El proyecto Hybris ha desarrollado un Sistema Híbrido de Almacenamiento de Energía (SAH) mediante la integración de baterías de titanato de litio (LTO) y baterías de flujo redox orgánicas acuosas (AORFB). El objetivo final del proyecto se ha basado en abordar diversas demandas energéticas, desde las de alto consumo energético hasta la liberación de energía a largo plazo, abarcando diferentes casos de uso, como las microrredes insulares, las microrredes conectadas a la red y las comunidades energéticas.
Si bien ninguna tecnología de almacenamiento puede satisfacer todas las necesidades de alta energía y alta potencia de las redes eléctricas y las microrredes, un enfoque dual que combine más de un sistema de almacenamiento de energía es un enfoque prometedor, ya que tienen una mayor capacidad para optimizar el rendimiento de potencia y energía. Bajo esta premisa ha trabajado el proyecto Hybris (Sistema de almacenamiento de energía con baterías híbridas para segmentos avanzados de red y detrás del contador), que durante los últimos cuatro años se ha centrado en desarrollar una nueva generación de soluciones de almacenamiento híbrido, basadas en baterías para redes y sistemas detrás del contador más inteligentes, sostenibles y energéticamente eficientes.
El proyecto ha finalizado recientemente y forma parte del programa de investigación Horizonte 2020, financiado por la Unión Europea. El consorcio está formado por 15 socios de seis países europeos, con el coordinador español IDP y los socios españoles Lomartov, IREC (Instituto de Investigación en Energía de Cataluña), Comet y HESStec.
Diferentes casos de uso en microrredes y comunidades energéticas
El proyecto se ha centrado en el desarrollo de estos sistemas híbridos en diferentes casos de uso, como las microrredes insulares, para liberar servicios energéticos donde las redes eléctricas convencionales no están disponibles; las microrredes conectadas a la red, donde el almacenamiento de energía puede liberar servicios para garantizar la estabilidad, la reducción de los costes operativos y el aumento del uso de energía renovable; y las comunidades energéticas y los usuarios privados, donde normalmente los sistemas de almacenamiento son esenciales para obtener ahorro de costes y confiabilidad.
Estas aplicaciones se han implementado en tres escenarios representados por tres sitios piloto de alto impacto y alto potencial de replicación en tres países diferentes (Italia, Países Bajos y Bélgica) para cada caso de uso de aplicaciones y modelos comerciales representativos.
Sistema híbrido de almacenamiento de energía
En cuanto al Sistema Híbrido de Almacenamiento de Energía (SAH), mediante la integración de baterías LTO y baterías AORFB, estas dos tecnologías se complementan con el desarrollo de un innovador sistema de gestión de baterías, una novedosa electrónica de potencia y un avanzado sistema de gestión de energía, totalmente integrado con los sistemas de gestión de energía (EMS) y las redes eléctricas. La integración de los dos sistemas de baterías requirió electrónica de potencia avanzada para gestionar el flujo de energía entre las baterías y la red eléctrica.
Para lograr una integración óptima, se diseñó un sistema de conversión de energía (SCP) mediante un proceso de optimización iterativo multiobjetivo que maximiza la eficiencia de conversión y minimiza los costes de capital y mantenimiento.
El SCP óptimo utiliza dos convertidores CC-CC bidireccionales que interconectan la batería y un convertidor CC-CA conectado a la salida del convertidor CC-CC y a la red eléctrica. El rendimiento del SCP se validó mediante pruebas experimentales realizadas con un prototipo a escala en el laboratorio IREC SmartLab.
Prototipo portátil dentro de un contenedor
Para facilitar el despliegue del sistema híbrido en los diferentes sitios de demostración, se diseñó un prototipo portátil dentro de un contenedor; un sistema con todos los componentes necesarios, como módulos de batería, convertidores de potencia, sistemas de control y mecanismos de seguridad.
En concreto, el contenedor se transportó desde Sevilla a la planta piloto de Messina en Italia. Hybris demostró el rendimiento del sistema de baterías en una pequeña comunidad energética de Messina, gestionada por Solidaridad y Energía, con varios paneles fotovoltaicos y un sistema de almacenamiento de energía (ESS) ya instalados. El objetivo principal de este estudio de caso fue validar la capacidad del sistema para aumentar la capacidad de almacenamiento de energía in situ, incrementando el autoconsumo de energía fotovoltaica y evitando cortes de suministro eléctrico.
Por otro lado, durante el proyecto, investigadores del IREC elaboraron el informe técnico titulado ‘Desbloqueando la versatilidad en el prototipado de convertidores de potencia con TyphoonHIL’. El documento ofrece una visión general del funcionamiento de la aplicación del Prototipado Rápido de Control (RCP) en el IREC.
En este proyecto, el simulador en tiempo real HIL404 actúa como controlador del sistema convertidor de potencia. Durante la fase inicial de diseño, se utiliza el Centro de Control Typhoon HIL para modelar tanto la etapa de potencia como los lazos de control en una configuración de Modelo en el Lazo (MIL), que se ejecuta en tiempo real en el HIL404. Esta configuración permite la validación previa al prototipo de los aspectos de hardware y software. Siguiendo la metodología RCP, se desarrolla el prototipo del convertidor de potencia mientras la etapa de control permanece implementada en el HIL404 como controlador del prototipo.
Resultados del proyecto Hybris
Los resultados del proyecto Hybris mostraron que tanto los modelos de gemelos digitales como las representaciones HiL pueden reproducir casos prácticos reales. El sistema ha sido diseñado para ofrecer servicios de alto consumo energético.
La arquitectura de control y comunicación, que utiliza soluciones locales y en la nube, se ha integrado con baterías y electrónica de potencia en un sistema único de almacenamiento de energía en contenedores, fácil de transportar e instalar en las instalaciones del usuario final.
El Sistema de Gestión de Energía (EMS) desempeña un papel fundamental en la optimización del uso de ambas baterías, garantizando que la batería LTO gestione las demandas de energía a corto plazo, mientras que la AORFB gestiona el almacenamiento de energía a largo plazo. A su vez, el EMS monitoriza el estado de la batería, el estado de carga (SOC) y otros parámetros clave para garantizar un funcionamiento eficiente y la longevidad del sistema.
Además del control local, el HESS se evalúa remotamente en la nube mediante el Sistema de Gestión Avanzada de Baterías (ABMS). Este último utiliza los datos de la batería para alimentar un modelo interno de los sistemas involucrados, y envía periódicamente datos al EMS con gráficos de rendimiento, estado de salud avanzado, potencia en función de la temperatura de cada batería e indicador de preferencia tecnológica. Después, esta información se aprovecha para optimizar el control de la batería del HESS a largo plazo y maximizar su ciclo de vida.
El uso de nuevas tecnologías, como el acceso a big data, las estrategias de optimización y los algoritmos basados en IA, puede permitir la creación de Sistemas de Gestión de Energía (EMS) avanzados capaces de analizar datos de la red eléctrica, patrones climáticos y mercados eléctricos para optimizar el funcionamiento del HESS. Paralelamente, se ha implementado el modelado de gemelo digital del sistema Hybris para entrenar y predecir las respuestas del sistema a las estrategias de optimización propuestas.
El proyecto Hybris ha demostrado que los sistemas de baterías híbridas ofrecen ventajas convincentes para el almacenamiento de energía a escala de edificios. Al integrar estas tecnologías complementarias, el consorcio afirma que han creado una solución que proporciona una respuesta energética rápida y capacidades de almacenamiento de energía de larga duración.