Almacenamiento de energía solar para uso nocturno

Los módulos fotovoltaicos generan electricidad cuando hay suficiente irradiancia solar. Después de la puesta de sol, un generador FV convencional deja de ser una fuente activa, de modo que las cargas nocturnas deben abastecerse con otra fuente, como la red eléctrica, una batería, un generador o una combinación de ellas.

El almacenamiento cambia el momento en que se puede usar la energía generada por el sol, no la forma en que los módulos la generan. Cuando la producción FV supera la demanda inmediata del emplazamiento, parte de esa energía puede dirigirse a una batería si la arquitectura del sistema, las reglas de operación y el estado de la batería lo permiten. La energía almacenada puede descargarse después, cuando la producción FV es menor o nula.

Por tanto, la cuestión de diseño importante no es simplemente cuánta electricidad produce el generador FV durante el día. El sistema debe tener en cuenta cuándo se produce la energía, cuándo se consume, cuánta se puede almacenar realmente y qué pérdidas se producen entre la carga y el uso posterior.

Tampoco es necesaria una batería en todas las instalaciones FV. Los emplazamientos conectados a la red pueden consumir la producción solar durante el día y tomar electricidad de la red por la noche, siempre que la conexión y la normativa local permitan ese modelo de funcionamiento.

En un emplazamiento conectado a la red, el consumo nocturno puede seguir resolviéndose normalmente con el suministro de red, salvo que el propietario tenga motivos para trasladar energía entre franjas horarias o mantener determinadas cargas durante una interrupción del suministro. Añadir baterías solo porque el emplazamiento tiene FV puede introducir equipos, controles, mantenimiento, pérdidas de conversión y restricciones de operación que quizá no sean necesarios para el objetivo real.

El punto de partida debe ser el perfil de carga del emplazamiento. Una vivienda con poca demanda nocturna plantea un problema de almacenamiento distinto al de una instalación comercial con refrigeración, bombas, servidores, equipos de proceso u otras cargas que continúan durante la noche. El consumo mensual de energía, por sí solo, no puede describir esas diferencias.

El momento en que se produce la carga también importa. Dos emplazamientos pueden consumir los mismos kilovatios hora al día y requerir sistemas de baterías muy distintos, porque uno concentra la demanda en un periodo corto de la tarde y el otro mantiene una carga constante durante toda la noche.

Las condiciones de la red también deben incluirse en el análisis. Las reglas de importación y exportación, la capacidad de conexión disponible, la estructura tarifaria, el sistema de medición y los requisitos técnicos locales pueden cambiar la utilidad operativa del almacenamiento. Estas cuestiones dependen de la jurisdicción y del contrato de electricidad concretos, y no de una regla universal del almacenamiento solar.

Antes de seleccionar equipos, el operador debe separar, por tanto, tres preguntas: cuánta energía nocturna se necesita, cuánta potencia instantánea hay que suministrar y si la red sigue disponible durante ese periodo.

La capacidad de una batería y su potencia son magnitudes distintas. La capacidad de energía suele expresarse en kilovatios hora y describe cuánta energía puede almacenarse o entregarse dentro del rango de operación utilizable. La potencia, expresada en kilovatios, describe con qué rapidez pueden suministrar o absorber energía la batería y su electrónica de potencia asociada.

Una batería puede tener, por tanto, energía suficiente para una necesidad nocturna y, aun así, no poder atender una carga instantánea elevada. También ocurre lo contrario: un sistema puede entregar mucha potencia durante un periodo breve y carecer de energía utilizable suficiente para cubrir varias horas de consumo.

La parte utilizable de la capacidad nominal depende del sistema de baterías, de los límites de operación, de los controles del estado de carga, de la temperatura, del estado de degradación y de la profundidad de descarga permitida. Hay que recurrir a la información del fabricante para el producto concreto, sin suponer que toda la capacidad de placa puede descargarse cada noche.

También hay que incluir las pérdidas de conversión. Entre la generación FV y la carga final en corriente alterna, la energía puede pasar por un cargador, un inversor, la batería, el cableado y los equipos de control. La energía recuperada por la noche no será, por tanto, idéntica a la energía disponible originalmente en el generador.

Lo ideal es que el perfil de carga relevante incluya los picos de corta duración además de la energía total. Motores, bombas, equipos de climatización u otros dispositivos pueden generar condiciones de arranque o de carga simultánea que influyen en la potencia requerida del inversor y de la batería, incluso cuando su consumo nocturno total de energía es moderado.

Un cálculo de almacenamiento útil parte del consumo medido a lo largo del tiempo. Los datos horarios, o de mayor resolución, muestran cómo cambia la demanda tras la puesta de sol, cuándo se dan las cargas más altas y cuánta energía hay que suministrar hasta que se reanude la producción solar o vuelva a haber suministro de red.

También debe considerarse la variación estacional. Las noches de invierno pueden ser más largas mientras que la producción FV del día anterior puede ser menor, y algunos edificios tienen cargas de calefacción, refrigeración, riego o proceso que varían a lo largo del año. Una batería dimensionada a partir de un solo día favorable puede no comportarse igual en otra estación.

El diseño depende además del objetivo. Desplazar energía, reducir las importaciones de red en periodos concretos, alimentar una carga aislada de la red y ofrecer respaldo ante interrupciones son requisitos distintos. Cada uno puede dar lugar a una capacidad, una potencia, unos controles y un diseño de inversor diferentes, incluso para el mismo emplazamiento.

El sobredimensionamiento no es automáticamente más seguro ni más económico. Una capacidad de batería adicional puede quedar infrautilizada si el sistema FV no produce excedente suficiente para cargarla o si la carga nocturna del emplazamiento es pequeña. Del mismo modo, el infradimensionamiento puede dejar parte de la carga prevista dependiendo de otra fuente.

Por eso el cálculo debe indicar sus hipótesis de forma explícita: carga esperada, capacidad utilizable, pérdidas de conversión, oportunidad de carga, condiciones ambientales, reserva operativa y la autonomía que se requiera. Un tamaño de batería genérico no puede aplicarse a instalaciones que no guardan relación entre sí.

Los sistemas fotovoltaicos-térmicos, o FV/T, combinan la generación de electricidad fotovoltaica con la captación de energía térmica útil. Según el diseño, el calor puede transferirse al aire o a un líquido para aplicaciones como el calentamiento de agua u otras cargas térmicas. Esta tecnología aborda tanto los flujos de energía eléctrica como los de energía térmica del recurso solar disponible.

Los sistemas FV/T no deben confundirse con el almacenamiento eléctrico en baterías. Captar calor durante el día no proporciona por sí mismo energía eléctrica almacenada para los aparatos convencionales por la noche. Si las cargas eléctricas deben funcionar cuando cesa la generación solar, el sistema sigue necesitando una fuente eléctrica adecuada, como la red, una batería u otro generador.

El almacenamiento térmico puede ser útil cuando la necesidad nocturna es en sí misma térmica. A veces es posible almacenar agua caliente u otro medio térmico para usarlo más tarde, pero es un problema de ingeniería distinto del de abastecer cargas eléctricas con una batería.

Otros enfoques también pueden reducir el almacenamiento eléctrico necesario. Algunas cargas pueden trasladarse a las horas de luz, controlarse según la producción FV disponible o alimentarse directamente mientras el generador produce. Que sea viable depende del proceso y de los requisitos del usuario.

El diseño debe partir, por tanto, del servicio que se necesita por la noche. La energía eléctrica, la energía térmica, el respaldo sin interrupciones y el simple traslado de cargas no deben tratarse como objetivos intercambiables.

Añadir una batería no da automáticamente a un edificio un suministro ininterrumpido durante un corte de la red. Muchos sistemas FV y de almacenamiento conectados a la red están diseñados para desconectarse del suministro de la compañía cuando es necesario, y el funcionamiento en modo de respaldo depende del inversor, de los equipos de conmutación, de los controles, de la disposición de cargas protegidas y de la configuración del sistema.

El diseñador debe decidir qué cargas necesitan respaldo. Alimentar la iluminación, las comunicaciones o determinados equipos críticos es distinto de intentar mantener en funcionamiento todo el emplazamiento. La potencia punta, las corrientes de arranque, la duración prevista del corte y la energía almacenada disponible influyen en esa decisión.

La transición al modo de respaldo también importa. Algunas aplicaciones pueden tolerar una breve interrupción, mientras que otras exigen un requisito de continuidad distinto. Los equipos y la arquitectura eléctrica seleccionados deben admitir el comportamiento previsto, en lugar de confiar únicamente en la presencia de una batería.

La producción FV durante un corte puede, en ocasiones, aportar energía a un sistema de respaldo correctamente configurado, pero eso depende del inversor y de la arquitectura de almacenamiento. Que haya módulos solares conectados a un sistema no garantiza que su producción siga disponible cuando la red está caída.

El diseño del respaldo debe especificarse, por tanto, con independencia del traslado habitual de energía a la noche. Un sistema puede ser adecuado para usar energía solar almacenada después de la puesta de sol y, aun así, no serlo para el escenario de corte que se requiere.

La selección de la batería debe basarse en condiciones de operación documentadas y no en una simple comparación de kilovatios hora nominales. La profundidad de descarga utilizable, la potencia de carga y descarga, los límites de temperatura, el comportamiento en ciclos, los ajustes de control, la compatibilidad con el inversor y el entorno de instalación pueden afectar al funcionamiento práctico.

Las condiciones de la garantía deben leerse directamente en la documentación del fabricante o del proveedor del sistema propuesto. Pueden incluir condiciones de operación, límites de energía procesada, límites de tiempo, requisitos de temperatura u otras disposiciones, y no deben generalizarse a todas las tecnologías o marcas de baterías.

La normativa local de red también importa. Los requisitos de conexión, los límites de exportación, los ajustes de protección, la medición y los procesos de aprobación varían según la jurisdicción y el tipo de sistema. Una configuración de almacenamiento técnicamente posible puede requerir un esquema de conexión distinto en otro lugar.

Las hipótesis financieras exigen la misma cautela. Los precios de la electricidad, los periodos tarifarios, la utilización de la batería, la carga futura, la degradación, el mantenimiento, la financiación y el excedente FV disponible influyen en el resultado económico. No se puede indicar de forma responsable un periodo de amortización fijo sin esos datos.

La planificación del almacenamiento debe partir, por tanto, de cargas medidas y de un objetivo de operación definido. La batería es solo una parte del sistema: el comportamiento del inversor, la conexión a la red, la lógica de control, la protección eléctrica, las condiciones ambientales y el perfil real de consumo determinan si el diseño propuesto puede cubrir la necesidad nocturna.