eléctrica para la gestión de los picos de demanda e integración de

almacenamiento energético
AEG POWER SOLUTIONS IBÉRICA
Sistema de almacenamiento de energía en la red
eléctrica para la gestión de los picos de
demanda e integración de renovables
El objetivo del proyecto SAGER es desarrollar un sistema de almacenamiento de energía
eficiente, seguro y económico. Por ello, son necesarios convertidores de gran potencia y muy
alta eficacia, un sistema de almacenamiento energético asequible y un sistema de gestión de la
energía flexible y eficiente.
El reto
En los últimos años, se han producido cambios significativos en la forma en que se genera y suministra la electricidad. La demanda está aumentando, las normativas están
experimentando cambios y las renovables
están cobrando cada vez más importancia.
Dichos cambios obligan a la red eléctrica
pública a adaptarse para dar respuesta, en
particular, a la creciente demanda de las
energías renovables. Han surgido nuevos
retos en cuanto a la estabilización y nivelación de la red eléctrica en un contexto donde el suministro de las fuentes renovables
ha evolucionado con el paso del tiempo.
Para ofrecer la flexibilidad necesaria a la
red eléctrica, entra en juego un elemento
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clave: el almacenamiento de la energía. Este
factor permite que el consumo de energía
se desligue de su proceso de generación y,
en consecuencia, mejore la calidad, la estabilidad y la fiabilidad del suministro.
Hasta el momento, la mayoría de esos
sistemas de almacenamiento solo se encontraban en fases tempranas de desarrollo y su aplicación comercial se limitaba
únicamente a su instalación de bombeo
hidráulico.
Descripción general de la solución
Recientemente, se ha llevado a cabo un
proyecto en España para satisfacer la demanda de los sistemas de almacenamiento de energía mediante el desarrollo de
un nuevo tipo de estación de almacenamiento de energía con grandes baterías
para almacenar hasta 600 kWh y con la
capacidad de suministrar una potencia de
500 kW.
A este proyecto se le ha denominado
“SAGER”, un Sistema de Almacenamiento
de Energía a Gran Escala para la red eléctrica, fruto de la colaboración entre AEG
Power Solutions Ibérica, la empresa española de servicios básicos Iberdrola Ingeniería y Construcción y la corporación de
innovación tecnológica Tecnalia.
El sistema incluye los últimos componentes de la gama de sistemas energéticos avanzados de AEG Power Solutions,
diseñados para aplicaciones de almacenamiento energético y de integración de
renovables. Su combinación permite el
funcionamiento “Grid Friendly®” de un
sistema de almacenamiento de energía
completo, en el que se incluye lo siguiente: baterías de plomo; la tecnología MoniStore, un exclusivo sistema inalámbrico
de control de celdas de la batería; la tecnología Protect SC, un convertidor bidireccional de almacenamiento de energía apto
para distintos tipos de baterías que estabiliza y nivela la red eléctrica; y una unidad
de supervisión local, que sería el equivalente al “centro neurálgico” de las tareas de
supervisión del sistema.
La iniciativa de I+D SAGER cuenta con
un presupuesto de un millón de euros y
el respaldo de GAITEK, un programa de la
Agencia Vasca de Desarrollo Empresarial
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almacenamiento energético
(SPRI) para respaldar las iniciativas de I+D y
el programa de la ciudad de Vitoria.
Aplicación y objetivos
La principal aplicación del sistema SAGER
consiste en rebajar los patrones de consumo de la subestación reduciendo los picos
de demanda mediante la energía almacenada en horario nocturno, durante el cual
la demanda se ve reducida, e inyectando
dicha energía a la red eléctrica durante las
horas en que se producen los picos de demanda. Este proceso logra que se mejore
el funcionamiento de la red eléctrica, se
optimice el rendimiento de los transformadores y se retrasen las inversiones derivadas del incremento en el consumo.
Actualmente, los elevados costes de las
baterías suponen una de las barreras más
infranqueables para el sistema de almacenamiento energético. Por este motivo, el
objetivo principal del proyecto SAGER es
demostrar la viabilidad económica a corto
plazo de la tecnología.
Asimismo, el proyecto se centra en desarrollar y demostrar los elementos técnicos
más importantes de la solución, entre los
que se incluyen el propio módulo de almacenamiento energético, los sistemas electrónicos de alimentación para su conexión
a la red eléctrica y el sistema de gestión
energética optimizada (EMS, por sus siglas
en inglés) para controlar los procesos de
carga y descarga.
El sistema SAGER
Este sistema se ha desarrollado en las instalaciones del Centro de Trasformación
(CT) denominada “Arquímedes”, propiedad de Iberdrola y situada en el Polígono
Industrial de Júndiz (Vitoria). Además, ha
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Figura 1. Diseño del sistema SAGER.
supuesto la construcción de dos pequeños
edificios prefabricados: uno alberga la batería, mientras que en el otro se ubica el
sistema de supervisión, comunicaciones y
conversión de energía.
En dicho CT Arquímedes suelen producirse saturaciones en el suministro de
energía durante las horas pico, además
de problemas relacionados con la calidad
del suministro. Por esto último, la subestación en cuestión se ha convertido en el
lugar apropiado para que el sistema se someta a las pruebas más exigentes en un
entorno real.
Basado en el concepto modular, el diseño de dicho sistema permite que el EMS
pueda controlar las baterías y el sistema de
conversión de energía (PCS, por sus siglas
en inglés). Dicho EMS aplica la estrategia
más adecuada a la hora de utilizar la capacidad del sistema almacenamiento instalado, para que, de tal manera, las baterías
ofrezcan el mayor rendimiento. Este proceso se puede llevar a cabo en las propias
instalaciones al lado del CT o por instrucción del gestor de la red eléctrica, de tal
manera que es posible usar un conjunto
de sistemas SAGER distribuidos en coordinación unos con otros.
El diseño se basa en la instalación de edificios prefabricados estándar, uno para las
baterías y otro para el sistema de conversión de energía y el controlador.
Este sistema incluye el convertidor bidireccional Protect SC.600 de 600 kW de
AEG Power Solutions. Su transistor bipolar
de puerta aislada (IGBT, por sus siglas en
inglés) es un dispositivo bidireccional que
funciona en cuatro cuadrantes y permite
una flexibilidad total a la hora de gestionar
la potencia activa y reactiva.
El convertidor proporciona un rendimiento del 98,4 %, ofrece un rango de tensión
de CC de 420 V a 1000 V y opciones de
comunicación flexibles, entre las que se
incluyen RS485, RS232, CAN, Ethernet,
Modbus, Profibus y CANopen. En el sistema SAGER, la potencia se limita a 125 kW,
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almacenamiento energético
Figura 2. Plano de los armarios de baterías.
a fin de cumplir con los requisitos de conexión en tensión baja de este Centro de
Transformación.
Baterías y almacenamiento de la
energía
La experiencia de AEG Power Solutions
en la definición de baterías fue clave en
el proyecto. A raíz de las simulaciones con
datos reales y operativos realizadas en la
subestación Arquímedes, AEG Power Solutions Ibérica ajustó las dimensiones del
sistema de almacenamiento con objeto de
minimizar los costes de inversión y adaptarse a las necesidades del usuario.
Gracias a toda esta información, pudo
determinar un tipo óptimo de elemento de
plomo, implantar la configuración de circuitos en serie y más apropiada y concretar
la distribución física del conjunto del sistema: en este caso, 300 celdas de 1000 Ah
(figura 2).
Las baterías incluyen la tecnología de
gel tubular TGI. Con su diseño compacto,
sellado y que no necesita mantenimiento,
estas baterías destacan por su solidez y su
capacidad para hacer frente a descargas
críticas. Ofrecen un rendimiento del 85 %,
cuentan con un larga vida útil (de 15 a 20
años o de 2000 a 6000 ciclos), requieren
un mínimo mantenimiento y tienen un
bajo nivel de autodescarga.
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Se ha desarrollado también un innovador sistema de gestión de baterías (BMS,
por sus siglas en inglés) que se basa en la
tecnología inalámbrica ZigBee. Cada celda
de la batería lleva un sensor integrado que
se comunica de forma inalámbrica con un
elemento central. Por consiguiente, ya es
posible prescindir del extenso cableado
que usan los sistemas convencionales, por
lo que el sistema resulta más fiable y sencillo de usar e implica menos costes.
El sistema BMS puede hacer un seguimiento continuo e individual de más de
300 celdas conectadas en serie, por lo que
es más fácil controlar exhaustivamente
el estado de las celdas e implementar un
sistema de mantenimiento predictivo. Los
sensores inalámbricos, que reciben energía
de las celdas, utilizan una potencia inferior
a 1 W y funcionan con una precisión de
±2,5 mV y ± 1 °C.
Figura 3. Patrones de demanda de la subestación
Arquímedes.
Resultados
En estos momentos, se están llevando a
cabo pruebas de campo de este sistema.
El gráfico de la figura 3 muestra los datos
de consumo de la subestación Arquímedes y
con ellos se pretende destacar que se puede
reducir el pico de consumo (línea azul) con
la energía almacenada en las horas en que
no se producen picos. Para ello, el equipo de
trabajo ha establecido unos umbrales bajos
(en verde) y unos umbrales altos (en rojo)
que representan los límites de carga y descarga de las baterías. Violeta: se corresponde
con la potencia suministrada o absorbida por
la batería. Azul claro: estado de carga de la
batería (SOC, por sus siglas en inglés).
Conclusiones
El objetivo del proyecto SAGER es desarrollar
un sistema de almacenamiento de energía
eficiente, seguro y económico. Por ello, son
necesarios convertidores de gran potencia y
muy alta eficacia, un sistema de almacenamiento energético asequible y un sistema de
gestión de la energía flexible y eficiente.
Este sistema de almacenamiento energético logra que el consumo del CT se adapte mejor a los consumos que atiende, al
reducir los picos de demanda mediante la
energía que se ha almacenado durante el
horario nocturno en el que no se producen
picos. Además, consigue que los transformadores funcionen de una forma más eficiente y se retrasen las inversiones que se
hacen necesarias cuando el consumo se ve
incrementado.
Dicho sistema dispone de una gran variedad de aplicaciones para la red eléctrica
de todo el mundo y puede desempeñar un
papel esencial a la hora de integrar las renovables en las redes de generación y distribución de electricidad 
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