1. Baterías de Flujo Redox. Resumen
Una batería de flujo es un tipo de pila de combustible recargable en la cual uno o más elementos electroactivos disueltos fluyen hacia una celda para convertir la energía química en electricidad.
Los elementos electroquímicos que actúan como anolito y catolito no tienen contacto físico entre ellos y producen electricidad a través de un proceso REDOX (Reducción – Oxidación). En este proceso, los iones se transfieren hacia la membrana de la celda para conducir el anolito y el catolito hacia otros estados de reducción/oxidación.
La eficacia económica de la batería de flujo se deriva de la clara ventaja que presenta en términos de rentabilidad. La separación entre energía y potencia desempeña un papel fundamental a la hora de hacer que la batería de flujo sea favorable para aplicaciones de alta energía y baja potencia. Esto es principalmente debido a la simplicidad y accesibilidad de expandir el volumen del electrolito, el cual activa la batería de flujo para entregar una capacidad energética significativa sin incurrir en costes sustanciales.
La Fig. 2 muestra las tecnologías más comunes de almacenamiento de energía distribuidas por energía y densidad de potencia, y tiempo requerido de carga/descarga.
Dependiendo de los elementos electroquímicos utilizados, el voltaje en cada una de las celdas de la batería será más alto o más bajo. La Tabla 1 muestra las combinaciones más comunes de Baterías de Flujo REDOX.
| Elementos electroquímicos | Máx voltaje por celda (V) | Densidad de potencia (W/m2) |
| Hierro – Hierro | 1.8 | < 1200 |
| Zinc – Bromo | 1.85 | – 1,200 |
| Vanadio – Vanadio | 1.60 | – 1000 |
| Hierro – Cromo | 1.2 | < 600 |
Como el voltaje por celda es muy bajo para ser práctico, se deben agrupar varias celdas para construir una batería útil. Dependiendo de los elementos electroquímicos utilizados, la aplicación buscada y los voltajes deseados de operación, se podrán agrupar más o menos celdas. Normalmente, los números estándar están entre 20 y 50 celdas.
Aumentar el número de celdas en serie reduce la eficacia general causada por corrientes de shunt, y crea desequilibrios entre las celdas. Por ello, el número de celdas agrupadas generalmente no pasa de 50. Considerando los elementos electroquímicos estándar de la Tabla 1, cada agrupación de 40-50 celdas tendría un rango de voltaje entre 40 y 80V.
2. Transición energética y el papel de las RFB.
La transición energética de combustibles fósiles a energías renovables es el principal motor del desarrollo e implementación de los nuevos sistemas de almacenamiento de energía de alta densidad energética. Las baterías de flujo Redox juegan un papel importante ahora y en el futuro.
Con el incremento de fuentes de energía renovable, como la solar y la eólica, la curva de la carga de red (Carga de red = Demanda total de electricidad – generación solar y eólica) ha cambiado en los últimos años. Para tener una carga de red plana y evitar la curva en forma de pato mostrada en la Fig. 3, es necesario disponer de un sistema de almacenamiento de energía capaz de desplazar la carga.
Como se puede ver en la Fig. 3, la caída en la carga de red se produce entre las 9am y las 5pm, mientras que el incremento de carga se produce entre las 5 y las 11pm. Este comportamiento se repite a lo largo del año con mayor o menor impacto en función de los patrones de consumo y generación.
Estas cuadrículas se beneficiarían enormemente del uso de una batería capaz de desplazar la carga. Las baterías RFB están dimensionadas de forma óptima para operar entre 4 y 9 horas, ya que la potencia y la energía están disociadas, y el coste de la energía es mucho menor que el coste de la potencia.
Otros usos de las baterías RFB que benefician la utilización y la estabilidad de la red:
| FUNCIONES DE LAS BATERÍAS RFB | COMENTARIOS |
| EQUILIBRIO ENTRE ENTREGA Y DEMANDA DE LA RED | RFB puede ayudar a equilibrar la entrega y demanda en un intervalo de 4-12 horasTambién, el tiempo de respuesta está en el rango de segundos para funcionar en regulación a corto plazo. |
| DESPLAZAMIENTO DE LA CARGA DE ELECTRICIDAD EN LA RED | RFB puede descargar cuando las renovables generan, y descargar cuando la carga y los precios aumentan. |
| REDUCCIÓN DE SERVICIOS AUXILIARES Y APLAZAR INVERSIONES EN INFRAESTRUCTURAS | El almacenamiento de energía bien distribuida puede ayudar en la estabilidad de la red en los nodos de distribución. |
| ENERGÍA DE RESERVA | Funcionamiento en modo isla durante cortes en zonas locales. |
3. Convertidores Bidireccionales DC/DC aislados. ¿Por qué usarlos?
Los convertidores capaces de lidiar con altas corrientes y voltajes son necesarios para conectar stacks de Baterías de Flujo Redox de bajo voltaje con voltajes industriales (400-690 Vac).
Nuestros convertidores de potencia aislados aseguran la solución más eficiente y rentable para superar el salto de alto voltaje entre la pila de RFB y los voltajes estándar de la red. Estos convertidores están diseñados para trabajar a corrientes muy elevadas en el lado de la RFB y con altos voltajes en el otro lado con más de un 95% de eficiencia.
Como las baterías de flujo normalmente pueden trabajar con potencias de entre 5 y 15 kW, se deben instalar varias baterías juntas para poder ofrecer soluciones de potencias elevadas industriales del entorno de los MW. Para paralelizar las baterías y evitar corriente de modo común entre los stacks, es necesario conectar un convertidor con aislamiento galvánico a cada stack o string de stacks
Los fabricantes de RFB están estandarizando las soluciones construyendo contenedores de 20’ o 40’ incluyendo los stacks(potencia), los tanques de electrolitos (energía) y la electrónica de potencia. En la fig. 5 se muestra un ejemplo de solución plug and play, todo en uno.
Como el funcionamiento de las RFB estándar es bidireccional, útil para almacenar la energía durante varias horas y reutilizarla cuando sea necesario, obliga a utilizar convertidores bidireccionales y en la medida de lo posible aislados. La conexión a la red se realiza mediante un inversor en cada contenedor o, alternativamente, mediante un inversor centralizado para la instalación.
4. Baterías de Flujo Redox. Papel y funcionamiento de los Convertidores DC/DC.
Los convertidores DC/DC de epic power pueden paralelizarse en un lado (lado alto o bajo) o en ambos. La conexión eléctrica se hace directamente en el punto eléctrico que deben controlar en paralelo, mientras que la comunicación entre cada unidad se realiza mediante bus CAN.
En la fig. 6 se puede ver una configuración general de varios convertidores en paralelo en el lado alto. La comunicación CAN del convertidor se conecta al controlador externo de la aplicación..
Para controlar cada convertidor individualmente, el usuario debe configurarlo con diferentes números de ID.
Los dos modos de control más utilizados en aplicaciones RFB son:
- Regulación de voltaje en el lado alto: Al convertidor se le da un voltaje de referencia en el lado alto con limitación de los niveles de voltaje en el lado bajo. El convertidor regulara el bus DC en el lado alto mientras la batería esté dentro del rango especificado. Como el convertidor mide el voltaje cada pocos microsegundos y no se necesita ninguna comunicación adicional para empezar a suministrar o absorber energía, el tiempo de reacción es corto.
- Regulación de corriente/potencia en el lado bajo: Si el bus DC está ya regulado por un elemento externo. El controlador de la instalación puede controlar la carga o descarga de cada stack individual. Los cambios en el valor fijado de corriente/potencia son más lentos que en el control de voltaje.
Como resumen, la Tabla 3 muestra las ventajas e inconvenientes de cada estrategia de control.
| Inversor | Convertidores DC/DC | Ventajas | Inconvenientes |
| Regula el bus DC | Regula la corriente o la potencia en la RFB | Control sobre la corriente y la salida de potencia por stack | Incrementa el tiempo de reacción |
| Regula la salida de potencia | Regula el bus DC en el lado alto | Respuesta muy rápida, ideal para apoyo a la red | Reducción del control de potencia por stack |
5. Baterías de Flujo Redox. Conclusiones.
Las baterías de flujo Redox proporcionan beneficios en la transición energética hacia el uso de energías renovables. Las RFB, en su rango óptimo de funcionamiento de entre 4 y 12 horas puede ayudar a trasladar la carga de red y evitar situaciones de interrupción y grandes fluctuaciones en el coste de la energía.
Debido a que las RFBs solo pueden agruparse en pocas unidades para evitar aumentar la complejidad y las pérdidas, los convertidores bidireccionales DC/DC son necesarios para incrementar el voltaje de salida. La electrónica de potencia, y concretamente los convertidores DC/DC deben ser capaces de regular el voltaje de salida de forma precisa y con un rápido tiempo de reacción. Esto es crítico para maximizar las ventajas y funcionalidades que las RFBs pueden ofrecer a los operadores de red.
La tecnología de convertidores bidireccionales DC/DC aislados de epic power está preparada para funcionar correctamente con las baterías de flujo Redox con la mayor eficiencia y versatilidad de control posible.
Puede descargar aquí el documento completo: AN058 – Baterías de flujo Redox. Implementación de convertidores bidireccionales DC/DC [ENG].
[1] Power consumption – Net Load – Energy Storage and the California «Duck Curve» (stanford.edu)
