A medida los sistemas energéticos evolucionan y las matrices energéticas incorporan más energía renovable distribuida, se necesita que los sistemas energéticos sean flexibles para reaccionar de forma adecuada ante las variaciones en las fuentes de generación renovable y robustos para garantizar el abastecimiento de la demanda de forma segura y continua.
Como sabemos, la generación de algunos tipos de energía renovable distribuida, como la eólica y solar, depende directamente de la disponibilidad de los recursos y por lo tanto no siempre son constantes. En estos casos, diferentes tipos de dispositivos son utilizados en Sistemas de Almacenamiento de Energía para proporcionar la flexibilidad y robustez necesaria que requieren los sistemas.
Entre los diferentes dispositivos utilizados se encuentran baterías, ultra capacitores, discos de inercia, celdas de combustibles y almacenamiento de energía magnética superconductora (SMES, por sus siglas en inglés) [1]. En este artículo nos enfocaremos en los sistemas de almacenamiento de energía por baterías o BESS, por sus siglas en inglés.
A nivel de la operación del sistema de energía eléctrica, los BESS pueden proveer servicios en la red como, regulación de frecuencia, regulación de reservas y flexibilidad en las rampas de arranque. También, pueden ayudar a los generadores de energía solar y eólica a tener mayor penetración en el sistema proporcionando almacenamiento de energía en exceso o proporcionando firmeza en la capacidad instalada [2].
Reducción de la restricción de las energías renovables
En algunas ocasiones, el exceso de generación de energía renovable debe de ser restringido, por ejemplo, en momentos de alta generación y demanda baja, y eso hace que se pierda la oportunidad de inyectar energía limpia y además, afecta los ingresos estimados por el generador ya que no puede inyectar la energía generada al sistema. Es decir, que las restricciones de este tipo tienen un efecto tanto técnico como económico, para el sistema, la demanda y los generadores.
Los BESS son una de las soluciones para reducir las restricciones renovables. El exceso de energía puede almacenarse y utilizarla cuando más se necesita. En este caso, se puede realizar una optimización técnica-económica para maximizar la energía inyectada al sistema por el generador, restringida por horarios debido a la baja demanda del sistema en días feriados y fines de semana.
Bajo este escenario, el proceso de optimización consiste en establecer los períodos de carga y descarga de la batería, con el objeto de maximizar la cantidad de energía inyectada a la red sujeta a las restricciones operativas de inyección de energía al sistema por baja demanda.
El resultado de este proceso de optimización puede ser utilizado para realizar los análisis económicos financieros en las etapas de diseño, factibilidad y financiamiento del proyecto y con la ayuda de sistemas de analítica avanzada como pronósticos de generación, precios del mercado y optimización de la operación puede también ser utilizados para la gestión y operación diaria de los sistemas cuando se encuentren en la etapa operativa.
Caso de Estudio: Optimización Tecno-Económica de un Sistema Fotovoltaico con Almacenamiento de Energía por Baterías bajo restricciones operativas por baja demanda.
En Grupo Merelec utilizamos las herramientas de analítica avanzada para poder evaluar técnica y económicamente la factibilidad de la expansión de un proyecto solar fotovoltaico bajo condiciones de restricciones de inyección de energía debido a la baja demanda y posibles afectaciones en la regulación de tensión de un sistema de distribución en media tensión.
Las principales restricciones de generación se basan en la limitación de la cantidad de energía que puede inyectar un sistema fotovoltaico entre las 6 y 18 horas del día para los fines de semana y días feriados. Esta restricción, limita la cantidad de horas anuales disponibles para inyección a un aproximado del 65%, lo que disminuye la posibilidad de obtener los ingresos necesarios para que el proyecto de expansión sea viable económicamente.
Como se puede observar en la Gráfica 1, estas limitantes y restricciones impactan de forma directa en la cantidad de energía que se puede inyectar a la red de distribución, por ende, en la cantidad de ingresos que puede obtener el proyecto de generación fotovoltaica y esto afectará la factibilidad económica para desarrollar el proyecto. La gráfica contempla el período del 11 al 18 de abril, período feriado de Semana Santa en Centroamérica.
Gráfica 1. Inyección total del SFV a la Red
Como solución, se propone el uso de un sistema de almacenamiento de energía por medio de baterías el cual se operará en forma conjunta y optimizada con el sistema fotovoltaico para garantizar la maximización de la energía vendida y así poder obtener mayores ingresos por la venta de energía a la red y al mismo tiempo poder corregir posibles problemas de regulación de tensión en la red de distribución en la que se encuentra conectado.
Como observamos en la Gráfica 2, el sistema de almacenamiento de energía permite que la cantidad de energía inyectada al sistema para los días del 14 al 18 de abril (jueves a domingo), se maximice aprovechando la energía generada y despachándola en de forma que se obtenga un máximo de 480 kWh de inyección para las horas permitidas.
Este tipo de análisis de optimización tecno-económica es posible gracias a herramientas de digitalización y analítica avanzada que nos permiten modelar el comportamiento de los activos energéticos bajo restricciones de mercado u operativas, gestionando dichos activos de forma óptima ante las condiciones planteadas.
Además, nos permite establecer una línea base para el rendimiento operativo y justificar las decisiones de inversión y reducir el riesgo de la implementación de sistemas más flexibles en mercados complejos.
La supervisión operativa de las carteras y, en la medida de lo posible, la evaluación comparativa de los datos de rendimiento para este tipo de proyectos es posible gracias al software de modelado digital y técnicas como pronósticos con redes neuronales artificiales, creación de optimizaciones multi escenarios y la gestión de los datos a nivel técnico-comercial de las empresas.
Los sistemas de almacenamiento de energía son una realidad necesaria para nuestros sistemas, y debemos de comprender como sus aplicaciones técnicas tienen un impacto a nivel económico y operativo en los proyectos de inversión y en las redes de distribución de energía.
Esto lo podemos lograr por medio de la gestión adecuada de los datos y la implementación de técnicas de analítica avanzada para tomar las mejores decisiones y minimizar los riesgos inherentes de las inversiones y los mercados.
Referencias
[1] S. M. Shoenung y W. V. Hassenzahl, «Long- vs Short-Term Energy Storage Technologies Analysis – A Life-Cycle Cost Study – A Study for the DOE Energy Storage System Program,» Sandia National Laboratories, Alburquerque, New Mexico, 2003.
[2] IRENA, «Innovation landscape brief: Utility-scale batteries,» International Renewable Energy Agency, Abu Dhabi, 2019.
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