Sistema de almacenamiento para la microrred de Alaska mediante baterías con energía hidroeléctrica
Un sistema de almacenamiento de energía conectado a la red permitiría a la ciudad aprovechar al máximo las energías renovables y controlar los costes, al tiempo que reduciría la dependencia del diésel importado.
Varias comunidades remotas fuera de la red en Alaska han adoptado sistemas de almacenamiento de energía como parte de sus microrredes, ya que sirven para reemplazar la costosa generación de diésel con energía renovable eólica y solar. Actualmente, la pequeña ciudad estadounidense de Cordova, en Alaska, a 150 millas (241 km) al sudeste de Anchorage, es pionera en la integración de un sistema de almacenamiento de energía (ESS) de Li-ion en una microrred de energía hidroeléctrica. El objetivo es recuperar la generación hidroeléctrica perdida que actualmente debe ser desaprovechada durante los períodos de transición entre la generación únicamente hidroeléctrica y la generación combinada de hidro-diésel.
La ciudad no tiene conexión a la red, por lo que depende de una microrred administrada por Cordova Electric Cooperative Inc. (CEC), que opera bajo los principios de sostenibilidad, resiliencia y según un enfoque holístico. Por ejemplo, CEC instaló su central hidroeléctrica de Power Creek con fondos de CoBank, el banco cooperativo rural de Estados Unidos, para garantizar la seguridad energética y la estabilidad de costes para la comunidad. Para otro proyecto, CEC soterró todas las líneas eléctricas de la ciudad para eliminar el riesgo de cortes durante los meses de invierno. En el futuro, está pensando en integrar el almacenamiento de energía para vehículos eléctricos.
Sin embargo, el enfoque actual se ha centrado en ajustar un nuevo ESS para ser instalado a principios de este año con el fin de maximizar el uso de las energías renovables y reducir la dependencia del costoso combustible diésel.
Microrred hidroeléctrica
CEC cubre la carga básica de Cordova con un generador hidroeléctrico de 6 MW en sus instalaciones de Power Creek, y también opera una instalación hidroeléctrica de 1,25 MW en Humpback Creek. Cuando es necesario, la energía hidroeléctrica se complementa con la planta de generación diésel de Orca, donde se encuentra el centro de control principal. Se utilizan dos grupos electrógenos diésel de 1 MW para apoyar la transición desde el uso de una sola planta hidroeléctrica. Los grupos electrógenos se ponen en marcha durante el invierno cuando los ríos se congelan y en verano para soportar las cargas máximas.
Cordova se encuentra en la desembocadura del río Copper, un famoso enclave de desove del salmón. Como resultado, la industria local de procesamiento de pescado representa para la red una carga eléctrica con un elevado componente estacional.
Los costes hidroeléctricos de CEC están en torno a 0,06 USD/kWh. Por el contrario, los costes de generación de diésel pueden variar hasta 0,60 USD/kWh, dependiendo de los precios del combustible. Por lo tanto, siempre que sea posible, CEC prefiere utilizar solo energía hidroeléctrica y cubre normalmente hasta el 78% de su demanda anual de esta manera.
Cuando la energía es únicamente hidroeléctrica, los operadores controlan la frecuencia de la red ajustando el ángulo de los deflectores de acción rápida en Power Creek. Estos desvían parte de la corriente de agua lejos de las turbinas para modular su potencia producida, manteniendo así la estabilidad de la red. Es como el concepto de reservas inmediatamente disponibles en una red convencional, y CEC desvía normalmente alrededor de 500 kW de capacidad para soportar aumentos repentinos de carga. Sin embargo, dado que la energía hidroeléctrica procedente del cauce de un río es un recurso que se echa a perder si no se utiliza, el agua desviada simplemente fluye por el río y la energía se pierde.
Turbina Gilkes 3.0 MW, Planta de Power Creek
Transiciones estacionales
Con la llegada de varios cientos de trabajadores y cuando las plantas procesadoras de pescado aumentan su producción durante la primavera, CEC pasa de utilizar únicamente energía hidroeléctrica a emplear una combinación de ésta misma con generación diésel. Cuando la reserva hidroeléctrica cae por debajo de alrededor de 500 kW, se pone en marcha un grupo electrógeno diésel de 1 MW. Debido a que el diésel debe producir una potencia mínima de 400 kW, esto aumenta la cantidad de energía hidroeléctrica que debe echarse a perder. Durante este período de transición, el resultado es que la CEC puede desperdiciar a veces más de 1 MW de energía hidráulica mientras consume al mismo tiempo el costoso combustible diésel. Dependiendo de los patrones de carga, el cambio puede durar de un par de horas a varios días.
CEC reconoció que un ESS conectado a red le permitiría optimizar sus costes de energía renovable y control, al tiempo que reduciría la dependencia del diésel importado. La cooperativa recurrió a Saft para desarrollar una solución ESS basada en Li-ion de 1 MW con 1 MWh de capacidad de almacenamiento de energía. Se identificó una solución conterizada como la opción preferida: un convertidor de potencia ABB y un contenedor de baterías ubicados en la subestación central de la red CEC.
Principio operativo del sistema de almacenamiento de energía
El sistema de almacenamiento de energía proporcionará lo que equivale a una reserva adicional inmediatamente disponible, lo que permitirá a la CEC abrir completamente sus deflectores y evitar que se eche a perder la capacidad de generación hidroeléctrica. En lugar de poner en marcha los generadores diésel cuando el caudal a través de los deflectores cae por debajo de 500 kW, la cooperativa especificó el principio de funcionamiento del sistema de almacenamiento de modo que se capte la carga que debe ser inyectada y que se absorba la potencia para mantener la frecuencia de la red. El consultor de CEC, Electric Power Systems Inc., trabajó con Saft en el desarrollo de una filosofía detallada de control y puntos de consigna operativos para las diversas transiciones relacionadas con las variaciones de carga dinámica.
Cuando el estado de carga (SOC) del sistema de almacenamiento de energía cae por debajo del 30%, el sistema de despacho automatizado de CEC pondrá en marcha el grupo electrógeno, que puede funcionar posteriormente con una producción mínima de 400 kW para abastecer la demanda y cargar la batería al mismo tiempo. Si el SOC alcanza el 70% y la carga neta sigue siendo baja, el diésel se apagará y el ESS se descargará, mientras que, si la carga neta aumenta por encima de 400 kW, el diésel se hará cargo de la gestión de la frecuencia y el ESS se cargará solo si hay capacidad sobrante de diésel.
Solución de control de riesgos
Hay numerosas ventajas de adquirir un sistema de almacenamiento de energía como parte de un paquete que también integra la conversión de energía y los controladores. CEC puede confiar en las garantías operativas y de rendimiento, así como también puede externalizar la necesidad de integración y optimización de ingeniería especializada. Además, la larga trayectoria, la capacidad de respuesta durante el proceso de licitación y el pedigrí industrial de Saft y ABB como proveedores de los principales componentes del sistema han merecido la confianza de la dirección de CEC sobre que ambos cuentan con los recursos financieros y técnicos para suministrar el tipo de apoyo a largo plazo que necesita la cooperativa.
Además, ambos proveedores ofrecían otras soluciones técnicas y ventajas, como controles de red de alta velocidad y un paquete modular transportable que se puede premontar antes de la entrega e instalar de modo que esté listo para utilizar. Esto ayudará a la empresa de servicios públicos a administrar los incrementos de costes que pueden surgir de otros proyectos en comunidades remotas.
Otra ventaja importante es que la solución ha sido instalada con una finalidad comercial en otros lugares de Alaska. Se ha demostrado que la tecnología podría soportar la dureza del entorno natural en Alaska.
Vista sobre el lago Eyak desde la subestación donde se ubica el sistema de almacenamiento
Coste total de la propiedad
Al comprar un sistema de almacenamiento de energía es importante elegirlo cuidadosamente. La retirada, el reciclaje y la sustitución de un conjunto completo de baterías puede representar un 60% adicional sobre el precio de compra inicial de un paquete. Además, las garantías de fábrica y los contratos anuales de mantenimiento pueden ser costosos, especialmente para comunidades remotas como Cordova.
CEC quería ofrecer un valor óptimo para su comunidad. Su primer paso fue llevar a cabo el modelado con el apoyo del Dr. Imre Gyuk, director de investigación sobre el almacenamiento de energía en el Departamento de Energía de los EE.UU., quien encomendó la misión a los Laboratorios Nacionales de Sandia y al Centro de Energía y Potencia de la Universidad de Alaska en Fairbanks. Este fue un punto de partida para especificar el sistema de almacenamiento, así como proporcionar una parte de los costes para apoyar la integración.
Para apoyar el modelado y estimar el ahorro de combustible, CEC seleccionó varios meses de datos detallados de carga y energía hidráulica en su base de datos multianual. Además, Saft planea realizar simulaciones detalladas basadas en la nueva filosofía de control para validar el ahorro de combustible y calcular el envejecimiento de la batería.
Durante el proceso de modelado, varios aspectos importantes del almacenamiento de energía y la tecnología de la batería salieron a la luz, especialmente el impacto que el régimen operativo puede tener en el envejecimiento de la batería. Por ejemplo, en las condiciones adecuadas, el envejecimiento de las baterías Li-ion puede reducirse a una pérdida de capacidad inferior al 1% anual. Esto va acompañado de una ligera pérdida en la eficiencia del ciclo completo de carga y descarga, aunque la capacidad de potencia permanece casi constante. Sin embargo, las baterías de Li-ion pueden envejecer drásticamente si se usan intensamente hasta el punto de abusar de ellas. Por lo tanto, la elección de los puntos de consigna de funcionamiento es fundamental para la duración de la batería y, en consecuencia, para obtener una rentabilidad optimizada.
Además, la capacidad de almacenamiento de energía a lo largo de la vida es un factor importante. Unos ciclos intensos causan una pérdida de capacidad más rápida. Por ejemplo, si un sistema de almacenamiento de 1 MW y 1 MWh se carga completamente y se descarga del 100% al 0% de SOC, tal vez pueda ofrecer 5000 ciclos, lo que equivale a 5 GWh de suministro total de energía. Sin embargo, si se realizan pequeños ciclos de carga y descarga de alrededor del 5%, la misma batería puede alcanzar 1 millón de ciclos, o 30 GWh, a lo largo de su vida útil.
Por lo tanto, a medida que crece el tamaño de un sistema de almacenamiento de energía para una aplicación, su vida útil también se incrementa, al igual que lo hace su coste de compra. Como resultado, es importante encontrar el punto justo de equilibrio de las prioridades del coste total de propiedad. Afortunadamente para CEC, el funcionamiento del control de frecuencia requiere muchos ciclos pequeños de carga y descarga que pueden producirse al mismo tiempo que la carga o descarga completa. El truco consiste en optimizar los puntos de consigna para los mayores cambios de SOC, por lo que la duración de la batería se conserva mientras se maximiza el ahorro en combustible diésel.
Por lo tanto, si bien los plazos de entrega pueden ser bastante cortos para los proyectos de almacenamiento de la energía, vale la pena tomarse el tiempo para especificar correctamente el sistema, el equipo de conversión de energía y la interfaz de comunicaciones. Basándose en su modelo, CEC estimó unos costes anuales de alrededor de 170.000 USD, considerando el coste de material, de diseño y de integración, mano de obra y otros costes. Los cálculos prevén que el ahorro real de combustible en la región será de 35.000 galones al año (132.489 litros al año).
Cuando se combinan con otros ahorros, inclusive una reducción del mantenimiento de los grupos electrógenos diésel, los ahorros operativos anuales en la región son de 150.000 USD.
Progreso definitivo
Si bien los costes estimados son inicialmente más altos que los ahorros, la comunidad también se beneficiará de manera global. Se volverá más resistente y menos dependiente del suministro de combustible del exterior. También está buscando opciones para implementar el almacenamiento de la mayor cantidad de energía hidroeléctrica, así como el almacenamiento de energía hidroeléctrica bombeada, con el objetivo de satisfacer el 100% de sus necesidades con la energía hidroeléctrica local. Por lo tanto, el sistema de almacenamiento de energía es una etapa importante en el avance de CEC hacia su propia red inteligente y el futuro de la ciudad inteligente.