Eficiencia del sistema y consumo auxiliar de sistemas BESS en contenedo

Sistema de almacenamiento de energía en contenedor — Informe de análisis del enlace de energía y consumo auxiliar para un ciclo de carga/descarga

Este informe se centra en el sistema de almacenamiento de energía en contenedor D-Ocean-5016D (12 clusters × 418 kWh, celdas Hihtium 314 Ah 1P416S) y analiza el enlace de energía de un ciclo completo SOC 0 % → 95 % → 0 %. El sistema utiliza la unidad de agua fría con refrigeración por aire Envicool EMW600HCNC3E (certificación CE / anticorrosión C5-M); los equipos auxiliares se alimentan directamente del circuito principal + SAI + cuadro de distribución (DC 24 V / 48 V).

• RTE del núcleo (25 °C, condiciones ideales) = 88,48 % (incluye transformador elevador 0,99² × PCS 0,98² × RTE DC de baterías 0,94)
• Sistema eléctrico auxiliar (diseño eléctrico real del proyecto, 14 elementos, véo en sección 1.1): 7,25 kW en funcionamiento continuo fijo, consumo por ciclo de 13,0 – 14,7 kWh
• Rango de RTE neto del sistema en condición de potencia plena 0,5P: 85,88 % – 87,97 % (desde potencia máxima hasta refrigeración líquida apagada)
• Autocirculación de refrigeración líquida 0,74 kW, consumo por ciclo ≈ 1,5 kWh; refrigeración nominal 27,8 kW, consumo por ciclo ≈ 57,5 kWh
• 88,5 % de RTE neto no es alcanzable bajo este modelo (máximo 87,97 %); objetivo de control de RTE neto del 87 %: ciclo de trabajo de refrigeración ≤ 48,3 %
• Potencia auxiliar continua total del contenedor 7,25 kW; pico (incluida potencia máxima de refrigeración líquida) 37,25 kW

1. Parámetros del sistema

1.1 Arquitectura del sistema eléctrico auxiliar

Lista de cargas del diseño eléctrico real del proyecto D-Ocean-5016D (según el diagrama de distribución eléctrica de ingeniería):

Descripción de la arquitectura:

• Los SMPS de la caja de alta tensión generan 24 V DC, alimentando contactores, control y calefacción de todo el cluster; el AC-DC de 350 W es la fuente principal; el DC-DC de 200 W solo entra en caso de fallo de AC.
• Los SMPS del cuadro de distribución alimentan los buses 24 V / 48 V a nivel de contenedor (sin respaldo por SAI), abasteciendo las cargas del circuito principal.
• 6 deshumidificadores AC GCH-8120S (potencia real 130 W) se energizan desde el circuito principal, funcionamiento continuo.
• Las alimentaciones de BMS de los 12 clusters (60 W/cluster) están respaldadas por el SAI, asegurando que el BMS siga operativo y emita alarmas ante un corte eléctrico.
• La unidad central de incendios 200 W está respaldada por el SAI (monitorización continua); el ventilador extractor antideflagrante 240 W solo se activa por SAI durante una alarma (transitorio ≈ 3 segundos).
• Los enchufes de mantenimiento y de repuesto se contabilizan como reserva de pico de 1 kW, no incluidos en el auxiliar continuo del RTE.
• El sistema eléctrico auxiliar descrito no incluye el circuito principal de agua contra incendios (bomba contra incendios, rociadores, etc.). Si el proyecto real requiere un sistema de agua contra incendios, debe complementarse según EN 12845 (típico 5 - 10 kW con bomba contra incendios), verificando el margen del interruptor principal del contenedor.

2. Cableado y terminales

Esta sección no aborda cableado externo; se enfoca en los puntos de medición de energía y recomienda lo siguiente:

• Medición lado red: medidor bidireccional en la salida del interruptor de conexión a red, como fuente de estadísticas de $E_{\text{grid\_in}}$ / $E_{\text{grid\_out}}$.
• Medición lado AC del PCS: medidor bidireccional, para verificar la eficiencia propia del PCS.
• Lado DC de la batería: muestreo del bus DC del BMS, para calcular la eficiencia de ida y vuelta DC de la batería.
• Ramas auxiliares: la unidad de refrigeración líquida, la alimentación BMS/EMS y la rama de los deshumidificadores deben medirse por separado para facilitar la trazabilidad del consumo auxiliar.

3. Especificaciones de la unidad de refrigeración líquida (EMW600HCNC3E)

3.1 Lógica de control de modo de operación (BMS activo, referencia general de la plataforma Envicool)

Nota: Las especificaciones de la EMW600HCNC3E no publican una tabla de control detallada; los umbrales de temperatura anteriores son valores de referencia generales de la plataforma Envicool, el proyecto real debe regirse por la especificación de integración del BMS del D-Ocean-5016D.

3.2 Lógica de protección por pérdida de alimentación del BMS (BMS inactivo)

3.3 Prioridad de modos

Refrigeración > Calefacción > Autocirculación; las condiciones de protección forzada (3.2) pueden anular la prioridad anterior y entrar directamente en autocirculación.

4. Comunicaciones

Este informe no aborda protocolos de comunicación externos, pero recomienda unificar las siguientes interfaces y puntos de datos en la adquisición en sitio para facilitar el cálculo del RTE en el EMS superior:

• BMS → EMS: tensión/corriente DC de los 12 clusters, SOC, SOH, temperatura máxima y mínima de celda.
• PCS → EMS: tensión/corriente/potencia lado AC, estado de carga/descarga, palabra de fallo, curva de eficiencia.
• Unidad de refrigeración líquida → EMS: temperatura de salida, arranque/parada de compresor/bomba/ventilador, modo actual (refrigeración/calefacción/autocirculación), palabra de fallo.
• Medidores de ramas auxiliares → EMS: medidor total de la rama auxiliar del circuito principal (para calcular el consumo auxiliar total), medidores individuales de salida del SAI, lado DC del BMS/EMS, rama de deshumidificadores.

5. Procedimiento de operación y base de cálculo

5.1 Energía del enlace de referencia

• Eficiencia DC de ida y vuelta de la batería 94 %, dividida simétricamente como 96,96 % × 96,96 %
• Eficiencia de carga/descarga del PCS ambas 98,0 %
• Eficiencia del transformador elevador (elevación + reducción) 0,99 × 0,99 = 0,9801 (bidireccional)
• DoD = 95 %

$$E_{\text{usable}} = 5016 \times 95\% = 4765,2 \text{ kWh}$$

$$E_{\text{grid\_in\_basic}} = \frac{E_{\text{usable}}}{\eta_{\text{TR}} \times \eta_{\text{PCS}} \times \eta_{\text{DC\_ch}}} = \frac{4765,2}{0,99 \times 0,98 \times 0,9696} = 5065,7 \text{ kWh}$$

$$E_{\text{AC\_gross}} = E_{\text{usable}} \times \eta_{\text{DC\_dis}} \times \eta_{\text{PCS}} \times \eta_{\text{TR}} = 4765,2 \times 0,9696 \times 0,98 \times 0,99 = 4482,0 \text{ kWh}$$

Eficiencia teórica del sistema excluyendo la refrigeración líquida y el consumo auxiliar fijo (núcleo PCS + batería + transformador elevador, condiciones ideales 25 °C):

$$\eta_{\text{core}} = \eta_{\text{TR}} \times \eta_{\text{PCS}} \times \eta_{\text{DC\_RT}} \times \eta_{\text{PCS}} \times \eta_{\text{TR}} = 0,99 \times 0,98 \times 0,94 \times 0,98 \times 0,99 = 88,48\%$$

5.2 Enlace de energía de un solo ciclo

• Trayectoria de carga: red → transformador elevador (×99,0 %) → PCS (×98,0 %) → batería DC (×96,96 %) → almacena 4765,2 kWh.
• Trayectoria de descarga: batería DC (×96,96 %) → PCS (×98,0 %) → transformador elevador (×99,0 %) → salida AC bruta 4482,0 kWh.
• Consumo de refrigeración líquida y auxiliar presentado como rama flotante: el lado de carga suma el consumo auxiliar; el lado de descarga descuenta el consumo auxiliar de la salida bruta del PCS.

5.3 Fórmula general

Sea $\delta$ el ciclo de trabajo de refrigeración (ciclo de trabajo de autocirculación $1-\delta$), calculado a potencia de funcionamiento continuo 0,5P $P_{\text{rated}} = 2500 \text{ kW}$:

• Tiempo de carga $T_{\text{ch}} = E_{\text{grid\_in\_basic}} / P_{\text{rated}} = 5065,7 / 2500 \approx 2,026 \text{ h}$
• Tiempo de descarga $T_{\text{dis}} = E_{\text{AC\_gross}} / P_{\text{rated}} = 4482,0 / 2500 \approx 1,793 \text{ h}$

Potencia auxiliar fija $P_{\text{aux\_fixed}} = 7,25 \text{ kW}$ (lista del diseño eléctrico real del proyecto, véo sección 1.1).

$$P_{\text{liq\_avg}} = P_{\text{liq,idle}} + (P_{\text{liq,cool}} - P_{\text{liq,idle}}) \cdot \delta = 0,74 + 27,06\,\delta \quad \text{(kW)}$$

$$E_{\text{grid\_in}} = E_{\text{grid\_in\_basic}} + T_{\text{ch}} \cdot \left( P_{\text{liq\_avg}} + P_{\text{aux\_fixed}} \right) = 5065,7 + 2,026 \cdot \left( P_{\text{liq\_avg}} + 7,25 \right) \quad \text{(kWh)}$$

$$E_{\text{grid\_out}} = E_{\text{AC\_gross}} - T_{\text{dis}} \cdot \left( P_{\text{liq\_avg}} + P_{\text{aux\_fixed}} \right) = 4482,0 - 1,793 \cdot \left( P_{\text{liq\_avg}} + 7,25 \right) \quad \text{(kWh)}$$

$$\eta_{\text{RTE\_net}} = \frac{E_{\text{grid\_out}}}{E_{\text{grid\_in}}}$$

Forma cerrada tras sustitución (eliminando la variable intermedia $P_{\text{liq\_avg}}$):

$$E_{\text{grid\_in}}(\delta) = 5065,7 + 2,026 \cdot (0,74 + 27,06\,\delta + 7,25) = 5081,89 + 54,82\,\delta \quad \text{(kWh)}$$

$$E_{\text{grid\_out}}(\delta) = 4482,0 - 1,793 \cdot (0,74 + 27,06\,\delta + 7,25) = 4467,67 - 48,51\,\delta \quad \text{(kWh)}$$

$$\eta_{\text{RTE\_net}}(\delta) = \frac{4467,67 - 48,51\,\delta}{5081,89 + 54,82\,\delta}$$

5.4 Escenarios de consumo auxiliar

Consumo auxiliar fijo según el diseño eléctrico real de la sección 1.1: 12 cajas de alta tensión de cluster 4,2 kW + cuadro de distribución 0,6 kW + 6 deshumidificadores 0,78 kW + aire acondicionado industrial 0,24 kW + iluminación de emergencia / disipación / pantalla 0,15 kW + 12 alimentaciones BMS de cluster 0,72 kW + unidad central de incendios 0,20 kW + videovigilancia 0,24 kW + auxiliar 24 V 0,12 kW, total $P_{\text{aux\_fixed}} = 7,25 \text{ kW}$. La unidad de refrigeración líquida se modela en 8 estados típicos:

Nota: Los $P_{\text{liq}}$ del 25 %/50 %/75 % de refrigeración en la tabla de escenarios son interpolaciones lineales basadas en la potencia nominal de refrigeración de 27,8 kW (sin incluir la base de autocirculación de 0,74 kW), con ligeras diferencias respecto a la fórmula $P_{\text{liq\_avg}} = 0,74 + 27,06 \cdot \delta$ de la sección 5.3. Si se requiere uniformidad estricta, se recomienda usar la fórmula de la sección 5.3 + ciclo de trabajo explícito como entrada.

Caso límite por fallo de AC: Cuando las 12 cajas de alta tensión de cluster conmutan a la reserva DC-DC de 200 W, el auxiliar fijo se convierte en $12 \times 200 + 0,6 + 0,78 + 0,24 + 0,15 + 0,72 + 0,20 + 0,24 + 0,12 = 5,25 \text{ kW}$, con un RTE correspondiente ligeramente superior al de esta tabla (≈ 88,7 % con refrigeración líquida apagada); esta no es una condición de operación normal, y el acuerdo de RTE se basa en el modo AC.

Transitorio de alarma de incendios: Cuando el detector de H₂ o los sensores de humo/temperatura se activan, la unidad central de incendios entra en estado de alarma y el ventilador extractor antideflagrante (240 W) arranca, con un salto transitorio de potencia auxiliar de ~240 W (≈ 3 segundos); el impacto sobre las estadísticas de RTE es insignificante.

5.5 Conclusiones y recomendaciones

• RTE del núcleo (25 °C, condiciones más ideales) = 88,48 % (transformador elevador 0,99² × PCS 0,98² × RTE DC de batería 0,94). Este valor es el techo teórico, correspondiente a condiciones extremas e ideales: temperatura ambiente 25 °C, temperatura óptima de trabajo de la batería, sin consumo auxiliar, sin modo de espera, SoH=100 %.
• Tras incluir 7,25 kW de auxiliar fijo (lista del diseño eléctrico real del proyecto), el RTE neto es 87,97 % con refrigeración líquida apagada; 87,89 % con autocirculación; 86,99 % con ciclo de trabajo de refrigeración del 50 %; 86,04 % con refrigeración nominal.
• 88,5 % de RTE neto no es alcanzable bajo este modelo: incluso con refrigeración líquida completamente apagada + condiciones ideales de 25 °C + 7,25 kW de auxiliar fijo, el RTE neto solo alcanza el 87,97 %; el techo teórico del núcleo del 88,48 % requiere eliminar todo el consumo auxiliar simultáneamente (no es posible).
• Objetivo de control de RTE neto del 87 %: resolviendo $\eta_{\text{RTE\_net}} \geq 0,87$:

  $$\frac{4467,67 - 48,51\,\delta}{5081,89 + 54,82\,\delta} \geq 0,87$$

  $$4467,67 - 48,51\,\delta \geq 4421,24 + 47,69\,\delta \;\Rightarrow\; 46,43 \geq 96,20\,\delta \;\Rightarrow\; \delta \leq 0,483$$

Es decir, el ciclo de trabajo de refrigeración debe ser ≤ 48,3 % (aproximadamente el extremo inferior del escenario 50 % refrigeración); la potencia media por ciclo de la refrigeración líquida debe ser ≤ 13,81 kW.

• Rango típico de operación (25 °C ideal): RTE neto 86,5 % – 88,0 % (cubriendo 25 % - 75 % de refrigeración), salida AC por ciclo 4432 – 4457 kWh. En condiciones reales en sitio, debido a temperatura ambiente, calentamiento de la batería y fluctuaciones del auxiliar, el RTE suele caer por debajo de este rango.
• Potencia total del sistema eléctrico auxiliar 7,25 kW como una de las principales cargas del RTE: consumo fijo por ciclo de 13,0 – 14,7 kWh, excediendo en un orden de magnitud a la autocirculación de la refrigeración líquida (1,5 kWh). Optimizar la eficiencia del SMPS de las 12 cajas de alta tensión de cluster (350 W → 280 W) puede recuperar ≈ 0,4 puntos porcentuales de RTE.
• La refrigeración líquida sigue siendo el factor dominante del RTE: consumo de refrigeración líquida por ciclo de 1,5 kWh (autocirculación) – 57,5 kWh (refrigeración nominal); auxiliar fijo del orden de 13 kWh, la contribución de la refrigeración líquida + auxiliar fijo a la pérdida de RTE es ≈ 75 % / 25 %.
• Consumo significativo de los 6 deshumidificadores: 0,78 kW representa el 10,8 % del auxiliar total, 1,58 kWh por ciclo. Se recomienda evaluar la necesidad de deshumidificación (basándose en datos de sensores de humedad ambiental) para decidir el arranque/parada; la operación bajo demanda puede recuperar ≈ 0,2 puntos porcentuales de RTE.
• El acuerdo técnico debe aclarar: puntos de medición de RTE (se recomienda medidor bidireccional lado red), si incluye refrigeración líquida / incendios / modo de espera / enchufes, rango de temperatura de prueba (base 25 °C), ventana SOC (0-95 %), método de medición del auxiliar (se recomienda medir por separado las ramas SMPS + unidad central de incendios + 12 BMS de cluster para facilitar la trazabilidad según la arquitectura de la sección 1.1).

5.6 Verificación de carga del interruptor principal del contenedor

Según las potencias continuas y pico totales de la tabla de la sección 1.1:

6. Notas y precauciones

1. El enlace de energía de este informe se basa en el supuesto de eficiencias de carga/descarga simétricas, en condición de trabajo 0,5P. Si el PCS real presenta grandes variaciones de eficiencia en diferentes SOC/segmentos de potencia, debe re-ajustarse por segmentos.

2. El RTE del núcleo 88,48 % es el techo teórico bajo las condiciones más ideales a 25 °C, correspondiente a la eficiencia en serie del transformador elevador 0,99², RT DC de la batería 0,94 y PCS 0,98². En condiciones reales, debido al calentamiento de la batería (>25 °C), pérdidas de línea y degradación del SoH (<100 %), el RTE decaerá elemento por elemento.

3. El ciclo de trabajo de refrigeración/calefacción de la unidad de refrigeración líquida varía significativamente según las diferentes temperaturas ambientales; el RTE debe calcularse dentro del rango de temperatura acordado.

4. Tras el envejecimiento de la batería, la eficiencia DC de ida y vuelta disminuye; el cálculo del RTE debe introducir de forma sincronizada un coeficiente de corrección por SOH.

5. Si los deshumidificadores operan bajo demanda en lugar de 120 W continuos, debe sustituirse el término fijo por el ciclo de trabajo real en la fórmula.

6. Todos los valores de potencia/energía son estadísticas de un solo ciclo y no deben extrapolarse directamente a datos diarios/mensuales.

7. Potencia medida de la refrigeración líquida del contenedor a @25 °C 0,5P (≈ 23 kW) + fijo 7,25 kW ≈ potencia total 30,5 kW.

8. El sistema de incendios ya incluye la potencia de monitorización continua de la unidad central de incendios 200 W; el ventilador extractor antideflagrante 240 W solo se activa en alarma, no contabilizado en las estadísticas de RTE; el circuito principal de agua contra incendios (bomba contra incendios, rociadores, etc.) no está contabilizado; los proyectos reales que lo requieran deben complementarlo (típico 5 - 10 kW), verificando la capacidad de carga total del interruptor principal D100A o añadiendo una rama independiente.

9. 6 deshumidificadores AC (780 W) en funcionamiento continuo representan el 10,8 % del auxiliar total. Se recomienda basarse en datos de sensores de humedad ambiental para decidir el arranque/parada; la operación bajo demanda puede recuperar ≈ 0,2 puntos porcentuales de RTE.

10. Los enchufes de mantenimiento y de repuesto (1 kW cada uno) se reservan como pico, no incluidos en el modelo de auxiliar continuo del RTE, pero deben medirse por separado en el uso en sitio para evitar afectar la conciliación del acuerdo de RTE.

Apéndice A — Definición de símbolos

A.1 Parámetros del sistema

A.2 Eficiencia y energía de referencia

A.3 Tiempo y potencia auxiliar

A.4 Unidad de refrigeración líquida

A.5 Energía y RTE a nivel de sistema

A.6 Convención de nomenclatura de símbolos

• Los subíndices in / out indican energía que entra / sale de la red.
• Los subíndices ch / dis indican los procesos de carga / descarga.
• El subíndice aux indica el sistema auxiliar; el subíndice liq indica la refrigeración líquida.
• Los subíndices idle / cool / heat / max indican las etapas de operación de la refrigeración líquida.
• Los subíndices max / min (subíndices desnudos) indican las temperaturas máxima y mínima de celda individual (no son etapas de potencia).
• La letra griega $\eta$ indica eficiencia, $\delta$ indica ciclo de trabajo (distinguir del DoD), $\Delta$ indica diferencia.