Publication:

Analysis and characterisation of lithium-ion batteries for the integration of renewable energies: modelling, energy management and applications

La necesidad de un cambio en el modelo energético actual hacia un futuro en el que se abogue por la sostenibilidad como pilar indispensable del progreso ha suscitado un cambio en el paradigma energético. Las fuentes de generación basadas en la nociva quema de combustibles fósiles han de ser erradicadas con la mayor celeridad posible. Es en este contexto, en el que las baterías de iones de litio emergen como una solución viable y amigable con el medio ambiente. Las baterías de iones de litio, dada su alta densidad energética, pueden ser empleadas en el sector del transporte como sustitutas a los combustibles fósiles. No obstante, la electricación del sistema automovilístico no conlleva asociada una mejora sustancial si la generación eléctrica sigue proviniendo de sistemas basados en la quema de combustibles fósiles o de la energía nuclear. La principal alternativa estriba en remplazar estas fuentes convencionales por fuentes de origen renovables. No obstante, un sistema basado únicamente en los incontrolables recursos renovables no sería más que una utopía sin un sistema de almacenamiento que los acompañe, como son las baterías de iones de litio. Esta tesis analiza en detalle esta tecnología, y en especial, su aplicación en entornos de generación renovables. Las principales líneas de trabajo son: Análisis del estado actual de la tecnología de baterías de iones de litio; Estudio de las principales técnicas de caracterización no invasivas como herramienta para cuantificar e identificar los mecanismos de degradación en baterías de iones de litio; Modelizado eléctrico de baterías de iones de litio y validación en sistemas reales; Estudio e identificación de aspectos clave en baterías de iones de litio para la integración de energías renovables en la red eléctrica.

Gaur egungo energia-eredua aldatzeko beharra dago, jasangarritasuna oinarria izan behar du, horrek energia-paradigma aldatzea ekarri du. Erregai fosilen erreketa kaltegarrian oinarritutako sorkuntza-iturriak ahalik eta azkarren murriztu behar dira. Testuinguru honetan, litiozko ioien bateriak ingurumenarekiko irtenbide bideragarri eta lagunkoi gisa azaleratzen dira. Litioiozko bateriak, energia-dentsitate handia dutenez, garraio-sektorean erabil daitezke erregai fosilen ordez. Hala ere, automobil-sistemaren elektrifikazioak ez dakar berekin funtsezko hobekuntzarik, baldin eta elektrizitatea erregai fosilen erretzean edo energia nuklearrean oinarritutako ohiko sistemetatik badator. Aukera nagusia iturri horiek energia berriztagarriekin ordezkatzea da. Hala eta guztiz ere, iturri berriztagarriak kontrolagaitzak direnez, sistema energetikoa energia berrizagarrietan bakarrik oinarritutakoa utopia bat baino ez litzateke, haiekin batera doan biltegiratze-sistemarik gabe, litio-ioizko bateriekin, adibidez. Tesi honek zehazkiro aztertzen du teknologia hori, eta bereziki, sorkuntza berriztagarriko inguruneetan duen aplikazioa. Hauek dira ikerketa-lerro nagusiak: Litio-ioizko baterien teknologiaren egoeraren azterketa; Karakterizazio ez-inbaditzaileko teknika nagusiak aztertzea, litio-ioizko baterien degradazio-mekanismoak kuantikatzeko eta identikatzeko tresnagisa; Litio-ioizko baterien modelatze elektrikoa eta balidazioa sistema errealetan; Litio-ioizko baterien funtsezko alderdiak aztertu eta identi katzea, energia berriztagarriak sare elektrikoan integratzeko.

The need for a change in the current energy model towards a future in which sustainability is advocated as an indispensable pillar of progress has led to a change in the energy paradigm. The hitherto used power sources based on the harmful burning of fossil fuels must be eradicated as quickly as possible. In this context, lithium-ion batteries emerge as a viable and environmentally friendly solution. Lithium-ion batteries, given their high energy density, can be used in the transport sector as substitutes for fossil fuels. However, the electrication of the automotive system does not entail a substantial improvement if the power generation continues to come from conventional systems based on the burning of fossil fuels or nuclear energy. The main alternative is to replace these sources with renewable sources. However, a system based solely on uncontrollable renewable resources would be nothing more than a utopia without a storage system to accompany them, such as lithium-ion batteries. This thesis analyses in detail this technology, and in particular, its application in renewable generation environments. The main lines of work are: Analysis of the current state of lithium-ion battery technology; Study of the main non-invasive characterisation techniques as a tool to quantify and identify the degradation mechanisms on lithium-ion batteries; Electrical modelling of lithium-ion batteries and validation in real systems; Study and identication of key aspects of lithium-ion batteries for the integration of renewable energies into the power grid.