Estudio comparativo de baterías de ion litio y celdas de combustible regenerativas como sistemas de almacenamiento de energía eléctrica en una planta fotovoltaica del Norte de Chile

Abstract

El suministro de energía eléctrica a una comunidad debe ser entregado de manera continua y segura, por lo que para incorporar fuentes de energía libres de carbono como la solar es necesario contar con una infraestructura de almacenamiento, considerando su intermitencia durante el día y estacionalidad. El presente estudio propuso dos alternativas de sistemas de almacenamiento: un sistema de baterías de ion-litio (BAT) y un sistema regenerativo de celdas de combustible (RHFC) compuesto por un electrolizador alcalino, tanques para gas y celdas de combustible ya sea de membrana de intercambio protónico (PEMFC) o de óxido sólido (SOFC). El RHFC con SOFC puede configurarse acoplado a un ciclo de Rankine (SOFC+R) o realizando integración energética (SOFC+Int) entre sus corrientes.Se tomó como base una planta fotovoltaica que hace llegar 60 MW a la planta de almacenamiento. De los balances de masa y energía se obtuvo que se requerirían 106.800 baterías ordenadas en 36 strings con 4.919 celdas cada uno. Por su parte, el RHFC debería contar con 90.050 electrolizadores y 49.670 SOFC ó 111.180.960 PEMFC. Este número de equipos está influenciado por la energía de entrada del sistema y para el caso de la PEMFC, se debe a su densidad de corriente de 4,7 A m2. Se utilizaron 2 parámetros para evaluar el desempeño técnico de los sistemas. La eficiencia Ef se define como la razón entre la energía generada por un equipo y la energía alimentada a éste en un ciclo de carga. Y la energía de retorno (ESOI) se define como la razón entre energía total que un sistema devuelve a la red y la energía necesaria para fabricarlo. Los resultados para cada sistema son: (i) BAT 96% y 33,9; (ii) SOFC+R 10,25% y 30,6; (iii) SOFC+Int 9,77% y 28,5; y (iv) PEMFC 9,72% y 8. EfRHFC <EFBat se debe a las pérdidas que produce tener diversos equipos en el sistema RHFC. ESOIBAT > ESOIRHFC se debe a que los materiales de las baterías tienen menor gasto energético al producirse que los materiales de las RHFC. Se definió como parámetro económico a los costos de capital que corresponde al costo inicial que se debe invertir en un proyecto. Los resultados para cada sistema, en pesos chilenos, son: BAT 670 mil millones, SOFC+R de 360 mil millones, SOFC+Int de 359 mil millones y PEM de 463 mil millones. El sistema BAT es el más caro por ser 106.800 unidades. Las PEMFC son el RHFC más caro porque cada celda es más cara que una SOFC. Priorizando que el abastecimiento sea el máximo posible y con ello que se logre descarbonizar la matriz, se eligió el sistema con mayor Ef: baterías. Esta decisión puede modificarse al complementar el estudio los costos de operación y flujo de caja de cada sistema y haciendo mejoras en el modelo cinético de la PEMFC.