Eficiencia del sistema y consumo auxiliar de sistemas BESS comerciales e industriales

Informe de análisis de la cadena energética y consumo auxiliar en un ciclo de carga/descarga del armario de almacenamiento industrial y comercial

Este informe analiza, para el armario de almacenamiento industrial y comercial de 125 kW / 261 kWh, la cadena energética de un ciclo completo DOD 0% → 95% → 0%. El sistema tiene un RTE AC-AC nominal del 88,5%, y debe descontarse, además de la eficiencia del PCS y la eficiencia round-trip DC de la batería, el consumo auxiliar del grupo de refrigeración líquida, del BMS/EMS y del deshumidificador.

• RTE núcleo (PCS + batería, sin auxiliares): 88,95%
• Consumo eléctrico del sistema de refrigeración líquida en un ciclo al ciclo de trabajo nominal: aprox. 5,8 – 8,1 kWh (cubriendo desde un ciclo de trabajo del 50% hasta el rango de potencia máxima)
• Rango de RTE neto del sistema correspondiente: 85,15% – 87,48% (del 25% de refrigeración hasta refrigeración nominal, cubriendo las condiciones habituales en campo)

1. Parámetros del sistema

2. Cableado y terminales

Esta sección no aborda cableado externo; se centra en los puntos de medición de energía, con las siguientes recomendaciones:

• Medición en el lado de red: contador bidireccional en el terminal de salida del interruptor de conexión a red del armario, como fuente de estadística de $E_{\text{grid\_in}}$ / $E_{\text{grid\_out}}$.
• Medición en el lado AC del PCS: contador bidireccional en el puerto de salida AC del PCS, para verificar la eficiencia propia del PCS.
• Lado DC de la batería: muestreo en el bus DC del BMS, para calcular la eficiencia round-trip DC de la batería.

3. Especificaciones del grupo de refrigeración líquida

La unidad emplea un compresor y una bomba de agua de caudal variable. La señal de control principal es la temperatura de las celdas individuales de la batería ($T_{\max}$ / $T_{\min}$), y la señal de consigna es la temperatura de salida del líquido ($T_{\text{outlet}}$, configurable desde el BMS).

3.1 Lógica de control de modos de operación (BMS activo)

Nota: $T_{\max}$ / $T_{\min}$ corresponden a la temperatura máxima/mínima de las celdas individuales dentro del armario DC; $\Delta T$ es la diferencia de temperatura entre la entrada y la salida del líquido.

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

En caso de pérdida de alimentación se conserva la lógica de refrigeración/calefacción anterior y se añaden dos protecciones forzadas de autocirculación:

3.3 Prioridad de modos

Refrigeración > Calefacción > Autocirculación; la autocirculación puede ser sobrescrita directamente por las condiciones forzadas (3.2).

4. Comunicaciones

Este informe no aborda protocolos de comunicación externos, pero recomienda unificar las siguientes interfaces y puntos de datos en la adquisición en campo para que el EMS de nivel superior pueda calcular el RTE:

• BMS → EMS: tensión/corriente DC de la batería, SOC, SOH, temperatura de celda individual.
• PCS → EMS: tensión/corriente/potencia en el lado AC, estado de carga/descarga, palabra de fallo.
• Grupo de refrigeración líquida → EMS: temperatura de salida del líquido, estado de marcha del compresor/bomba, modo actual (refrigeración/calefacción/autocirculación).

5. Procedimiento de operación y base de cálculo

5.1 Energía de referencia en la cadena

• Eficiencia round-trip DC de la batería 94%, dividida simétricamente en 96,95% × 96,95%
• Eficiencia de carga/descarga del PCS 97,3%
• DoD = 95%

$$E_{\text{usable}} = 261 \times 95\% = 247,95 \text{ kWh}$$

$$E_{\text{grid\_in\_basic}} = \frac{E_{\text{usable}}}{\eta_{\text{DC-AC}} \times \eta_{\text{AC-AC}}} = \frac{247,95}{0,973 \times 0,9695} = 262,84 \text{ kWh}$$

$$E_{\text{AC\_gross}} = E_{\text{usable}} \times \eta_{\text{AC-AC}} \times \eta_{\text{DC-AC}} = 247,95 \times 0,9695 \times 0,973 = 233,91 \text{ kWh}$$

Eficiencia teórica del sistema sin incluir el consumo de refrigeración líquida ni los auxiliares fijos (núcleo PCS + batería):

$$\eta_{\text{core}} = \eta_{\text{DC-AC}} \times \eta_{\text{bat\_RT}} \times \eta_{\text{AC-AC}} = 0,973 \times 0,94 \times 0,973 = 88,95\%$$

5.2 Cadena energética en un ciclo

• Ruta de carga: red → PCS (×97,3%) → DC de la batería (×96,95%) → almacenamiento 247,95 kWh.
• Ruta de descarga: DC de la batería (×96,95%) → PCS (×97,3%) → salida AC bruta 233,91 kWh.
• El consumo de refrigeración líquida y de los auxiliares se presenta como rama variable: el consumo auxiliar se suma en el lado de carga y se resta de la salida bruta del PCS en el lado de descarga.

5.3 Fórmulas generales

Sea $\delta$ el ciclo de trabajo de refrigeración (y $1-\delta$ el ciclo de trabajo de autocirculación), la duración de la carga en un ciclo a potencia nominal es $T_{\text{ch}} = E_{\text{grid\_in\_basic}} / P_{\text{rated}} = 2,103 \text{ h}$, y la duración de la descarga es $T_{\text{dis}} = E_{\text{AC\_gross}} / P_{\text{rated}} = 1,871 \text{ h}$.

$$P_{\text{liq\_avg}} = P_{\text{liq,idle}} + k_{\text{cool}} \cdot \delta = 0,25 + 2,25\delta \quad \text{(kW)}$$

$$E_{\text{grid\_in}} = E_{\text{grid\_in\_basic}} + T_{\text{ch}} \cdot \left( P_{\text{liq\_avg}} + P_{\text{aux\_fixed}} \right) = 262,84 + 2,103 \cdot \left( P_{\text{liq\_avg}} + 0,26 \right) \quad \text{(kWh)}$$

$$E_{\text{grid\_out}} = E_{\text{AC\_gross}} - T_{\text{dis}} \cdot \left( P_{\text{liq\_avg}} + P_{\text{aux\_fixed}} \right) = 233,91 - 1,871 \cdot \left( P_{\text{liq\_avg}} + 0,26 \right) \quad \text{(kWh)}$$

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

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

$$E_{\text{grid\_in}}(\delta) = 262,84 + 2,103 \cdot (0,25 + 2,25\delta + 0,26) = 263,91 + 4,732\,\delta \quad \text{(kWh)}$$

$$E_{\text{grid\_out}}(\delta) = 233,91 - 1,871 \cdot (0,25 + 2,25\delta + 0,26) = 232,96 - 4,210\,\delta \quad \text{(kWh)}$$

$$\eta_{\text{RTE\_net}}(\delta) = \frac{232,96 - 4,210\,\delta}{263,91 + 4,732\,\delta}$$

5.4 Escenarios de consumo auxiliar

Consumo auxiliar fijo: BMS + EMS = 200 W, deshumidificador = 60 W (en funcionamiento continuo), total $P_{\text{aux\_fixed}} = 260 \text{ W}$. El grupo de refrigeración líquida se modela en 8 estados típicos:

[1] Condición de activación de la autocirculación: arranca cuando la diferencia de temperatura entre entrada y salida $\Delta T \geq 4\,°C$, y se detiene cuando $\Delta T \leq 2\,°C$. Cuando la batería está en reposo y la diferencia de temperatura es pequeña, la refrigeración líquida se encuentra realmente en el estado "apagada" (0 kW); durante la carga/descarga o con aumento de temperatura pasa al estado "autocirculación" (0,25 kW). En caso de pérdida de alimentación del BMS, si la temperatura de salida $T_{\text{outlet}} \geq 38\,°C$ o $\leq 8\,°C$, se fuerza la autocirculación durante 120 s.

5.5 Conclusiones y recomendaciones

• RTE núcleo 88,95%; tras descontar 260 W de consumo auxiliar fijo, el RTE neto es de aproximadamente 88,6%; en autocirculación de refrigeración líquida desciende a 88,27%; con un ciclo de trabajo de refrigeración del 50% es del 86,70%.
• Para garantizar el RTE nominal de 88,5% a nivel de sistema, a partir de $\eta_{\text{RTE\_net}} \geq 0,885$ se obtiene por inversión:

  $$P_{\text{liq\_avg}} + P_{\text{aux\_fixed}} \leq 0,348 \text{ kW} \;\Rightarrow\; P_{\text{liq\_avg}} \leq 0,088 \text{ kW}$$

  Es decir, la potencia media por ciclo del conjunto refrigeración líquida + auxiliar fijo debe ser ≤ 0,35 kW (de los cuales, el propio grupo de refrigeración líquida ≤ 0,09 kW, encontrándose básicamente en estado apagado o muy cerca de la zona de autocirculación).
• Nota sobre la autocirculación: según la lógica de control de la sección 3.1, la autocirculación solo se activa cuando $\Delta T \geq 4\,°C$ y no opera de forma continua. Cuando la batería está en reposo con diferencia de temperatura pequeña, realmente se encuentra en "refrigeración líquida apagada" (0 kW), con un RTE que puede alcanzar el 88,62%; durante la carga/descarga con aumento de temperatura pasa a autocirculación (0,25 kW), con un RTE aproximado del 88,27%. El objetivo de control de ≤ 0,09 kW indicado anteriormente no se cumple durante la autocirculación forzada por pérdida de alimentación del BMS (protección límite de 120 s).

6. Precauciones

1. La cadena energética de este informe se basa en el supuesto de eficiencia simétrica de carga y descarga; si la eficiencia del PCS en campo presenta desviaciones notables en distintos tramos de SOC/potencia, debe reajustarse por tramos.
2. El ciclo de trabajo de refrigeración/calefacción del grupo de refrigeración líquida varía significativamente con la temperatura ambiente, por lo que el RTE debe calcularse dentro del rango de temperatura acordado en el contrato.
3. Si el deshumidificador opera bajo demanda y no de forma continua a 60 W, debe sustituirse el término fijo en la fórmula por el ciclo de trabajo real.
4. Tras el envejecimiento de la batería, la eficiencia round-trip DC disminuye, por lo que el cálculo del RTE debe incorporar simultáneamente un coeficiente de corrección por SOH.
5. Todos los valores de potencia/energía son estadísticas de un único ciclo y no pueden extrapolarse directamente a datos diarios/mensuales.

Apéndice A: Definición de símbolos

A.1 Parámetros del sistema

A.2 Eficiencia y energía de referencia

A.3 Tiempos y potencia auxiliar

A.4 Grupo de refrigeración líquida

A.5 Energía y RTE a nivel de sistema

A.6 Convenciones 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 los sistemas auxiliares; el subíndice liq indica la refrigeración líquida.
• Los subíndices idle / cool / heat / max indican los modos de operación de la refrigeración líquida.
• Los subíndices max / min (subíndices desnudos) indican la temperatura máxima/mínima de celda individual (no son modos de potencia).
• La letra griega $\eta$ representa eficiencia, $\delta$ representa el ciclo de trabajo (atención: no confundir con DoD), $\Delta$ representa una diferencia.