permiten una mayor integración de la generación local de energía renovable con las solicitudes de carga y el servicio de red múltiple, tanto en energía como en potencia. Es bien sabido que la imprevisibilidad de las fuentes de energía renovables (FER) y el desajuste general entre este tipo de generación y la demanda de los usuarios de energía constituye un problema.

El problema se refiere no solo a la liberación de energía efectiva, sino también al desempeño de toda la red de energía (es decir, en términos de nivel de voltaje y valor de frecuencia, que deben respetar los umbrales operativos). La evaluación del impacto positivo que los HESS tienen en la red es crucial para subrayar la importancia del desarrollo y despliegue de este tipo de tecnología.

Más en detalle, los HESS permiten la participación en los servicios del mercado de la energía, regulados a través de la intervención de varios factores, como los TSO (Operadores de sistemas de transmisión) nacionales, los DSO (Operadores de sistemas de distribución) locales y los agregadores, para ayudar a la red principal a mantener buenas condiciones en los estándares . Si bien el acceso al mercado de servicios y su implementación aún se están definiendo en varios países, es posible clasificar los servicios más importantes tanto para la red principal como para los clientes como se muestra en la figura a continuación.

Contextos de aplicación y servicios para probar el rendimiento del sistema HYBRIS

En el proyecto HYBRIS, para demostrar las potencialidades del HESS propuesto, se seleccionaron algunos servicios específicos para los distintos casos de uso, teniendo en cuenta las peculiaridades de los sitios y cómo se integran en todo el sistema energético.

Los tres sitios piloto representan diferentes contextos de aplicación:

• El piloto italiano (ubicado en Messina, IT) demostrará la realización de servicios comunitarios para una microrred residencial con funcionamiento en isla.
• El piloto belga (ubicado en Brasschaat, BE), mostrará el desarrollo de nuevos servicios de flexibilidad bajo el modelo Energy as a Service (EaaS) para un parque empresarial comercial e industrial con alta penetración solar.
• Finalmente, el piloto holandés en Tholen (NL, fábrica de Delta Glass) constituirá una demostración virtual de un sistema propiedad del cliente capaz de mejorar el consumo ecológico en una PYME (pequeña y mediana empresa) y habilitar servicios de energía de red lentos y rápidos.

Después de una evaluación preliminar de las características de los sitios piloto, se eligieron los siguientes servicios para probar el desempeño de HESS:

• Respuesta a la demanda de la comunidad/ Desconexión de carga: En este servicio, el HESS suministrará directamente las cargas locales hasta el nivel de SoC permitido. La integración de un AORFB con baterías LTO permite un uso inteligente combinado del sistema de almacenamiento para servir completamente al osciloscopio mientras se ocupa de la vida útil general del sistema. Las baterías LTO garantizan un alto nivel de DoD pero el contenido de energía es menor que el AORFB. Por lo tanto, la contribución combinada de ambos no mantendrá intercambio de energía con la red. Desde el punto de vista de la red, representa un servicio de deslastre de carga porque la solicitud de carga se atiende directamente desde el HESS y no se necesita energía de este.
• Reducción de SAIFI: el índice de frecuencia de interrupción promedio del sistema (SAIFI) es una métrica utilizada para describir la calidad de la estabilidad de la red. El número de cortes de energía por año es un parámetro importante, especialmente en áreas remotas o menos desarrolladas. El sistema HYBRIS puede evitar cortes de energía en el lado instalado de forma automática, asegurando así la ausencia de este tipo de perjuicios para los usuarios. En particular, el inversor LTO podrá leer la interrupción e iniciar la formación de la red local. La intervención AORFB se puede programar en caso de interrupciones más largas.
• Operación Isla: La operación en modo isla consiste en equilibrar localmente la producción y el consumo, mientras la red principal está desconectada. A diferencia del caso de corte de energía, en este caso la microrred entra intencionalmente en este modo de operación, cuando se dan las condiciones favorables. El HESS puede proporcionar potencia y energía a los hogares locales en caso de desconexión total de la red, asegurando el seguimiento de la carga con una frecuencia real y estable de 50 Hz.
• Formación de red/interruptor de seguimiento: Durante el modo de funcionamiento anterior se producen dos eventos transitorios, cuando se debe realizar la desconexión y reconexión a la red principal. Estos dos momentos son particularmente críticos y deben analizarse con una actividad de prueba específica. En particular, se debe comprobar la regularidad del suministro eléctrico de las cargas locales y la correcta conexión a la red principal (ausencia de caídas y/o huecos de tensión, desviación de frecuencia, etc.).
• Afeitado de picos (lado de la carga, también conocido como «desconexión de carga»): el HESS se puede utilizar para reducir los costos para el usuario final y el estrés en la red del DSO al reducir los picos de carga. En particular, se utilizará para reducir los costos de capacidad y evitar problemas para el DSO, mediante la reducción del consumo de energía pico en el sitio. La implementación práctica de este servicio utilizará el Sistema de gestión de energía (EMS) basado en la nube: calculará un objetivo máximo basado en lo que sucedió en el pasado y lo que se espera en el futuro. Luego, con un bucle de control de un minuto, le indicará a la batería que se descargue si es probable que la energía en un intervalo de tiempo de 15 minutos anterior exceda el pico objetivo. Además, es posible reducir los picos para la producción local de fuentes de energía renovable. En este caso, el almacenamiento se utiliza para reducir los picos de producción que no se compensan con las cargas locales.
• Aumento de la energía autoconsumida: para reducir los costos de energía y las pérdidas y congestiones de la red, el HESS se utilizará para almacenar el exceso de energía y entregarla más tarde (cuando se solicite), con el objetivo principal de explotar la producción local de energía de alto valor de la fuente solar (no inyectarla a la red). Para el usuario final puede ser económicamente ventajoso evitar inyectar energía a la red en épocas de exceso de producción solar y, más bien, almacenarla en una batería para su uso posterior. El HESS mejorará así el autoconsumo gestionando el exceso de producción solar y liberándolo posteriormente.
• Arbitraje: otro servicio muy útil desde el punto de vista del usuario final (en la reducción de los costos de energía) es comprar y vender energía estratégicamente teniendo en cuenta las fluctuaciones de precios durante el día a través del despliegue de la batería. Este servicio puede ser activado por el usuario. El HESS desarrollado utilizará EMS para realizar la lógica de gestión de energía/precio. Intentará maximizar las ganancias para el usuario final comprando barato y vendiendo caro todos los días.
• FCR: Este servicio consiste en participar en el mercado FCR de Reserva de Contención de Frecuencia. Debido al desajuste entre generación y consumo, un efecto directo sobre la señal de energía eléctrica es la desviación del valor de la frecuencia nominal. Los elementos de respuesta rápida están presentes en el sistema de generación para evitar esta desviación dentro de ciertos márgenes, mediante la modulación de la inyección de potencia activa a la red. HESS podría representar uno de estos elementos debido a su desempeño en términos de capacidad de respuesta. Tenga en cuenta que debido a la necesidad de agrupar una capacidad energética significativa para participar en los mercados de servicios auxiliares (por ejemplo, al menos 1 MW), este servicio se implementará solo a nivel de demostración.
• Energy Community: este innovador tipo de asociación tiene como objetivo compartir las fuentes de energía renovable entre sus participantes, para generar y administrar de forma independiente energía verde a costos ventajosos, reduciendo significativamente las emisiones de CO2 y el desperdicio de energía. Los HESS pueden representar elementos esenciales de la infraestructura energética de estas comunidades, debido a la flexibilidad que ofrecen en la gestión de la energía. En particular, el HESS propuesto realizará el algoritmo para la gestión general de la energía para mejorar el consumo de energía verde.

Escrito por Davide Aloisio, Francesco Sergi y Giovanni Brunaccini de CNR-ITAE

[1] Fitzgerald, Garrett, James Mandel, J.M.; Touati, y H. La economía del almacenamiento de energía en baterías: cómo las baterías multiusos ubicadas en el cliente brindan la mayor cantidad de servicios y valor a los clientes y la red 2015.