Almacenamiento de energía en baterías para microrredes comerciales: Cómo dimensionar y diseñar una batería BESS

Las microrredes comerciales son cada vez más comunes en fábricas, hoteles, centros de datos, granjas, parques industriales e instalaciones remotas donde el coste de la energía, la capacidad de la red y la fiabilidad del suministro eléctrico ya no son cuestiones separadas.

En muchos proyectos, la instalación no solo necesita energía de respaldo. Puede que ya cuente con paneles solares fotovoltaicos, un generador diésel y conexión a la red eléctrica, pero estos recursos funcionan de forma independiente. La función del almacenamiento de energía en baterías para microrredes comerciales es integrar estos recursos en un sistema energético más flexible.

Una microrred comercial típica puede combinar la red eléctrica, energía solar fotovoltaica, sistema de almacenamiento de energía en baterías (BESS), generador, sistema de gestión de energía (EMS) y cargas críticas. El sistema de almacenamiento de energía en baterías le permite a la microrred gestionar la energía solar, reducir los picos de demanda de la red, soportar las cargas durante los cortes de suministro, limitar el tiempo de funcionamiento del generador y responder a los cambios en la demanda de electricidad.

Para las empresas de ingeniería, adquisición y construcción (EPC) y los desarrolladores de proyectos, el principal desafío no radica en decidir si el almacenamiento de energía en baterías puede ser útil, sino en determinar cuánta batería se necesita realmente, cuánta potencia de PCS se requiere y cómo debe interactuar el sistema de almacenamiento de energía en baterías (BESS) con el resto de la microrred.

Para obtener una visión general más amplia de las aplicaciones completas del sistema, los modos de funcionamiento y los escenarios del proyecto, consulte la documentación de GSL ENERGY. soluciones de microrredes industriales y comerciales .

¿Qué papel desempeña el almacenamiento de energía en baterías en una microrred comercial?

Una microrred comercial puede operar de diversas maneras según la ubicación. Algunos proyectos permanecen conectados a la red eléctrica casi permanentemente. En estos sistemas, el sistema de almacenamiento de energía en baterías (BESS) se utiliza principalmente para el autoconsumo solar, la reducción de picos de demanda, la optimización del consumo según la hora del día y para mantener la importación de energía de la red por debajo de un límite fijo.

Otros proyectos requieren capacidad de respaldo. Si falla el suministro eléctrico, el sistema debe desconectarse de forma segura de la red y continuar alimentando las cargas seleccionadas mediante el sistema de almacenamiento de energía en baterías (BESS), la generación solar y, cuando sea necesario, un generador. Las instalaciones remotas pueden operar sin conexión eléctrica confiable. En estos casos, el almacenamiento en baterías se convierte en una parte fundamental del sistema eléctrico, equilibrando la generación fotovoltaica, la demanda de la instalación y el funcionamiento del generador durante todo el día.

Por eso, una misma batería de 1 MWh puede servir para proyectos muy diferentes. Un sistema de 1 MWh instalado en una fábrica para la reducción de picos de demanda puede diseñarse de forma muy distinta a una batería de 1 MWh utilizada en una microrred aislada con generación solar y diésel. La capacidad energética puede parecer similar sobre el papel, pero la estrategia de PCS, EMS, conmutación, protección y reserva puede ser completamente diferente.

Comience con la carga del sitio, no con la capacidad de la batería.

Un error común en las primeras etapas de los proyectos es comenzar con el tamaño del producto. Un contratista de ingeniería, adquisición y construcción (EPC) podría solicitar un sistema de almacenamiento de energía en baterías (BESS) de 500 kWh o 1 MWh antes de que se haya definido el requerimiento energético real del sitio. Un enfoque más adecuado es comenzar con el perfil de carga y determinar qué problema debe resolver la microrred.

Por ejemplo, consideremos una fábrica con una carga máxima de 700 kW pero una conexión a la red disponible de solo 500 kW. El déficit de energía inmediato es:

700 kW − 500 kW = 200 kW

Si ese intervalo normalmente dura dos horas, el requerimiento energético básico es aproximadamente:

200 kW × 2 horas = 400 kWh

Tras considerar las pérdidas por conversión, el estado de carga de reserva, la degradación de la batería y el margen operativo, un sistema de aproximadamente 500 kWh podría ser un tamaño práctico para evaluar. En otro emplazamiento, podría existir un déficit de energía de 400 kW que dure tres horas. Ese proyecto ya requeriría alrededor de 1,2 MWh antes de añadir los márgenes de diseño.

Por eso, el dimensionamiento de los sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS) siempre requiere dos cálculos separados. La potencia en kW o MW indica cuánta carga debe soportar la batería, mientras que la energía en kWh o MWh indica durante cuánto tiempo debe soportar esa carga.

¿Cuánta capacidad de almacenamiento de baterías necesita una microrred comercial?

No existe un tamaño de batería estándar para una microrred comercial, pero ciertos rangos de capacidad aparecen repetidamente en proyectos reales.

Un sistema de 100 a 300 kWh puede ser suficiente para un hotel pequeño o un proyecto solar comercial donde la batería principalmente transfiere la energía fotovoltaica diurna a la demanda nocturna. Un sistema de 500 kWh a 1 MWh es más común cuando el proyecto también necesita cubrir un déficit de energía significativo, reducir el consumo de diésel o proporcionar un respaldo limitado.

Una vez que una instalación alcanza un consumo de entre 1 y 2 MWh, el sistema de almacenamiento de energía en baterías (BESS) suele integrarse en la infraestructura eléctrica general de la instalación, en lugar de funcionar como un dispositivo de ahorro de energía independiente. Es en este punto donde el dimensionamiento del sistema de control de potencia (PCS), la capacidad del transformador, el control del sistema de gestión de energía (EMS) y la planificación de la expansión cobran mayor importancia.

La combinación de energía solar, sistema de almacenamiento de energía en baterías (BESS) y generador es una de las arquitecturas de microrred más prácticas.

Muchas microrredes comerciales se construyen en torno a la generación solar y diésel, ya que ambos recursos tienen ventajas opuestas. La energía solar produce energía a bajo costo durante el día, pero no puede abastecer la instalación por la noche. Los generadores diésel pueden funcionar en cualquier momento, pero los costos de combustible y mantenimiento son elevados. El almacenamiento en baterías se sitúa en un punto intermedio.

Durante el día, los paneles fotovoltaicos pueden alimentar la carga y cargar el sistema de almacenamiento de energía (BESS). Por la noche, la batería puede seguir alimentando la instalación sin necesidad de arrancar el generador de inmediato. Si la batería alcanza su nivel mínimo de carga operativa (SOC), el generador puede arrancar y alimentar la carga o recargar la batería según la estrategia del sistema de gestión de energía (EMS).

El resultado no es necesariamente un sistema libre de diésel. En muchas aplicaciones comerciales, el objetivo más práctico es reducir el tiempo de funcionamiento del generador y lograr que funcione de manera más eficiente.

Una arquitectura simplificada puede expresarse como:

Energía solar fotovoltaica + Red eléctrica + Generador → EMS → BESS + Cargas

El sistema de gestión de energía (EMS) determina cuándo debe cargarse la batería, cuándo debe descargarse y cuándo debe funcionar el generador. En proyectos más avanzados, también puede gestionar los límites de importación de la red, los cargos por demanda, las tarifas por franjas horarias y las prioridades de carga crítica.

GSL ENERGY soluciones de microrredes comerciales Están diseñados en torno a este tipo de arquitectura energética multisource, donde el almacenamiento en baterías se integra con la generación renovable, los generadores y las cargas del sitio, en lugar de tratarse como un dispositivo aislado.

Cómo el almacenamiento de baterías puede reducir el tiempo de funcionamiento del generador.

La reducción del consumo de diésel es una de las razones comerciales más importantes para instalar un sistema de almacenamiento de energía en baterías (BESS) en proyectos con redes eléctricas débiles y en zonas remotas. Un generador suele dimensionarse para cubrir la demanda máxima del sitio, aunque la carga máxima se produzca solo durante una breve parte del día.

Durante los periodos de baja carga, el generador puede funcionar durante muchas horas muy por debajo de su rango de máxima eficiencia. El almacenamiento en baterías modifica este patrón de funcionamiento. En lugar de mantener el generador en marcha continuamente, la microrred puede utilizar la energía solar y la de las baterías durante los periodos de menor demanda y arrancar el generador solo cuando el estado de carga de la batería, la carga o las condiciones de funcionamiento lo requieran.

Por ejemplo, una instalación comercial remota podría haber estado utilizando un generador durante 20 horas al día. Tras añadir suficiente energía fotovoltaica y almacenamiento en baterías, el generador solo necesitará funcionar durante períodos prolongados de baja radiación solar, en momentos de demanda excepcionalmente alta o cuando la batería alcance su nivel mínimo de reserva.

El ahorro exacto de combustible siempre debe calcularse a partir de la curva de eficiencia real del generador, el precio del combustible, el recurso solar, la carga del sitio y la estrategia de operación de la batería. Una propuesta de proyecto creíble no debe aplicar un porcentaje de ahorro de combustible universal a todos los sitios.

Sin embargo, el principio de funcionamiento es claro: un menor número de horas de funcionamiento del generador puede reducir el consumo de combustible, los intervalos de mantenimiento y el desgaste de los equipos.

Proyectos reales de microrredes demuestran por qué el diseño del sistema es importante.

La mejor manera de comprender el almacenamiento de energía en baterías para microrredes comerciales es observar cómo diferentes proyectos utilizan las mismas tecnologías básicas de distintas maneras.

En Yemen, GSL ENERGY apoyó un proyecto de infraestructura hídrica que utilizó aproximadamente 2,49 MWh de almacenamiento en baterías de alto voltaje, múltiples inversores híbridos de 80 kVA, un gran conjunto fotovoltaico y gestión energética basada en EMS. El sistema se diseñó teniendo en cuenta las condiciones de la red eléctrica, que presentaban limitaciones, y la necesidad de mantener un funcionamiento fiable para la infraestructura hídrica crítica.

En Sabah, Malasia, una minirred solar de almacenamiento de 50 kW / 120 kWh abastece a una comunidad rural de 45 viviendas. Si bien la capacidad es mucho menor, el principio de funcionamiento es similar: la generación solar, el almacenamiento en baterías y las cargas locales se coordinan como un solo sistema en lugar de gestionarse por separado.

Otro proyecto energético remoto en la Amazonía peruana utiliza aproximadamente 500 kWh de almacenamiento en baterías en una ubicación que requirió varios días de transporte fluvial para llegar al sitio del proyecto. En proyectos como este, la logística, la simplicidad de la instalación, el monitoreo remoto y la confiabilidad del sistema pueden ser tan importantes como la capacidad nominal de la batería.

Estos proyectos ilustran por qué una microrred comercial no puede diseñarse únicamente en función de la capacidad de las baterías. El clima, el transporte, la calidad de la red eléctrica, la estrategia de generación, las condiciones del servicio local y los recursos solares pueden influir en la arquitectura final del sistema.

El sistema modular BESS facilita la expansión futura.

La demanda de electricidad comercial rara vez se mantiene constante. Una fábrica puede añadir una nueva línea de producción, un hotel puede instalar más cargadores para vehículos eléctricos, un centro de datos puede habilitar otra sala de servidores o una instalación remota puede aumentar su capacidad fotovoltaica tras el primer año de funcionamiento.

Para este tipo de proyectos, el almacenamiento modular de baterías puede reducir la necesidad de instalar la capacidad final para cinco años el primer día.

Un armario C&I de clase 125 kW / 261 kWh, por ejemplo, puede ilustrar la lógica básica de escalado:

Este tipo de arquitectura puede ser útil para emplazamientos industriales donde se prevé un aumento de la carga en el futuro. Sin embargo, la expansión debe planificarse desde el principio.

El EPC debe confirmar si el transformador, el cuadro de distribución, la arquitectura del PCS, el EMS y la conexión del emplazamiento admitirán capacidad de batería adicional en el futuro. Añadir armarios es sencillo únicamente cuando el resto del diseño eléctrico ya contempla una futura expansión.

Las microrredes conectadas a la red eléctrica y las microrredes aisladas requieren diseños diferentes.

Una microrred comercial conectada a la red eléctrica puede depender de la red de servicios públicos para la referencia de voltaje y frecuencia durante su funcionamiento normal. Un sistema aislado no puede hacerlo, lo que modifica tanto la selección del sistema de control de potencia como la estrategia de control.

En una microrred aislada, el sistema de baterías puede necesitar establecer la tensión y la frecuencia locales, coordinar el arranque y la parada del generador y mantener un funcionamiento estable a medida que cambian la generación fotovoltaica y las cargas.

Por lo tanto, los EPC deben confirmar más que la capacidad de la batería. Algunas preguntas importantes sobre el diseño pueden incluir:

• Modo de funcionamiento del PCS
• Capacidad de formación de cuadrícula donde sea necesario
• Estrategia de transferencia
• Requisitos de STS o ATS
• Capacidad de arranque en negro
• Comunicación del generador
• Reserva mínima SOC
• Prioridades en los cortes de suministro eléctrico

Nunca se debe asumir que un sistema diseñado únicamente para la reducción de picos de demanda en la red eléctrica admite un funcionamiento totalmente fuera de la red sin confirmar estos requisitos.

Qué deben proporcionar los EPC antes de solicitar un presupuesto para un sistema de almacenamiento de energía en baterías (BESS) para microrredes.

La calidad de la propuesta final del sistema de almacenamiento de energía en baterías (BESS) suele depender de la calidad de la información del proyecto proporcionada al principio.

Con esta información, el proveedor de baterías puede evaluar el proyecto como un sistema energético en lugar de simplemente cotizar un gabinete estándar.

¿Qué más deberían comparar los compradores además del precio de la batería?

Los proyectos de microrredes comerciales rara vez se deciden únicamente por el precio de la batería. Una batería de bajo costo puede resultar costosa si el contratista de ingeniería, adquisición y construcción (EPC) descubre posteriormente que el proveedor no puede proporcionar el protocolo de comunicación, la interfaz del generador, la documentación del sistema de gestión de energía (EMS) o el soporte para la puesta en marcha necesarios.

Para la adquisición de microrredes, los compradores también deben comparar:

• Compatibilidad con PCS
• Capacidad de conexión a la red y de funcionamiento fuera de la red.
• Funciones de los servicios médicos de emergencia
• Integración del generador
• protección contra incendios
• Diseño de refrigeración
• protocolos de comunicación
• Proceso de dar un título
• Documentación técnica
• Apoyo a la puesta en marcha
• Monitoreo remoto
• Garantía
• Soporte posventa local

Esto es especialmente importante para proyectos de entre 500 kWh y 5 MWh. A este tamaño, el sistema de almacenamiento de energía en baterías (BESS) pasa a formar parte de la infraestructura eléctrica de la planta, por lo que el riesgo de integración suele ser más importante que el coste aproximado por kilovatio-hora.

Las microrredes comerciales se están convirtiendo en una decisión de infraestructura energética.

Los proyectos de microrredes comerciales más potentes ya no se instalan por una sola razón. Una fábrica puede necesitar más energía de la que la red local puede proporcionar actualmente. Un hotel puede querer utilizar más energía solar propia. Un centro de datos puede necesitar mayor resiliencia. Una granja puede estar intentando reducir el consumo de diésel.

El almacenamiento de energía en baterías puede contribuir a todos estos objetivos, pero solo si se integra en el sistema eléctrico general. Esa es la principal diferencia entre comprar una batería y construir una microrred.

Una microrred comercial bien diseñada combina Generación + Almacenamiento + Red + Generador + Control y determina cómo debe utilizarse cada recurso a lo largo del día.

Para empresas de ingeniería, adquisición y construcción (EPC), desarrolladores y empresas que necesitan un enfoque integral a nivel de sistema, explore las soluciones de GSL ENERGY. soluciones de microrredes industriales y comerciales Para aplicaciones conectadas a la red, de respaldo y fuera de la red.

¿Está planificando un proyecto comercial de almacenamiento de energía en baterías para microrredes?

Para una evaluación técnica inicial, prepare la siguiente información del proyecto:

País | Aplicación | Carga máxima | Capacidad de la red | Capacidad fotovoltaica | Carga crítica | Duración de la reserva | Capacidad del generador | Tensión del emplazamiento | Expansión prevista

Estos datos permiten evaluar la potencia requerida del sistema de control de la alimentación (PCS), la capacidad de la batería, la duración de funcionamiento, la arquitectura conectada a la red o aislada, la estrategia de generación y la expansión futura.

El sistema de almacenamiento de energía en baterías (BESS) adecuado debe seleccionarse en función de los requisitos operativos de la instalación, no de una capacidad de batería preferida.