Energy storage systems based on lithium-ion batteries and supercapacitors: characterization, modelling and integration with renewable energies

Abstract

Los inconvenientes medioambientales, sociales y económicos que presentan los combustibles fósiles y nucleares están propiciando un uso cada vez mayor de fuentes de energía renovables. El fuerte desarrollo tecnológico de los sistemas de generación basados en estas fuentes de energía, especialmente de los sistemas eólicos y fotovoltaicos, ha abaratado enormemente sus costes de producción, resultando ya tecnologías competitivas en relación con las plantas convencionales. Actualmente, el principal obstáculo que limita su integración masiva en la red eléctrica es su gestionabilidad, dada la naturaleza intermitente del recurso renovable. Los sistemas de almacenamiento energético distribuidos, y en particular las baterías de litio y los supercondensadores, surgen como una de las mejores alternativas para mejorar la gestión de esta energía y facilitar la operación de una red el ectrica cada vez más basada en sistemas renovables. Esta tesis analiza en profundidad ambas tecnologías de almacenamiento, especialmente cuando funcionan en entornos de generación renovable. Las principales líneas de trabajo de la tesis son: Análisis del estado actual de las tecnologías; Estudio de la influencia de los fenómenos termodinámicos, electroquímicos y térmicos en el funcionamiento de estos sistemas de almacenamiento; Modelado electroquímico y térmico de ambas tecnologías de almacenamiento; Estimación del estado de carga y del envejecimiento en baterías de litio; Validación experimental de los modelos propuestos ante diferentes condiciones de funcionamiento; Desarrollo de metodologías para el diseño y funcionamiento óptimo de sistemas de almacenamiento basados en baterías de litio en entornos renovables y particularización para centrales fotovoltaicas.

Environmental, social and economic drawbacks of fossil and nuclear fuels are leading to an increased use of renewable energy sources. The strong technological development of renewable-based generation systems during the last years, especially in the case of wind and photovoltaic systems, has led to an impressive reduction of production costs and made these technologies competitive with conventional power plants. At present, the main barrier that limits their massive integration into the electrical grid is their reduced manageability due to the intermittent nature of renewable resources. Distributed energy storage systems, particularly lithium-ion batteries and supercapacitors, arise as one of the best options to provide manageability to these systems and help operate an electrical grid increasingly based and dependent on renewable power plants. This thesis analyses in depth both energy storage technologies, in particular when they operate in renewable generation systems. The main research lines of the thesis are: Analysis of the state of the art of lithium-ion battery and supercapacitor technologies; Study of the infuence of thermodynamic, electrochemical and thermal phenomena on the operation of these storage technologies; Electrochemical and thermal modelling of both technologies; Estimation of the state of charge and ageing of lithium-ion batteries; Experimental validation of the proposed models under different operating conditions; Development of methodologies for the optimal design and operation of storage systems based on lithium-ion batteries in renewable environments, and implementation in photovoltaic power plants.