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DIMENSIONAMIENTO DE SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO DE LITIO-ION
PARA SISTEMAS HÍBRIDOS SOLAR + DIÉSEL + BATERÍAS
Advances Lithium-ion Energy Storage Systems (ALESS) Transform life, Energy Business, and the Global Energy & Economy
Jorge Chacon Hernandez, PhD
Madrid, 12 Marzo 2014
MAS DE 75 AÑOS DE HISTORIA EN LAS TÉCNOLOGIAS DE ALMACENAMIENTO ELECTROQUIMICO
1934 1960 1980 2000 2002 2006 2008 2010 1990 2012-13
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 como fabricante de materias primas para PILAS
CEGASA comienza la fabricación de PILA
INDUSTRIAL tecnología AIR-ALKALINE
CEGASA comienza la fabricación de pila consumo tecnología ALCALINA
CEGASA comienza la fabricación de componentes de embutición profunda (COLECTOR)
CEGASA mejora el rendimiento de la tecnología alcalina y saca al mercado la SUPERALCALINA
CEGASA comienza la fabricación de polvo de Zn (ANODO)
CEGASA comienza la fabricación de Battery Pack y soluciones de energía portátil partiendo de pilas propias
CEGASA comienza la fabricación la pila EVOLUTION
2011
CEGASA I+D+i, desarrolla la tecnología de PILA DE HIDROGENO con tecnología PEM
Comienza la producción de PILA H2 & Litio-Ion
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
ESTRUCTURA DE NEGOCIO DEL GRUPO CEGASA
CEGASA Group
CEGASA LOGISTIC(Logistic Business)
DOMESTIC APPLIANCESConsumer Business
(SOLAC Branch)
CEGASA INTERNATIONALELECTROCHEMICAL ENERGY STORAGE SYSTEMS
FACTORY PLANTS• VItoria Gazteiz, CEGASA • EPSA, OÑATI, Spain• SHENZHEN, China (TXIMIST)
FACTORY PLANTS• VITORIA SPAIN, After Sales Service• Shenzhen, CHINA (C&T)
WEB TRACKING
SERVICIOS COMPLEMENTARIOS
APROVISIONAMIENTO
ALMACENAMIENTO
PREPARACION DE PEDIDOS
STEMA DE GESTION OGISTICA
DISTRIBUCION
INDUSTRIAL BUSINESS• Industrial Batteries (Air-Alkaline)• Battery Pack (Primary and secondary)• Intelligent Traffic Systems and traffic Signally• Hydrogen Fuel Cell
CONSUMER BUSINESS • Consumer Batteries
(alkaline Batteries) INDUSTRIAL BUSINESS• Energy Storage Systems (Lithium-Ion)• Electric Car Batteries• Rechargeable Zn-Air technology
FAMILIAS MAS COMUNES DE LITIO-ION CEGASA TRABAJA ACTUALMENTE TRES DE LAS 5 PRICIPALES
Confidential Copyright by CEGASA S.A. - All right reserved
LTO (Dic/2014) Desarrollada para el SAE para
integración EERR C-Rate 10,
10.000 ciclos 100% DOD
ESTRATEGIA DE DESARROLLO DE PRODUCTO Y SOLUCIONES DE LITIO-ION
LTO
C LFP
LMFP
Different chemistries
•Most suitable anode and cathode material selection
•Formulation / electrodes tailored to requirements
Various cell formats Traction, stationary, power cells, adjusted to application needs
Several modules Air or liquid cooling, compact or standardized
Covering the whole value chain so product can be adjusted to customer needs
Stationary applications
Electric Car applications
CEGASA Group -Restricted- 6
APLICACIONES Y MERCADO POTENCIAL DE LA ELECTROQUIMICA DE LITIO-ION
ESTACIONARIASENERGY STORAGE
SISTEMS
TRANSPORTE VE PORTATILES
Suministro energía
Gestión curva generación (Electric Energy Time-shift)
Incremento capacidad Generación
(Electric Supply Capac)
GRAN OEMGRAN OEM PEQUEÑO Y MEDIANO OEM
Servicios Auxiliares
Sistemas de Distribución
Seguimiento de la demanda
(Load Following)
Reg.potencia ( Area Regulation)
Descongestión Transporte (Transmission Congestion
Relief)
Apoyo Transporte Energía (Transmission
Support)
Usuarios/Distribución (Utilities)
Integración de las Renovables Relacionada VE
Reserva Potencia(Electric Supply
Reserve Capacity)
Regulación de Voltaje (Voltage
Support)
Aplazamiento Inversiones (Transmission &
Distribution Upgrade Deferral)
Potencia Auxiliar Sub-estaciones
(Substation On-site Power)
Gestión de la demanda (Demand Charge
Management)
Gestión de coste horario de la energía
(Time-of-use Energy Cost Management)
Fiabilidad del Servicio Eléctrico (Electric Service
Reliability)
Calidad del Servicio eléctrico
(Electric Service Power Quality)
Gestión de la curva de generación EERR
(Renewables Energy Time-shift)
Garantía de la curva de Generación de Energía renovable (Renewables
Capacity Firming)
Integración de la Energía Eólica
(Wind Generation Grid Integration)
Puntos de Recarga con Almacenamiento para
redes debiles
Electrolineras (EERR +
Almacenamiento)
APLICACIONES DEL LITIO-ION
APLICACIONES DEL LITIO-ION
City Car Electric Bus Industrial Electric Vehicle
CARACTERISTICAS ELECTRICAS Advance Energy Storage Systems (ALESS)
STLEC STLECs in Parallel Conditions Unit 1 32string stringSTLEC SAE
Number of MEC per STLEC 6 6Number of MCP per STLEC 1 1 VOLTAGE Min. V 649 649 Nominal V 798 798 Max. Charge voltage V 906 906 CURRENT Nominal Current in Charge 25°C (1C) @ BOL A 40 1.280 Max. Continuos Current in Charge 25°C (3C) @ BOL A 120 3.840 Nominal Continuos Current in Discharge 25°C (1C) @ BOL A 40 1.280 Max. Continuous current in Discharge 25°C (8C) @ BOL (note 1) A 320 10.240 Max. Peak current in Discharge (10 Sec) 25°C (12C) @ BOL (note 2) A 456 14.592 POWER Nominal Power in Charge 25°C SOC = 50% BOL kW 32 1.021 Max. Continuos Power in Charge 25°C SOC = 50% BOL kW 96 3.064 Nominal Continuos Power in Discharge 25°C SOC = 50% BOL kW 31,9 1.021 Max. Continuous Power in Discharge 25°C SOC = 50% BOL (note 1) kW 255 8.172 Max. Peak current in Discharge (10 Sec) 25°C SOC = 50% BOL (note 2) kW 364 11.644 ENERGY Energy Capacity SAE BOL C/2 25°C Ah 40 1.280 Total Energy SAE BOL C/2 25°C kWh 31,9 1.021 Aviable Energy (80%) SAE BOL C/2 25°C KWh 26 817
DC
AC
DC
AC
DC
AC
DC
AC
PV INVERTER Nº1
PV INVERTER Nº2
PV INVERTER Nº3
P, Q
P, Q
P, Q
P
P, Q
P, Q
Voltage/Current Transducer & Power Analyzer
POWER PLANT CONTROLER
SISTEMA DE ALMACENAMIENTO DE CEGASA
SCADAPrincipales retos para la integración de los ALESS en redes con fuerte penetración de renovables
Necesidad de optimizar capacidad del ALESS por el alto coste del kWh instalado
La optimización del coste obliga a realizar complejos análisis para poder optimizar el dimensionamiento del ALESS para cumplirlos al menor precio.
Para los casos más comunes, es suficiente una capacidad de almacenamiento del 10-20 % 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
ARQUITECTURA SOLUCIONES HIBRIDAS CEGASA REDES DEBILES O AISLADAS CON GENERACIÓN SUPERIOR A 150 kW
Dispatch of sources
ENERGY MANAGEMENT(DISPATCH AND SCADA)
Parameters for decentral controller (power limit,
droop, ….)
Minutes, Hours, ...
PV Plant interface
Diesel Plant Interface
Wind Plant interface
Battery Interface & Control
GRID
CONTROLLER AND INTERFACE(Voltaje & Frequency Control)
µs, ms, s, ...
CENTRAL UNIT DISTRIBUTED UNIT
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).
ENERGY MANAGEMENT SYSTEMS ARQUITECTURA Y FUNCIONES DEL CONTROL
PRINCIPALES CARACTERISTICAS DE LOS GENERADORES DIESEL
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
POT. 100% 80% 60% 40%
POTENCIA (2) kWm 525 420 315 210CONSUMO ESPECIFICO (1) g/kWh 192 193 197 210CONSUMO DE COMBUSTIBLE (1) kW 1196 959 736 524RENDIMIENTO TERMICO % 43,90 43,78 42,79 40,09TEMP. GASES ESCAPE (1) ºC 406 384 362 324POTENCIA DE RADIACION (1) kW 18 18 17 17
CARATERISTICAS CARGAS PARCIALES
PRICIPALES CARACTERISTICAS DE LAS FLUCTUACIONES DE PLANTAS FV
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
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.
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.
AC &
CD
INPU
T IN
TEGR
ATIO
N M
ODU
LE
AC &
CD
OU
TPU
T M
ODU
LE
STAB
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HIG
H EN
ERGY
QU
ALIT
Y
ARQUITECTURA SOLUCIONES HIBRIDAS EXULANS REDES DEBILES O AISLADAS CON GENERACIÓN INFERIOR HASTA 15 kW
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)
POWER CENTER Exulans Corporate Research & Development 63-8 North Branford Road Branford, Connecticut 06405 USA Fernando Monroy VP Sales fmonroy@exulans.com +1(781) 718-0194
Battery Module (Cell & BMS) manufacture by CEGASA
Exulans Europe Europe & África Parque Científico Tecnológico Rabanales21 Córdoba C.P. 14014 (Spain) Angel Arévalo aarevalo@exulans.com +34 658 766 705
ARQUITECTURA SOLUCIONES HIBRIDAS EXULANS REDES DEBILES O AISLADAS CON GENERACIÓN INFERIOR HASTA 15 kW
Índice
1. Descripción del modelo de dimensionamiento
2. Ejemplo de aplicación del modelo
DIMENSIONAMIENTO DEL SISTEMA DE ALMACENAMIENTO DE CEGASA
(ALESS)
• Química de la celda • Configuración
óptima del ALESS • Coste ALESS • Evolución del DOD
• Demanda a cumplir
• Restricciones de tensión
• Restricciones de configuración
DESCRIPCIÓN DEL MODELO DE DIMENSIONAMIENTO
Evolución DOD
Modelo
Objetivo del modelo: Dimensionamiento óptimo del sistema de almacenamiento de Li-ion para una demanda dada.
Método de resolución utilizado: Optimización mediante Búsqueda Exhaustiva
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
DESCRIPCIÓN DEL MODELO DE DIMENSIONAMIENTO Resolución del problema de dimensionamiento
Optimización mediante Búsqueda Exhaustiva: Se elabora una matriz de todas las posibles soluciones y se prueban todas las combinaciones
3
8
13
18
23
28
33
38
43
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
100c
400c
800c
1000c
1200c
1800c
2200c
2800c
3200c
3600c
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
Ciclabilidad: Curvas de descarga y Curvas de carga
Curvas de ciclabilidad para diferentes DOD y corrientes.
3
3.2
3.4
3.6
3.8
4
4.2
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
Tens
ión
(V)
Tiempo (h)
Ciclado descargas
1
300c
500c
800c
1200c
1800c
2200c
2600c
3600c
3000C
3
3.2
3.4
3.6
3.8
4
4.2
4.4
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4
Tens
ión
(V)
Tiempo (h)
Ciclado Cargas
100c
400c
800c
1000c
1200c
1800c
2200c
2800c
3200c
3600c
DESCRIPCIÓN DEL MODELO DE DIMENSIONAMIENTO DATOS DISPONIBLES
Cálculo de SOC
DOD
Carga
Descarga
Ciclabilidad
DESCRIPCIÓN DEL MODELO DE DIMENSIONAMIENTO DATOS DISPONIBLES
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
DESCRIPCIÓN DEL MODELO DE DIMENSIONAMIENTO El modelo se basa en resultados de ensayos reales
realizados a nivel de celda
INPUT a través de fichero Excel: “Parámetros Entrada”
Datos a introducir por el cliente
EJEMPLO DE APLICACIÓN DEL MODELO
PARAMETROS ENTRADA - MODELO DE POTENCIA CONSTANTE
Fabricación
Unidades Valores Variable en el modeloInformación de la celda
Química - NMC-GrafitoCondiciones de operación
Temperatura inicial ºC 25 T
DOD límite % 80 DOD
SOC inicial % 100 SOC
Tensión límite de descarga V 2.70 V_l im
Tensión de corte en carga V 4.20 V_corte_carga
Limitaciones del battery packTensión mínima del battery pack V 500 V_minima
Tensión máxima del battery pack V 900 V_maxima
Celdas por SME - 6SME 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
INPUT a través de fichero Excel: “Parámetros Entrada”
Datos a modificar por el fabricante
EJEMPLO DE APLICACIÓN DEL MODELO
Resultados para una demanda de: Descarga: 1 MW durante 10 min / Carga: 1C 1 ciclo al día min. 3600 ciclos
Química: NMC-Grafito 6 celdas en serie 5 módulos en serie 13 String en paralelo (415 kWh)
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 400050
60
70
80Evolución del DOD
Número de ciclos
DO
D
Pareto de soluciones: Evolución DOD:
Dimensionamiento óptimo:
EJEMPLO DE APLICACIÓN DEL MODELO
Comportamiento del sist. Almac. óptimo en el ciclo inicial:
Comportamiento del sist. Almac. óptimo en el ciclo final:
Resultados para una demanda de: Descarga:1 MW durante 10 min / Carga: 1C 1 ciclo al día min. 3600 ciclos
EJEMPLO DE APLICACIÓN DEL MODELO
OUTPUT a través de fichero Excel: “Resultados”
Lista de INCIDENCIAS:0 Dimensionamiento correcto1 No existe solución posible para las especificaciones indicadas2 Corriente de carga superior a la máxima de la química3 Corriente de carga mal introducida
0 INCIDENCIA
DimensionamientoCoste 655480 €
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 3762 -
Coste del ciclo de trabajo 174 €/ciclo
Posición de la solución óptima en la matriz de soluciones 36Ciclo final
nº ciclo 3763 -
DOD 78 %
Potencia máxima del battery pack 1050671 W
Potencia máxima de la celda 440 W
Eficiencia 83 %
Ciclo inicialnº ciclo 1 -
DOD 48 %
Potencia máxima del battery pack (W) 1050616 W
Potencia máxima de la celda 440 W
Eficiencia 86 %
EJEMPLO DE APLICACIÓN DEL MODELO