En el contexto de la construcción acelerada de nuevos sistemas de energía, los sistemas de almacenamiento de energía, como componente central para equilibrar el suministro y la demanda de energía y mejorar la resiliencia de la red, están diseñados en torno a la conversión de formas de energía, el control colaborativo del sistema y una operación segura y económica. El objetivo es lograr un almacenamiento flexible y una liberación precisa de energía eléctrica a través de una arquitectura científica. El objetivo principal del diseño no es solo cumplir con los requisitos de potencia y capacidad de escenarios específicos, sino también lograr un equilibrio óptimo entre seguridad, eficiencia, vida útil y economía.
El diseño de sistemas de almacenamiento de energía comienza con la selección de la lógica subyacente de los mecanismos de conversión de energía. El almacenamiento de energía electroquímica se basa en la reacción "electroquímica-electroquímica" reversible, que logra el almacenamiento de energía a través de la reacción redox de los materiales de los electrodos positivos y negativos: durante la carga, la energía eléctrica hace que los portadores de carga (como los iones de litio) migren y se incrusten en el electrodo negativo, convirtiéndolos en energía química; Durante la descarga, los portadores de carga regresan al electrodo positivo y la energía química se convierte nuevamente en energía eléctrica. El almacenamiento de energía física se basa en la conversión de formas de energía macroscópicas. Por ejemplo, el almacenamiento hidráulico por bombeo utiliza electricidad para impulsar una bomba para aumentar la energía potencial del agua y, durante la generación de energía, el agua que cae impulsa una turbina para convertir la energía potencial en energía eléctrica. El almacenamiento de aire comprimido utiliza electricidad para comprimir gas y almacenar energía a presión; al liberar energía, el gas a alta-presión se expande e impulsa un generador. Diferentes mecanismos de conversión determinan la velocidad de respuesta del sistema, la densidad de energía y los escenarios aplicables. El diseño primero debe anclar la ruta tecnológica según los requisitos.
El diseño de la arquitectura del sistema enfatiza la coordinación y gestión jerárquica de múltiples módulos. Un sistema completo de almacenamiento de energía consta de unidades de almacenamiento de energía, un sistema de conversión de energía (PCS), un sistema de gestión de baterías (BMS), un sistema de gestión de energía (EMS) y sistemas auxiliares (control de temperatura, protección contra incendios, monitoreo). La unidad de almacenamiento de energía es el núcleo del almacenamiento de energía y sus métodos de conexión en serie y en paralelo deben optimizarse en función de los requisitos de redundancia, capacidad y voltaje objetivo. El PCS (sistema de control de energía) es responsable de la conversión de CA/CC y la regulación de energía, y su topología (como dos-niveles o tres-niveles) debe coincidir con el nivel de energía y los requisitos de eficiencia del sistema. El BMS (Sistema de administración de baterías), que actúa como las "terminaciones nerviosas", debe lograr un monitoreo en tiempo real- y un control equilibrado del voltaje, la temperatura y la resistencia interna de las celdas individuales para evitar fallas en cascada causadas por sobrecargas y sobredescargas localizadas. El EMS (Sistema de gestión de energía eléctrica) es el "cerebro", que optimiza dinámicamente las estrategias de carga y descarga y coordina las acciones de cada módulo en función de la carga de la red, la producción de energía renovable y las señales de precio de la electricidad. Los sistemas auxiliares brindan protección ambiental para las funciones principales mencionadas anteriormente; por ejemplo, el sistema de control de temperatura mantiene las celdas funcionando dentro de un rango de temperatura adecuado (normalmente 25 grados ±5 grados), y el sistema de protección contra incendios construye una línea de defensa de extinción y alerta temprana contra incendios.
El diseño debe integrar profundamente las características y limitaciones del escenario. El almacenamiento de energía del lado de la red- enfatiza la respuesta rápida y las capacidades de regulación a gran-escala, lo que requiere un rendimiento dinámico mejorado del sistema de generación de energía (PCS) y la compatibilidad con la red-del sistema de almacenamiento de energía (EMS). El almacenamiento de energía del lado de la fuente de energía- debe adaptarse a las fluctuaciones en la producción de energía renovable, optimizando la tolerancia del BMS a la carga y descarga intermitente. El almacenamiento de energía del lado del usuario prioriza la economía y la utilización del espacio, equilibra la configuración de la capacidad y los costos de instalación, y puede emplear integración modular para ahorrar espacio. Además, el diseño debe reservar interfaces de expansión para dar cabida a futuras actualizaciones de capacidad o iteraciones tecnológicas.
La seguridad y la eficiencia económica son cruciales durante todo el ciclo de vida. Desde una perspectiva de seguridad, se debe construir un sistema de defensa de múltiples-capas mediante un diseño de aislamiento eléctrico, protección contra sobretensión y sobrecorriente, y mecanismos de alerta temprana de fuga térmica. Desde una perspectiva económica, para mejorar los beneficios del ciclo de vida son necesarios una mayor eficiencia de conversión de energía (p. ej., eficiencia de PCS mayor o igual al 95 %), un ciclo de vida extendido (p. ej., recuento de ciclos de diseño mayor o igual a 6000 veces) y un menor consumo de energía del sistema auxiliar.
En resumen, el principio de diseño de los sistemas de almacenamiento de energía es un proceso de integración de tecnología basado en mecanismos de conversión de energía, centrado en la colaboración de múltiples-módulos, guiado por la adaptación de escenarios y limitado por la seguridad y la economía. Su esencia es transformar unidades discretas de almacenamiento de energía en un sistema de regulación de energía perceptible, controlable y optimizable a través de una arquitectura científica, brindando soporte clave para que nuevos sistemas de energía hagan frente a la alta proporción de acceso a energía renovable.
