Cómo influye la temperatura ambiente en la capacidad de los sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS) comerciales: guía

Un sistema comercial de almacenamiento de energía en baterías puede tener una potencia nominal de 100 kWh, 500 kWh o 2 MWh, pero la energía suministrada al contador depende de la temperatura de las celdas, la tasa de descarga, los límites del estado de carga, la eficiencia del inversor, el consumo complementario, la composición química de la batería y la lógica de control del fabricante.

Entonces, ¿qué es lo que has comprado exactamente: energía almacenada, energía funcional o simplemente una clasificación de laboratorio?

Esa preocupación no es meramente teórica. En 2023, la capacidad de las baterías introducida en el mercado energético mundial aumentó en más de un 130% respecto al año anterior, sumando 42 GW, mientras que los costes de las baterías de iones de litio se habían reducido en más de un 90% en menos de 15 años. El mercado creció más rápido que la capacidad de muchos compradores para comprender lo que realmente significaban las cifras de capacidad. Por lo tanto: una propuesta comercial de sistemas de almacenamiento de energía por batería (BESS) que presente la capacidad sin tener en cuenta la temperatura es incompleta. Puede que no sea deshonesta, pero tampoco es ingeniería apta para la toma de decisiones.

La capacidad indicada en la placa de características del sistema BESS no corresponde a la potencia suministrada

Capacidad de BESS Normalmente se refiere a la energía eléctrica total que puede almacenar una batería, expresada en kilovatios-hora o megavatios-hora. Esa cifra suele obtenerse a partir de pruebas controladas realizadas a una temperatura determinada de la célula, dentro de un intervalo de estado de carga, un rango de tensión y una tasa de descarga específicos.

El cálculo básico parece correcto:

Energía nominal en kWh = Tensión nominal × Capacidad en amperios-hora ÷ 1.000

Para una batería de 51,2 V y 200 Ah:

51,2 × 200 ÷ 1.000 = 10,24 kWh

Correcto. Pero incompleto.

Un operador industrial no recibe los 10,24 kWh completos como potencia útil de corriente alterna. Una estimación aún más sencilla es:

Energía suministrada a la red = Potencia nominal × intervalo útil de SOC × factor de temperatura × eficiencia de conversión − consumo por gestión térmica

Consideremos un pequeño sistema de 100 kWh que utiliza:

• Un intervalo de estado de carga permitido para el 90%
• Eficiencia del inversor 95% y de sus circuitos
• Una variable de rendimiento en función de la temperatura denominada 95%
• 2 kilovatios-hora de calefacción doméstica, aire acondicionado, bombas, sistemas de control y consumo en modo de espera

La estimación resulta ser:

100 × 0,90 × 0,95 × 0,95 − 2 = 79,23 kWh

En el folleto se indican 100 kWh. El contador registra unos 79 kWh en esas condiciones hipotéticas.

Es en ese vacío donde se esconden las deficiencias económicas de las pequeñas empresas.

Cómo influye la temperatura ambiente en la capacidad de almacenamiento de las baterías industriales

La temperatura ambiente influye en la capacidad de almacenamiento de las baterías industriales a través de cuatro mecanismos relacionados: la velocidad de reacción electroquímica, la resistencia interna, las restricciones de funcionamiento del sistema de gestión de la batería (BMS) y la potencia de apoyo necesaria para mantener las celdas dentro de un rango de temperatura adecuado.

El frío reduce el transporte de iones de litio a través del electrolito y los electrodos. La resistencia interna aumenta considerablemente. La caída de tensión se produce más rápidamente bajo cargas elevadas. A raíz de ello, un sistema de gestión de la batería podría reducir la potencia de carga, la potencia de descarga, la profundidad de descarga operativa o las tres cosas a la vez.

El calor plantea un problema distinto. Un calor moderado puede mejorar momentáneamente la cinética de respuesta y reducir la resistencia, lo que hace que la batería parezca tener más energía durante una prueba breve. Sin embargo, la exposición a largo plazo aumenta las reacciones secundarias, el crecimiento de la interfaz de electrolito sólido, el fallo del electrolito, la generación de gas y el envejecimiento cronológico.

Hoy es un día rápido. Mañana será otro.

Y aquí es donde las afirmaciones generalizadas resultan perjudiciales. Un estudio realizado en 2023 por Sandia y Los Álamos evaluó celdas industriales NMC y NCA 18650 sometidas a ciclos a 15 °C, 25 °C y 35 °C hasta que la capacidad se mantuvo en aproximadamente 80%. Las celdas NCA mostraron una dependencia de la temperatura bastante débil, mientras que las celdas NMC experimentaron una mayor pérdida de capacidad y un mayor deterioro del material a temperaturas más bajas. Los investigadores advirtieron expresamente que no se deben hacer afirmaciones generales sobre todas las composiciones químicas de las baterías de iones de litio en todas las licitaciones de sistemas de almacenamiento de energía por batería (BESS) del sector empresarial.

Reducción de la capacidad nominal de los sistemas BESS en condiciones de frío

Reducción de la potencia en función de la temperatura del BESS es la reducción deliberada de la potencia de carga, la potencia de descarga, la capacidad útil o la autonomía cuando la temperatura de la célula desciende por debajo de los límites recomendados por el fabricante.

El rendimiento en climas fríos suele denominarse «problema de capacidad». En la práctica, suele manifestarse inicialmente como un problema de potencia.

Una batería fría puede seguir conteniendo una cantidad considerable de energía química, pero el aumento de la resistencia hace que la tensión en los bornes disminuya en mayor medida cuando el sistema intenta una descarga de alta intensidad. El BMS alcanza antes su límite de baja tensión, por lo que la energía sigue estando presente químicamente, aunque sea inalcanzable desde el punto de vista operativo.

Esa distinción es importante para:

• Reducción de picos de demanda
• Reducción de la tarifa por consumo máximo
• Sustituto del generador
• Autoconsumo solar
• Obligaciones relativas a los sistemas de alimentación ininterrumpida
• Servicios de red de alta potencia

Una batería con un nivel de carga bajo podría soportar una descarga prolongada a baja temperatura. Sin embargo, esa misma batería podría no ser capaz de soportar una descarga breve pero de alta potencia.

Un dato difícil de aceptar: los kWh por sí solos no bastan para describir la capacidad en climas fríos. Los compradores también exigen curvas de kW en función de la temperatura.

La recarga también es mucho menos tolerante. Recargar una célula de iones de litio con ánodo de grafito a una temperatura reducida puede aumentar el riesgo de que se produzca una deposición de litio metálico en lugar de la intercalación habitual de litio. Por lo tanto, un BMS adecuado reduce la intensidad de la corriente de recarga o bloquea la recarga hasta que los calentadores aumenten la temperatura de la célula.

No es que la batería esté fallando necesariamente. Se está protegiendo.

El calor puede mantener el resultado, aunque perjudique la capacidad a largo plazo

El calor engaña.

A temperaturas elevadas, una batería de iones de litio puede presentar inicialmente una resistencia menor y una potencia instantánea aceptable. Eso no significa que las condiciones de funcionamiento sean inofensivas. La velocidad de las reacciones en cadena aumenta y, además de las reacciones útiles, se aceleran también las indeseables.

Los operadores comerciales deben dividir tres medidas:

1. Capacidad disponible de forma inmediata
2. Rendimiento de ida y vuelta
3. Retención duradera de las habilidades

Una batería caliente podría obtener un resultado aceptable en la primera medición, pero perder terreno en la tercera.

El modelo BLAST de vida útil de las baterías del Laboratorio Nacional de las Cordilleras considera la temperatura ambiente, el autocalentamiento de las celdas, la gestión térmica, el estado de carga inicial, la corriente, la profundidad de ciclo, la frecuencia de ciclo y la heterogeneidad de las celdas como variables que influyen en el deterioro. En otras palabras, el nivel de temperatura no puede evaluarse independientemente de cómo se utilice el sistema de almacenamiento de energía por batería (BESS). Un estado de carga elevado en una unidad caliente puede comportarse de forma diferente al de una batería de la misma composición química que se somete a ciclos con un estado de carga moderado. Un sistema de reducción de picos de dos horas desarrollará un perfil térmico diferente al de una batería de reserva que se utiliza poco. Y un armario expuesto al sol del mediodía no funciona en las mismas condiciones que la estación meteorológica situada al otro lado de la ciudad.

Creo que la “temperatura óptima de funcionamiento” es uno de los datos más malinterpretados en la venta de baterías. La temperatura máxima no significa que sea la más recomendable. No implica una potencia máxima. Y, desde luego, tampoco implica un envejecimiento mínimo.

Lo que indican los datos actuales sobre la monitorización térmica de los sistemas BESS

Un estudio de 2023 respaldado por Sandia analizó las cargas de calefacción y refrigeración domésticas a la hora de dimensionar el espacio de almacenamiento de energía en baterías en climas muy fríos. Su conclusión fue desagradable, aunque previsible: el uso de los sistemas de climatización puede alterar sustancialmente el tamaño ideal del sistema de almacenamiento de energía en baterías (BESS) y el coste del proyecto; sin embargo, numerosos modelos tecnoeconómicos asumen una temperatura constante de la batería y omiten esas cargas parásitas. El modelo puede calcular la producción energética de la batería dando por sentado que la sala de baterías se calienta por sí sola sin ningún coste.

No es así.

El mismo error se repite en climas cálidos. Los enfriadores, los ventiladores, las bombas de refrigerante, los sistemas electrónicos de control, los dispositivos de detección de incendios, los equipos de comunicación, los sistemas de calefacción de reserva y la ventilación de las unidades consumen energía. Algunas cargas son periódicas. Otras funcionan de forma constante.

Esa energía proviene de algún sitio. Dependiendo de la arquitectura del sistema y del límite de medición, podría proceder directamente de la batería.

Por su parte, la International Power Company informó en abril de 2024 de que, para cumplir los objetivos mundiales en materia de energías renovables, se necesitarían 1.500 GW de almacenamiento de energía para 2030, incluidos unos 1.200 GW en baterías. Si los errores de gestión térmica se extrapolaran a un número tan elevado de dispositivos, lo que en principio podrían ser pequeños fallos en los requisitos se convertirían en importantes pérdidas funcionales y económicas. Cálculo de la capacidad del sistema de almacenamiento (SS) en función de la temperatura

La copia es una versión preliminar del diseño y no sustituye a los contornos de la inspección del fabricante.

Supongamos un sistema industrial de almacenamiento de energía en batería (BESS) de LiFePO₄ de 100 kWh con:

• Ventana SOC útil del 90%
• Rendimiento de conversión de potencia del 95%
• Diversas variables relacionadas con el nivel de temperatura del pensamiento
• Diferentes caudales de entrada de calefacción y refrigeración por ciclo de descarga

Condiciones ambientales	Elemento de medición de la temperatura	Energía de los sistemas de climatización	Energía aproximada suministrada a través de Internet	Cuestión clave
Habitación con temperatura controlada a 25 °C	100%	1 kWh	84,50 kWh	Conversión de la línea de base y pérdidas de SOC
Unidad de 10 °C de última tendencia	95%	2 kWh	79,23 kWh	Mayor resistencia y calefacción doméstica moderada
Cámara frigorífica a 0 °C	85%	4 kWh	68,68 kWh	Reducción de potencia y carga limitada
-10 °C, sitio web sin acondicionar	70%	7 kWh	52,85 kWh	Límites de carga estrictos y necesidad de un sistema de calefacción
Recinto con una temperatura de 40 °C	97%	5 kWh	77,94 kWh	Un enfriamiento intenso y un envejecimiento acelerado

Estos aspectos relacionados con los niveles de temperatura se presentan a título meramente ilustrativo. Los valores correctos deben obtenerse a partir de las curvas del fabricante (OEM) a nivel de célula o de sistema, teniendo en cuenta la tasa de carga (C-rate) prevista para el proyecto, el rango de estado de carga (SOC), la antigüedad, la circulación de aire, los problemas relacionados con el refrigerante y la configuración de la carcasa.

Sin embargo, la conclusión sigue siendo la misma: la temperatura duplica la capacidad.

En primer lugar, modifica lo que las células pueden aportar. A continuación, altera la cantidad de ese aporte que absorben los mecanismos que mantienen las células con vida.

Las especificaciones del producto indican el valor de referencia a 25 °C

Los elementos vinculados ponen de manifiesto el problema de los requisitos.

El 5,12 kWh, 51,2 V, 100 Ah, cuatro baterías LiFePO montadas en la pared Indica una capacidad de 100 Ah a 25 °C y 0,2 C. Su rango de carga y descarga se extiende desde los -10 °C hasta los 55 °C; sin embargo, la página no especifica que los 100 Ah sigan estando totalmente disponibles a todas las temperaturas dentro de ese rango.

Además, el Batería de LiFePO₄ de 10,24 kWh, 51,2 V y 200 Ah para montaje en pared indica sus valores de capacidad y vida útil a 25 °C y 0,2 C, al tiempo que publica un rango de funcionamiento más amplio, de -10 °C a 55 °C

matriz. Se observa exactamente el mismo patrón en el una batería ESS de aproximadamente 16,1 kWh, 51,2 V y 314 Ah, el Batería de suelo de 20,48 kWh, 51,2 V y 400 Ah, y el batería de LiFePO₄ de suelo de aproximadamente 32,15 kWh, 51,2 V y 628 Ah.

Se trata de productos de uso doméstico, y no de sistemas completos de almacenamiento de energía en baterías (BESS) comerciales en contenedores, pero ponen de manifiesto la misma convención de especificaciones vigente en todo el sector: la capacidad nominal está vinculada a una carga de referencia controlada, mientras que el rango de funcionamiento publicado solo determina en qué condiciones se permite el funcionamiento.

Que algo esté permitido no significa que esté garantizado.

Ejemplo de batería conectada	Potencia nominal	Condición de la prueba de aptitud	Rango de funcionamiento publicado	Lección sobre industria
51,2 V, 100 Ah	5,12 kWh	25 °C	, 0,2 °C - 10 °C	hasta 55 °C. La potencia nominal es un valor en condiciones de referencia
51,2 V, 200 Ah	10,24 kWh	25 °C	, 0,2 °C - 10 °C	hasta 55 °C. El rango de funcionamiento no garantiza el pleno rendimiento.
51,2 V, 314 Ah	Aprox. 16,1 kWh	25 °C	, de 0,2 °C hasta -20	°C liberado. La autorización para bajas temperaturas sigue exigiendo datos de reducción de potencia.
51,2 V, 400 Ah	20,48 kWh	25 °C	, de 0,2 °C hasta -20 °C. Se ha publicado una solicitud de curvas de kW y kWh en función de la temperatura.
51,2 V, 628 Ah	Aprox. 32,15 kWh	25 °C	, 0,2 °C - 10 °C	hasta 55 °C. Una mayor capacidad nominal no elimina las pérdidas térmicas.

Las páginas web de los productos también especifican pruebas de vida útil a 25 °C, 0,2 C y una profundidad de descarga de 80%. Esta base de ensayo es importante, ya que una declaración de “más de 6.000 ciclos” no puede extrapolarse automáticamente a armarios más calientes, cargas más frías, ciclos más profundos o corrientes más elevadas. Temperatura de funcionamiento para sistemas de almacenamiento de energía en baterías industriales (BESS)

En varios diseños comerciales de sistemas de almacenamiento de energía por baterías de iones de litio (BESS), el objetivo práctico no es el rango de temperaturas más amplio permitido, sino un rango de temperatura de las celdas más reducido y regulado de forma proactiva, seleccionado para estabilizar la potencia disponible, la capacidad de carga, la eficiencia, el desgaste del equipo y el deterioro.

Un error habitual en los proyectos es controlar la temperatura ambiental sin regular la variación de temperatura entre las distintas celdas.

El dispositivo puede indicar 25 °C. Las celdas situadas cerca de una salida de aire acondicionado pueden mantenerse a 21 °C. Las celdas de una estantería con mala ventilación pueden alcanzar los 33 °C. A simple vista, esto parece una desventaja, pero las celdas de mayor rendimiento envejecen más rápido, la resistencia se desequilibra, el equilibrio resulta más difícil de mantener y, en última instancia, el BMS limita toda la cadena en función de su eslabón más débil.

Pide al distribuidor:

• Circulación de la temperatura celular en potencia ordenada
• Diferencia máxima de temperatura entre bastidores
• Entrada de aire para calefacción y refrigeración en condiciones climáticas extremas
• Curvas de coste y potencia de descarga en función del nivel de temperatura de las celdas
• Curvas de energía utilizable en función de la temperatura y la tasa de carga (C-rate)
• Límites de reducción de potencia y de cierre
• Lógica de arranque del calentador y del enfriador
• Redundancia en la gestión térmica
• Supuestos sobre la retención de capacidad en el entorno del emplazamiento
• Exclusiones de la garantía del servicio relacionadas con las activaciones por temperatura

Sin contorno, no hay confianza.

Además, solicitaría datos de análisis sin procesar, en lugar de un gráfico publicitario simplificado, siempre que el BESS respalde la capacidad obtenida, el ahorro en las tarifas por consumo, las cargas en situaciones de emergencia o las tarifas por servicios a la red. El riesgo empresarial es demasiado elevado como para aceptar una única línea que indique el “nivel de temperatura de funcionamiento” en una ficha técnica.

Cómo reducir exactamente los efectos de la temperatura ambiente en la capacidad de la batería

Empieza por el diseño de la instalación, no por sobredimensionar las baterías.

El sobredimensionamiento puede compensar la pérdida de potencia funcional; sin embargo, no resuelve el riesgo de recubrimiento de litio, las pendientes térmicas, los fallos del sistema de refrigeración, el aumento del envejecimiento cronológico ni la reducción de la potencia. En muchos casos, añadir más armarios de baterías supone un aumento del calor y de las cargas auxiliares.

Entre las medidas de control más eficaces se incluyen:

• Unidades blindadas y resistentes a la intemperie
• Sistemas de cubierta que reflejan la radiación solar o protecciones exteriores
• Refrigeración regulada por aire o por fluido
• Precalentamiento de la célula a baja temperatura
• Programación de envíos que tiene en cuenta la temperatura
• Las tarifas se reducen al inicio de la temporada de frío
• Reducción del SOC máximo durante períodos prolongados de temperaturas elevadas
• Monitorización de la temperatura a nivel de rack
• Previsión del mantenimiento de los sistemas de refrigeración y calefacción
• Los límites de alarma que se indican a continuación corresponden a los niveles de cierre obligatorio del sistema de gestión de edificios (BMS)

Y coloca los sensores donde realmente se genera el calor.

Un sensor instalado cerca de una entrada de aire de una sala podría indicar que las condiciones son agradables, mientras que las celdas de una instalación que albergan un componente muy apretado están significativamente más calientes. La información media del conjunto puede ocultar valores extremos locales.

Las configuraciones operativas más eficaces incorporan el sistema de gestión de edificios (BMS), el sistema de gestión energética, el sistema de conversión de energía, el controlador de refrigeración y calefacción, y la previsión meteorológica de la página web. Un envío a primera hora de la mañana, cuando hace fresco, no debe tratarse como un envío a mediodía, cuando la temperatura es moderada. Tampoco debe tratarse así un contenedor que haya estado expuesto a seis horas seguidas de radiación solar directa.

Preguntas frecuentes

¿Cómo afecta exactamente la temperatura ambiente al rendimiento de los sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS)?

Los ajustes en función de la temperatura ambiente pueden afectar al rendimiento del sistema de almacenamiento de energía (BESS) al modificar la velocidad de respuesta electroquímica, la resistencia interna, los límites de seguridad del sistema de gestión de la batería (BMS) y la energía consumida por la calefacción o el aire acondicionado de la instalación, lo que sugiere que los kilovatios-hora suministrados en el contador pueden diferir sustancialmente de la capacidad nominal de la batería, incluso cuando las celdas se mantienen en buen estado.

Las bajas temperaturas suelen limitar la potencia y la aprobación de la facturación, mientras que el calor prolongado acelera el envejecimiento. El resultado exacto depende de la composición química, la tasa de descarga, el estado de carga, la antigüedad de las celdas, el diseño térmico y el programa de software de control.

¿En qué consiste la reducción de potencia en función de la temperatura de los sistemas BESS?

La reducción de potencia por temperatura (BESS) consiste en la reducción automática o programada de la potencia de carga, la potencia de descarga, el rango de estado de carga utilizable o la energía disponible cuando la temperatura de las celdas de la batería se sitúa fuera de los límites recomendados, lo que protege a las celdas contra caídas excesivas de tensión, la deposición de litio, la degradación rápida, el sobrecalentamiento o un funcionamiento peligroso.

La reducción de la potencia nominal puede comenzar antes de que el sistema alcance su temperatura mínima u óptima de funcionamiento especificada. Los compradores deben solicitar la curva completa de reducción de la potencia nominal en lugar de basarse únicamente en los dos niveles de temperatura extremos.

¿Cuál es el nivel de temperatura de funcionamiento más eficaz para los sistemas de almacenamiento de energía en batería (BESS) de uso empresarial?

La temperatura de funcionamiento más eficaz para un sistema comercial de almacenamiento de energía en baterías (BESS) es un rango de temperatura controlada de las celdas que garantice un suministro de energía seguro, una carga eficaz, un menor consumo de energía de apoyo, una variación limitada entre celdas y una degradación aceptable a largo plazo, en lugar de limitarse simplemente a mantenerse dentro del amplio rango de funcionamiento permitido por el fabricante.

El objetivo concreto debería venir dado por el proveedor de las baterías. A la hora de realizar la adquisición, daría prioridad a los rangos constantes recomendados, al intervalo de temperatura de almacenamiento y a las hipótesis sobre la vida útil, por encima de las cifras mínimas y máximas que aparecen en los titulares.

¿El calor aumenta la capacidad de las baterías de iones de litio?

El calor puede mejorar temporalmente la cinética de reacción de las baterías de iones de litio y reducir la resistencia interna; sin embargo, no genera energía nominal adicional y puede aumentar la demanda de refrigeración, la autodescarga, las reacciones secundarias, el envejecimiento prematuro y la pérdida permanente de capacidad cuando las celdas permanecen calientes durante períodos prolongados.

Por lo tanto, una evaluación de baja duración puede parecer aceptable mientras que la rentabilidad a lo largo del ciclo de vida se deteriora. Es necesario analizar por separado la producción inmediata y la capacidad de retención a largo plazo.

¿Cómo se debe dimensionar exactamente un sistema BESS empresarial para entornos fríos?

El dimensionamiento de un sistema comercial de almacenamiento de energía en baterías (BESS) para climas fríos debe realizarse teniendo en cuenta las curvas de energía y potencia en función de la temperatura, las restricciones de facturación, las pérdidas de calor de la carcasa, el uso de la unidad de calefacción, el rendimiento del inversor, la tasa C prevista, el margen de demanda requerido, la asignación por envejecimiento y la duración prevista de las condiciones de exposición al frío, en lugar de basarse únicamente en la capacidad nominal.

Simula, como mínimo, las condiciones habituales de los meses de invierno: la temperatura mínima prevista, un fallo en el sistema de calefacción y un corte de suministro prolongado. De lo contrario, es posible que el sistema cumpla con las estimaciones energéticas anuales, pero que no dé la talla durante el episodio de frío concreto para el que se adquirió.

Ajusta el sistema de control de temperatura antes de adquirir más baterías.

No te limites a preguntar: “¿Cuál es la capacidad de la batería en kilovatios-hora?”.”

Averigua la cantidad de kilovatios-hora que queda tras tener en cuenta la reducción de potencia por temperatura, las restricciones del SOC, las pérdidas por conversión, el consumo de refrigeración y calefacción, las toneladas en modo de espera, el envejecimiento y las restricciones de seguridad del BMS. A continuación, averigua cuánta potencia queda a las temperaturas de célula más bajas y más altas previstas en la instalación.

Esa es la función útil de BESS.

Todo lo demás no es más que una etiqueta.

Consulte las especificaciones de las cuatro baterías LiFePO que se indican en el enlace, compare sus valores de referencia a 25 °C con las exigencias de su proyecto y solicite un cálculo de la capacidad y de la gestión térmica específico para su instalación antes de elegir la configuración definitiva del sistema.