DIMENSIONAMIENTO DE SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO DE LITIO-ION PARA SISTEMAS HÍBRIDOS SOLAR + DIÉSEL + BATERÍAS

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1 DIMENSIONAMIENTO DE SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO DE LITIO-ION PARA SISTEMAS HÍBRIDOS SOLAR + DIÉSEL + BATERÍAS Jorge Chacon Hernandez, PhD Advances Lithium-ion Energy Storage Systems (ALESS) Transform life, Energy Business, and the Global Energy & Economy Madrid, 12 Marzo 2014

2 MAS DE 75 AÑOS DE HISTORIA EN LAS TÉCNOLOGIAS DE ALMACENAMIENTO ELECTROQUIMICO CEGASA comienza como fabricante de materias primas para PILAS CEGASA comienza la fabricación de PILA INDUSTRIAL tecnología AIR-ALKALINE CEGASA mejora el rendimiento de la tecnología alcalina y saca al mercado la SUPERALCALINA CEGASA I+D+i, desarrolla la tecnología de PILA DE HIDROGENO con tecnología PEM Comienza la producción de PILA H2 & Litio-Ion Comienzo de la producción a gran escala de CELDAS Y BATTERY PACK de litio-ion CEGASA invierte en automatizar la producción de Manganeso CEGASA adquiere tecnología de fabricación de PILA SALINA de Leclanché CEGASA comienza la fabricación de pila consumo tecnología ALCALINA CEGASA comienza la fabricación de componentes de embutición profunda (COLECTOR) CEGASA comienza la fabricación de polvo de Zn (ANODO) CEGASA comienza la fabricación la pila EVOLUTION CEGASA comienza la fabricación de Battery Pack y soluciones de energía portátil partiendo de pilas propias CEGASA I+D+i, desarrolla la tecnología de CELDAS DE LITIO-ION CEGASA fabrica a escala piloto las primeras CELDAS Y BATTERY PACK DE LITIO- ION

3 ESTRUCTURA DE NEGOCIO DEL GRUPO CEGASA CEGASA Group CEGASA LOGISTIC (Logistic Business) DOMESTIC APPLIANCES Consumer Business (SOLAC Branch) CEGASA INTERNATIONAL ELECTROCHEMICAL ENERGY STORAGE SYSTEMS TEMA DE GESTION GISTICA WEB TRACKING APROVISIONAMIENTO ALMACENAMIENTO FACTORY PLANTS VITORIA SPAIN, After Sales Service Shenzhen, CHINA (C&T) FACTORY PLANTS VItoria Gazteiz, CEGASA EPSA, OÑATI, Spain SHENZHEN, China (TXIMIST) PREPARACION DE PEDIDOS SERVICIOS COMPLEMENTARIOS DISTRIBUCION CONSUMER BUSINESS Consumer Batteries (alkaline Batteries) INDUSTRIAL BUSINESS Industrial Batteries (Air-Alkaline) Battery Pack (Primary and secondary) Intelligent Traffic Systems and traffic Signally Hydrogen Fuel Cell INDUSTRIAL BUSINESS Energy Storage Systems (Lithium-Ion) Electric Car Batteries Rechargeable Zn-Air technology

4 FAMILIAS MAS COMUNES DE LITIO-ION CEGASA TRABAJA ACTUALMENTE TRES DE LAS 5 PRICIPALES LTO (Dic/2014) Desarrollada para el SAE para integración EERR C-Rate 10, ciclos 100% DOD Confidential Copyright by CEGASA S.A. - All right reserved

5 ESTRATEGIA DE DESARROLLO DE PRODUCTO Y SOLUCIONES DE LITIO-ION Different chemistries Most suitable anode and cathode material selection Formulation / electrodes tailored to requirements C LFP Various cell formats Traction, stationary, power cells, adjusted to application needs Several modules Air or liquid cooling, compact or standardized Stationary applications LTO LMFP Electric Car applications Covering the whole value chain so product can be adjusted to customer needs

6 APLICACIONES Y MERCADO POTENCIAL DE LA ELECTROQUIMICA DE LITIO-ION APLICACIONES DEL LITIO-ION TRANSPORTE VE PORTATILES GRAN OEM PEQUEÑO Y MEDIANO OEM ESTACIONARIAS ENERGY STORAGE SISTEMS City Car Electric Bus Industrial Electric Vehicle Suministro energía Servicios Auxiliares Sistemas de Distribución Usuarios/Distribución (Utilities) Integración de las Renovables Relacionada VE Gestión curva generación (Electric Energy Time-shift) Seguimiento de la demanda (Load Following) Apoyo Transporte Energía (Transmission Support) Gestión de coste horario de la energía (Time-of-use Energy Cost Management) Gestión de la curva de generación EERR (Renewables Energy Timeshift) Puntos de Recarga con Almacenamiento para redes debiles Incremento capacidad Generación (Electric Supply Capac) Reg.potencia ( Area Regulation) Descongestión Transporte (Transmission Congestion Relief) Gestión de la demanda (Demand Charge Management) Garantía de la curva de Generación de Energía renovable (Renewables Capacity Firming) Electrolineras (EERR + Almacenamiento) Reserva Potencia (Electric Supply Reserve Capacity) Aplazamiento Inversiones (Transmission & Distribution Upgrade Deferral) Fiabilidad del Servicio Eléctrico (Electric Service Reliability) Integración de la Energía Eólica (Wind Generation Grid Integration) Regulación de Voltaje (Voltage Support) Potencia Auxiliar Subestaciones (Substation On-site Power) Calidad del Servicio eléctrico (Electric Service Power Quality) CEGASA Group -Restricted- 6

7 CARACTERISTICAS ELECTRICAS Advance Energy Storage Systems (ALESS) STLEC STLECs in Parallel Conditions Unit 1 32 string string STLEC SAE Number of MEC per STLEC 6 6 Number of MCP per STLEC 1 1 VOLTAGE Min. V Nominal V Max. Charge voltage V CURRENT Nominal Current in Charge 25 C BOL A Max. Continuos Current in Charge 25 C BOL A Nominal Continuos Current in Discharge 25 C BOL A Max. Continuous current in Discharge 25 C BOL (note 1) A Max. Peak current in Discharge (10 Sec) 25 C BOL (note 2) A POWER Nominal Power in Charge 25 C SOC = 50% BOL kw Max. Continuos Power in Charge 25 C SOC = 50% BOL kw Nominal Continuos Power in Discharge 25 C SOC = 50% BOL kw 31, Max. Continuous Power in Discharge 25 C SOC = 50% BOL (note 1) kw Max. Peak current in Discharge (10 Sec) 25 C SOC = 50% BOL (note 2) kw ENERGY Energy Capacity SAE BOL C/2 25 C Ah Total Energy SAE BOL C/2 25 C kwh 31, Aviable Energy (80%) SAE BOL C/2 25 C KWh

8 ARQUITECTURA SOLUCIONES HIBRIDAS CEGASA REDES DEBILES O AISLADAS CON GENERACIÓN SUPERIOR A 150 kw Principales retos para la integración de los ALESS en redes con fuerte penetración de renovables P, Q DC AC SCADA Necesidad de optimizar capacidad del ALESS por el alto coste del kwh instalado SISTEMA DE ALMACENAMIENTO DE CEGASA La optimización del coste obliga a realizar complejos análisis para poder optimizar el dimensionamiento del ALESS para cumplirlos al menor precio. P POWER PLANT CONTROLER P, Q Para los casos más comunes, es suficiente una capacidad de almacenamiento del % de la potencia de la planta de EERR. Este valor depende mucho de la localización, las condiciones climatológicas, configuración de la planta de EERR y para cada caso se requiere análisis complejos AC DC AC DC AC DC PV INVERTER Nº1 PV INVERTER Nº2 P, Q P, Q P, Q Voltage/Current Transducer & Power Analyzer PV INVERTER Nº3

9 ENERGY MANAGEMENT SYSTEMS ARQUITECTURA Y FUNCIONES DEL CONTROL Las estrategias de gestión se implementan en el EMS de la red que cumple las siguientes funciones: Gestiona los datos en tiempo real, Gestiona las predicciones del recurso renovable disponible en la zona, Gestiona el perfil de consumo instantáneo, Gestiona los equipos de generación renovable y diésel y la capacidad de los sistemas de almacenamiento, Define en tiempo real cual sería la estrategia más adecuada a aplicar, obteniendo el comportamiento óptimo de la instalación con su correspondiente ahorro económico en coste del kwh. El software aporta datos y balances económicos sobre el ahorro y gasto, en este caso, relativo al coste del gasoil consumido por los grupos diésel y el ahorro conseguido a través de la gestión de la energía con los sistemas de almacenamiento y la generación renovable (fotovoltaico y/o eólico). CENTRAL UNIT DISTRIBUTED UNIT ENERGY MANAGEMENT (DISPATCH AND SCADA) CONTROLLER AND INTERFACE (Voltaje & Frequency Control) Dispatch of sources Parameters for decentral controller (power limit, droop,.) Minutes, Hours,... Battery Interface & Control Wind Plant interface PV Plant interface Diesel Plant Interface GRID µs, ms, s,...

10 PRINCIPALES CARACTERISTICAS DE LOS GENERADORES DIESEL POT. CARGAS PARCIALES CARATERISTICAS 100% 80% 60% 40% POTENCIA (2) kwm CONSUMO ESPECIFICO (1) g/kwh CONSUMO DE COMBUSTIBLE (1) kw RENDIMIENTO TERMICO % 43,90 43,78 42,79 40,09 TEMP. GASES ESCAPE (1) ºC POTENCIA DE RADIACION (1) kw Clases de generadores SEGÚN LA NORMA ISO 8528 / ISO 3046 G1: Grupos que alimentan cargas que no requieren un especial comportamiento en voltaje y frecuencia. Aplicación: Cargas como alumbrado o cargas eléctricas simples G2: Las desviaciones en voltaje y frecuencia tienen que encontrarse dentro de unos límites aceptables. Aplicación: sistemas de alumbrado, bombas, ventiladores... G3: La demanda en las características de frecuencia, voltaje y característica de la onda generada se puede considerar severa. Aplicación: cargas controladas por tiristores, telecomunicaciones... G4: La demanda en este grupo de clasificación se puede considerar excepcionalmente severa. Aplicación: equipos de procesamiento de datos. La electrónica de potencia asociada a la batería debe mejorar la calidad de la energía entregada por los grupos diésel como por la planta fotovoltaica y/o eólica

11 PRICIPALES CARACTERISTICAS DE LAS FLUCTUACIONES DE PLANTAS FV Evolución de la irradiancia en un punto y de la potencia de salida en la central fotovoltaica de Milagro (9,5 MW) para intervalos de observación de (a) 60 s y (b) 600 s. Es patente que las variaciones de la irradiancia son mayores que las de la potencia. Fuente: RETRATOS DE LA CONEXIÓN FOTOVOLTAICA A LA RED (XVII): El fotovoltaico y la calidad del servicio eléctrico: el asunto de las fluctuaciones de potencia. E. Lorenzo, J. Marcos, L. Marroyo

12 ARQUITECTURA Y PROICIPALES FUNCIONES DEL SISTEMA DE ALMACENAMIENTO (ALESS) Mantener el balance de energía entre el consumo y la generación Permitir la generación de la red y el flujo bidireccional del energía Permitir la conexión y desconexión de la generación a partir de diésel Mantener a los motores diésel generar en su punto de máximo rendimiento de operación Absorber y mitigar las fluctuaciones de la generación renovable.

13 ARQUITECTURA SOLUCIONES HIBRIDAS EXULANS REDES DEBILES O AISLADAS CON GENERACIÓN INFERIOR HASTA 15 kw AC & CD INPUT INTEGRATION MODULE AC & CD OUTPUT MODULE STABLE & HIGH ENERGY QUALITY Ideal para sitios aislados y remotos con recursos renovables y/o GLP Permite la disminución de picos en la tarifa eléctrica y beneficiarse de los periodos tarifarios. Inyecta energía solar o eólica a la red, con alta calidad Garantiza seguridad de suministro 24h / 7 dias Disminución del nº de placas fotovoltaicas a instalar hasta en un 50% Instalación interior y exterior (IP65 and IP 67)

14 ARQUITECTURA SOLUCIONES HIBRIDAS EXULANS REDES DEBILES O AISLADAS CON GENERACIÓN INFERIOR HASTA 15 kw Battery Module (Cell & BMS) manufacture by CEGASA POWER CENTER Exulans Corporate Research & Development 63-8 North Branford Road Branford, Connecticut USA Fernando Monroy VP Sales +1(781) Exulans Europe Europe & África Parque Científico Tecnológico Rabanales21 Córdoba C.P (Spain) Angel Arévalo

15 DIMENSIONAMIENTO DEL SISTEMA DE ALMACENAMIENTO DE CEGASA (ALESS) Índice 1. Descripción del modelo de dimensionamiento 2. Ejemplo de aplicación del modelo

16 DESCRIPCIÓN DEL MODELO DE DIMENSIONAMIENTO Objetivo del modelo: Dimensionamiento óptimo del sistema de almacenamiento de Li-ion para una demanda dada. Método de resolución utilizado: Optimización mediante Búsqueda Exhaustiva Demanda a cumplir Restricciones de tensión Restricciones de configuración Modelo Química de la celda Configuración óptima del ALESS Coste ALESS Evolución del DOD Evolución DOD

17 DESCRIPCIÓN DEL MODELO DE DIMENSIONAMIENTO Resolución del problema de dimensionamiento El algoritmo de optimización proporciona el sistema de almacenamiento óptimo, caracterizado por las variables (α,β): - Química de la celda (α1) - Número de celdas en paralelo (β1) - Número de celdas en serie (β2) - Número de módulos en paralelo (β3) - Número de módulos en serie (β4) - Número de strings en paralelo (β5) de manera que se minimice el coste (J1) y teniendo en cuenta: - Que se cumplen las demandas de potencia - Que se cumplen las restricciones de tensión Optimización mediante Búsqueda Exhaustiva: Se elabora una matriz de todas las posibles soluciones y se prueban todas las combinaciones

18 DESCRIPCIÓN DEL MODELO DE DIMENSIONAMIENTO El modelo se basa en resultados de ensayos realizados a nivel de celda, módulos y sistemas Parámetros de entrada: Para cada química de estudio, el modelo incluye: Las curvas de carga/descarga para cada corriente La degradación debido a la ciclabilidad. La influencia del DOD en la pérdida de capacidad c 400c 800c 1000c 1200c 1800c 2200c 2800c 3200c 3600c

19 DESCRIPCIÓN DEL MODELO DE DIMENSIONAMIENTO DATOS DISPONIBLES Ciclabilidad: Curvas de descarga y Curvas de carga Ciclado descargas Ciclado Cargas Tensión (V) c 500c 800c 1200c 1800c 2200c 2600c 3600c 3000C Tensión (V) c 400c 800c 1000c 1200c 1800c 2200c 2800c 3200c 3600c Tiempo (h) Curvas de ciclabilidad para diferentes DOD y corrientes. Tiempo (h)

20 DESCRIPCIÓN DEL MODELO DE DIMENSIONAMIENTO DATOS DISPONIBLES Descarga Carga Cálculo de SOC Ciclabilidad DOD

21 DESCRIPCIÓN DEL MODELO DE DIMENSIONAMIENTO El modelo se basa en resultados de ensayos reales realizados a nivel de celda Modelo: Se construye la matriz de soluciones Se ejecuta el modelo de celda simulando una demanda determinada para el ciclo X Se calcula de coste de las soluciones que cumplen la demanda y restricciones impuestas De la matriz de soluciones, se escoge aquella que se considere la óptima Parámetros de salida: Mejor Química Configuración óptima Coste asociado del sistema de almacenamiento

22 EJEMPLO DE APLICACIÓN DEL MODELO INPUT a través de fichero Excel: Parámetros Entrada Datos a introducir por el cliente

23 EJEMPLO DE APLICACIÓN DEL MODELO INPUT a través de fichero Excel: Parámetros Entrada PARAMETROS ENTRADA - MODELO DE POTENCIA CONSTANTE Fabricación Unidades Valores Variable en el modelo Información de la celda Química - NMC-Grafito Condiciones de operación Temperatura inicial ºC 25 T DOD límite % 80 DOD SOC inicial % 100 SOC Tensión límite de descarga V 2.70 V_lim Tensión de corte en carga V 4.20 V_corte_carga Limitaciones del battery pack Tensión mínima del battery pack V 500 V_minima Tensión máxima del battery pack V 900 V_maxima Celdas por SME - 6 SME por módulo - 6 n_sme Mínimo número de módulos por string - 4 n_mec_min Máximo número de módulos por string - 6 n_mec_max Datos a modificar por el fabricante

24 EJEMPLO DE APLICACIÓN DEL MODELO Resultados para una demanda de: Descarga: 1 MW durante 10 min / Carga: 1C 1 ciclo al día min ciclos Pareto de soluciones: Evolución DOD: 80 Evolución del DOD DOD Número de ciclos Dimensionamiento óptimo: Química: NMC-Grafito 6 celdas en serie 5 módulos en serie 13 String en paralelo (415 kwh)

25 EJEMPLO DE APLICACIÓN DEL MODELO Resultados para una demanda de: Descarga:1 MW durante 10 min / Carga: 1C 1 ciclo al día min ciclos Comportamiento del sist. Almac. óptimo en el ciclo inicial: Comportamiento del sist. Almac. óptimo en el ciclo final:

26 EJEMPLO DE APLICACIÓN DEL MODELO OUTPUT a través de fichero Excel: Resultados 0 INCIDENCIA Dimensionamiento Coste Celdas en serie en el SME 6 - Celdas en paralelo en el SME 1 - Número de MECs en serie 5 - Número de string en paralelo 13 - Número de ciclos hasta fallo Coste del ciclo de trabajo 174 /ciclo Posición de la solución óptima en la matriz de soluciones 36 Ciclo final nº ciclo DOD 78 % Potencia máxima del battery pack W Potencia máxima de la celda 440 W Eficiencia 83 % Ciclo inicial nº ciclo 1 - DOD 48 % Potencia máxima del battery pack (W) W Potencia máxima de la celda 440 W Eficiencia 86 % Lista de INCIDENCIAS: 0 Dimensionamiento correcto 1 No existe solución posible para las especificaciones indicadas 2 Corriente de carga superior a la máxima de la química 3 Corriente de carga mal introducida

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