Durant els darrers 50 anys, hi ha hagut un augment continu del consum mundial d'electricitat, amb un ús estimat d'uns 25.300 terawatts-hora l'any 2021. Amb la transició cap a la indústria 4.0, hi ha un augment de les demandes d'energia a tot el món. Aquestes xifres augmenten cada any, sense incloure les necessitats energètiques dels sectors industrials i altres sectors econòmics. Aquest canvi industrial i l'alt consum d'energia s'associen amb efectes més tangibles del canvi climàtic a causa de les emissions excessives de gasos d'efecte hivernacle. Actualment, la majoria de les plantes i instal·lacions de generació d'energia depenen en gran mesura de fonts de combustibles fòssils (petroli i gas) per satisfer aquestes demandes. Aquestes preocupacions climàtiques prohibeixen la generació d'energia addicional mitjançant mètodes convencionals. Per tant, el desenvolupament de sistemes d'emmagatzematge d'energia eficients i fiables ha esdevingut cada cop més important per garantir un subministrament continu i fiable d'energia a partir de fonts renovables.
El sector energètic ha respost cap a l’energia renovable o les solucions “verdes”. La representació d’un creixement del 22% en comparació amb el 2020. La tecnologia PV solar representa ara el 3,6% de la generació d’electricitat global i actualment és la tercera font d’energia renovable més gran després de l’energia hidroelèctrica i el vent.
Tanmateix, aquests avenços no resolen alguns dels inconvenients inherents als sistemes d'energia renovable, principalment la disponibilitat. La majoria d'aquests mètodes no produeixen energia a demanda com les centrals de carbó i petroli. Les produccions d'energia solar estan disponibles durant tot el dia amb variacions en funció dels angles d'irradiació solar i la posició dels panells fotovoltaics. No pot produir energia durant la nit, mentre que la seva producció es redueix significativament durant la temporada d'hivern i en dies molt ennuvolats. L'energia eòlica també pateix fluctuacions en funció de la velocitat del vent. Per tant, aquestes solucions s'han de combinar amb sistemes d'emmagatzematge d'energia per tal de mantenir el subministrament d'energia durant els períodes de baixa producció.
Què són els sistemes d'emmagatzematge d'energia?
Els sistemes d'emmagatzematge d'energia poden emmagatzemar energia per tal de ser utilitzada en una etapa posterior. En alguns casos, hi haurà una forma de conversió d'energia entre l'energia emmagatzemada i l'energia proporcionada. L'exemple més comú són les bateries elèctriques com les bateries de ions de liti o les bateries de plom-àcid. Proporcionen energia elèctrica mitjançant reaccions químiques entre els elèctrodes i l'electròlit.
Les bateries, o BESS (sistema d'emmagatzematge d'energia en bateries), representen el mètode d'emmagatzematge d'energia més comú utilitzat en aplicacions de la vida quotidiana. Existeixen altres sistemes d'emmagatzematge, com ara les centrals hidroelèctriques, que converteixen l'energia potencial de l'aigua emmagatzemada en una presa en energia elèctrica. L'aigua que cau farà girar el volant d'inèrcia d'una turbina que produeix energia elèctrica. Un altre exemple és el gas comprimit, que en alliberar-se fa girar la roda de la turbina produint energia.
El que diferencia les bateries dels altres mètodes d'emmagatzematge són les seves possibles àrees d'operació. Des de petits dispositius i fonts d'alimentació per a automòbils fins a aplicacions domèstiques i grans parcs solars, les bateries es poden integrar perfectament a qualsevol aplicació d'emmagatzematge fora de la xarxa. D'altra banda, els mètodes d'energia hidroelèctrica i d'aire comprimit requereixen infraestructures molt grans i complexes per a l'emmagatzematge. Això comporta uns costos molt elevats que requereixen aplicacions molt grans perquè es puguin justificar.
Casos d'ús per a sistemes d'emmagatzematge fora de la xarxa.
Com s'ha esmentat anteriorment, els sistemes d'emmagatzematge fora de la xarxa poden facilitar l'ús i la dependència de mètodes d'energia renovable com l'energia solar i eòlica. No obstant això, hi ha altres aplicacions que es poden beneficiar enormement d'aquests sistemes.
Les xarxes elèctriques urbanes tenen com a objectiu proporcionar la quantitat adequada d'energia en funció de l'oferta i la demanda de cada ciutat. La potència necessària pot fluctuar al llarg del dia. S'han utilitzat sistemes d'emmagatzematge fora de la xarxa per atenuar les fluctuacions i proporcionar més estabilitat en casos de demanda màxima. Des d'una perspectiva diferent, els sistemes d'emmagatzematge fora de la xarxa poden ser molt beneficiosos per compensar qualsevol fallada tècnica imprevista a la xarxa elèctrica principal o durant els períodes de manteniment programats. Poden satisfer les necessitats d'energia sense haver de buscar fonts d'energia alternatives. Es pot citar, per exemple, la tempesta de gel de Texas a principis de febrer de 2023 que va deixar aproximadament 262.000 persones sense electricitat, mentre que les reparacions es van endarrerir a causa de les difícils condicions meteorològiques.
Els vehicles elèctrics són una altra aplicació. Els investigadors han dedicat molts esforços a optimitzar la fabricació de bateries i les estratègies de càrrega/descàrrega per tal d'allargar la vida útil i la densitat de potència de les bateries. Les bateries de ions de liti han estat a l'avantguarda d'aquesta petita revolució i s'han utilitzat àmpliament en nous cotxes elèctrics, però també en autobusos elèctrics. En aquest cas, unes millors bateries poden comportar un quilometratge més gran, però també una reducció dels temps de càrrega amb les tecnologies adequades.
Altres avenços tecnològics com els UAV i els robots mòbils s'han beneficiat enormement del desenvolupament de les bateries. Aquestes estratègies de moviment i control depenen en gran mesura de la capacitat i la potència proporcionades per la bateria.
Què és un BESS?
Un sistema d'emmagatzematge d'energia en bateria o BESS és un sistema d'emmagatzematge d'energia que es pot utilitzar per emmagatzemar energia. Aquesta energia pot provenir de la xarxa principal o de fonts d'energia renovables com l'energia eòlica i l'energia solar. Està compost per diverses bateries disposades en diferents configuracions (sèrie/paral·lel) i dimensionades segons els requisits. Estan connectades a un inversor que s'utilitza per convertir l'alimentació de CC a alimentació de CA per al seu ús. Asistema de gestió de bateries (BMS)s'utilitza per controlar les condicions de la bateria i l'operació de càrrega/descàrrega.
En comparació amb altres sistemes d'emmagatzematge d'energia, són particularment flexibles de col·locar/connectar i no requereixen una infraestructura molt cara, però tot i així tenen un cost considerable i requereixen un manteniment més regular en funció de l'ús.
Dimensionament i hàbits d'ús de BESS
Un punt crucial a abordar a l'hora d'instal·lar un sistema d'emmagatzematge d'energia en bateries és el dimensionament. Quantes bateries es necessiten? En quina configuració? En alguns casos, el tipus de bateria pot tenir un paper crucial a llarg termini pel que fa a l'estalvi de costos i l'eficiència.
Això es fa cas per cas, ja que les aplicacions poden anar des de petites llars fins a grans plantes industrials.
La font d'energia renovable més comuna per a les llars petites, especialment a les zones urbanes, és l'energia solar mitjançant panells fotovoltaics. L'enginyer, en general, consideraria el consum mitjà d'energia de la llar i avaluaria la irradiància solar al llarg de l'any per a la ubicació específica. El nombre de bateries i la seva configuració de la xarxa es trien per adaptar-se a les demandes de la llar durant el subministrament d'energia solar més baix de l'any sense esgotar completament les bateries. Això suposa una solució que tingui una independència energètica completa de la xarxa principal.
Mantenir un estat de càrrega relativament moderat o no descarregar completament les bateries és una cosa que pot semblar contraintuïtiva al principi. Al cap i a la fi, per què utilitzar un sistema d'emmagatzematge si no podem extreure'n tot el potencial? En teoria és possible, però potser no és l'estratègia que maximitza el retorn de la inversió.
Un dels principals desavantatges de les bateries BESS és el cost relativament alt de les bateries. Per tant, és essencial triar un hàbit d'ús o una estratègia de càrrega/descàrrega que maximitzi la vida útil de la bateria. Per exemple, les bateries de plom-àcid no es poden descarregar per sota del 50% de la seva capacitat sense patir danys irreversibles. Les bateries d'ions de liti tenen una densitat d'energia més alta i una vida útil de cicle més llarga. També es poden descarregar utilitzant rangs més grans, però això té un cost d'augment del preu. Hi ha una gran variació de cost entre les diferents composicions químiques, i les bateries de plom-àcid poden ser centenars o milers de dòlars més barates que una bateria d'ions de liti de la mateixa mida. És per això que les bateries de plom-àcid són les més utilitzades en aplicacions solars en països del tercer món i comunitats pobres.
El rendiment de la bateria es veu molt afectat per la degradació durant la seva vida útil, no té un rendiment constant que acabi amb una fallada sobtada. En canvi, la capacitat proporcionada pot disminuir progressivament. A la pràctica, es considera que la vida útil d'una bateria s'ha esgotat quan la seva capacitat arriba al 80% de la seva capacitat original. En altres paraules, quan experimenta una disminució de la capacitat del 20%. A la pràctica, això significa que es pot proporcionar una quantitat menor d'energia. Això pot afectar els períodes d'ús per a sistemes totalment independents i la quantitat de quilometratge que pot recórrer un vehicle elèctric.
Un altre punt a tenir en compte és la seguretat. Amb els avenços en la fabricació i la tecnologia, les bateries recents han estat en general més estables químicament. Tanmateix, a causa de la degradació i l'historial d'abús, les cel·les poden entrar en un estat de fugueig tèrmic que pot conduir a resultats catastròfics i, en alguns casos, posar en perill la vida dels consumidors.
És per això que les empreses han desenvolupat un millor programari de monitorització de bateries (BMS) per controlar l'ús de la bateria, però també per monitoritzar-ne l'estat per tal de proporcionar un manteniment oportú i evitar conseqüències agreujades.
Conclusió
Els sistemes d'emmagatzematge d'energia de la xarxa ofereixen una gran oportunitat per aconseguir la independència energètica de la xarxa principal, però també proporcionen una font d'energia de reserva durant els períodes d'inactivitat i els períodes de càrrega màxima. Aquest desenvolupament facilitaria el canvi cap a fonts d'energia més ecològiques, limitant així l'impacte de la generació d'energia sobre el canvi climàtic i, alhora, satisfent les necessitats energètiques amb un creixement constant del consum.
Els sistemes d'emmagatzematge d'energia en bateries són els més utilitzats i els més fàcils de configurar per a diferents aplicacions quotidianes. La seva alta flexibilitat es veu contrarestada per un cost relativament elevat, cosa que porta al desenvolupament d'estratègies de monitorització per allargar al màxim la vida útil respectiva. Actualment, la indústria i el món acadèmic estan fent molts esforços per investigar i comprendre la degradació de les bateries en diferents condicions.
Article relacionat:
Solucions energètiques personalitzades: enfocaments revolucionaris per a l'accés a l'energia
Maximització de les energies renovables: el paper de l'emmagatzematge d'energia de bateries
Avenços en la tecnologia de bateries per a sistemes d'emmagatzematge d'energia marina
