Introducción
Un sistema híbrido de almacenamiento de energía de rango extendido combina dos o más tecnologías de almacenamiento con un generador auxiliar. Esta topología utiliza la alta densidad de energía de las baterías, la alta densidad de potencia de los supercondensadores o volantes y el potencial de tiempo de ejecución ilimitado de un generador. Cada componente maneja diferentes partes del perfil de carga. El supercondensador gestiona picos de energía de milisegundos a segundos. La batería gestiona el suministro de energía a escala de minuto a hora. El generador gestiona la recarga a escala horaria. Injet HanCang construyó un sistema híbrido de rango extendido de doscientos cincuenta kilovatios para una aplicación de grúa portuaria y un sistema de cien kilovatios para una estación de carga rápida. Este artículo describe la arquitectura, la estrategia de control y los resultados medidos de ambas instalaciones.
Selección de componentes para funcionamiento híbrido
Un sistema híbrido de almacenamiento de energía de rango extendido requiere una selección cuidadosa de cada tecnología de almacenamiento. La batería debe tener una alta densidad de energía y una capacidad de energía moderada. Injet HanCang selecciona celdas de batería de fosfato de hierro y litio con un diseño que prioriza el ciclo de vida sobre la densidad de potencia. La batería funciona a una tasa C máxima de uno. El supercondensador debe tener una densidad de potencia muy alta y una resistencia interna baja. Injet HanCang selecciona células de supercondensador con una potencia específica de diez kilovatios por kilogramo y una eficiencia de ida y vuelta del noventa y siete por ciento. El tamaño del generador debe coincidir con la carga promedio después de eliminar las contribuciones de la batería y el supercondensador. En la aplicación de la grúa portuaria, la carga promedio después de reducir los picos fue de sesenta kilovatios, por lo que se seleccionó un generador diésel de sesenta kilovatios. El tamaño de la batería se determinó según el requisito de funcionar durante dos horas sin soporte de generador, lo que dio como resultado un banco de baterías de ciento veinte kilovatios hora. El banco de supercondensadores fue dimensionado para manejar la potencia máxima de la grúa de cuatrocientos kilovatios durante cinco segundos, lo que dio como resultado un banco de dos megavatios.
Jerarquía de control para sistemas de tres componentes
El sistema de control de un sistema híbrido de almacenamiento de energía de autonomía ampliada funciona en tres escalas de tiempo. En la escala de milisegundos, el supercondensador responde a los transitorios de carga a través de un circuito de control de caída. El voltaje del supercondensador se monitorea a un kilohercio y la potencia se ajusta para mantener el voltaje dentro de una banda estrecha. En la segunda escala, la batería suministra energía para mantener el voltaje del bus de CC y recargar el supercondensador. En la escala de minutos, el generador arranca si el estado de carga de la batería cae por debajo del treinta por ciento y el voltaje del supercondensador está por debajo del noventa por ciento del nominal. Injet HanCang implementó esta jerarquía utilizando una matriz de puertas programables en campo para el bucle del supercondensador y un controlador lógico programable para la batería y el generador. El tiempo de respuesta medido a un paso de carga de quinientos amperios fue de dos milisegundos para el supercondensador y cuarenta milisegundos para la batería.
Resultados de las pruebas de instalación de grúas portuarias
La aplicación de la grúa portuaria supuso la prueba más exigente del sistema híbrido de almacenamiento de energía de gama ampliada. La grúa opera con un perfil de carga altamente variable. Levantar un contenedor requiere cuatrocientos kilovatios durante cinco segundos. Al bajar un contenedor se regeneran doscientos kilovatios durante cinco segundos. El ciclo se repite aproximadamente cada dos minutos. Injet HanCang realizó una prueba de cuatro horas registrando ciento veinte ciclos de elevación. El sistema híbrido de autonomía extendida suministró toda la potencia máxima del supercondensador. La batería suministraba una potencia media de sesenta kilovatios. El generador arrancó una vez durante la prueba, cuando el estado de carga de la batería alcanzó el veintiocho por ciento después de cincuenta minutos de funcionamiento continuo. El generador funcionó durante veinte minutos, recargando la batería al cincuenta y cinco por ciento. El combustible total consumido fue de uno coma ocho litros. Sin el almacenamiento híbrido, una solución de solo generador habría requerido un generador de cuatrocientos kilovatios en ralentí entre ascensores, consumiendo aproximadamente quince litros de combustible durante el mismo período.
Mediciones de eficiencia en todos los niveles de potencia
La eficiencia general del sistema de un sistema híbrido de almacenamiento de energía de rango extendido varía según el nivel de potencia. Injet HanCang midió la eficiencia en tres niveles de potencia utilizando la instalación de la grúa portuaria. A baja potencia, definida como menos de cincuenta kilovatios, la batería se suministraba directamente con un noventa y dos por ciento de eficiencia. Se pasó por alto el supercondensador porque su corriente de fuga reduciría la eficiencia a baja potencia. A potencia media, definida entre cincuenta y doscientos kilovatios, la batería suministraba un noventa y uno por ciento de eficiencia y el supercondensador permanecía inactivo. A alta potencia, definida como superior a doscientos kilovatios, el supercondensador suministraba un noventa y siete por ciento de eficiencia y la batería aportaba la energía restante a través del convertidor CC-CC. El generador suministró energía con una eficiencia del treinta y tres por ciento cuando estaba en funcionamiento. La eficiencia promedio ponderada del sistema completo, desde todas las fuentes hasta la carga durante la prueba de cuatro horas, fue del ochenta y cuatro por ciento. Esto se compara con el sesenta y tres por ciento de un sistema de solo generador y el setenta y seis por ciento de un sistema de solo batería con la misma capacidad de carga máxima.
Extensión de la vida útil del ciclo de la batería mediante la hibridación
El supercondensador reduce la exposición de la batería a pulsos de alta velocidad C, que son una de las principales causas del envejecimiento acelerado. En la prueba de la grúa portuaria, la batería registró una tasa de C máxima de punto ocho C, mientras que la carga exigía tasas de C de hasta seis, siete C. Injet HanCang proyectó la vida útil del ciclo de la batería basándose en el perfil de corriente medido en la prueba de cuatro horas. Sin la hibridación de supercondensadores, la batería habría experimentado ocho mil ciclos de alta velocidad por año a velocidades C superiores a dos. Con la hibridación, la batería experimenta cuatrocientos ciclos de velocidad moderada por año a velocidades C inferiores a uno. El intervalo previsto de sustitución de la batería se extiende de dos a siete años. La vida útil del supercondensador, según los datos de voltaje y temperatura de la prueba, supera los quince años para el ciclo de trabajo probado. La degradación de la capacitancia medida después de la prueba de cuatro horas fue de cero punto cero cinco por ciento.
Datos de aplicación de la estación de carga rápida
Se instaló un segundo sistema híbrido de almacenamiento de energía de autonomía ampliada en una estación de carga rápida de vehículos eléctricos. La estación tiene una conexión a la red limitada a cien kilovatios, pero da servicio a vehículos que pueden aceptar hasta trescientos kilovatios. El sistema híbrido de autonomía extendida utiliza una batería de cien kilovatios hora, un banco de supercondensadores de un megavatio con capacidad para treinta segundos y un generador de cincuenta kilovatios. Injet HanCang recopiló datos durante tres meses de funcionamiento. La estación atendió a cuatrocientos veinte vehículos durante el período. El supercondensador gestiona toda la corriente de entrada durante la conexión del vehículo, que alcanza los trescientos kilovatios en diez segundos. La batería proporcionó una potencia de carga constante de cien kilovatios durante el resto de cada sesión de carga. El generador se puso en marcha en doce ocasiones cuando el estado de carga de la batería cayó por debajo del treinta por ciento debido a sesiones de carga consecutivas sin tiempo de recarga de la red. Las horas totales de funcionamiento del generador fueron seis horas. El consumo total de combustible fue de dieciocho litros. Nunca se superó la conexión a la red. El tiempo medio de carga del vehículo fue de veintidós minutos, frente a los cuarenta y cinco minutos sin el sistema de almacenamiento.
Análisis económico para aplicaciones de alta potencia
Un sistema híbrido de almacenamiento de energía de rango extendido tiene un costo inicial más alto que un sistema de batería simple debido al supercondensador y su electrónica de potencia. Sin embargo, para aplicaciones con frecuentes picos de potencia, el coste total de propiedad puede ser menor. Injet HanCang realizó un análisis económico para la aplicación de grúa portuaria en un horizonte de diez años. El sistema de batería únicamente requería una batería de un megavatio para manejar los picos de cuatrocientos kilovatios, lo que costaba cuatrocientos mil dólares. El reemplazo de la batería en el año tres y en el año seis sumó trescientos mil dólares cada uno, totalizando un millón de dólares en diez años. El sistema híbrido utilizaba una batería de ciento veinte kilovatios hora que costaba setenta mil dólares, un banco de supercondensadores de dos megavatios que costaba cuarenta mil dólares y un generador de sesenta kilovatios que costaba veinte mil dólares. El reemplazo de la batería en el año siete sumó setenta mil dólares. El coste total de los componentes durante diez años fue de doscientos mil dólares. El sistema híbrido ahorró ochocientos mil dólares en costos de componentes en comparación con el sistema de batería exclusiva. El combustible y el mantenimiento del generador agregaron cinco mil dólares por año, o cincuenta mil dólares en diez años, lo que resultó en un ahorro neto de setecientos cincuenta mil dólares.
Limitaciones prácticas y restricciones de diseño
Los sistemas híbridos de rango extendido son más complejos de controlar y poner en marcha que los sistemas de almacenamiento único. Injet HanCang observó que ajustar los parámetros de control para la instalación de la grúa portuaria requirió tres semanas de ajuste en el sitio. El banco de supercondensadores requiere un circuito de equilibrio para mantener la uniformidad del voltaje entre las celdas. El circuito de equilibrio añade aproximadamente un quince por ciento al coste del sistema de supercondensadores. El generador debe dimensionarse cuidadosamente para evitar ciclos excesivos de arranque y parada. Un ciclo de arranque y parada más frecuente que una vez por hora reduce la vida útil del generador. El generador limitado de la instalación de grúas portuarias arranca a un máximo de seis por día mediante lógica de control. La instalación de la estación de carga rápida no tenía ese límite porque los arranques del generador sólo se produjeron doce veces en tres meses. Los sitios con arranques esperados del generador superiores a dos por día deberían considerar una batería más grande para reducir el ciclo del generador.
Conclusión
El sistema híbrido de almacenamiento de energía de rango extendido combina capacidades de batería, supercondensador y generador en una sola unidad coordinada. Los datos de las pruebas del prototipo de grúa portuaria de Injet HanCang muestran una eficiencia ponderada del ochenta y cuatro por ciento, una extensión de la vida útil de la batería de dos a siete años y un ahorro de combustible del noventa por ciento en comparación con un sistema de solo generador. El análisis económico de la grúa portuaria mostró un ahorro neto de setecientos cincuenta mil dólares en diez años en comparación con un sistema únicamente de batería. Los datos de la estación de carga rápida confirmaron el funcionamiento exitoso con cuatrocientos veinte vehículos atendidos y sin violaciones de los límites de la red. Estos resultados indican que el almacenamiento híbrido de rango extendido es económicamente viable para aplicaciones de carga variable y potencia máxima alta, como grúas, cargadores rápidos y equipos de elevación industrial.