Cómo dimensionar un sistema de almacenamiento de energía comercial e industrial: explicación de la potencia, la capacidad y el tiempo de funcionamiento.

En nuestro artículo anterior, "¿Qué es comercial y Almacenamiento de energía industrial (C&I ESS)? – Una guía completa de preguntas y respuestas”, GSL ENERGY presentó los fundamentos del almacenamiento de energía para el sector comercial e industrial. Una vez comprendidos los conceptos básicos, la siguiente pregunta práctica es: ¿Cómo se debe dimensionar un sistema de almacenamiento de energía comercial e industrial? En este artículo, GSL ENERGY, fabricante profesional de sistemas de almacenamiento de energía para el sector comercial e industrial, analiza en detalle los factores clave y los métodos de cálculo involucrados en el dimensionamiento del sistema.

Dimensionar un sistema de almacenamiento de energía para uso comercial e industrial es más complejo que simplemente seleccionar una potencia nominal y la capacidad de la batería. Requiere evaluar el perfil de carga del sitio, los objetivos operativos, las condiciones de interconexión a la red, la generación de energía renovable in situ y la duración requerida del suministro de energía de respaldo.

Es fundamental dimensionar correctamente el sistema. Si el sistema es insuficiente, es posible que no reduzca eficazmente los picos de demanda ni soporte las cargas críticas durante el período requerido. Si es excesivo, el proyecto requerirá una mayor inversión inicial, y parte de la capacidad de la batería podría permanecer infrautilizada durante largos períodos.

Esta guía ayuda a los contratistas de EPC y a los desarrolladores de proyectos a estimar la potencia requerida del PCS, la capacidad de la batería y la duración del sistema antes de solicitar una propuesta detallada de almacenamiento de energía.

Comience con el objetivo del proyecto.

Una misma instalación puede requerir configuraciones de batería muy diferentes según las expectativas del propietario. Antes de seleccionar el equipo, defina el caso de uso principal y priorice los objetivos secundarios.

Los objetivos comunes de almacenamiento de energía para el sector comercial e industrial incluyen:

• reducción de la demanda máxima y los cargos por demanda;
• trasladar el consumo de electricidad de los períodos de precios altos a los de precios bajos;
• aumentar el consumo de energía solar in situ;
• mantener las operaciones críticas durante los cortes de la red eléctrica;
• limitar la energía extraída de una conexión a la red eléctrica con capacidad limitada;
• compatible con la carga de vehículos eléctricos u otras cargas de alta potencia;
• participar en la respuesta a la demanda u otros servicios de la red eléctrica;
• Estabilización de una microrred con generación renovable intermitente.

Una batería diseñada principalmente para picos de demanda puntuales puede necesitar una capacidad de alimentación relativamente alta, pero una capacidad energética limitada. Un sistema destinado a proporcionar varias horas de energía de respaldo normalmente requerirá mucha más capacidad de batería, incluso si su potencia nominal es similar.

Comprenda la diferencia entre kW y kWh.

Potencia y energía describen dos partes diferentes de un sistema de almacenamiento de energía en baterías.

Los kilovatios (kW) indican la cantidad de energía que el sistema puede cargar o descargar en un momento dado. Esta capacidad suele estar determinada por la carga máxima de la instalación, el límite de la red eléctrica y la fluctuación máxima de potencia prevista.

Los kilovatios-hora (kWh) indican cuánta energía puede almacenar y suministrar la batería a lo largo del tiempo. Esto determina cuánto tiempo puede el sistema mantener la potencia requerida.

Por ejemplo, un sistema de 125 kW/261 kWh puede suministrar hasta 125 kW en sus condiciones de funcionamiento nominales. Al dividir 261 kWh entre 125 kW, se obtiene una duración nominal de aproximadamente 2,1 horas. El tiempo de funcionamiento real se verá afectado por la profundidad de descarga útil, la eficiencia de conversión, la temperatura de funcionamiento, los ajustes de reserva y los controles del sistema.

Por lo tanto, ambos valores deben calcularse de forma independiente.

Información necesaria antes de determinar el tamaño de un C&I BESS

La calidad del diseño del sistema depende de la calidad de los datos del sitio. Idealmente, el equipo del proyecto debería recopilar al menos 12 meses de registros de consumo eléctrico y datos de intervalos con una resolución de 15 o 30 minutos.

• El conjunto de datos inicial debe incluir:
• consumo mensual de electricidad;
• la demanda máxima y el método utilizado por la empresa de servicios públicos para calcularla;
• curvas de carga para días laborables y fines de semana;
• variaciones estacionales de la carga;
• tarifas de electricidad y periodos de consumo según la hora del día;
• Capacidad solar fotovoltaica existente o planificada;
• Datos de producción y exportación de energía solar, cuando estén disponibles;
• capacidad de conexión a la red;
• listas de cargas críticas y no críticas;
• duración prevista de la copia de seguridad;
• Área de instalación disponible y condiciones ambientales;
• líneas de producción planificadas, cargadores u otras cargas futuras.

Las facturas mensuales de electricidad por sí solas rara vez muestran cuánto dura un pico de demanda. Los datos por intervalos son particularmente importantes para decidir si una instalación requiere un sistema de baterías de corta duración, de dos o cuatro horas.

Paso 1: Calcular la potencia PCS requerida

El sistema de conversión de energía debe ser capaz de responder a la potencia de carga y descarga requerida por la instalación. El método adecuado depende de la aplicación.

Potencia PCS para afeitado máximo

Para un proyecto de reducción de picos de demanda, el requisito preliminar de potencia de descarga se puede calcular de la siguiente manera:

Potencia de descarga requerida (kW) = Carga máxima del sitio − Demanda de la red objetivo

Si una fábrica alcanza los 320 kW y quiere mantener la demanda de la red por debajo de los 200 kW:

320 kW − 200 kW = 120 kW

Por lo tanto, el sistema de almacenamiento debe ser capaz de suministrar al menos 120 kW durante los periodos de máxima demanda. Un sistema de almacenamiento de energía de 125 kW sería una opción técnicamente adecuada, previa revisión detallada de las fluctuaciones de carga, el tiempo de respuesta y la reserva operativa.

Alimentación PCS para funcionamiento de respaldo

Para el suministro de energía de respaldo, sume los requerimientos de energía simultánea de todas las cargas críticas. Los motores, bombas, compresores y equipos de climatización pueden consumir corrientes de arranque elevadas, por lo que deben revisarse sus características de arranque en lugar de basarse únicamente en la potencia nominal de funcionamiento.

Si la carga crítica total es de 90 kW, el sistema de control de potencia (PCS) debe soportar continuamente al menos esa carga. Es posible que se requiera un margen adicional para la potencia de arranque, los cambios de carga y futuras ampliaciones.

Sistemas de alimentación PCS para la gestión de energía solar

En los proyectos de autoconsumo solar, el sistema de almacenamiento de energía debe absorber el excedente de energía fotovoltaica previsto sin superar su límite de carga. El equipo del proyecto debe comparar la potencia exportada al mediodía, el tiempo de carga de la batería y la demanda vespertina del emplazamiento.

Instalar una mayor capacidad de batería sin la potencia de carga suficiente puede impedir que la batería capture el excedente de energía solar disponible dentro del plazo requerido.

Paso 2: Calcular la capacidad de batería requerida

Una vez que se conoce el requerimiento de energía, calcule cuánto tiempo debe la batería mantener esa salida.

Un cálculo básico de energía es:

Energía suministrada requerida (kWh) = Potencia requerida (kW) × Duración de funcionamiento (horas)

Si el sistema debe suministrar 120 kW durante dos horas:

120 kW × 2 horas = 240 kWh

Sin embargo, 240 kWh es la energía suministrada requerida, no necesariamente la capacidad nominal de la batería. Un diseño realista debe tener en cuenta la profundidad de descarga útil y la eficiencia del sistema.

Capacidad nominal requerida = Energía suministrada requerida ÷ (Profundidad de descarga útil × Eficiencia del sistema)

Utilizando supuestos de planificación preliminares de una profundidad de descarga útil del 90 % y una eficiencia del sistema del 92 %:

240 kWh ÷ (0,90 × 0,92) = aproximadamente 290 kWh

Estos porcentajes son ejemplos para estimaciones iniciales. Los cálculos finales deben basarse en los datos certificados, las condiciones de garantía y los límites de funcionamiento de la batería y el PCS seleccionados.

Paso 3: Elija la duración de almacenamiento adecuada.

La duración del almacenamiento es la relación entre la capacidad energética de la batería y la potencia de descarga. La duración adecuada viene determinada por la duración del problema empresarial que la batería debe resolver.

Un sistema de cuatro horas no es automáticamente mejor que uno de dos horas. La batería debe estar alineada con la curva de carga real y el cronograma de despacho. Si el pico de demanda de la instalación dura solo 45 minutos, una batería de cuatro horas puede dejar una gran parte de su capacidad sin usar, a menos que también realice arbitraje de energía, respaldo o cambio de energía renovable.

Paso 4: Contabilizar la capacidad utilizable y la reserva operativa.

La capacidad nominal impresa en las especificaciones de una batería no siempre coincide con la energía disponible para la carga. El diseñador del sistema debe distinguir entre:

• capacidad nominal de la batería;
• capacidad útil de la batería;
• energía disponible después de las pérdidas por PCS y auxiliares;
• reserva de emergencia mantenida por los servicios médicos de emergencia;
• capacidad disponible al final del período del proyecto.

Para instalaciones que requieren energía de respaldo, el sistema de gestión de energía (EMS) puede mantener un nivel mínimo de carga en lugar de utilizar toda la batería para optimizar la tarifa diaria. Por ejemplo, reservar el 20 % de la batería para cortes de energía reduce la energía disponible para la reducción de picos de demanda durante el funcionamiento normal.

Por lo tanto, la estrategia de control debe tenerse en cuenta durante el dimensionamiento, y no añadirse después de que se haya seleccionado el equipo.

Paso 5: Considerar la degradación y la expansión futura.

La capacidad de la batería disminuye gradualmente con el paso del tiempo y los ciclos de carga y descarga. Un sistema dimensionado solo para su primer año podría dejar de cumplir con los requisitos de autonomía total más adelante en el proyecto.

• La revisión del diseño debe tener en cuenta lo siguiente:
• la capacidad requerida al final del período de garantía;
• ciclos esperados por día;
• profundidad media y máxima de descarga;
• temperatura de funcionamiento;
• carga y descarga de energía;
• la garantía de capacidad residual del fabricante;
• si la futura ampliación es técnica y comercialmente viable.

La planificación de la expansión también es importante para fábricas en crecimiento, complejos comerciales y estaciones de carga para vehículos eléctricos. Un sistema modular puede simplificar las futuras ampliaciones de capacidad, pero es necesario evaluar con antelación la compatibilidad entre los grupos de baterías antiguos y nuevos, los límites de PCS, la capacidad de los interruptores y la distribución del sitio.

Ejemplo práctico: dimensionamiento de un sistema de reducción de picos de producción en una fábrica.

Consideremos una fábrica con los siguientes datos preliminares:

• Demanda máxima registrada: 320 kW;
• Demanda objetivo de la red: 200 kW;
• Duración típica del pico: dos horas;
• No se incluyó ninguna reserva de respaldo en el primer cálculo;
• Profundidad de descarga útil preliminar: 90%;
• Eficiencia preliminar del sistema: 92%.

1. Calcular la potencia de descarga

320 kW − 200 kW = 120 kW

El sistema de alimentación de componentes (PCS) debe suministrar al menos 120 kW, por lo que un sistema de 125 kW es un punto de partida lógico.

2. Calcular la energía suministrada

120 kW × 2 horas = 240 kWh

3. Ajustar para obtener una profundidad y eficiencia útiles.

240 kWh ÷ (0,90 × 0,92) = aproximadamente 290 kWh de capacidad nominal

En este escenario simplificado, un sistema de 261 kWh podría controlar el pico completo de 120 kW durante menos de dos horas, o bien cumplir el objetivo si la carga real disminuye durante el período pico. Un sistema de 418 kWh proporciona un mayor margen energético y también puede servir como reserva de respaldo, para un control de picos más prolongado o para un futuro aumento de la carga.

La elección final debe validarse simulando el perfil de carga del intervalo completo, en lugar de utilizar únicamente el valor máximo de demanda.

125 kW/261 kWh o 125 kW/418 kWh: ¿qué configuración se ajusta mejor?

GSL ENERGY ofrece configuraciones comerciales e industriales con refrigeración líquida que pueden evaluarse en función de diferentes duraciones de carga y objetivos operativos.

Los desarrolladores del proyecto pueden revisar el Sistema de almacenamiento de energía refrigerado por líquido de 125 kW/261 kWh y el Sistema de almacenamiento de energía en baterías (BESS) refrigerado por líquido de 125 kW/418 kWh como configuraciones de referencia. La selección del producto debe seguir basándose en datos eléctricos y operativos específicos del proyecto.

Dimensionamiento para el autoconsumo solar

Para un proyecto de energía solar con almacenamiento, comience con la energía fotovoltaica que de otro modo se exportaría o se desperdiciaría.

Una estimación preliminar de la capacidad diaria es:

Capacidad útil de la batería requerida = Energía solar excedente diaria destinada al almacenamiento

Supongamos que una planta comercial exporta aproximadamente 300 kWh entre la mañana y la tarde, mientras que las operaciones nocturnas pueden consumir la misma cantidad. Se podría considerar una batería con una capacidad útil de unos 300 kWh antes de ajustar las pérdidas por conversión, la configuración de reserva y las variaciones estacionales.

La potencia de carga del PCS también debe ser suficiente. Si el excedente de 300 kWh está disponible en tan solo dos horas, el sistema podría necesitar absorber un promedio de 150 kW. Un PCS de 125 kW solo aprovecharía una parte de ese excedente, a menos que el período de carga sea más largo, el perfil de exportación esté menos concentrado o se utilicen varios sistemas.

Esto ilustra por qué la capacidad de la batería y la potencia del PCS deben evaluarse conjuntamente.

Dimensionamiento para energía de respaldo

El dimensionamiento de los sistemas de respaldo comienza con un cronograma de carga crítica, en lugar de la carga total conectada de la instalación.

El cálculo básico es:

Energía suministrada requerida = Carga crítica × Tiempo de respaldo requerido

Si una instalación necesita soportar 80 kW de cargas críticas durante tres horas:

80 kW × 3 horas = 240 kWh de energía suministrada

La capacidad nominal de la batería debe ajustarse en función de la profundidad de descarga útil, la eficiencia de conversión, el margen de reserva y el envejecimiento. El sistema también debe poder operar en modo aislado, establecer o seguir una microrred estable y coordinarse con generadores, inversores solares y equipos de transferencia, según corresponda.

Una batería con la capacidad correcta en kWh aún puede fallar como fuente de respaldo si el sistema de control de potencia (PCS), la arquitectura de transferencia o la capacidad de arranque del motor son inadecuadas.

Errores comunes en el dimensionamiento de sistemas de almacenamiento de energía para empresas comerciales e industriales

Utilizar datos de consumo mensuales en lugar de datos de intervalo.

Dos instalaciones con el mismo consumo mensual de electricidad pueden tener patrones de demanda máxima muy diferentes. Las facturas mensuales no proporcionan suficiente información para un diseño fiable de reducción de picos de demanda.

Considerar la capacidad nominal como energía totalmente utilizable.

Ignorar la profundidad de descarga, las pérdidas por conversión y los ajustes de reserva puede dar como resultado un sistema de tamaño insuficiente.

Seleccionar kWh antes de calcular kW

Un armario de baterías de gran capacidad no puede controlar un pico de demanda repentino si su sistema de control de potencia no puede suministrar la energía necesaria.

Ignorar la ventana de carga

El sistema debe disponer de tiempo suficiente y de energía de la red eléctrica o solar disponible para recargarse antes del siguiente evento de descarga.

Tallas válidas solo para el primer año.

El aumento de la carga y la degradación de la batería deben incorporarse al diseño a largo plazo.

Combinar todos los objetivos sin establecer prioridades

La misma energía almacenada no siempre puede destinarse simultáneamente a la reducción de picos de demanda, el arbitraje de precios y el respaldo de emergencia. La estrategia del sistema de gestión de energía y la capacidad reservada deben reflejar las prioridades del propietario.

Qué información proporcionar al solicitar una propuesta de C&I BESS

Para obtener un presupuesto técnicamente útil, proporcione al proveedor del sistema la siguiente información:

1. Ubicación del proyecto y entorno de instalación;
2. Voltaje, frecuencia y capacidad de conexión a la red eléctrica;
3. al menos varias semanas de datos de carga por intervalos, preferiblemente 12 meses;
4. Tarifa eléctrica y estructura de cargos por demanda;
5. Capacidad existente o planificada de energía solar fotovoltaica y generación de energía;
6. cargas de respaldo y tiempo de ejecución requeridos;
7. área de instalación disponible;
8. certificaciones requeridas o estándares de la red local;
9. objetivos operativos preferidos y su prioridad;
10. Crecimiento previsto de la carga futura y cronograma del proyecto.

Con esta información, un proveedor puede evaluar la clasificación PCS, la capacidad de la batería, la cantidad de gabinetes, la estrategia de control, la arquitectura eléctrica y el plan de expansión.

Preguntas frecuentes

¿Cómo calculo el tamaño de un sistema comercial de almacenamiento de baterías?

Primero, calcule la potencia máxima de carga o descarga en kW. Luego, multiplique la potencia requerida por la duración de operación para estimar la energía suministrada en kWh. Finalmente, ajuste la profundidad de descarga útil, la eficiencia, la reserva operativa, la degradación y la expansión futura.

¿Una batería de 100 kW/200 kWh proporciona una autonomía de dos horas?

Su relación nominal de energía a potencia es de dos horas. La duración real a 100 kW normalmente será menor si se tienen en cuenta la capacidad útil, las pérdidas del sistema, los ajustes de reserva y las condiciones de funcionamiento.

¿Cuánta capacidad de almacenamiento de baterías necesita una fábrica?

No existe una capacidad estándar para todas las fábricas. El almacenamiento necesario depende del perfil de carga, el objetivo de demanda máxima, la tarifa eléctrica, la generación solar, las cargas críticas y el tiempo de funcionamiento requerido.

¿Debe la capacidad de la batería coincidir con el consumo total diario de electricidad?

Por lo general, no. La mayoría de los sistemas comerciales e industriales se dimensionan para una parte específica de la carga, como los períodos pico, el excedente de generación solar o los circuitos de respaldo críticos. Ajustar la batería al consumo diario total puede resultar en un sobredimensionamiento considerable.

¿Es posible ampliar posteriormente un sistema de almacenamiento de energía para el sector comercial e industrial?

Muchos sistemas admiten la expansión modular, pero el diseño original debe tener en cuenta la capacidad del PCS, la compatibilidad de la batería, la arquitectura de CC, los equipos de conmutación, las comunicaciones, el espacio disponible y los requisitos de puesta en marcha.

¿Es mejor un sistema BESS de dos horas o de cuatro horas para aplicaciones comerciales e industriales?

La mejor opción es la que se ajusta al objetivo operativo de la instalación. Los sistemas de dos horas suelen ser adecuados para picos de demanda más cortos y para la gestión de tarifas, mientras que los sistemas de mayor duración pueden ser más apropiados para el aprovechamiento de la energía solar a largo plazo, el funcionamiento en redes eléctricas débiles o como fuente de alimentación de respaldo.

Construya el sistema en torno a los datos operativos.

Un éxito Sistema de almacenamiento de energía comercial e industrial El proceso comienza con los datos del sitio, no con un tamaño de gabinete estándar. La potencia del PCS debe coincidir con el requerimiento de carga instantánea, mientras que la capacidad de la batería debe soportar la duración requerida, teniendo en cuenta la energía útil, la eficiencia, la reserva operativa y la degradación a largo plazo.

GSL ENERGY ofrece baterías modulares de alto voltaje, gabinetes refrigerados por líquido todo en uno y soluciones BESS en contenedores para proyectos comerciales, industriales y de varios megavatios-hora. Los equipos de proyecto pueden enviar su perfil de carga, configuración solar, estructura tarifaria y requisitos de respaldo para una evaluación de capacidad y una propuesta de sistema específicas para el proyecto.