Estudio comparativo de la respuesta dinámica de tres tipos de sistemas de almacenamiento de energía para estudios de red: Experimentos reales en un laboratorio de Micro-Red

Danny Ochoa-Correa
Edisson Villa-Ávila
Vinicio Iñiguez-Morán
Patricio Astudillo-Salinas
Resumen

La implementación de sistemas de almacenamiento de energía (SAE) está adquiriendo una creciente relevancia en los sistemas eléctricos de potencia. Esto se debe a su capacidad para almacenar el excedente de electricidad generado por fuentes de energía renovable, como la eólica y la solar, y contribuir al equilibrio entre la generación y la demanda. Estudios documentados en la literatura muestran que esta práctica mejora la estabilidad de la red y reduce la necesidad de realizar costosos rediseños en la infraestructura. En este artículo, se presenta un estudio exhaustivo basado en la experimentación de la respuesta dinámica proporcionada por tres tecnologías de SAE: supercapacitores, baterías de iones de litio y baterías de flujo de Vanadio redox; tecnologías de gran importancia en la academia, investigación e industria en la actualidad. El objeto de esta investigación es la evaluación experimental del desempeño de tales tecnologías en operaciones reales de un sistema eléctrico, centrándose en la determinación de eficiencia de carga y descarga, así como en el seguimiento de potencia activa y reactiva conseguido por la interfaz de conexión a la red asociada. Los resultados de los experimentos realizados en un laboratorio de microrred muestran las ventajas y limitaciones de estas tecnologías en diferentes aplicaciones, demostrando ser la más eficiente y rápida en respuesta de potencia el SAE basado en baterías de iones de litio. Los resultados alcanzados y reportados en el artículo sirven como insumo esencial para que los investigadores y desarrolladores de tecnología alimenten sus modelos con parámetros y datos más precisos que brinden resultados más cercanos al comportamiento real de los prototipos estudiados. La metodología utilizada en esta investigación es descriptiva, experimental y cuantitativa.

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Cómo citar
Estudio comparativo de la respuesta dinámica de tres tipos de sistemas de almacenamiento de energía para estudios de red: Experimentos reales en un laboratorio de Micro-Red. (2024). Revista Tecnológica - ESPOL, 36(1), 13-31. https://doi.org/10.37815/rte.v36n1.1117
Biografía del autor/a

Danny Ochoa-Correa, Universidad de Cuenca

Es Ingeniero Eléctrico por la Universidad de Cuenca, Ecuador, desde 2011. En 2014, obtuvo el título de Máster Universitario en Ingeniería Eléctrica por la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), España. Es Doctor en Ingeniería Eléctrica y Electrónica por la UPM desde 2019. Sus áreas de interés son: integración de aerogeneradores de velocidad variable a la red eléctrica, operación, control y servicios complementarios en sistemas eléctricos de potencia y microrredes.

Referencias

Aneke, M., & Wang, M. (2016). Energy storage technologies and real life applications – A state of the art review. Applied Energy, 179, 350–377. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.06.097

Arribas, B. N., Melício, R., Teixeira, J. C., & Mendes, V. M. F. (2016). Vanadium Redox Flow Battery Storage System Linked to the Electric Grid. Renewable Energy and Power Quality Journal, 1025–1036. https://doi.org/10.24084/repqj14.561

Beltran, H., Ayuso, P., & Pérez, E. (2020). Lifetime Expectancy of Li-Ion Batteries used for Residential Solar Storage. Energies, 13(3), 568. https://doi.org/10.3390/en13030568

Benavides, D., Arévalo, P., Aguado, J. A., & Jurado, F. (2023). Experimental validation of a novel power smoothing method for on-grid photovoltaic systems using supercapacitors. International Journal of Electrical Power & Energy Systems, 149, 109050. https://doi.org/10.1016/j.ijepes.2023.109050

Benoy, S. M., Pandey, M., Bhattacharjya, D., & Saikia, B. K. (2022). Recent trends in supercapacitor-battery hybrid energy storage devices based on carbon materials. Journal of Energy Storage, 52, 104938. https://doi.org/10.1016/j.est.2022.104938

Campoverde-Pillco, J., Ochoa-Correa, D., Villa-Ávila, E., & Astudillo-Salinas, P. (2024). Reutilización de baterías de vehículos eléctricos para aplicaciones de segunda vida en sistemas eléctricos de potencia con una alta penetración de energía renovable: una revisión sistemática de la literatura. Ingenius, 31, 95–105. https://doi.org/10.17163/ings.n31.2024.08

Castro-Gutiérrez, J., Celzard, A., & Fierro, V. (2020). Energy Storage in Supercapacitors: Focus on Tannin-Derived Carbon Electrodes. Frontiers in Materials, 7, 217. https://doi.org/10.3389/fmats.2020.00217

Dikmen, İ. C., & Karadağ, T. (2022). Electrical Method for Battery Chemical Composition Determination. IEEE Access, 10, 6496–6504. https://doi.org/doi: 10.1109/ACCESS.2022.3143040

Do Nascimento Ricardo, J., & Fthenakis, V. (2017, November 4). A Framework for Comparing the Economic Performance and Associated Emissions of Grid-connected Battery Storage Systems in Existing Building Stock: a NYISO Case Study. 2017 IEEE 44th Photovoltaic Specialist Conference (PVSC). https://doi.org/DOI: 10.1109/PVSC.2017.8366258

Espinoza, J. L., González, L. G., & Sempértegui, R. (2017). Micro grid laboratory as a tool for research on non-conventional energy sources in Ecuador. 2017 IEEE International Autumn Meeting on Power, Electronics and Computing (ROPEC), 1–7. https://doi.org/10.1109/ROPEC.2017.8261615

Gao, D., Luo, Z., Liu, C., & Fan, S. (2023). A survey of hybrid energy devices based on supercapacitors. Green Energy & Environment, 8(4), 972–988. https://doi.org/10.1016/j.gee.2022.02.002

Hassan, Q., Jaszczur, M., Abdulateef, A. M., Abdulateef, J., Hasan, A., & Mohamad, A. (2022). An analysis of photovoltaic/supercapacitor energy system for improving self-consumption and self-sufficiency. Energy Reports, 8, 680–695. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2021.12.021

Kljajić, R., Marić, P., Relić, F., & Glavaš, H. (2020). Battery Energy Storage Systems and FACTS Devices Influence on Microgrid Voltage Stability. 2020 International Conference on Smart Systems and Technologies (SST), 141–146. https://doi.org/10.1109/SST49455.2020.9264080

Lee, D., Kang, S., & Shin, C. (2022). Modelling the Effect of Cell Variation on the Performance of a Lithium-Ion Battery Module. Energies, 15(21), 8054. https://doi.org/10.3390/en15218054

Li, M.-J., Zhao, W., Chen, X., & Tao, W.-Q. (2017). Economic analysis of a new class of vanadium redox-flow battery for medium- and large-scale energy storage in commercial applications with renewable energy. Applied Thermal Engineering, 114, 802–814. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2016.11.156

Libich, J., Máca, J., Vondrák, J., Čech, O., & Sedlaříková, M. (2018). Supercapacitors: Properties and applications. Journal of Energy Storage, 17, 224–227. https://doi.org/10.1016/j.est.2018.03.012

Lourenssen, K., Williams, J., Ahmadpour, F., Clemmer, R., & Tasnim, S. (2019). Vanadium redox flow batteries: A comprehensive review. Journal of Energy Storage, 25, 100844. https://doi.org/10.1016/j.est.2019.100844

Mancuso, M. V., Campana, P. E., & Yan, J. (2019). Evaluation of Grid-Connected Micro-Grid Operational Strategies. Energy Procedia, 158, 1273–1278. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2019.01.315

Mostert, C., Ostrander, B., Bringezu, S., & Kneiske, T. M. (2018). Comparing Electrical Energy Storage Technologies Regarding Their Material and Carbon Footprint. Energies, 11(12), 3386. https://doi.org/10.3390/en11123386

Nitta, N., Wu, F., Lee, J. T., & Yushin, G. (2015). Li-ion battery materials: present and future. Materials Today, 18(5), 252–264. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2014.10.040

Niwas, R., & Singh, B. (2016). Unity power factor operation and load-levelling of diesel generator set using battery energy storage system. 2016 IEEE Industry Applications Society Annual Meeting, 1–6. https://doi.org/10.1109/IAS.2016.7731841

Ochoa, D., & Martinez, S. (2021). Analytical Approach to Understanding the Effects of Implementing Fast-Frequency Response by Wind Turbines on the Short-Term Operation of Power Systems. Energies, 14(12), 3660. https://doi.org/10.3390/en14123660

Ochoa, D., Villa, E., Iñiguez, V., Larco, C., & Sempértegui, R. (2022). Uso de supercondensadores para brindar soporte de frecuencia en una microrred aislada. Revista Tecnológica - ESPOL, 34(4), 174–185. https://doi.org/10.37815/rte.v34n4.961

Pazmiño, I., Martinez, S., & Ochoa, D. (2021). Analysis of Control Strategies Based on Virtual Inertia for the Improvement of Frequency Stability in an Islanded Grid with Wind Generators and Battery Energy Storage Systems. Energies, 14(3), 698. https://doi.org/10.3390/en14030698

Pazmiño, I., Ochoa, D., Minaya, E. P., & Mera, H. P. (2022). Use of Battery Energy Storage Systems to Enhance the Frequency Stability of an Islanded Microgrid Based on Hybrid Photovoltaic-Diesel Generation. In M. I. A. Chauvin, M. Botto-Tobar, A. Díaz Cadena, & S. Montes León (Eds.), Sustainability, Energy and City (pp. 48–58). Springer International Publishing. https://doi.org/10.1007/978-3-030-94262-5_5

Şahin, M., Blaabjerg, F., & Sangwongwanich, A. (2022). A Comprehensive Review on Supercapacitor Applications and Developments. Energies, 15(3), 674. https://doi.org/10.3390/en15030674

Sánchez-Díez, E., Ventosa, E., Guarnieri, M., Trovò, A., Flox, C., Marcilla, R., Soavi, F., Mazur, P., Aranzabe, E., & Ferret, R. (2021). Redox flow batteries: Status and perspective towards sustainable stationary energy storage. Journal of Power Sources, 481, 228804. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2020.228804

Shukla, A. K., Sampath, S., & Vijayamohanan, K. (2000). Electrochemical supercapacitors: Energy storage beyond batteries on JSTOR. Current Science, 79(12). t.ly/d9Csz

Silva, F. A. (2018). Electric Energy Storage Systems: Flexibility Options for Smart Grids [Book News]. IEEE Industrial Electronics Magazine, 12(3), 54–55. https://doi.org/10.1109/MIE.2018.2856574

Skyllas-Kazacos, M., Chakrabarti, M. H., Hajimolana, S. A., Mjalli, F. S., & Saleem, M. (2011). Progress in Flow Battery Research and Development. Journal of The Electrochemical Society, 158(8), R55. https://doi.org/10.1149/1.3599565

Subasinghage, K., Gunawardane, K., Padmawansa, N., Kularatna, N., & Moradian, M. (2022). Modern Supercapacitors Technologies and Their Applicability in Mature Electrical Engineering Applications. Energies, 15(20), 7752. https://doi.org/10.3390/en15207752

Suvire, G. O., Ontiveros, L. J., & Mercado, P. E. (2017). Combined control of a flywheel energy storage system and a vanadium redox flow battery for wind energy applications in microgrids. DYNA, 84(202), 230–238. https://www.redalyc.org/journal/496/49655539026/

Transparency Market Research. (2023, January). Redox Flow Battery Market. Redox Flow Battery Market. t.ly/w6R03

Zecchino, A., Yuan, Z., Sossan, F., Cherkaoui, R., & Paolone, M. (2021). Optimal provision of concurrent primary frequency and local voltage control from a BESS considering variable capability curves: Modelling and experimental assessment. Electric Power Systems Research, 190, 106643. https://doi.org/10.1016/J.EPSR.2020.106643

Zubi, G., Dufo-López, R., Carvalho, M., & Pasaoglu, G. (2018). The lithium-ion battery: State of the art and future perspectives. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 89, 292–308. https://doi.org/10.1016/j.rser.2018.03.002

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