Battery degradation modelling for off-grid energy system sizing : methodology and case study in the African context

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Andrade, Sofia Andreia Costa
Data de Publicação: 2023
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10451/63013
Resumo: Tese de Mestrado, Engenharia da Energia e Ambiente, 2023, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências
id RCAP_c005e7aa76e1a00f152520bbd08c1a6e
oai_identifier_str oai:repositorio.ul.pt:10451/63013
network_acronym_str RCAP
network_name_str Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
repository_id_str 7160
spelling Battery degradation modelling for off-grid energy system sizing : methodology and case study in the African contextEletrificação ruralMini-redeModelação energéticaEnvelhecimento da bateriaEstado de saúdeTeses de mestrado - 2023Domínio/Área Científica::Engenharia e Tecnologia::Engenharia do AmbienteTese de Mestrado, Engenharia da Energia e Ambiente, 2023, Universidade de Lisboa, Faculdade de CiênciasO acesso a eletricidade permite o desenvolvimento da sociedade, o crescimento económico e, em geral, o melhoramento das condições de vida. Nos últimos anos, foi verificado um aumento da eletrificação a nível global. No entanto, em 2021, ainda cerca de 8.5% da população mundial não tinha acesso a uma fonte elétrica. A maioria sendo residentes na região da África Subsariana, que também apresenta discrepâncias no acesso entre zonas urbanas e rurais. Muitas comunidades rurais de países em desenvolvimento não têm conexão a fontes elétricas, uma vez que a ligação à rede elétrica nacional tem elevados custos devido à extensão para locais mais remotos. Sistemas elétricos, como mini-redes, são considerados uma solução adequada para enfrentar a desigualdade no acesso a eletricidade nas áreas rurais. Estes sistemas permitem a eletrificação destas comunidades mais dispersas e suportam a procura energética local, que pode ser dividida em três grandes grupos: energia para atividades quotidianas, para serviços comunitários e para atividades relacionadas com fontes de rendimento. As mini-redes são suportadas por geração de energia proveniente de recursos renováveis, como o sol e o vento. Quando o sistema opera isoladamente da rede elétrica principal, pode exigir o suporte auxiliar de geradores a diesel ou sistemas de armazenamento, para manter um serviço estável e confiável. Atualmente, o sistema de armazenamento mais comum é a bateria. Existem diversos tipos de baterias que diferem em elementos químicos, vida útil, custos de investimento, densidade de energia e de potência e eficiência de carregamento. Atualmente, o mercado de sistemas energéticos é dominado pelas tecnologias de armazenamento de Chumbo-Ácido e de ião de Lítio. As baterias de Chumbo-Ácido são o tipo mais maduro no mercado. Esta tecnologia apresenta o menor custo de investimento, mas baixa densidade energética. Têm uma vida útil reduzida quando comparada com o ciclo de vida de outras tecnologias. As baterias de ião de Lítio dominam o atual mercado de armazenamento de energia, devido à sua alta densidade energética, a serem mais compactas e apresentarem mais vida útil. Os tipos de baterias de Lítio atualmente mais relevantes para sistemas energéticos são: Lítio Fosfato de Ferro (LiFePO4) e Lítio Óxido Níquel Manganês Cobalto (LiNiMnCoO2). É essencial uma escolha adequada da tecnologia de acordo com as características do projeto. O desempenho de uma bateria não é constante durante a sua vida útil. A capacidade e potência têm tendência a diminuir durante o armazenamento e os ciclos de carga e descarga. Durante estes dois modos de utilização da bateria, esta está exposta a fatores que levam à sua degradação. O processo de envelhecimento denomina-se calendário, quando em modo de armazenamento, e de ciclo, quando a degradação é causada pelos ciclos de carga e descarga da bateria. A perda de capacidade é compreendida como a redução da capacidade disponível da bateria e é avaliada pelo indicador, estado de saúde da bateria. O fim da vida útil é atingido quando o estado de saúde alcança um determinado limite, que geralmente é 80% da capacidade nominal. A diminuição da potência está diretamente relacionada com o aumento da resistência interna. Para as baterias de Lítio, os fatores que levam ao envelhecimento durante o processo calendário são compreendidos como o armazenamento a altastemperaturas, elevados estados de cargas da bateria e longos períodos. Durante o processo ciclo, a bateria está sujeita a maior degradação para ciclos com elevada descarga de energia, altos valores de corrente e temperaturas elevadas. Estes fatores iniciam vários processos físicos e químicos a nível das células da bateria, que influenciam diferentes modos de degradação e afetam a atual capacidade e potência. Para as baterias de Chumbo-Ácido, certas condições operacionais têm um impacto maior na vida útil. O princípio é o mesmo, em que fatores específicos como temperaturas elevadas e longos períodos em baixo estado de carga, impulsionam vários processos físicos e químicos. O desempenho da bateria é afetado devido à perda de capacidade e aumento da resistência interna. A modelação de sistemas energéticos é uma ferramenta útil para dimensionar mini-redes, devido à complexidade destes sistemas. Em primeiro lugar, uma avaliação das necessidades energéticas da comunidade é realizada, onde a possibilidade do futuro crescimento do consumo deve ser considerada. Em seguida, a produção elétrica é reconhecida como sendo gerada por fontes renováveis, como solar e eólica. Estas fontes têm uma natureza intermitente, devido à variabilidade no tempo e no espaço. Portanto, uma flutuação momentânea na produção elétrica pode ocorrer e gerar discrepâncias na operação da rede, devido ao consumo não ser abrangido. Para isso, geradores a diesel ou sistemas de armazenamento são despachados. Finalmente, outros parâmetros relacionados com o sistema, como restrições económicas, sociais e ambientais também são consideradas, desempenhando um papel fundamental no dimensionamento. A modelação de baterias é pouco estudada e é mal representada na modelação energética. É pertinente considerar a atualização da capacidade e do seu estado de saúde, para melhor representação da evolução do sistema ao longo da vida útil dos projetos. O principal objetivo desta dissertação é o desenvolvimento de uma metodologia para modelar a degradação de baterias e estimar o seu estado de saúde, com base na atualização da capacidade. A abordagem é baseada na combinação de um modelo elétrico, térmico e de degradação que contabilizam o envelhecimento por calendário e por ciclo, com uma resolução temporal de 1-hora. Em primeiro lugar, um modelo matemático é estabelecido e traduzido para a linguagem de programação Python, abrangendo todo o processo lógico. Posteriormente, o modelo proposto é calibrado, validado e analisado. Para alcançar uma metodologia simplificada e diminuir o tempo e o esforço computacional, outro modelo de degradação de baterias é proposto. Este é baseado no modelo apresentado anteriormente, com uma simplificação matemática e redução das informações iniciais necessária para o modelo. Apresenta apenas uma equação que é capaz de calcular a capacidade da bateria atualizada, contabilizando simultaneamente o envelhecimento por calendário e por ciclo. A equação utiliza coeficientes específicos para quantificar os dois tipos de envelhecimento. Estes coeficientes são derivados dos resultados do modelo anterior e variam conforme a temperatura ambiente, profundidade de descarga, estado de carga e vida útil em ciclos. O último modelo de degradação proposto é implementado numa ferramenta de otimização de sistemas energéticos, MicroGridsPy. Para testar a introdução do novo modelo, são realizados dois casos de estudos de mini-redes no contexto da África rural. A escolha da sua localização é baseada nas diferenças climáticas. Assim, são selecionadas a vila de El Maffa, na Argélia, e a vila de St. Lucia, na África do Sul. Vários cenários são testados, diferindo no perfil de consumo, fontes de geração de energia, clima local e tipo de bateria. Os resultados das simulações realizadas são analisados consoante uma sensibilidade aos diferentes parâmetros do sistema, avaliando as variações no tamanho do sistema, no custo do projeto e em indicadores específicos da bateria. Em geral, a tendência é a variação do tamanho e do uso do sistema de armazenamento para parâmetros no mesmo âmbito. Para comunidades com procura energética mais elevada, são instaladas mais unidades de geração elétrica. O sistema de armazenamento tem as mesmas unidades instaladas em relação a mini-redes de comunidades com consumo inferior, porém a degradação da bateria aumenta devido à elevada troca de energia. Assim, o mesmo número de baterias conclui mais ciclos para suportar o sistema. Localizações com elevada temperatura ambiente e disponibilidade de recursos renováveis, tendem para menos baterias instaladas, pois a degradação local é superior. O sistema de geração é maior para capturar todo o potencial das fontes renováveis. Quando as fontes renováveis variam entre solar e eólica, os sistemas energéticos possuem mais unidades de armazenamento para a segunda fonte, visto que longos períodos com baixa produtividade precisam de ser suportados pelo sistema de armazenamento. Porém, a capacidade total instalada é menos utilizada, o que leva a menor degradação quando comparado com sistemas energéticos com fontes solares. Relativamente ao tipo de bateria usado no sistema de armazenamento, as baterias de Chumbo-Ácido apresentam mais degradação devido à menor descarga da bateria, o que resulta em mais ciclos concluídos para suportar o mesmo nível de procura, e à vida útil inferior. Estes fatores influenciam o sistema a instalar mais baterias do que nos sistemas com baterias de Lítio. É realizada uma análise geral dos resultados para concluir os efeitos da introdução do modelo de degradação de baterias na modelação de sistemas energéticos. É verificado um aumento no sistema e nos custos relacionados com o projeto de 20 anos. Quando o modelo considera a degradação de baterias, as unidades instaladas de geração aumentam em 4.6% enquanto o sistema de armazenamento aumenta em 35%, para os cenários apresentados. Estes valores impactam diretamente o custo do projeto devido ao aumento relacionado com o investimento e operação e manutenção do sistema. Relativamente a parâmetros económicos específicos, o custo atual líquido e o custo nivelado de eletricidade aumentam entre 5% e 20% para os cenários executados, após a introdução do modelo de degradação.Access to electricity is still scarce for a vast share of rural communities in developing countries, despite the global increase in the last years. Connecting to the main electricity grid becomes unfeasible because of the high costs of extension to remote locations. Hybrid mini-grid systems are a viable solution to provide dispersed communities with reliable and sustainable electricity to satisfy the energy demand. Off-grid systems may require auxiliary support from diesel generators or storage systems, such as batteries, to maintain a reliable grid service. Battery Energy Storage Systems (BESSs) undergo capacity and power fade when exposed to degradation stress factors during storage and operation. A helpful tool to size and optimize mini-grids is energy modelling. However, battery modelling is poorly represented which may lead to inconsistencies with on-field applications. A methodology is proposed for the development of a battery degradation model which estimates the State of Health (SOH) based on the battery current capacity. The approach is based on an electrical, thermal and degradation model working in tandem, accounting for both calendar and cycle aging, at a 1-hour resolution. The comprehensive model is simplified in both mathematical steps and required inputs to decrease computational time and effort. The simplified degradation methodology is implemented on a Python-based open-source optimization tool, using a MILP formulation. The energy model is applied to two mini-grid case studies in the rural African context, with scenarios differing in demand profile, power generation sources, local climate and battery technology. Sensitivity analyses on these parameters concluded a variation in storage system size and usage. The introduction of the degradation model results in increased energy system size and cost, over a 20-year project. The Net Present Cost (NPC) and Levelized Cost of Electricity (LCOE) soar between 5% and 20% when compared to no aging option, for the proposed case studies.Mereu, RiccardoEstanqueiro, Ana IsabelRepositório da Universidade de LisboaAndrade, Sofia Andreia Costa2024-02-28T17:34:47Z202320232023-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/63013enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2024-03-04T01:20:57Zoai:repositorio.ul.pt:10451/63013Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-20T03:12:33.385760Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
dc.title.none.fl_str_mv Battery degradation modelling for off-grid energy system sizing : methodology and case study in the African context
title Battery degradation modelling for off-grid energy system sizing : methodology and case study in the African context
spellingShingle Battery degradation modelling for off-grid energy system sizing : methodology and case study in the African context
Andrade, Sofia Andreia Costa
Eletrificação rural
Mini-rede
Modelação energética
Envelhecimento da bateria
Estado de saúde
Teses de mestrado - 2023
Domínio/Área Científica::Engenharia e Tecnologia::Engenharia do Ambiente
title_short Battery degradation modelling for off-grid energy system sizing : methodology and case study in the African context
title_full Battery degradation modelling for off-grid energy system sizing : methodology and case study in the African context
title_fullStr Battery degradation modelling for off-grid energy system sizing : methodology and case study in the African context
title_full_unstemmed Battery degradation modelling for off-grid energy system sizing : methodology and case study in the African context
title_sort Battery degradation modelling for off-grid energy system sizing : methodology and case study in the African context
author Andrade, Sofia Andreia Costa
author_facet Andrade, Sofia Andreia Costa
author_role author
dc.contributor.none.fl_str_mv Mereu, Riccardo
Estanqueiro, Ana Isabel
Repositório da Universidade de Lisboa
dc.contributor.author.fl_str_mv Andrade, Sofia Andreia Costa
dc.subject.por.fl_str_mv Eletrificação rural
Mini-rede
Modelação energética
Envelhecimento da bateria
Estado de saúde
Teses de mestrado - 2023
Domínio/Área Científica::Engenharia e Tecnologia::Engenharia do Ambiente
topic Eletrificação rural
Mini-rede
Modelação energética
Envelhecimento da bateria
Estado de saúde
Teses de mestrado - 2023
Domínio/Área Científica::Engenharia e Tecnologia::Engenharia do Ambiente
description Tese de Mestrado, Engenharia da Energia e Ambiente, 2023, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências
publishDate 2023
dc.date.none.fl_str_mv 2023
2023
2023-01-01T00:00:00Z
2024-02-28T17:34:47Z
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/masterThesis
format masterThesis
status_str publishedVersion
dc.identifier.uri.fl_str_mv http://hdl.handle.net/10451/63013
url http://hdl.handle.net/10451/63013
dc.language.iso.fl_str_mv eng
language eng
dc.rights.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/openAccess
eu_rights_str_mv openAccess
dc.format.none.fl_str_mv application/pdf
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informação
instacron:RCAAP
instname_str Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informação
instacron_str RCAAP
institution RCAAP
reponame_str Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
collection Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
repository.name.fl_str_mv Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informação
repository.mail.fl_str_mv
_version_ 1799137774899560448

Registros relacionados