Baterías de flujo: opción de almacenamiento de energía para una variedad de usos - World Energy Trade

Baterías de flujo: opción de almacenamiento de energía para una variedad de usos

Su principal fortaleza se encuentra en el uso y mantenimiento a largo plazo

Su principal fortaleza se encuentra en el uso y mantenimiento a largo plazo

Electricidad
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El almacenamiento de energía es cada vez más importante para la industria energética. La tecnología de batería de iones de litio se ha implementado en muchos lugares, pero las baterías de flujo ofrecen beneficios significativos en aplicaciones de uso de larga duración y situaciones que requieren ciclos regulares durante todo el día. 

La química detrás de las baterías de flujo se ha demostrado durante mucho tiempo en la industria de la energía y la mayoría de los analistas coinciden en que son ideales para la producción de energía de larga duración con una degradación muy baja de los componentes en implementaciones más grandes a escala de servicios públicos. 

Con una vida útil de hasta 30 años, dependiendo de la química del electrolito, las baterías de flujo pueden proporcionar una certeza de costos inigualable en comparación con otras tecnologías de almacenamiento emergentes en el mercado. Aunque las baterías de flujo actualmente representan una inversión de capital inicial más alta que una configuración de iones de litio de tamaño similar, se vuelven más competitivas cuando se evalúan con un costo total de propiedad durante un ciclo de vida de 20 a 30 años. Además, los costos de las baterías de flujo están disminuyendo a medida que avanza la tecnología y se implementan las eficiencias de fabricación. 

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En el espacio de servicios públicos, las baterías de flujo son las más adecuadas para duraciones de descarga más largas (seis horas o más) en incrementos de potencia a escala de megavatios. Ciertos casos de uso favorecen las baterías de flujo sobre otros tipos de almacenamiento. Para aplicaciones donde se requieren múltiples ciclos de carga / descarga cada día, las baterías de flujo están disponibles dentro de milisegundos a medida que las cargas lo dictan y pueden recargarse rápidamente desde una variedad de fuentes de energía disponibles. De hecho, dependiendo de las configuraciones del tanque, las baterías de flujo pueden descargarse y recargarse simultáneamente, proporcionando capacidad de potencia o soporte de voltaje casi indefinidamente. Los atributos de las baterías de flujo incluyen: 

  • Ciclos de batería demostrados de más de 10,000 con poca o ninguna pérdida de capacidad de almacenamiento. 
  • Velocidades de rampa que van desde milisegundos para descarga si las bombas están funcionando, hasta unos segundos si las bombas no lo están. 
  • Las tasas de recarga para baterías de flujo también son razonablemente rápidas. 
  • Amplios rangos de temperatura para los modos de funcionamiento y de espera en comparación con las opciones de iones de litio
  • Poco o ningún riesgo de incendio. 
  • Químicos que presentan un riesgo limitado para la salud humana debido a exposiciones. 
  • Escala de capacidad fácil mediante la adición de volumen de electrolitos (aunque eso puede involucrar más tanques y tuberías). 

Cómo funcionan los sistemas de flujo 

Aunque hay docenas de diferentes tipos de baterías de flujo, solo alrededor de 10 a 12 químicos específicos parecen estar listos para aplicaciones comerciales. Todos operan con el mismo principio básico de incorporar electrolito líquido para funcionar como una fuente de electricidad de corriente continua (CC) que corre a través de un inversor para la conversión a corriente alterna (CA). 

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En una batería de flujo redox, el catolito y el anolito se almacenan en tanques separados, y las bombas se usan para hacer circular los fluidos en una pila con electrodos separados por una membrana delgada. Esta membrana permite el intercambio de iones entre el anolito y el catolito para producir electricidad. La potencia producida depende de la superficie de los electrodos, mientras que la duración del almacenamiento depende del volumen del electrolito. Para algunas tecnologías, la potencia y la energía se pueden escalar de forma independiente, lo que permite una batería fácilmente personalizable. 

En una batería de flujo híbrido, el material electroactivo se deposita en la superficie del electrodo durante el ciclo de carga y luego se disuelve nuevamente en la solución electrolítica durante la descarga. Para las tecnologías híbridas, la duración del almacenamiento es una función tanto del volumen del electrolito como del área de la superficie del electrodo. Si bien la mayoría de las tecnologías híbridas pueden alcanzar duraciones de seis a 12 horas, la potencia y la energía no están completamente desacopladas. 

Las baterías de flujo se pueden configurar como un tanque único, generalmente para aplicaciones más pequeñas, o como un tanque doble, generalmente en una superficie más grande. Los sistemas de tanque único generalmente tienen baterías de zinc u otras de metal, mientras que los sistemas de tanque doble requieren electrolitos compuestos de agua salada, hierro, vanadio u otros minerales. 

Los diseños del sistema de batería de flujo cambian según la aplicación y el tamaño del proyecto. Los sistemas comerciales detrás del medidor suelen ser unidades empaquetadas a escala de kilovatios que pueden caber en un cuarto de servicio típico. Para aplicaciones de distribución en el rango de 1 MW a 5 MW, existen soluciones en contenedores y / o modulares con diferentes niveles de escalabilidad dependiendo de los requisitos de duración del almacenamiento. Los diseños a escala de servicios públicos en desarrollo pueden tener millones de galones de almacenamiento de electrolitos, por lo que la industria tiende hacia grandes cantidades de módulos apilados unidos y canalizados a grandes tanques construidos en el campo. 

Las pilas de energía y los componentes del equilibrio del sistema, como tuberías, bombas, sellos, sistemas de enfriamiento e instrumentación de control, requieren más mantenimiento de rutina que las configuraciones de iones de litio. Sin embargo, si se siguen las pautas de mantenimiento de rutina, el rendimiento de la batería de flujo no debería degradarse dentro de la vida útil del proyecto. Cuando los costos de operación y mantenimiento (O&M) se comparan con los costos de aumento de capacidad de iones de litio requeridos para compensar la degradación del rendimiento, los costos anuales de la batería de flujo son menos costosos. 

Casos de uso 

Aunque los mercados de energía específicos y los factores de carga variarán ampliamente en todo el mundo, las baterías de flujo pueden realizar varios casos de uso. Más importante aún, una batería de flujo puede tener una mayor flexibilidad de casos de uso que los sistemas de iones de litio diseñados para una aplicación específica. 

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Los sistemas de iones de litio diseñados para descargas profundas exhibirán una mayor degradación del rendimiento (con posibles implicaciones de garantía) si se reciclan varias veces al día o se usan para diferentes aplicaciones, como la respuesta de frecuencia. Debido a que el rendimiento de la batería de flujo no se degrada, existen menos limitaciones en los casos de uso una vez que se instala el sistema. Más importante aún, una batería de flujo puede realizar múltiples casos de uso, dependiendo de las señales del mercado y las capacidades del sistema de gestión de energía. Con la incertidumbre que rodea el desarrollo del mercado de almacenamiento ISO / RTO y la combinación de recursos que evoluciona dinámicamente en la red, un propietario puede estar más seguro de que un activo de batería de flujo puede seguir siendo relevante en el mercado para una vida de proyecto de 20 a 30 años. Los ejemplos de casos de uso incluyen: 

Arbitraje. Dependiendo de su mercado de energía, el arbitraje podría ser el mejor caso de uso para la capacidad de la batería de flujo. Particularmente durante las temporadas de mayor apogeo, los mercados mayoristas de energía han mostrado rápidos cambios en los precios y, a medida que los costos de energía comienzan a aumentar, la capacidad disponible de las configuraciones de baterías de flujo a gran escala puede ser económica. Al sincronizar la capacidad de la batería de flujo para estar disponible rápidamente y con duraciones de seis a ocho horas o más, mientras los precios por kilovatio están en su punto máximo, se pueden obtener ingresos significativos. 

Detrás del medidor. Se están desplegando unidades a escala comercial detrás del medidor en instalaciones de fabricación, hospitales, campus e incluso ubicaciones residenciales como un medio para reducir la demanda de energía cuando se cobran tarifas premium. Dependiendo de las tarifas y los programas de reducción de energía de respuesta a la demanda disponibles de los servicios públicos locales, las baterías de flujo pueden ser una opción económica para reducir los costos de energía simplemente descargando baterías durante los períodos de reducción voluntaria o cuando las tarifas locales son altas. 

Volt / VAR Soporte. La generación basada en inversores, como el flujo y las baterías de iones de litio, puede funcionar de manera similar a los condensadores síncronos en los circuitos de alimentación debido a su capacidad de proporcionar soporte de voltaje de acción rápida. Con la capacidad de generar o absorber energía reactiva según sea necesario para ajustar el voltaje de la red, las baterías de flujo conectadas a inversores inteligentes pueden proporcionar una función de soporte de la red de distribución, particularmente porque los sistemas están diseñados para la demanda de recarga pico emergente de los vehículos eléctricos

Emparejamiento de energías renovables. Tanto las baterías de flujo como las baterías de iones de litio están surgiendo como opciones atractivas para extender la disponibilidad de recursos solares y eólicos renovables durante más horas del día para contrarrestar problemas de intermitencia conocidos. Con baterías de flujo capaces de proporcionar energía durante más tiempo, y con la capacidad de aumentar o disminuir sin degradación, los desarrolladores y las empresas de servicios públicos están evaluando activamente estas tecnologías. 

Capacidad de arranque en negro. Normalmente, cuando se apaga una planta de energía, extraerá energía de la red para proporcionar la energía inicial necesaria para reiniciar los generadores grandes y devolver la planta al servicio completo. Sin embargo, durante una interrupción generalizada cuando la alimentación de retroalimentación no está disponible, el arranque del generador puede requerir una unidad de arranque negro en el sitio. Los generadores convencionales de arranque en negro funcionan con diesel o gas natural, pero la energía de arranque en negro también puede ser provista por baterías ampliadas para proporcionar la energía necesaria para devolver la planta al servicio. 

Diversidad de recursos. Muchas empresas de servicios públicos han optado durante mucho tiempo por estrategias de planificación de recursos que utilizan una variedad de fuentes de energía, que van desde la generación convencional de fósiles y nucleares hasta las energías renovables y el almacenamiento de energía. Al combinar las características favorables de las baterías de iones de litio y de flujo, las empresas de servicios públicos pueden reducir el riesgo en toda su cartera de opciones de almacenamiento de energía.

Barreras que la tecnología de Baterías de Flujo debe superar 

Las tecnologías de iones de litio dominan el mercado de almacenamiento actual y existen buenas razones para ello. Pero a medida que aumenta la penetración en el mercado de las energías renovables, más propietarios buscan activos de almacenamiento de mayor duración. 

Los costos están disminuyendo tanto para las tecnologías de iones de litio como para las de baterías de flujo, y es difícil predecir dónde y cuándo se asentarán los precios. Con la tecnología actual, los costos unitarios de iones de litio ($ / kWh) generalmente se aplanan más allá de las duraciones de almacenamiento de 4 horas debido a la adición esencial de mayores cantidades de las mismas baterías. Sin embargo, los costos de la unidad de batería de flujo continúan disminuyendo a medida que la duración del almacenamiento aumenta de ocho a 12 horas. Los módulos de potencia para un sistema de 4 horas son los mismos para un sistema de 12 horas, por lo que el costo incremental de agregar duración / energía a una batería de flujo está relacionado con la adición de electrolitos al sistema. 

 

Figura 1. La comparación de costos del ciclo de vida mostrada señala el valor actual neto (VAN), incluidos los costos de capital, carga y operaciones y mantenimiento (O&M) de las baterías de iones de litio y de flujo con capacidades similares en el punto de interconexión (POI). Cortesía: Burns y McDonnell.

La Figura 1 muestra los resultados de un análisis de costo del ciclo de vida que compara los sistemas de baterías de iones de litio y de flujo de 20 MW, 8 horas (160 MWh). El modelo incluye capital, O&M y costos de cobro para una vida de proyecto de 20 años. Los totales del valor presente neto (VPN) se calculan y comparan. 

El análisis se basa en los siguientes supuestos clave: 

  • Metodología de contrato único, envoltura completa de ingeniería-adquisición-construcción (EPC). 
  • Se excluyen los costos del propietario, costos de desmantelamiento, seguros, impuestos e ingresos.
  • Los costos se basan en la experiencia de Burns & McDonnell y la información del proveedor de tecnología disponible en 2021 y no son representativos de ninguna tecnología en particular o fabricante de equipos originales (OEM). 
  • Se incluye el mantenimiento de rutina durante 20 años. El aumento se incluye para la tecnología de iones de litio basada en una mínima construcción inicial. 
  • Se incluyen los valores de eficiencia de ida y vuelta del año 1 del 70% para el sistema de flujo y del 84% para el sistema de iones de litio. 
  • La tasa de descuento es del 8.5%. La tasa de escalamiento para O&M y los costos de energía es de 2.5%. 

Con la tecnología actual, los costos de capital de la batería de flujo son casi el doble del costo de un sistema de iones de litio de tamaño similar. Con una mayor duración de almacenamiento y una vida útil más larga, la economía mejora, pero no se espera que alcance la paridad con el ion de litio a los precios actuales. Los costos de desmantelamiento y reciclaje pueden favorecer las baterías de flujo porque el electrolito es más fácilmente reciclable o desechable (según el tipo de tecnología), pero estos costos aún se están desarrollando. A medida que los OEM de flujo mejoren la escala de fabricación y la eficiencia de la cadena de suministro, y que los contratistas de EPC ganen experiencia en el campo, los costos continuarán cayendo en picado. Aún así, las baterías de flujo persiguen un objetivo en movimiento con la caída de los costos de iones de litio. 

La barrera principal para la penetración total en el mercado de las tecnologías de baterías de flujo hoy en día es simplemente la falta de comercialización en comparación con la base de instalación pesada de la tecnología competitiva de iones de litio. En el corto plazo, es probable que se instalen instalaciones de baterías de flujo relativamente más pequeñas hasta que se establezca un historial comercial generalizado y se prueben los casos de uso, los costos y los retornos de la inversión.

 

Noticia tomada de: Power Mag / Traducción libre de: World Energy Trade 

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