Almacenamiento de energía
Debido a la creciente demanda de electricidad disponible, las comunidades se esfuerzan por aumentar el uso de energías renovables, a menudo en una relación sinérgica con las tecnologías de sistemas de almacenamiento de energía (ESS) existentes y emergentes. La energía eólica y solar combinada con instalaciones de baterías de iones de litio es una de las soluciones de más rápido crecimiento, con los ESS como parte esencial de estos sistemas.
Perspectivas del mercado
En marzo de 2019, los dos mayores sitios de almacenamiento de baterías a escala de servicios públicos en funcionamiento en Estados Unidos (EE. UU.) proporcionan 40 MW de capacidad de energía cada uno: El sistema de almacenamiento de energía en baterías de Golden Valley Electric Association en Alaska y el sistema de almacenamiento de Vista Energy en California.
En los Estados Unidos, hay 16 sitios de almacenamiento de baterías en funcionamiento que tienen una capacidad de potencia instalada de 20 MW o más. De los 899 MW de almacenamiento de baterías en funcionamiento instalados notificados por los estados en marzo de 2019, California, Illinois y Texas representan algo menos de la mitad de esa capacidad de almacenamiento. California lidera el pelotón con diferencia, con 230 MW. Véase la Figura 1, a la derecha.
En enero de 2020, el Secretario de Energía de Estados Unidos, Dan Brouillette, anunció un amplio programa para acelerar el desarrollo de tecnologías de almacenamiento de energía de nueva generación que situarían a Estados Unidos como líder mundial.
En 2020, Lux Research informa de que se espera que el mercado mundial de almacenamiento de energía crezca hasta alcanzar los 546.000 millones de dólares en el año 2035. Uno de los mayores mercados será probablemente el del almacenamiento de energía residencial, con una tasa de crecimiento anual compuesta prevista del 76% y un aumento de los ingresos de 8.000 millones de dólares en los próximos tres años.
Gráfico 1 Capacidad de almacenamiento en baterías a escala comercial en MW en EE.UU. (Imagen de la Administración de Información Energética de EE.UU.)
¿Por qué necesitamos almacenamiento de energía?
Los consumidores de energía se están convirtiendo rápidamente en productores activos, al tiempo que exigen una energía limpia, fiable y asequible.
Los cambios en la generación y el consumo modernos de energía están siendo impulsados por tres poderosas tendencias: las tecnologías de energía distribuida más asequibles, la descarbonización de la red eléctrica mundial mediante la integración de más fuentes de energía renovables y la aparición de las tecnologías digitales.
Las soluciones de almacenamiento de energía en baterías ofrecen una nueva flexibilidad de aplicación y abren un nuevo valor empresarial en toda la cadena de valor de la energía, desde la generación, transmisión y distribución de energía convencional y renovable hasta los sectores industrial y comercial. El almacenamiento de energía permite diversas aplicaciones, como el refuerzo de la producción renovable, la estabilización de la red eléctrica, el control del flujo de energía, la optimización del funcionamiento de los activos y la creación de nuevos ingresos.
Para los promotores de energías renovables, el almacenamiento de energía ofrece una alternativa más rápida a los acuerdos de compra de energía, que pueden tener un plazo de ejecución de un año o más. Para las empresas de servicios públicos, el almacenamiento de energía ofrece relevancia con el aumento de la generación distribuida. El almacenamiento de energía puede ayudar a los promotores de energías renovables a aumentar la despachabilidad y previsibilidad de las energías renovables, ayudando a cumplir los estrictos códigos y permisos de conexión.
Uso de dispositivos de alimentación de Si tradicionales en ESS
El diseño de inversores bidireccionales de alta potencia con transistores de potencia de silicio (Si) reducirá el rendimiento energético del sistema debido a las elevadas pérdidas de conducción y conmutación. La eficiencia se resentirá, se necesitará más refrigeración y se ocupará más espacio en la placa en comparación con el uso de dispositivos de banda ancha (WBG), como el nitruro de galio (GaN) o el carburo de silicio (SiC).
Si las frecuencias de funcionamiento son más bajas, se necesitarán inductores y condensadores de filtrado más grandes, lo que aumentará el coste, el peso y el volumen del diseño. El aumento de las pérdidas en los inductores también reducirá la eficiencia.
WBG Power Devices ofrece las mejores soluciones de almacenamiento de energía
Transistores de potencia de GaN
Un buen ejemplo de dispositivo de almacenamiento de energía distribuido (DESD) incorpora un convertidor CC-CC bidireccional aislado con transistores GaN de 650V. El DESD integra un paquete de baterías de iones de litio de bajo voltaje de 13,2 V, un convertidor CC-CC bidireccional integrado y un sistema de comunicación inalámbrica. Estas tres piezas pueden empaquetarse juntas, lo que permite conectarlas directamente a la red de corriente continua de alto voltaje (380 V). Esto permite un enfoque modular para los sistemas de almacenamiento de energía en baterías. En el lado de alta tensión se utilizan dos transistores GaN de modo de mejora de 650V. En la figura 2, a la derecha, se muestra un convertidor de 400 V a 12 V de CC (por ejemplo, energía auxiliar), de 1 kW, para un DESD de 1 kWh.
Los dispositivos de potencia de GaN permiten una notable mejora con respecto a un dispositivo de Si. Los transistores de GaN mejoran el rendimiento ampliando el rango de funcionamiento a carga ligera, reduciendo las pérdidas por conmutación y la EMI, y aumentando la eficiencia total del funcionamiento de carga y descarga.
Un diseño de medio puente de toma central, con una etapa de potencia de pinza activa, puede diseñarse para proporcionar ventajas considerables en la conversión de potencia bidireccional de baja tensión y alta corriente. Véase la Figura 3, a la derecha.
Los conmutadores de potencia de GaN también ampliarán el área de funcionamiento seguro (SOA) y aumentarán la eficiencia con respecto a los dispositivos de Si. Los dispositivos de GaN consiguen este rendimiento mejorado con respecto a los dispositivos de Si gracias a la menor capacitancia COSS, que permite reducir las pérdidas en la desconexión; esto puede permitir que el convertidor funcione en modo de conmutación dura. Además, en un dispositivo de GaN el tiempo de recuperación inversa y la carga de recuperación inversa del diodo del cuerpo son prácticamente nulos, lo que acorta el tiempo de desconexión cuando los conmutadores del lado de alta tensión funcionan en modo rectificador.
Transistores de potencia de SiC
La tecnología de carburo de silicio (SiC) ofrece otra excelente mejora de la potencia con respecto al Si en el núcleo de las soluciones ESS. Las soluciones de semiconductores de potencia de SiC pueden ofrecer al menos un 50% más de eficiencia que el Si y soportan sin problemas tensiones más altas a escala de red. El sistema gana en rendimiento gracias a la eficiencia, la densidad de potencia y la rápida velocidad de conmutación que ofrecen los dispositivos de alimentación de SiC.
Utilización de un módulo SiC: Con el fin de alcanzar altas velocidades de conmutación con bajas pérdidas de conmutación, se puede diseñar un paquete para lograr una baja inductancia de dispersión tanto para el módulo como para el diseño de la barra colectora a nivel de sistema.
Los bucles de corriente dentro de los módulos Wolfspeed son anchos, de perfil bajo y ofrecen una distribución uniforme entre los dispositivos, lo que da como resultado impedancias equivalentes a través de una posición de interruptor. Los terminales de alimentación del módulo también están desplazados verticalmente. Esto permite diseñar un bus sencillo entre los condensadores de enlace de CC y el módulo, laminado hasta el módulo sin necesidad de curvas, acuñamiento, separadores ni ningún aislamiento complejo. El resultado es una inductancia de dispersión del bucle de potencia de sólo 6,7 nH a 10 MHz, como se demuestra en el diseño de referencia del inversor XM3. Véase la figura 4, a la derecha.
Con la mitad de peso y volumen que un módulo estándar de 62 mm, la plataforma de módulos de potencia XM3 de Wolfspeed maximiza la densidad de potencia (hasta 450 A) al tiempo que minimiza la inductancia de bucle y permite un bus de alimentación sencillo. Véase la figura 5, a la derecha.
El encapsulado optimizado para SiC del XM3 permite un funcionamiento continuo de la unión a 175 °C.
Los sistemas de almacenamiento de energía son fundamentales para el mercado de las energías renovables, en rápido crecimiento en todo el mundo. El uso de dispositivos de potencia de silicio en un diseño de este tipo no hace justicia al tamaño, el peso y la potencia de estos sistemas en comparación con el uso de dispositivos WBG, que también mejorarán enormemente la eficiencia y funcionarán a voltajes más altos.
Figura 2: Diseño del sistema de microrred de corriente continua de 380 V con dispositivos de almacenamiento de energía distribuida (DESD) y recursos de energía renovable distribuida (DRER) (Imagen de la referencia 1).
Figura 3: Una arquitectura de medio puente con toma central, que utiliza un convertidor de pinza activa, emplea transistores de GaN como elemento de potencia en el lado de alta tensión (Imagen de la referencia 1).
Figura 4. Vista lateral del módulo XM3 Vista lateral del módulo XM3 con los cables de alimentación no planos (Imagen de Wolfspeed)
Figura 5: Disposición de bus de un inversor trifásico (Imagen de Wolfspeed)
Referencias
- Distributed Energy Storage Device Based On A Novel Bidirectional DC-DC Converter With 650V GaN Transistors, Fei Xue, Ruiyang Yu, Wensong Yu, Alex Q. Huang, FREEDM Systems Center, North Carolina State University, IEEE 2015.
