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

LE &

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