Capítulos 1 e 7 - Energy Storage at Different Voltage Levels: Technology, integration, and market aspects.

Neste tópico serão apresentados resumos dos capítulos 1 - Overview of energy storage technologies e 7 - Assessment and optimization of energy storage benefits in distribution networks do livro Energy Storage at Different Voltage Levels: Technology, integration, and market aspects.

Capítulo 1 - Overview of energy storage technologies

Os sistemas de energia elétrica estão passando por processo de gradual amadurecendo na área operacional e de arquitetura. O objetivo principal dos operadores do sistema é fornecer mais confiabilidade e serviços de energia de alta qualidade em uma estrutura econômica e ambiental.

Para esse fim, novas aplicações e tecnologias devem ser inovadas e integradas na infraestrutura do sistema de maneira sustentável.

As motivações iniciais se estendem efetivamente à utilização de sistemas de armazenamento de energia e  várias inovações podem ser classificadas como:

• Proporcionar uma alta penetração sustentável de fontes de energia renováveis (FER/RES): Gestão conjunta de energia de ESSs e RESs, mitigando a intermitência  dos recursos renováveis, garantindo que os operadores confiem em altos níveis de penetração das FERs.

• Garantir o requisito de reserva do sistema em um portfólio mais ecológico: Uma integração coordenada de ESSs com geradores hidrotérmicos obtém uma capacidade estendida de reserva de girante e não girante oferecida ao sistema com confiabilidade. Além disso, devido à produção mais limpa das tecnologias ESS, através da redução efetiva da parcela de geração térmica do sistema,  a restrição de oferta de reserva é obtida de forma mais ecológica.

• Realização da visão de aplicabilidade epidêmica de veículos elétricos (VE): desenvolvendo tecnologias de armazenamento de energia, a crescente utilização de veículo elétrico pode ser justificada. Além disso, à luz do veículo na rede (vehicle to grid - V2G), os EVs "plug-in" podem desempenhar um papel vital na operação do sistema de energia e gerenciamento através da descarga ideal de armazenamento de energia.

• Desenvolvimento no conceito de smart / microgrids: integração eficiente de tecnologias de ESS  permitem que a ideia de construção de rede inteligente seja visualizada de maneira confiável. Além disso, os clientes também podem participar de programas de resposta à demanda (DRPs) mais confiáveis ​​com menos desconforto. Ainda, as micro-redes (MGs), junto com os prosumers flexíveis da rede inteligente confiam no gerenciamento de energia operacional dos ESSs garantindo uma operação segura e alta controlabilidade, principalmente no modo de ilha.

Benefícios dos Sistemas de Armazenamento

•  Melhoria da confiabilidade do sistema: os ESSs podem aprimorar o índice de confiabilidade do sistema de energia, adquirindo uma proporção de requisitos de reserva do sistema, atenuando os desequilíbrios do sistema. Reserva girante é o tipo  mais rápido, fornecidos a partir da capacidade livre de geradores disponíveis. As reservas programadas da unidade térmica podem ser substituídas por ESSs. Dessa forma, não apenas a emissão de poluentes é reduzida, mas também a potência a confiabilidade geral do sistema é aprimorada substancialmente. Além disso, os ESSs podem diminuir a frequência e o número de interrupções de energia na distribuição sistema e ajudar os procedimentos de restauração a se tornarem mais rápidos e sustentáveis. Um dos alvos finais da rede inteligente é construir uma 'auto-recuperação' sistema através do qual os elementos defeituosos do sistema podem ser isolados e restaurado automaticamente e sem interposição humana. ESSs podem executar uma papel vital na defesa de um sistema de energia auto-reparável.

• ·Facilitar o fornecimento de energia de pico de carga: os ESSs podem armazenar energia gerada em períodos "fora de pico" utilizada durante o "horário de pico'. Em outras palavras, fora do horário de pico, geração excedente de turbinas eólicas e painéis fotovoltaicos, menos poluente e baratas podem ser armazenada carregando os ESSs. No horário de pico, em vez de usar geradores poluentes ou caros, os ESSs podem ser descarregado. conseqüentemente, o sistema de energia econômico e ambiental índices são elevados. Além disso, a eficiência energética do sistema de energia é aumentada devido ao fator de carga mais uniforme fornecido pela "arbitragem".

• Controle de Freqüência: Desequilíbrios na geração e consumo em sistemas de energia em desvios de frequência. Estes devem ser gerenciados com segurança empregando recursos de reserva adequados. Com base na resposta rápida e confiável dos ESSs, eles podem ser carregados ou descarregados durante cenários de desvio de frequências para controlar os  positivos ou negativos. Analogamente, flutuações de tensão podem ser reguladas usando a energia armazenada no ESSs. Conclusivamente, os ESSs podem desempenhar um papel crítico na melhoria da frequência / estabilidade de tensão dos sistemas de potência.

•  Melhoria da qualidade de energia: variações na magnitude e na forma da tensão e formas de onda atuais referem-se a fenômenos de qualidade de energia.  As principal questões relacionadas aos fenômenos da qualidade de energia são harmônicos, queda de tensão e ondulações, tremulações e transientes, que são predominantemente resultantes das cargas. Os ESSs podem atenuar os distúrbios da qualidade de energia e fornecer serviços qualificados, sem distorções.

• Redução de custo do planejamento operacional do sistema: os ESSs podem ser carregados quando o preço da energia é baixo (geralmente fora dos horários de pico) e descarrega quando o preço de mercado é alto. Assim, o custo do fornecimento de energia é reduzido consideravelmente. Como resultado, o "bem-estar social" do sistema é aprimorado, que é um dos os objetivos finais dos operadores.

• Postergação da expansão da geração: utilização de ESS, principalmente durante horário de pico, reduz os requisitos para a geração centralizada das usinas. Consequentemente, com base no fortalecimento da capacidade de geração do sistema, a necessidade de a instalação de novas capacidades de geração é postergada e os índices econômico do sistema  são elevados economizando custos de capital.

• Gerenciamento econômico de contas do cliente: os ESSs podem descarregar a energia armazenada nos horários de pico, quando a maioria das unidades geradoras está comprometida, e assim, pode reduzir os preços do mercado. Como resultado, um fatura de consumo do usuário final é reduzida. Quando o sinal do preço de mercado pode ser transferido aos clientes através do mecanismo de preços em tempo real e usando Advanced Metering Infrasctructure. Programas Ainda, Programas Dinâmicos de "Time-of-Use" (TOU) também podem ser afetados pelos preços de mercado. Em outras palavras, quando o sinal de preço está acessível para clientes, eles podem carregar os ESSs em horas com preços baixos e fornecer seus demandas de consumo nos horários de pico, quando o preço da energia é alto e dessa forma, a conta de consumo é reduzida. Além disso, empregando tecnologias de ESS, evita-se redução financeira enfrentada pelos consumidores devido a interrupções de serviço. As perdas financeiras são mais arrojadas para os clientes industriais e comerciais.

• Nivelamento do perfil de geração de RES: Gerenciamento coordenado de RES e ESS tecnologias podem ajudar a natureza intermitente das FER abrangidas. Fuga da potência de saída de  RES pode ser armazenada no ESS e pode ser descarregada em horas enquanto a potência de saída é menor que os valores previstos. Portanto, o perfil de geração do RES se torna uniforme. Em outras palavras, o ESS motiva os operadores a utilizar as tecnologias de FER com maior segurança.

      Características dos Sistemas de Armazenamento de Usinas Reversíveis (hidrobombeamento)

• Power capacity: De acordo com o banco de dados do SANDIA, consultado em 14/09/2019, existem aproximadamente 300 UHR's em operação, totalizando 166 GW, 20 entre anunciadas, em construção e contratada, totalizando 109 GW. Já entre descomissionadas e em reparo, estão 5 empreendimentos, totalizando 276 MW.

• Energy storage capacity: Estima-se 9.000 GWh de energia armazenada (IHA, 2019).

• Efficiency: 75% a 85%.

• Response time: Como reserva girante, reversíveis podem ir de 50% da carga até a carga total em aproximadamente 15 segundos. Já como reserva não girante, estima-se como tempo de resposta em aproximadamente 2 minutos.

• Depth of charge: Potência instalada

• Discharge duration: Pode-se estimar considerando a energia armazenada pela potência. Ex: Mundo: 9.000 GWh/166 GW = 54 horas. UHR: Goldisthal (Alemanha): 8,48 GWh/1060 MW = 8 horas (reservatório superior de 12 hectômetros cúbicos).

• Specific power/Energy density: 0.5–1.5Wh/kg.

• ESS lifetime: 40-60 anos

      Capítulo 7- Assessment and optimization of energy storage benefits in distribution networks

   Geradores distribuídos (GDs) - principalmente baseados em energia solar e eólica – trazem intermitência e incerteza das condições climáticas nas operações dos sistemas de energia. O sistema de energia foi projetado para absorver a demanda diária e sazonal flutuações. No entanto, a volatilidade da geração eólica e a considerável também na geração fotovoltaica é tão alta que as operações normais não pode ser continuadas sem reduzir o poder de redução dessas GD.

    Apesar da intermitência e incerteza de FER, o sistemas de armazenamento de energia da bateria (BESS) podem ser usados ​​para gerar geração fotovoltaica em níveis de penetração da GD baseadas nas FER. O armazenamento de energia também pode permitir alta custos operacionais mais altos com lucros reduzidos,  com sua rápida capacidade de rampa - pode se tornar mais competitivo em termos de custos com o aumento quantidade de energia renovável diferente do custo de atualização da infraestrutura existente.

Assim, apresenta-se uma avaliação de múltiplos benefícios técnicos dos BESS na melhoria das operações diárias da rede de sistemas de distribuição. Embora esse tipo de análise precise se basear na modelagem e simulação de redes de distribuição, incluindo BESS, a série de energia simulações de fluxo também são necessárias inicialmente no desenvolvimento do cronograma de despacho do BESS e em estágios posteriores para avaliar a eficácia do algoritmo de agendamento de períodos mais longos, incluindo diferentes cenários, passando dos requisitos de modelagem para otimização multiobjetivo, são desenvolvidos progressivamente os seguintes passos:
   
Requisitos específicos de modelagem e simulação para a aplicação do BESS em sistemas de distribuição - complementado por uma pesquisa detalhada das ferramentas disponíveis; Necessidade de análise de séries temporais e seu papel no desenvolvimento de algoritmos de despacho de BESS e avaliação desses algoritmos em diferentes cenários; Exercícios de análise de benefícios, incluindo pré-processador de dados, redes de teste e avaliação benefícios com a abordagem de otimização de objetivo único baseada em regras para quatro objetivos diferentes, como corte de pico, melhoria do perfil de tensão do alimentador e evitando violações do limite de tensão ANSI, minimizando as perdas do alimentador e reduzir as operações do comutador para reguladores de tensão (VRs); Formulação de problemas para otimização de múltiplos objetivos com sistemas Fuzzy, seguido de resultados de simulação e discussão para dois alimentadores de distribuição; Lidar com alta volatilidade devido aos PVDGs locais, introduzindo o Fuzzy-PSO baseado em abordagem para otimização multi-objetivo.

Esquema para time-simulation sequencial

Peak shaving reduz a demanda máxima no nó de origem, despachando energia durante o horário de pico, o que ajuda no nivelamento geral do perfil de carga diária.

  Multi objective

  

Modelagem e simulação Principais ferramentas disponíveis: Hybrid2: Pode ser usado para simular o desempenho a longo prazo da energia híbrida sistema. Também facilita a análise econômica de sistemas de energia híbridos. Útil para planejadores e designers de sistemas. HOMER: Nomeado como otimização híbrida de múltiplos recursos energéticos, é especialmente destinado a facilitar o projeto de micro híbridos renováveis no grid. Útil para designers técnicos, bem como não técnicos para tomadores de decisão. OpenDSS: Pode ser usado para análises no domínio da frequência para fornecimento de energia à redes, também pode ser usado para modernização da rede e pesquisa de energia. Usado principalmente por pesquisadores em redes inteligentes e energia renovável. FAST com MATLAB: Projetado para modelar com precisão o comportamento dos geradores de turbinas eólicas usando o ambiente MATLAB Simulink com FAST. Útil para projetistas e pesquisadores de turbinas eólicas. DISPERSE: A seleção da justificativa econômica do poder distribuído (DISPERSE) pode ser usado para avaliar o potencial de mercado específico do local para a GD baseada em FER. Isto é, usado por fabricantes, empresas de energia elétrica, laboratórios de pesquisa e agências governamentais; PVsyst: Ferramenta preliminar de projeto para projeto detalhado do sistema fotovoltaico e economia avaliação do mesmo. Útil para planejadores de sistemas fotovoltaicos, arquitetos e designers;