El projecte HYBRIS pretén desenvolupar un sistema híbrid d’emmagatzematge d’energia (HESS) per connectar-se a la xarxa de corrent altern (ca). El HESS compta amb dues tecnologies de bateries: bateries d’òxid de titani de liti (LTO) i bateries de flux redox orgànic aquós (AORF). La tecnologia LTO es caracteritza per capacitats d’alta potència; és a dir, pot proporcionar una resposta ràpida quan es requereix una gran demanda d’energia. Tanmateix, LTO pateix capacitats d’emmagatzematge d’energia reduïdes. D’altra banda, l’AORF presenta una gran capacitat energètica, un cost reduït i un manteniment senzill, però la seva eficiència d’emmagatzematge d’energia disminueix considerablement amb un funcionament d’alta potència.

La unió d’ambdues tecnologies de bateries en un sistema híbrid permet assolir valors arbitraris de capacitat energètica i potència nominal simplement combinant diferents proporcions d’ambdues tecnologies de bateries, proporcionant així flexibilitat en el dimensionament del sistema d’emmagatzematge. Això permet una mida i un cost reduïts, en comparació amb el mateix sistema però utilitzant només una de les tecnologies de la bateria. A més, permet que la bateria AORF funcioni amb la màxima eficiència, rendible la inversió realitzada en el sistema híbrid i fent-lo més sostenible.

Una peça clau per permetre la hibridació del sistema és el sistema de conversió d’energia (PCS). Tant les bateries LTO com les AORF proporcionen l’energia a corrent continu (dc), però l’energia s’ha de subministrar o obtenir de la xarxa en forma de ca. Els convertidors de potència permeten convertir l’energia elèctrica de CC a CA i viceversa, permetent la transferència d’energia de les bateries a la xarxa, de la xarxa a les bateries, i fins i tot entre bateries. La configuració interna del PCS es pot concebre utilitzant diferents tipus i nombre de convertidors, distribuint la potència entre múltiples convertidors que funcionen en paral·lel, i amb una gran varietat de components per triar per concebre els convertidors.

El principi de funcionament dels convertidors consisteix a utilitzar elements magnètics i condensadors (dispositius passius) per emmagatzemar momentàniament l’energia de l’entrada i després lliurar-la a la sortida amb el mode de corrent i la tensió requerits. Per connectar/desconnectar aquests elements a/des dels ports del convertidor, s’utilitzen dispositius semiconductors de potència (dispositius actius), per exemple, transistors i díodes. Aquest cicle es repeteix desenes de milers de vegades per segon, de manera que la capacitat d’emmagatzematge d’energia dels dispositius passius es pot reduir considerablement, permetent convertidors molt compactes. En aquest marc, els socis d’HYBRIS IREC i CEA han estudiat múltiples configuracions amb l’objectiu de realitzar una optimització multiobjectiu. Les configuracions considerades, també conegudes com a arquitectures de conversió, es mostren a la figura 2. Ambdues bateries requereixen un convertidor dc-dc anterior al convertidor dc-ac per augmentar la tensió a un valor adequat, al voltant de 800 V. Aleshores, el convertidor dc-ac pot transferir correctament l’energia cap a i des de la xarxa de ca. Les bateries estan acoblades a la xarxa de CA (arquitectures A i C) o després dels convertidors dc-dc (arquitectures B i D). També considerem fins a tres convertidors dc-dc que funcionen en paral·lel per distribuir les pèrdues de conversió i reduir la temperatura dels components (arquitectures A i B).

L’estudi d’optimització té els següents objectius:

• Minimització de les pèrdues energètiques de PCS (P _loss). Un convertidor de potència ideal tindria pèrdues d’energia zero, de manera que la mateixa quantitat d’energia procedent de l’entrada es lliura a la sortida; és a dir, una eficiència de conversió del 100%. Tanmateix, a causa de múltiples processos físics, es perd part de l’energia processada, aconseguint normalment valors d’eficiència entre el 90% i el 99%. Calculem les pèrdues dels convertidors mitjançant models electrotèrmics complets dels diferents components i les dades disponibles a les fitxes de components.
• Minimització del cost de capital PCS ( C _capital). Els components que componen els convertidors de potència tenen un cost de material i de fabricació que cal tenir en compte. La suma d’ambdós conceptes defineix el cost de capital de PCS. Hem obtingut el cost de cada tipus de component (semiconductors, condensadors, conductors de coure, etc.) de la literatura i dels proveïdors de components per a quantitats de comanda en el rang de desenes de milers d’unitats, la qual cosa suposa economies d’escala. Aleshores, el valor del cost es modela en funció dels paràmetres constructius dels components, és a dir, l’àrea de semiconductors, el pes del conductor de coure, el volum del dissipador de calor, etc.
• Minimització del cost derivat de la fiabilitat de PCS (C _reliability). La fiabilitat del PCS, és a dir, la probabilitat que no falli en un moment determinat, depèn de la duresa del seu funcionament. Per exemple, com més alta sigui la temperatura de funcionament dels components, més probable és que fallin i menor serà la seva fiabilitat. A més, com més gran sigui el nombre de convertidors, el més probable pot fallar. Una fallada d’un determinat component en un convertidor sol portar a l’aturada del convertidor i, en algun cas, de tot el PCS. Traduïm la fiabilitat al cost tenint en compte el cost de la reparació i la pèrdua d’ingressos a causa del temps d’aturada parcial o completa del sistema. Calculem la fiabilitat del sistema mitjançant el mètode matemàtic de les cadenes de Markov i les dades de fiabilitat dels components disponibles a la literatura.

Definim el problema d’optimització amb la següent funció objectiu:

on les variables P _loss, C _capital i C _reliability són una funció dels paràmetres següents:

• Els components comercials utilitzats en cada convertidor.
• La configuració dels components magnètics de cada convertidor.
• Els paràmetres de funcionament dels convertidors.
• La mida dels dissipadors de calor connectats als dispositius semiconductors.

A més, el problema d’optimització està subjecte a diverses limitacions, les més rellevants són:

• Els components no poden superar una temperatura màxima determinada.
• Els dispositius semiconductors han d’ajustar-se a l’àrea de muntatge disponible dels dissipadors de calor
• En els elements magnètics, els bobinatges de coure han d’encaixar dins de l’espai disponible del nucli magnètic.
• El camp magnètic a través dels nuclis magnètics no pot superar el valor especificat pel fabricant.
• La distorsió dels corrents de faixa a la potència nominal de funcionament no pot ser superior al 10%.

Els paràmetres P _base i C _base permeten normalitzar les pèrdues i els costos de manera que ambdós objectius siguin comparables. Els seus valors s’estableixen en 1000 W i 1000 €, respectivament. El paràmetre λ permet prioritzar la minimització de les pèrdues o el cost. Per exemple, λ=1 només minimitza les pèrdues, mentre que λ=0 fa semblant però al cost.

Utilitzem un solucionador d’optimització de MATLAB^® per resoldre el problema, executant-lo per a cada arquitectura i per a tres valors del paràmetre λ, prioritzant el cost (λ=0,2), les pèrdues (λ=0,8) i donant igual prioritat a tots dos (λ=0,5). ). El solucionador genera moltes solucions viables de la configuració de PCS que compleixen amb les restriccions establertes. La figura 4 mostra el núvol de solucions per a les quatre arquitectures. A la figura, com més a prop estigui una solució determinada de l’origen dels eixos, més baixa és la funció objectiu i, per tant, millor és el resultat. Les solucions a la frontera dels núvols de punts de la figura 4 defineixen l’anomenat front de Pareto (línies discontinues a la figura 4). Una solució donada forma part del front de Pareto si no hi ha solucions alternatives que millorin un dels objectius, per exemple, el cost, sense empitjorar els altres objectius. D’aquesta manera, el front de Pareto permet identificar les compensacions existents del sistema. En el cas present, a les quatre arquitectures, el PCS presenta un clar compromís entre pèrdues i cost. Per exemple, podem augmentar la secció transversal dels conductors de coure en els elements magnètics per reduir les pèrdues, però això serà a costa d’un augment del cost. En els extrems del front de Pareto, una petita millora d’un dels objectius comporta un gran agreujament de l’objectiu complementari. Per tant, hi ha un valor mínim assolible del cost i les pèrdues de PCS. La figura 4 també revela que les arquitectures PCS amb un nombre menor de convertidors aconsegueixen pèrdues i costos generals més baixos.

Per a cada arquitectura, explorem en detall una solució representativa, marcada amb un quadrat en blanc i negre a la figura 3. La figura 5 desglossa les pèrdues i el cost entre els components i conceptes rellevants del PCS per a cada solució seleccionada. A la figura 5 podem veure que els PCS disposen d’un convertidor dc-ac per a cada bateria (arquitectures A i C) presenten pèrdues magnètiques proporcionalment més altes i pèrdues de semiconductors més baixes que les arquitectures amb un únic convertidor dc-ac (arquitectures B i D). La reducció del nombre de convertidors dc-dc paral·lels comporta una reducció de les pèrdues magnètiques mentre que les pèrdues dels semiconductors amb prou feines es veuen afectades. Tenint en compte la potència nominal del PCS (59 kW), les eficiències de conversió són del 97,2%, 97,4%, 97,5% i 97,6% a les arquitectures A, B, C i D, respectivament.

La figura 5 mostra que en tots els casos, els semiconductors representen gairebé el 50% del cost del sistema. El segon cost de capital més gran són els elements magnètics, seguits de prop pel cost de reparació, el cost del sistema de refrigeració (dissipadors de calor més ventiladors) i el cost dels condensadors. El cost dels components auxiliars i la penalització del cost per pèrdues d’ingressos són marginals en tots els casos (≤ 6%). En general, les arquitectures C i D presenten menors costos de materials. Tot i que hi ha una certa dependència lineal del cost de cada component amb la seva potència, resistència tèrmica, etc., encara hi ha un cost fix en forma de cost de paquet, cost de fabricació, components auxiliars, etc. Així, com més gran sigui el nombre de components d’una arquitectura, més gran serà el cost del sistema.

En conclusió, per al present HESS, l’arquitectura PCS que inclou un únic convertidor dc-dc per bateria i un únic convertidor dc-ac (arquitectura D) és la solució òptima, amb el millor compromís entre cost i eficiència. Val la pena assenyalar que si tenim en compte les penalitzacions per pèrdues d’ingressos més elevades per l’aturada del sistema induïda per fallades, les arquitectures amb un grau més alt de paral·lelització poden arribar a ser competitives en costos. A més, l’arquitectura òptima pot ser diferent si la potència del sistema és substancialment inferior o superior. En els propers mesos, els socis IREC i CEA treballaran junts per construir un demostrador de baixa potència per validar el HESS PCS òptim.

Escrit per Àlber Filbà, Oriol Esquius, Lluís Trilla, Clàudia Cabré i José Luís Domínguez, de l’IREC..