29 junio 2021

Baterías: cómo maximizar su uso con un dimensionamiento, gestión y explotación adecuados

Jesús La Parra

Baterías: cómo maximizar su uso con un dimensionamiento, gestión y explotación adecuados

Baterías, las navajas suizas del sistema eléctrico

Las baterías, especialmente las de ion Li, se están haciendo un hueco en el sector eléctrico gracias al amplio rango de servicios energéticos que pueden ofrecer en todos los niveles de tensión. Adicionalmente, ayudan a electrificar sectores de la economía no vinculados al eléctrico para posteriormente descarbonizarlos (movilidad).

Además de los servicios asociados a la generación (despacho en mercados óptima, arbitraje energético), consumo (gestión de la demanda) y los servicios de ajuste común a ambos, permiten nuevos modelos de negocio y servicios energéticos como pueden ser la agregación de recursos distribuidos para proveer flexibilidad con el consiguiente retraso en las inversiones en activos de red o los servicios Vehicle to Grid (V2G).

Servicios asociados al almacenamiento energético en baterías [1]

Una regla de oro para las baterías es que debe maximizarse su uso y combinar distintas aplicaciones y servicios para que sean viables económicamente. Así, para todas las aplicaciones es clave realizar un dimensionamiento adecuado de las baterías por su elevado coste de inversión (CAPEX) combinando tres factores interrelacionados entre sí:

  • Potencia de la batería
  • Energía, potencia proporcionada durante un tiempo determinado
  • Tiempo de carga y descarga (C-rate)

Cada aplicación tendrá unas casuísticas y un enfoque a potencia (menor duración de entrega de potencia y por tanto menos energía almacenable) o a energía (mayor tiempo de entrega de potencia y más energía almacenable).

Marco operativo de los sistemas de almacenamiento y aplicaciones [2]

Debe evitarse por lo tanto un sobredimensionamiento y optar por una estrategia óptima de operación, mantenimiento y gestión de activos, puesto que los costes son decrecientes gracias al aprendizaje tecnológico y a la economía de escala.

Degradación de las baterías durante su explotación

Durante la explotación de las baterías, éstas se degradarán tanto por efecto calendario como por ciclado, activando diversos mecanismos de degradación de la celda como se resumen en la siguiente figura.

Modos y mecanismos de degradación en una celda de ion Li [3]

Éstos implican una pérdida parcial de capacidad, la disminución de material activo en los electrodos y en el electrolito, y un incremento de resistencia interna que disminuye la eficiencia de los ciclos de carga-descarga.

Existen además varios efectos causales que favorecen dichos mecanismos de degradación y aceleran el proceso (ver diagrama de bloques):

  • Temperaturas extremas que deforman ánodo incluso provocando liberación de gases y promueven la formación de dendritas.
  • La aplicación de altas velocidades de carga-descarga (C-rate) con elevadas intensidades.
  • La profundidad de descarga alcanzada durante el ciclado (Depth of Discharge, DoD).
  • La frecuencia de sobre cargas (elevado State of Charge SoH) y sobe descargas (mínimo SoC)

Relación entre casusa raíz, mecanismos de degradación y efectos medibles en una cela de ion Li [3]

Gestión de activos, recambios y garantía

Como se ha comentado, no interesa sobredimensionar un sistema de almacenamiento energético de baterías por su elevado CAPEX actual. Lo óptimo pasa por hacer un dimensionamiento ajustado a los servicios y aplicaciones a la que se vaya a destinar la batería, y hacer una correcta gestión del mantenimiento (implementando monitorización predictiva), aplicar estrategias de gestión de recambios óptimas (coste de módulos decreciente) y hacer un seguimiento de la garantía del fabricante.

Las garantías aseguran un rendimiento óptimo para ciertas condiciones de ciclado a nivel de laboratorio, especificándose el C-rate carga/descarga, la temperatura y la profundidad de descarga DoD. Por lo tanto, se recomienda aplicar soluciones de simulación y modelado para hacer un seguimiento del uso de la batería para estimar su degradación y State of Health (SoH) asociado, así como su vida remanente antes de alcanzar su End-of-Life (EoL).

Para todo ello deberían establecerse zonas de operación:

  • Zona de operación permitida
  • Zonas de operación limitada por cuestiones de seguridad y sólo aplicables ante retornos económicos del ciclado muy favorables (por ejemplo, ante picos de recios en mercados de electricidad)
  • Zonas prohibidas por impacto en el SoH, la no cobertura de la garantía y su riesgo inherente.

Zonas operativas en una batería de ion Li [4]

Tanto para el dimensionamiento de los sistemas de almacenamiento de baterías en distintas aplicaciones, como para su explotación posterior son muy útiles las tecnologías relacionadas con modelos de simulación para la parte de planificación técnica y económica, y los Digital Twins con un mayor detalle para la etapa de operación, mantenimiento y explotación económica.

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Referencias

  1. Rocky Mountain Institute, The Economics of Battery Energy Storage https://rmi.org/wp-content/uploads/2017/03/RMI-TheEconomicsOfBatteryEnergyStorage-FullReport-FINAL.pdf
  2. Electric Power Research Institute (EPRI)
  3. Battery Degradation Scientifically Explained – EV Battery Tech Explained
  4. Webinar Battery Warranty Tracking for Energy Storage (Nuvation)

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