Sistemas de Almacenamiento de Energía en Baterías (BESS): Cómo funcionan, componentes clave, beneficios y tendencias futuras

Durante los últimos 20 años, la tecnología BESS ha avanzado significativamente en términos de capacidad de almacenamiento, química de las baterías e integración de sistemas (Li et al., 2018;, Shen y Khaligh, 2015). Pero, ¿cómo funcionan exactamente estos sistemas y por qué son cruciales para el futuro de la energía?

Este artículo ofrece una descripción detallada de los sistemas de almacenamiento de baterías, incluido su funcionamiento, sus componentes clave, las ventajas financieras y operativas que ofrecen y las tendencias que definir el futuro del almacenamiento de energía. Proporciona información útil sobre el funcionamiento de las baterías y su lugar en el panorama energético actual.

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Cómo funcionan los sistemas de almacenamiento de energía en baterías

Los sistemas de almacenamiento de baterías funcionan según principios electroquímicos, específicamente, las reacciones de oxidación y reducción en las celdas de las baterías. Durante la carga, la energía eléctrica se convierte en energía química y se almacena en la batería. Cuando se necesita energía, el sistema se descarga y convierte la energía química en electricidad para su uso en la red o para su consumo directo (Li et al., 2022;, Park et al., 2022).

Una ventaja clave de las baterías es su rápido tiempo de respuesta: pueden cargarse y descargarse casi al instante. Esto las hace ideales para servicios de red como la regulación de frecuencia, la reducción de picos y el equilibrio de carga. Estas capacidades son especialmente valiosas en los sistemas de energía con altos niveles de fuentes de energía renovables variables (VRES), como la energía eólica y solar, que son inherentemente intermitentes (Lei y Gong, 2017; Kurtoğlu y Eroğlu, 2024).

Vienen en diferentes configuraciones adaptadas a las necesidades específicas de energía y potencia. Sus diseños modulares y flexibles permiten su implementación en varios entornos, incluidos proyectos residenciales, comerciales, a escala de servicios públicos y microrredes.

Componentes principales de BESS

Comprender cómo funciona el BESS requiere un desglose de sus componentes clave:

1. Celdas de batería

Las celdas de batería son el núcleo de cualquier sistema de almacenamiento, donde se lleva a cabo la conversión de energía real. Las baterías de iones de litio son las más comunes debido a su alta densidad energética y eficiencia. Sin embargo, otros productos químicos, como las baterías de plomo-ácido, sodio-azufre y de flujo, ofrecen beneficios en aplicaciones que requieren una vida útil prolongada o una alta tolerancia térmica (Chen et al., 2023;, Zhang et al., 2016).

2. Sistema de gestión de baterías (BMS)

El BMS monitorea y controla el rendimiento de la batería, garantizando un funcionamiento seguro mediante el seguimiento de variables como el voltaje, la temperatura, la corriente y el estado de carga (SoC). Las plataformas BMS avanzadas utilizan algoritmos predictivos para prolongar la duración de la batería y optimizar el rendimiento.

3. Sistema de acondicionamiento de energía (PCS)

El PCS administra la interfaz eléctrica entre la batería y la red eléctrica. Convierte la corriente continua (CC) producida por las baterías en corriente alterna (CA), permite un flujo de energía bidireccional y garantiza el cumplimiento de las especificaciones de la red.

4. Inversores

Los inversores convierten la energía de corriente continua almacenada en las baterías en energía de corriente alterna compatible con la red. Regulan la salida, mantienen los límites de seguridad y garantizan que el sistema cumpla con los estándares de la red.

5. Sistemas de refrigeración

La gestión térmica es esencial para evitar el sobrecalentamiento, que puede degradar el rendimiento y la seguridad. Los sistemas de refrigeración ayudan a mantener temperaturas óptimas, lo que mejora la fiabilidad y prolonga la vida útil de los componentes de la batería.

6. Interfaces de comunicación

Las baterías modernas cuentan con sistemas de comunicación que interactúan con los operadores de la red, lo que permite la supervisión en tiempo real y el control remoto. Estas interfaces admiten varios protocolos para garantizar la compatibilidad y la coordinación de todo el sistema (Chen y Wang, 2024).

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Beneficios financieros de los sistemas de almacenamiento de energía en baterías

A medida que los costos de las baterías disminuyen y la resiliencia energética se convierte en una prioridad cada vez mayor, los sistemas de baterías son cada vez más atractivos por sus ventajas económicas (Li et al., 2021):

1. Reducción de costos mediante la respuesta a la demanda

Las baterías permiten el cambio estratégico de la carga de energía, lo que permite la participación en los programas de respuesta a la demanda. Las empresas pueden reducir las facturas de energía al evitar los picos de precios.

2. Nuevas fuentes de ingresos

Esta tecnología puede generar ingresos al participar en servicios auxiliares y en el arbitraje energético: comprar energía cuando los precios son bajos y venderla durante los picos de demanda.

3. Ahorros en costos de infraestructura

Al aliviar la congestión de la red y retrasar la necesidad de nueva infraestructura, los sistemas de almacenamiento en baterías ayudan a las empresas de servicios públicos a gestionar las crecientes demandas de energía de manera más rentable.

4. Energía de respaldo confiable

Las baterías proporcionan energía de respaldo confiable durante las interrupciones. Para muchas organizaciones, las operaciones ininterrumpidas justifican la inversión en almacenamiento de energía.

5. Integración mejorada de energía renovable

Las baterías mejoran la confiabilidad de los proyectos solares y eólicos al gestionar su variabilidad, aumentar la financiabilidad de los proyectos y acelerar la adopción de energías renovables.

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Ventajas operativas del BESS

Más allá del valor financiero, los sistemas de almacenamiento en baterías ofrecen varias ventajas operativas clave:

1. Estabilidad mejorada de la red

Al equilibrar la oferta y la demanda, las baterías ayudan a prevenir las interrupciones de voltaje y frecuencia, lo que refuerza la confiabilidad general de la red.

2. Mayor flexibilidad operativa

Su capacidad para responder rápidamente a las cambiantes necesidades de energía brinda a los operadores del sistema más control y agilidad en la administración de la energía.

3. Emisiones de carbono más bajas

Al reducir la dependencia de las plantas de mayor consumo basadas en combustibles fósiles, contribuyen a sistemas de energía más limpios y respaldan los objetivos climáticos.

4. Soporte de electrificación

Las baterías desempeñan un papel fundamental en la electrificación del transporte y la calefacción, ya que ayudan a las industrias a alejarse de los combustibles fósiles.

5. Habilitación de microrredes

La naturaleza modular de los sistemas de baterías apoya la creación de microrredes autosuficientes, particularmente valiosas en áreas remotas o propensas a interrupciones.

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Innovaciones en sistemas híbridos de almacenamiento de energía

Una tendencia innovadora cada vez mayor son los sistemas híbridos de almacenamiento de energía (HESS), que combinan baterías con tecnologías como los supercondensadores. Si bien las baterías almacenan grandes cantidades de energía durante más tiempo, los supercondensadores se destacan por sus ciclos rápidos de carga y descarga. La combinación mejora el rendimiento, la eficiencia y la confiabilidad en todas las aplicaciones, especialmente en los sistemas de energía solar y eólica (Ahmed G. Abo-Khalil et al., 2023).

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Tendencias futuras en el almacenamiento de energía en baterías

El futuro de BESS está determinado por varias tendencias clave:

1. Avances tecnológicos

Las tecnologías de próxima generación, como las baterías de estado sólido, prometen una mayor seguridad, una mayor densidad de energía y una vida útil más prolongada, lo que podría reducir los costos generales del sistema.

2. Optimización impulsada por la IA

La inteligencia artificial y el aprendizaje automático se están integrando en los sistemas de administración de energía para permitir el monitoreo en tiempo real, el mantenimiento predictivo y un rendimiento óptimo.

3. Sostenibilidad y reciclaje

Con un mayor escrutinio sobre los impactos ambientales, la industria se centra en el reciclaje de baterías, las aplicaciones de segunda vida útil y las estrategias de economía circular.

4. Regulaciones de apoyo

Los gobiernos de todo el mundo están introduciendo incentivos, marcos regulatorios más claros y mecanismos de mercado que fomentan la adopción de baterías.

5. Crecimiento en los mercados emergentes

A medida que los sistemas de almacenamiento de baterías se vuelven más asequibles, las economías en desarrollo con desafíos de acceso a la energía presentan importantes oportunidades para el despliegue de sistemas de baterías.

6. Expansión de HESS

Es probable que aumente la adopción de sistemas híbridos, proporcionando soluciones flexibles al combinar los puntos fuertes de las diferentes tecnologías de almacenamiento de energía.

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Vale la pena destacar que Delfos Energy está ampliando sus capacidades de monitoreo del almacenamiento de energía con una nueva solución diseñado específicamente para sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS). La plataforma, que se centra en apoyar a los gestores de activos de los sectores eólico y solar, permite realizar análisis avanzados para la auditoría del rendimiento y la optimización operativa de los activos de almacenamiento.

Conclusión

Los sistemas de almacenamiento de energía en baterías presentan un enfoque atractivo y dinámico para administrar los recursos energéticos de manera efectiva. Sus funciones multifacéticas permiten una flexibilidad, resiliencia y sostenibilidad notables en diversas aplicaciones en todo el sector energético. Con los continuos avances tecnológicos, el cambio del panorama financiero hacia la integración de las energías renovables y un mayor reconocimiento de la importancia del almacenamiento de energía, los sistemas de almacenamiento en baterías se han convertido en la piedra angular de las estrategias energéticas futuras.

A medida que los expertos de la industria energética se enfrentan a las complejidades de los desafíos de la transición, comprender la naturaleza integral de los sistemas de almacenamiento en baterías será fundamental para aprovechar todo su potencial para el panorama energético futuro. Las baterías no solo representan la transición hacia un uso de energía más limpio, sino que también promueven la viabilidad económica y operativa, crucial para un futuro energético sostenible.

En resumen, la expansión de los sistemas de almacenamiento de baterías no solo marca un hito tecnológico en la gestión energética moderna, sino que sirve como preludio de un paradigma energético fundamentalmente diferente que valora la resiliencia, la sostenibilidad y la viabilidad económica. Esta transformación no es simplemente una evolución; es una necesidad estructural para adaptarse a los contornos cambiantes de la dinámica energética mundial.

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Bibliografía

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Shen, J. and Khaligh, A. (2015). A supervisory energy management control strategy in a battery/ultracapacitor hybrid energy storage system. IEEE Transactions on Transportation Electrification, 1(3), 223-231. https://doi.org/10.1109/tte.2015.2464690

Li, X., Ma, R., Wei, G., & Yan, S. (2022). Optimal dispatch for battery energy storage station in distribution network considering voltage distribution improvement and peak load shifting. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy, 10(1), 131-139. https://doi.org/10.35833/mpce.2020.000183 

Park, J., Choi, J., Jo, H., Kodaira, D., Han, S., & Acquah, M. A. (2022). Life evaluation of battery energy system for frequency regulation using wear density function. Energies, 15(21), 8071. https://doi.org/10.3390/en15218071

Lei, J. and Gong, Q. (2017). Operating strategy and optimal allocation of large‐scale vrb energy storage system in active distribution networks for solar/wind power applications. IET Generation, Transmission &Amp; Distribution, 11(9), 2403-2411. https://doi.org/10.1049/iet-gtd.2016.2076

Kurtoğlu, M. and Eroğlu, F. (2024). Design and simulation of bidirectional dc-dc converter topology for battery applications. E3S Web of Conferences, 551, 03002. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202455103002

Chen, X., Hua, J., Yin, C., Chen, Z., Chen, Y., & Li, Z. (2023). A precise life estimation method for retired energy storage batteries based on energy storage batteries attenuation characteristics and xgboost algorithm. IEEE Access, 11, 135968-135978. https://doi.org/10.1109/access.2023.3336813

Zhang, Y., Dong, Z. Y., Luo, F., Zheng, Y., Meng, K., & Wong, K. P. (2016). Optimal allocation of battery energy storage systems in distribution networks with high wind power penetration. IET Renewable Power Generation, 10(8), 1105-1113. https://doi.org/10.1049/iet-rpg.2015.0542

Chen, Z. and Wang, B. (2024). Design of ship power system with exchangeable battery energy storage containers. Ninth International Symposium on Sensors, Mechatronics, and Automation System (ISSMAS 2023). https://doi.org/10.1117/12.3014886 

Li, X., Wang, Q., Chen, Y., Li, Y., He, Z., Wang, T., … & Wu, X. (2021). Safety analysis of energy storage station based on dfmea. E3S Web of Conferences, 236, 01006. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202123601006

Ahmed G. Abo-Khalil, Ahmed Sobhy, Mohammad Ali Abdelkareem, A.G. Olabi, Advancements and challenges in hybrid energy storage systems: Components, control strategies, and future directions, International Journal of Thermofluids, Volume 20, 2023, 100477, ISSN 2666-2027, https://doi.org/10.1016/j.ijft.2023.100477. 

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