Comunicación presentada al VI Congreso Smart Grids
Autores
- Carlos Martínez de Guereñu Apodaca, Responsable Desarrollo Tecnológico, ZIGOR Research and Development
- Álvaro Díaz de Guereñu Echavarría, Director Proyectos de Innovación, ZIGOR Research and Development
Resumen
Los sistemas de inversores solares híbridos, que incorporan almacenamiento, están siendo incorporados de forma paulatina en el ecosistema de las soluciones fotovoltaicas. Este hecho permite transformar una fuente de energía estrictamente no controlable (o parcialmente controlable) en una totalmente controlable. Por su parte, las herramientas de estímulo a la generación con energías renovables están cambiando de la tarifa regulada (Feed-In-Tariff) hacia mecanismos de autoconsumo y balance neto. En el marco del proyecto NETfficient, se desarrollaron los inversores híbridos HIS Gridex y HIT Gridex y se desplegaron más de 40 unidades en la isla de Borkum, donde estuvieron en operación durante 18 meses. Se ha realizado un análisis de los datos recogidos durante el funcionamiento de los equipos, comparando los escenarios de autoconsumo y balance neto; este comparativa incluye la simulación de los resultados que se hubiesen obtenido con inversores sin almacenamiento.
Palabras clave
Almacenamiento, Hibridación, Inversor Solar, Baterías, Balance Neto, Autoconsumo
Introducción
La introducción de almacenamiento en un inversor solar conectado a red (comúnmente conocido como inversor solar híbrido) da un nuevo enfoque al uso de las energías renovables en aplicaciones domésticas, de edificio y de industria ligera. Este pequeño cambio significa una revolución en el paradigma del uso de la electricidad [1], convirtiendo las fuentes de energía renovable no controlables en sistemas controlables.
El proyecto NETfficient (European Union’s Horizon 2020 research and innovation program under grant agreement No 646463: Energy and economic efficiency for today’s smart communities through integrated multi-storage technologies) desplegó más de 40 sistemas energéticos en casas, edificios y subestación en la isla alemana de Borkum. Se probaron tanto sistemas agregados como autónomos. El objetivo en mente era mejorar la explotación de las energías renovables. La herramienta era el almacenamiento de energía: ultra-condensadores, baterías de litio, hidrógeno y tanques de agua.
Descripción del inversor híbrido
Para el proyecto, Zigor desarrolló y desplegó dos tipos de inversores solares híbridos, llamados HIS Gridex y HIT Gridex en 37 viviendas (5kW) y 5 edificios (20kW) respectivamente. Estos inversores se componen de tres convertidores acoplados en DC: convertidores solares fotovoltaicos (2 MPPT independientes), convertidor bidireccional multi-química e inversor de acople a red, con un control común.
Los inversores tenían comunicación con el medidor de facturación de las instalaciones (contador inteligente), el BMS de la batería y el supervisor/agregador. La integración del smartmeter de la compañía permitía que el inversor siguiera las consignas de potencia en el punto de conexión (POC). Las consignas podían ser internas (modo autónomo) o externas (modo agregado).
Modo autónomo
En el modo autónomo, el inversor está optimizando el autoconsumo de la casa o edificio donde está instalado. Eso significa que durante el día, cuando la energía fotovoltaica (PV) está disponible desde paneles solares, el inversor alimenta el consumo de la casa tratando de evitar que se consuma energía desde el punto de conexión (POC); cualquier exceso de energía cargará las baterías y, llegado el caso (si hay más energía fotovoltaica disponible), parte de la energía se inyecta en la red de distribución.
Durante la noche o, en general, cuando la energía solar no es suficiente para compensar el consumo del hogar, las baterías aportan lo necesario; el objetivo es, una vez más, que no se consuma energía de la red de distribución.
Una vez que las baterías están agotadas, la casa se alimentará de la red. Además, una pequeña cantidad de energía será consumida por el inversor para su propia electrónica y para evitar la descarga profunda de la batería.
Dimensionamiento
El rendimiento de todo el sistema se verá afectado principalmente por el tamaño de la batería, paneles solares y potencia nominal del inversor, en comparación con la potencia y energía consumida por la casa o edificio. En caso de que se instale una baja potencia del panel fotovoltaico, se puede obtener poca energía de forma gratuita, por lo que el impacto final del sistema apenas se notará. Si se reduce la capacidad de la batería, solo se puede obtener una pequeña porción de energía de la casa/edificio de la batería, lo que limita de nuevo el rendimiento del sistema.
Otro punto clave es la enorme variabilidad de la irradiación solar a lo largo del año; esto es especialmente crítico en instalaciones situadas en altas latitudes como las de nuestro estudio. En tales casos, el tamaño correcto de la capacidad de la batería no es obvio; un dimensionamiento optimizado para un cierto período del año, conlleva un rendimiento no óptimo del sistema durante la otra parte año.
La Tabla I muestra el dimensionamiento de la instalación para los dos sistemas diferentes analizados. La potencia fotovoltaica y la capacidad de la batería se muestran en unidades de Sistema Internacional y normalizadas respecto a la potencia nominal del inversor.
Como se puede ver en la tabla, la capacidad de energía de la batería es tres veces menor en las casas, en comparación con los edificios. Como se mostrará más adelante, este hecho tendrá un gran efecto sobre el rendimiento.
Escenarios analizados
Se han analizado dos escenarios diferentes: Balance Neto y Autoconsumo. Un tercer escenario, la de tarifa de regulada (Feed-in-Tariff o FIT), no se ajusta al tipo de instalaciones en las que nos estamos centrando. De todos modos, este escenario FIT sería difícil de analizar porque será muy sensible a la diferencia de precio entre la energía consumida y la energía inyectada. Según [2], la tarifa regulada comenzó a perder fuerza como motor del crecimiento de las energías renovables desde 2011. En cuanto la paridad de red sea una realidad, balance neto y autoconsumo serán las únicas opciones para el concepto de red inteligente.
Balance neto
El balance neto se define como la diferencia aritmética entre la producción fotovoltaica y el consumo de electricidad durante un largo período de tiempo (mes/año); dicho de otro modo, el contador puede “girar hacia atrás” [3].
Autoconsumo
El usuario produce un porcentaje de su energía en cada instante (o en un corto período) directamente a partir de paneles solares o baterías. Si hay algún exceso de producción, la exportación a la red se permite (generalmente). En algunos casos, esta energía inyectada en red se remunera, mientras que en otros, como para los usuarios de NETfficient, no se paga por ella. En otros casos, no se permite la exportación (autoconsumo con vertido cero).
Caso de edificios: HIT GRIDEX
Sólo una de las cinco instalaciones del edificio ha sido operada en modo autónomo. Ha estado en modo agregado (gobernada por el agregador de energía) hasta julio de 2018 y desde entonces hasta el final del proyecto en modo autónomo. El análisis final se ha realizado para el período de agosto a noviembre de 2018. Básicamente, representa la segunda mitad del verano y casi el otoño completo. Por lo tanto, puede ser representativo del desempeño general del año.
Funcionamiento real
El siguiente gráfico (Figura 1) muestra el rendimiento del sistema durante tres días la última semana de octubre de 2018.
La curva morada es el consumo de energía del edificio. Como se puede ver, es bastante plana durante la noche con picos recurrentes alrededor de las 18:00. El tercer día, puede observarse un mayor consumo por la mañana. La curva verde representa la energía solar de los paneles fotovoltaicos. El segundo día es un día soleado, mientras que el tercer día fue un día nublado (la potencia máxima a lo largo de todo el día es de sólo 3 kW). La curva azul es la potencia en el punto de conexión (POC); un valor positivo significa la energía consumida de la red, mientras que un valor negativo significa energía inyectada en la red. Como se observa, (excepto la última parte del tercer día) no hay consumo ni inyección en la red. Esto significa que, en tiempo real, la potencia consumida por el edificio es inyectada por el inversor (curva naranja); y proviene del panel solar (curva verde) o de la batería (curva roja). Esta última se carga (valor positivo) sólo cuando la energía solar excede el consumo del edificio.
Analizando con más detalle el comportamiento del tercer día (Figura 2), se puede observar claramente cómo se optimiza el flujo de potencia con el objetivo de evitar consumir desde la red (curva azul plana a 0w); maximizando el ahorro para el usuario. También se puede ver que alrededor de las 16:00 la batería está agotada y a partir de ese momento toda la energía se toma de la red.
Funcionamiento simulado sin almacenamiento
Con la intención de comparar el beneficio de integrar almacenamiento, se ha llevado a cabo una simulación de rendimiento de un inversor ongrid estándar. A partir de los datos registrados, el consumo del edificio y la energía fotovoltaica no se han modificado. La potencia generada por el inversor se calcula a partir de la potencia fotovoltaica (multiplicada por el rendimiento) y luego se computa la potencia en el POC.
Los resultados se muestran a continuación en la figura 3. Como la generación y el consumo de energía no están en absoluto correlacionados, cuando la energía solar está disponible, el consumo del edificio es bajo; por otro lado, los picos de potencia del edificio son proporcionados por la red, existiendo grandes flujos de entrada y salida de potencia en el POC.
Resultados y análisis
La Tabla II muestra las cifras resultantes de los diferentes escenarios y configuraciones. Los valores presentados son el promedio mensual de los datos registrados.
En el escenario de autoconsumo (el de Borkum), como se puede observar, el edificio ha reducido el consumo de la red en un 71% (ha consumido y pagado un 29%) de sus necesidades energéticas, lo que supone un gran ahorro para el usuario. Si no se instalara ningún almacenamiento (sólo la producción fotovoltaica), la reducción sería sólo del 30%. Esto se debe al hecho de que la producción fotovoltaica y el consumo de edificios no están ocurriendo en el mismo momento del día. Así pues, podemos decir que el uso de energía solar proporciona un ahorro de energía significativo, pero la adición de almacenamiento realmente representa un salto cualitativo en el rendimiento.
En escenarios de balance neto, el uso del almacenamiento realmente no ayuda porque la controlabilidad de la energía que proporciona no tiene efecto real; y, teniendo en cuenta las pérdidas de conversión electroquímica y eléctrica, el almacenamiento no tiene sentido.
Ejemplo de casa: HIS GRIDEX
Siete sistemas en Borkum han trabajado en modo autónomo desde abril de 2018 hasta el final del proyecto, diciembre de 2018. El rendimiento se analiza con los datos de abril a noviembre; por lo tanto, es representativo del conjunto del año.
Funcionamiento real
Los siguientes gráficos muestran el rendimiento del sistema de uno de los sistemas, situados en una zona residencial, en las afueras de la ciudad de Borkum. Aquí se presentan dos períodos específicos del año. La primera se obtuvo durante el solsticio de verano, funcionando los equipos al máximo rendimiento. El otro se obtuvo hacia finales del otoño, cuando la irradiancia solar es más o menos el mínimo anual.
La curva morada representa el consumo de energía de la casa. Como se puede ver, hay un consumo máximo por la mañana y luego alrededor del mediodía, con apenas consumo durante la noche. Incluso siendo verano (figura 4), la potencia fotovoltaica (curva verde) disponible apenas supera los 3 kW (4kWp instalados); como es habitual en sistemas domésticos, la inclinación y la orientación de los paneles fotovoltaicos no son los óptimos. La curva azul es la potencia en el punto de conexión (POC). Se aprecia que en verano principalmente no hay consumo ni inyección en la red. El rendimiento es similar al mostrado en el caso del edificio. Un punto interesante a mencionar es que, en verano, en tres días, la batería se ha agotado dos veces y, además, por el día se carga por completo en poco tiempo. Esto lleva a la conclusión de que la capacidad de la batería está claramente subdimensionada
En invierno (Figura 5) la energía solar es limitada y corta; la batería se descarga todos los días; en consecuencia, el inversor realmente funciona como un consumo adicional para la casa. Por esta razón también, se deduce que el tamaño de la batería debe aumentarse.
Funcionamiento simulado sin almacenamiento
Como se hizo en el caso de edificio, aquí también se ha simulado el comportamiento que hubiera tenido un inversor fotovoltaico sin almacenamiento.
Los resultados se muestran en la Figura 6 y la Figura 7. Como se puede ver, la generación y el consumo de energía tampoco están correlacionados en este caso.
Resultados y análisis
La Tabla III muestra las cifras resultantes de los diferentes escenarios. Los valores presentados son el promedio mensual de los datos registrados.
En el escenario de autoconsumo, a diferencia del caso de edificio estudiado anteriormente, los ahorros asociados al uso del almacenamiento son inferiores. Recordando la Figura 4, la batería se carga bastante rápido en verano, y luego la energía solar se inyecta (pero no se paga) en la red. Una vez agotada la batería, esa energía inyectada debe tomarse (consumirse) de la red. Mientras que en el balance neto este comportamiento es aceptable, en el escenario de autoconsumo, es ineficaz. Esto indica probablemente un subdimensionamiento de la capacidad de almacenamiento.
Obviamente en el escenario de balance neto, así como en caso de uso de edificio, el inversor sin almacenamiento («sólo PV») es una mejor opción.
Conclusiones
Se ha presentado el rendimiento real de unos inversores solares híbridos (PV + almacenamiento). El rendimiento (energético y económico) del sistema depende enormemente del uso o no del almacenamiento. El otro parámetro clave es el régimen o las políticas de energía renovable a tener en cuenta: el autoconsumo o el balance neto.
Una de las conclusiones que podemos sacar es que el almacenamiento tiene sentido en el escenario de autoconsumo; cuanto menos coincidan en el tiempo la producción (solar) y el consumo de los usuarios, más rentable es la aplicación del almacenamiento.
La segunda gran conclusión a aprender es que el tamaño de la batería es crucial para obtener beneficios del almacenamiento. En los casos analizados, mientras que una capacidad de batería instalada de 1C apenas tiene un impacto en la factura de energía (en comparación con sólo el inversor fotovoltaico), una capacidad 3C conduce a ahorros notables. Por supuesto, el tamaño óptimo del almacenamiento debe evaluarse caso por caso.
Referencias
- [1] Zahedi, A.: Maximizing solar PV energy penetration using energy storage technology. Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 15, Issue 1, January 2011, pp 866-870. doi:10.1016/j.rser.2010.09.011
- [2] Renewable Market Watch™. Europe Net Metering and Self-Consumption Solar PV Market Outlook 2016 – 2025. Inea Consulting Ltd (2018).
- [3] Jacobs, D., Sovacool, B.K.: 1.06 – Feed-In Tariffs and Other Support Mechanisms for Solar PV Promotion. Comprehensive Renewable Energy, vol 1, pp. 73-109 (2012). doi:/10.1016/B978-0-08-087872-0.00104-9