HyBRIDSTORAGE - Hybrid Energy Battery Systems

 

O projeto HyBRIDSTORAGE visa desenvolver um novo modelo para o dimensionamento, controlo e gestão energética de Sistemas Híbridos de Baterias (SHB) com o objetivo de melhorar significativamente o seu desempenho técnico e económico, e contribuir, assim, para a implementação deste tipo de sistemas no mercado e para a operacionalização de redes elétricas inteligentes e eficientes. 

O projeto está inserido no programa de financiamento P2020 e o consórcio é constituído pela Capwatt Services, entidade líder, a Capwatt S.A. e a Cátedra Energias Renováveis da Universidade de Évora. O envolvimento destas três entidades assegura a multidisciplinaridade e complementaridade em termos de capacidade de I&D, know-how e expertise, reunindo todas a competências necessárias para garantir o alcance dos objetivos delineados e a valorização económica dos resultados obtidos.

      

 

Objetivos do projeto

 

Ferramenta de dimensionamento

Desenvolvimento de uma ferramenta digital para dimensionamento de sistemas híbridos de baterias avançadas aplicável em instalações com e sem unidades de produção de energia renovável. A ferramenta de dimensionamento permitirá simular os sistemas, tendo em conta os requisitos da aplicação final, possibilitando o desenho e implementação de sistemas otimizados – em termos de eficiência energética e económica.

Algoritmo de gestão

Desenvolvimento de um algoritmo de controlo e gestão de sistemas híbridos de baterias avançadas, que visa garantir um funcionamento técnico-económico optimizado. Os algoritmos de controlo e gestão da energia armazenada a incorporar nos SHB a desenvolver, garantirão um controlo e gestão mais intelifente e autónomo da energia, focado nos modos de funcionamento pretendidos.

Demonstrador piloto

Validação da ferramenta e do algoritmo em ambiente real, com implementação de um sistema híbrido de baterias numa instalação da Capwatt.

 

 

Como funciona?

 

 

Ferramenta de dimensionamento do SHB

- Análise do diagrama de carga;
- Dimensionamento e escolha de tecnologias híbridas do SHB;
- Otimização do dimensionamento do sistema de PV considerando o SHB;
- Análise económica e energética.

 

Algoritmo de controlo e gestão do SHB

- Controlo e supervisão do SHB (temperaturas, correntes, tensôes);
- Otimização de parâmetros técnicos para cada tecnologia de baterias (perfis de carga/ descarga, eficiência);
- Implementação de estratégias de gestão de energia.
 
 

Tecnologias presentes

 

Bateria de fluxo de vanádio (Vanadium Redox Flow Battery)

A bateria de fluxo redox de vanádio é um tipo de bateria recarregável que armazena energia através de reações de oxidação-redução de vanádio em diferentes estados de oxidação. As baterias de vanádio apresentam as mais-valias de não apresentarem degradação da capacidade de armazenamento, não ser inflamável (maior segurança de operação), uma flexibilidade assegurada pelo desacoplamento da potência (stack) e energia (tanques), e também um tempo de vida teoricamente superior. No entanto, apresentam eficiências de operação e densidades de energia menores em comparação com as baterias de iões-lítio, e um custo inicial de instalação superior.

Baterias de iões-lítio de 2ª vida (2nd Life Li-ion Battery) 

A bateria de iões-lítio é um tipo de bateria recarregável que armazena energia através de reações de oxidação-redução reversíveis que ocorrem na superfície dos elétrodos. Neste projeto, as baterias instaladas são baterias de iões-lítio de 2ª vida, isto é, baterias em que a sua utilização na primeira aplicação  (ex. veículos elétricos) já não é viável devido ao seu nível degradação atual. No entanto, podem ser utilizadas num sistema estacionário de armazenamento em que a densidade energética não é um fator limitativo (ex. gestão de cargas em residências/ edifícios). As principais vantagens desta tecnologia é o seu custo potencial reduzido e a adição de um passo no ciclo de vida das baterias de lítio. No entanto, o controlo da bateria deve ser redobrado comparativamente a uma bateria de lítio de 1ª vida e o seu tempo de vida é mais limitado em comparação com uma bateria de fluxo redox.

 

Q&A:

 

1. Como é que o Sistema híbrido é controlado? Como é decidida a operação das baterias?

O consórcio criará um Energy Management System (EMS) onde as diferentes tecnologias comunicam através do protocolo ModBus TCP/IP onde a informação é agregada e trabalhada de forma a que o sistema de controlo tome diferentes decisões de carga/descarga ao longo do tempo, potenciando o autoconsumo e permitindo realizar arbitragem de energia e peak-shaving.


2. Qual o benefício de implementar um Sistema híbrido?

As tecnologias trabalham de forma híbrida para potenciar as suas vantagens e colmatar os seus pontos fracos. Assim, permite-se que o sistema desempenhe as diferentes funcionalidades pretendidas, fazendo uso da tecnologia mais adequada ao modo de funcionamento.

 

3. Quais as principais vantagens de cada tecnologia?

As baterias de lítio apresentam elevada densidade de potência, e uma maior versatilidade quando comparadas às baterias de lítio, por serem mais leves, com um maior energy-to-volume ratio. [ACF1] É uma tecnologia madura, com várias soluções comerciais e aplicações. 

As baterias de fluxo, em comparação com as baterias de lítio, permitem aumentar a capacidade de energia (kWh) sem aumentar a capacidade de potência (kW), vice-versa, ou aumentar ou reduzir ambas em diferentes proporções. Esta característica torna esta tecnologia mais adequada para armazenamento de longa duração e para um sistema que se pretenda estacionário. Adicionalmente, a degradação ao longo do tempo é praticamente nula.

 

4. As tecnologias utilizadas são sustentáveis?

Embora as baterias instaladas utilizem materiais críticos como o lítio e o vanádio, as baterias de lítio instaladas são baterias de 2ª vida (após utilização em veículos elétricos) permitindo aumentar o seu período de vida em utilização efetiva. Normalmente, as baterias de vanádio apresentam um tempo de vida superior a 25 anos. Prevê-se que ao longo do seu tempo de vida, os seus materiais constituintes sejam reusados e reciclados.


5. Qual destas tecnologias tem maior nível de maturidade/penetração de mercado? 

Analisando o mercado de armazenamento de energia, as baterias de lítio têm um market share mais elevado e estão integradas num leque mais variado de produtos comerciais. Relativamente à penetração de mercado e atuação em mercados diversos, as baterias de fluxo estão mais atrasadas. (Source: https://www.dnv.com/article/can-flow-batteries-compete-with-li-ion--179748)


6. As tecnologias são seguras?

Com o avanço tecnológico, estes sistemas são cada vez mais seguros. Dos sistemas instalados, as baterias de lítio apresenta o maior risco visto que, apesar de conter mecanismos mecânicos e eletrónicos de segurança para evitar o sobrecarregamento e sobreaquecimento, trabalham com  materiais reativos e inflamáveis, o que representa um maior risco de incêndio em relação às baterias de fluxo, que não apresentam este risco.

 

 

Publicações de revista e de conferência:

 
  • Fialho, L.; Fartaria, T.; Narvarte, L.; Collares Pereira, M. Implementation and Validation of a Self-Consumption Maximization Energy Management Strategy in a Vanadium Redox Flow BIPV Demonstrator. Energies 2016, 9, 496. https://doi.org/10.3390/en9070496
  • Foles, A.; Fialho, L.; Collares-Pereira, M.; Horta, P. “Vanadium Redox Flow Battery Modelling and PV Self-Consumption Management Strategy Optimization,” 10.4229/EUPVSEC20202020-5EO.2.1, in 39th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, 2020. https://www.eupvsec-proceedings.com/proceedings?fulltext=Foles&paper=49108

  • Foles, A.; Fialho, L.; Collares-Pereira, M. “Microgrid Energy Management Control with a Vanadium Redox Flow and a Lithium-Ion Hybrid Battery System for PV Integration,” 10.4229/EUPVSEC20212021-6BV.5.17, in 38th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, 2021, pp. 1464–1469. https://www.eupvsec-proceedings.com/proceedings?fulltext=vanadium&paper=50669

  • Foles, A.; Fialho, L.; Collares-Pereira, M.; Horta, P. “An Approach to Implement Photovoltaic Self-Consumption and Ramp-Rate Control Algorithm with a Vanadium Redox Flow Battery Day-to-Day Forecast Charging”, 10.1016/j.segan.2022.100626, Sustainable Energy, Grids and Networks Journal, 2022. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352467722000145

  • Foles, A.; Fialho, L.;  Horta, P.; Collares-Pereira, M. “Validation of a Lithium-ion Commercial Battery Pack Model using Experimental Data for Stationary Energy Management Application,” 10.12688/openreseurope.14301.2, Open Research Europe, 2022. https://open-research-europe.ec.europa.eu/articles/2-15