{"id":31903,"date":"2022-11-08T11:29:34","date_gmt":"2022-11-08T10:29:34","guid":{"rendered":"https:\/\/comet.technology\/?p=31903"},"modified":"2022-11-08T11:34:44","modified_gmt":"2022-11-08T10:34:44","slug":"como-interconectar-los-sistemas-de-almacenamiento-de-baterias-hybris-con-perdidas-y-costos-minimos","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/comet.technology\/es\/2022\/11\/08\/como-interconectar-los-sistemas-de-almacenamiento-de-baterias-hybris-con-perdidas-y-costos-minimos\/","title":{"rendered":"<strong>C\u00f3mo interconectar los sistemas de almacenamiento de bater\u00edas Hybris con p\u00e9rdidas y costos m\u00ednimos<\/strong>"},"content":{"rendered":"\n<p>El proyecto HYBRIS tiene como objetivo desarrollar un sistema h\u00edbrido de almacenamiento de energ\u00eda (HESS) para conectarse a la red de corriente alterna (CA). El HESS cuenta con dos tecnolog\u00edas de bater\u00eda: bater\u00edas de \u00f3xido de titanio y litio (LTO) y bater\u00edas de flujo redox org\u00e1nico acuoso (AORF). La tecnolog\u00eda LTO se caracteriza por capacidades de alta potencia; es decir, puede proporcionar una respuesta r\u00e1pida cuando se requiere una demanda de alta potencia. Sin embargo, LTO sufre de capacidades de almacenamiento de energ\u00eda reducidas. Por otro lado, AORF presenta una alta capacidad de energ\u00eda, un costo reducido y un mantenimiento simple, pero su eficiencia de almacenamiento de energ\u00eda disminuye considerablemente en la operaci\u00f3n de alta potencia. <\/p>\n\n\n\n<p>La uni\u00f3n de ambas tecnolog\u00edas de bater\u00eda en un sistema h\u00edbrido permite alcanzar valores arbitrarios de capacidad energ\u00e9tica y potencia nominal simplemente combinando diferentes proporciones de ambas tecnolog\u00edas de bater\u00eda, proporcionando as\u00ed flexibilidad en el dimensionamiento del sistema de almacenamiento. Esto permite un tama\u00f1o y costo reducidos, en comparaci\u00f3n con el mismo sistema pero empleando solo una de las tecnolog\u00edas de bater\u00eda. Adem\u00e1s, permite que la bater\u00eda AORF funcione con la m\u00e1xima eficiencia, rentabilizando la inversi\u00f3n realizada en el sistema h\u00edbrido y haci\u00e9ndolo m\u00e1s sostenible.<\/p>\n\n\n\n<p><\/p>\n\n\n\n<figure class=\"wp-block-gallery has-nested-images columns-default is-cropped wp-block-gallery-1 is-layout-flex wp-block-gallery-is-layout-flex\">\n<figure class=\"wp-block-image size-large\"><img decoding=\"async\" data-id=\"26592\" src=\"https:\/\/hybris-project.eu\/wp-content\/uploads\/sites\/12\/2022\/11\/HYBRIS_ceg_1.png\" alt=\"\" class=\"wp-image-26592\"\/><figcaption class=\"wp-element-caption\">Figura 1: bater\u00edas HESS. Bater\u00eda LTO de TOSHIBA<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n<figure class=\"wp-block-image size-large\"><img decoding=\"async\" data-id=\"26593\" src=\"https:\/\/hybris-project.eu\/wp-content\/uploads\/sites\/12\/2022\/11\/HYBRIS_ceg_2.png\" alt=\"\" class=\"wp-image-26593\"\/><figcaption class=\"wp-element-caption\">Figura 2: bater\u00eda AORF de KEMIWATT<\/figcaption><\/figure>\n<\/figure>\n\n\n\n<p><\/p>\n\n\n\n<p>Una pieza clave para posibilitar la hibridaci\u00f3n del sistema es el sistema de conversi\u00f3n de potencia (PCS). Tanto las bater\u00edas LTO como las AORF proporcionan la energ\u00eda en corriente continua (CC), pero la energ\u00eda debe suministrarse u obtenerse de la red en forma de CA. Los convertidores de potencia permiten convertir la energ\u00eda el\u00e9ctrica de CC a CA y viceversa, posibilitando la transferencia de energ\u00eda de las bater\u00edas a la red, de la red a las bater\u00edas e incluso entre bater\u00edas. La configuraci\u00f3n interna del PCS se puede concebir empleando diferentes tipos y n\u00fameros de convertidores, distribuyendo la potencia entre m\u00faltiples convertidores operando en paralelo, y con una amplia variedad de componentes a elegir para concebir los convertidores.<\/p>\n\n\n\n<p>El principio de operaci\u00f3n de los convertidores consiste en emplear elementos magn\u00e9ticos y capacitores (dispositivos pasivos) para almacenar moment\u00e1neamente la energ\u00eda de la entrada y luego entregarla a la salida en el modo de corriente y voltaje requerido. Para conectar\/desconectar estos elementos hacia\/desde los puertos del convertidor, se emplean dispositivos semiconductores de potencia (dispositivos activos), por ejemplo, transistores y diodos. Este ciclo se repite decenas de miles de veces por segundo, por lo que la capacidad de almacenamiento de energ\u00eda de los dispositivos pasivos puede reducirse considerablemente, permitiendo convertidores muy compactos. En este marco, los socios de HYBRIS, IREC y CEA, han estudiado m\u00faltiples configuraciones con el objetivo de realizar una optimizaci\u00f3n multiobjetivo. Las configuraciones consideradas, tambi\u00e9n conocidas como arquitecturas de conversi\u00f3n, se muestran en la Figura 2. Ambas bater\u00edas requieren un convertidor CC-CC previo al convertidor CC-CA para aumentar el voltaje a un valor adecuado, alrededor de 800 V. Luego, el convertidor CC-CA puede transferir energ\u00eda correctamente hacia y desde la red CA. Las bater\u00edas est\u00e1n acopladas a la red de ca (arquitecturas A y C) o despu\u00e9s de los convertidores dc-dc (arquitecturas B y D). Tambi\u00e9n consideramos hasta tres convertidores dc-dc operando en paralelo para distribuir las p\u00e9rdidas de conversi\u00f3n y reducir la temperatura de los componentes (arquitecturas A y B).<\/p>\n\n\n\n<p><\/p>\n\n\n\n<figure class=\"wp-block-image size-full\"><img decoding=\"async\" src=\"https:\/\/hybris-project.eu\/wp-content\/uploads\/sites\/12\/2022\/11\/HYBRIS_ceg_3.png\" alt=\"\" class=\"wp-image-26594\"\/><figcaption class=\"wp-element-caption\">Figura 3: Arquitecturas de conversi\u00f3n consideradas para el estudio de optimizaci\u00f3n<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n<p>El estudio de optimizaci\u00f3n tiene los siguientes objetivos:<\/p>\n\n\n\n<ul class=\"wp-block-list\">\n<li><strong>Minimizaci\u00f3n de las p\u00e9rdidas de energ\u00eda del PCS <\/strong><em>(P<\/em> <sub>loss<\/sub>)<strong>.<\/strong> Un convertidor de energ\u00eda ideal tendr\u00eda cero p\u00e9rdidas de energ\u00eda, de modo que la misma cantidad de energ\u00eda proveniente de la entrada se entrega a la salida; es decir, una eficiencia de conversi\u00f3n del 100%. Sin embargo, debido a m\u00faltiples procesos f\u00edsicos, parte de la energ\u00eda procesada se pierde, alcanzando generalmente valores de eficiencia entre el 90% y el 99%. Calculamos las p\u00e9rdidas en los convertidores a trav\u00e9s de modelos electrot\u00e9rmicos completos de los diferentes componentes y los datos disponibles en las hojas de datos de los componentes.<\/li>\n\n\n\n<li><strong>Minimizaci\u00f3n del costo de capital de PCS (<\/strong> <em>C<\/em> <sub>capital<\/sub><strong>).<\/strong> Los componentes que componen los convertidores de potencia tienen un coste de material y fabricaci\u00f3n que debe ser considerado. La suma de ambos conceptos define el costo de capital del PCS. Hemos obtenido el costo de cada tipo de componente (semiconductores, capacitores, conductores de cobre, etc.) de la literatura y proveedores de componentes para cantidades de pedido en el rango de decenas de miles de unidades, lo que representa econom\u00edas de escala. Luego, el valor del costo se modela en funci\u00f3n de los par\u00e1metros constructivos de los componentes, es decir, el \u00e1rea del semiconductor, el peso del conductor de cobre, el volumen del disipador de calor, etc.<\/li>\n\n\n\n<li><strong>Minimizaci\u00f3n del coste derivado de la fiabilidad PCS (<\/strong><em>C<\/em> <sub>reliability<\/sub><strong>).<\/strong> La fiabilidad del PCS, es decir, la probabilidad de que no falle en un momento dado, depende de la dureza de su funcionamiento. Por ejemplo, cuanto mayor sea la temperatura de funcionamiento de los componentes, m\u00e1s probable ser\u00e1 que fallen y menor ser\u00e1 su fiabilidad. Adem\u00e1s, cuanto mayor sea el n\u00famero de convertidores, es m\u00e1s probable que uno de ellos falle. Una falla de un componente dado en un convertidor generalmente conduce al apagado del convertidor y, en algunos casos, de todo el PCS. Traducimos la confiabilidad al costo al considerar el costo de reparaci\u00f3n y la p\u00e9rdida de ingresos debido al tiempo de apagado parcial o completo del sistema. Calculamos la confiabilidad del sistema a trav\u00e9s del m\u00e9todo matem\u00e1tico de las cadenas de Markov y los datos de confiabilidad de los componentes disponibles en la literatura.<\/li>\n<\/ul>\n\n\n\n<p>Definimos el problema de optimizaci\u00f3n con la siguiente funci\u00f3n objetivo:<\/p>\n\n\n\n<figure class=\"wp-block-image size-full\"><img decoding=\"async\" src=\"https:\/\/hybris-project.eu\/wp-content\/uploads\/sites\/12\/2022\/11\/Ecuacion1.png\" alt=\"\" class=\"wp-image-26596\"\/><\/figure>\n\n\n\n<p>donde las variables <em>P<\/em> <sub>loss<\/sub>, <em>C<\/em> <sub>capital<\/sub> y <em>C<\/em> <sub>reliability<\/sub> son una funci\u00f3n de los siguientes par\u00e1metros:<\/p>\n\n\n\n<ul class=\"wp-block-list\">\n<li>Los componentes comerciales utilizados en cada convertidor.<\/li>\n\n\n\n<li>La configuraci\u00f3n de los componentes magn\u00e9ticos en cada convertidor.<\/li>\n\n\n\n<li>Los par\u00e1metros de operaci\u00f3n de los convertidores.<\/li>\n\n\n\n<li>El tama\u00f1o de los disipadores de calor conectados a los dispositivos semiconductores.<\/li>\n<\/ul>\n\n\n\n<p>Adem\u00e1s, el problema de optimizaci\u00f3n est\u00e1 sujeto a varias restricciones, siendo las m\u00e1s relevantes:<\/p>\n\n\n\n<ul class=\"wp-block-list\">\n<li>Los componentes no pueden superar una temperatura m\u00e1xima determinada.<\/li>\n\n\n\n<li>Los dispositivos semiconductores deben caber en el \u00e1rea de montaje disponible de los disipadores de calor.<\/li>\n\n\n\n<li>En los elementos magn\u00e9ticos, los devanados de cobre deben caber dentro del espacio de devanado disponible del n\u00facleo magn\u00e9tico.<\/li>\n\n\n\n<li>El campo magn\u00e9tico a trav\u00e9s de los n\u00facleos magn\u00e9ticos no puede superar el valor especificado por el fabricante.<\/li>\n\n\n\n<li>La distorsi\u00f3n de las corrientes de red a la potencia nominal de operaci\u00f3n no puede ser superior al 10%.\n<ul class=\"wp-block-list\">\n<li><\/li>\n<\/ul>\n<\/li>\n<\/ul>\n\n\n\n<p>Los par\u00e1metros <em>P<\/em> <sub>base<\/sub> y <em>C<\/em> <sub>base<\/sub> permiten normalizar las p\u00e9rdidas y costes de forma que ambos objetivos sean comparables. Sus valores est\u00e1n fijados en 1000 W y 1000 \u20ac, respectivamente. El par\u00e1metro \u03bb permite o bien priorizar la minimizaci\u00f3n de las p\u00e9rdidas o bien el coste. Por ejemplo, \u03bb=1 minimiza solo las p\u00e9rdidas, mientras que \u03bb=0 hace lo mismo pero a costo.<\/p>\n\n\n\n<p>Usamos un solver de optimizaci\u00f3n de MATLAB<sup>\u00ae<\/sup>para resolver el problema, ejecut\u00e1ndolo para cada arquitectura y para tres valores del par\u00e1metro \u03bb, priorizando costo (\u03bb=0.2), p\u00e9rdidas (\u03bb=0.8) y dando igual prioridad a ambos (\u03bb=0.5 ). El solucionador genera muchas soluciones viables de la configuraci\u00f3n PCS que cumplen con las restricciones establecidas. La Figura 4 muestra la nube de soluciones para las cuatro arquitecturas. En la figura, cuanto m\u00e1s cerca est\u00e1 una soluci\u00f3n dada del origen de los ejes, menor es la funci\u00f3n objetivo y, por lo tanto, mejor es el resultado. Las soluciones en la frontera de las nubes de puntos en la Figura 4 definen el llamado frente de Pareto (l\u00edneas discontinuas en la Figura 4). Una soluci\u00f3n dada es parte del frente de Pareto si no hay soluciones alternativas que mejoren uno de los objetivos, por ejemplo, el costo, sin empeorar los otros objetivos. De esta forma, el frente de Pareto permite identificar las compensaciones existentes del sistema. En el presente caso, en las cuatro arquitecturas, el PCS presenta un claro compromiso entre p\u00e9rdidas y costo. Por ejemplo, podemos aumentar la secci\u00f3n transversal de los conductores de cobre en los elementos magn\u00e9ticos para reducir las p\u00e9rdidas, pero esto ser\u00e1 a expensas de un mayor costo. En los extremos del frente de Pareto, una peque\u00f1a mejora en uno de los objetivos conlleva una gran agravaci\u00f3n del objetivo complementario. Por lo tanto, existe un valor m\u00ednimo alcanzable del costo y las p\u00e9rdidas del PCS. La figura 4 tambi\u00e9n revela que las arquitecturas PCS con un menor n\u00famero de convertidores logran p\u00e9rdidas y costos generales m\u00e1s bajos.<\/p>\n\n\n\n<p><\/p>\n\n\n\n<figure class=\"wp-block-image size-large\"><img decoding=\"async\" src=\"https:\/\/hybris-project.eu\/wp-content\/uploads\/sites\/12\/2022\/11\/HYBRIS_ceg_4-1024x883.png\" alt=\"\" class=\"wp-image-26599\"\/><figcaption class=\"wp-element-caption\">Figura 4: Valores de p\u00e9rdidas y costos obtenidos con resultados de optimizaci\u00f3n para cada arquitectura y valor de \u03bb.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n<p>Para cada arquitectura, exploremos en detalle una soluci\u00f3n representativa, marcada con un cuadrado blanco y negro en la Figura 3. La Figura 5 desglosa las p\u00e9rdidas y el costo entre los componentes y conceptos relevantes del PCS para cada soluci\u00f3n seleccionada. En la Figura 5 podemos ver que los PCS que cuentan con un convertidor dc-ac para cada bater\u00eda (arquitecturas A y C) presentan p\u00e9rdidas magn\u00e9ticas proporcionalmente m\u00e1s altas y p\u00e9rdidas de semiconductores m\u00e1s bajas que las arquitecturas con un solo convertidor de CC-CA (arquitecturas B y D). La reducci\u00f3n del n\u00famero de convertidores dc-dc paralelos conduce a una reducci\u00f3n de las p\u00e9rdidas magn\u00e9ticas, mientras que las p\u00e9rdidas de los semiconductores apenas se ven afectadas. Considerando la potencia nominal del PCS (59 kW), las eficiencias de conversi\u00f3n son del 97,2%, 97,4%, 97,5% y 97,6% en las arquitecturas A, B, C y D, respectivamente.<\/p>\n\n\n\n<p>La Figura 5 muestra que, en todos los casos, los semiconductores representan casi el 50 % del costo del sistema. El segundo costo de capital m\u00e1s grande son los elementos magn\u00e9ticos, seguidos de cerca por el costo de reparaci\u00f3n, el costo del sistema de enfriamiento (disipadores de calor m\u00e1s ventiladores) y el costo de los condensadores. El costo de los componentes auxiliares y la penalizaci\u00f3n de costos por p\u00e9rdidas de ingresos son marginales en todos los casos (\u2264 6%). En general, las Arquitecturas C y D presentan costos de materiales m\u00e1s bajos. Aunque existe cierta dependencia lineal del costo de cada componente con su potencia nominal, resistencia t\u00e9rmica, etc., a\u00fan existe un costo fijo en forma de costo del paquete, costo de fabricaci\u00f3n, componentes auxiliares, etc. Por lo tanto, cuanto mayor sea el n\u00famero de componentes en una arquitectura, mayor ser\u00e1 el costo del sistema.<\/p>\n\n\n\n<p>En conclusi\u00f3n, para el presente HESS, la arquitectura PCS con un \u00fanico convertidor CC-CC por bater\u00eda y un \u00fanico convertidor CC-CA (arquitectura D) se presenta como la soluci\u00f3n \u00f3ptima, con la mejor compensaci\u00f3n entre costo y eficiencia. Vale la pena se\u00f1alar que si consideramos mayores penalizaciones por p\u00e9rdida de ingresos por el apagado del sistema inducido por fallas, las arquitecturas con un mayor grado de paralelizaci\u00f3n pueden volverse competitivas en costos. Adem\u00e1s, la arquitectura \u00f3ptima puede ser diferente si la potencia nominal del sistema es sustancialmente menor o mayor. En los pr\u00f3ximos meses, los socios IREC y CEA trabajar\u00e1n juntos para construir un demostrador de bajo consumo para validar el HESS PCS \u00f3ptimo.<\/p>\n\n\n\n<p><\/p>\n\n\n\n<p><\/p>\n\n\n\n<figure class=\"wp-block-image size-large\"><img decoding=\"async\" src=\"https:\/\/hybris-project.eu\/wp-content\/uploads\/sites\/12\/2022\/11\/HYBRIS_ceg_5-1-1024x692.png\" alt=\"\" class=\"wp-image-26601\"\/><figcaption class=\"wp-element-caption\">Figura 5: P\u00e9rdidas y distribuci\u00f3n de costos en el PCS para la soluci\u00f3n explorada en cada arquitectura.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n<p><\/p>\n\n\n\n<p><em>Escrito por \u00c0lber Filb\u00e0, Oriol Esquius, Llu\u00eds Trilla, Cl\u00e0udia Cabr\u00e9 i Jos\u00e9 Lu\u00eds Dom\u00ednguez, del <a href=\"https:\/\/www.irec.cat\/\" target=\"_blank\" rel=\"noopener\">IREC<\/a>.<\/em><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>El proyecto HYBRIS tiene como objetivo desarrollar un sistema h\u00edbrido de almacenamiento de energ\u00eda (HESS) para conectarse a la red de corriente alterna (CA). 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