Technical and economic analysis of electrical energy storage technologies for the large-scale integration of intermittent renewable generation

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaRenewable energies are the obvious option to ensure a sustainable future. The wide availability and diversity of natural energy resources allows the development of flexible generation technologies adapted to the needs of electric power systems. In Portugal, the potential of wind, solar and hydro power enable an energy future mainly based on renewable energy. However, changing from predictable and easily controllable fossil energy systems, to systems that use natural energy sources has a strong impact on the generated energy profile. Inconstant levels of generation, difficulties to match the consumption levels, and difficulty in ensuring a correct management of the systems are only some of the problems inherent to this type of renewable intermittent energy. Among the different solutions that reduce these problems, the use of an operating reserve by large-scale storage systems produce the best results. By storing excess energy and discharging when necessary, these grid-connected systems can smooth the load diagrams, reduce imported energy values, and avoid the use of environmentally harmful energy sources. Following an analysis of the technical specifications of the currently known systems, were chosen the 4 most suitable systems for use with intermittent power generation were selected. The systems selected were compress air energy storage (CAES), conventional lithium ion batteries (Li-ion), sodium-sulfur (NaS) batteries and Vanadium redox (VRB) flow batteries.In this dissertation, an algorithm was created in Matlab® able to simulate the impact caused by each of the storage system on the load diagrams of the preselected case studies. After obtaining the results using the algorithm, a technical and economic analysis of the energy exchanges and energy costs for each of the systems was done. At the end, an analysis of the systems that provide energy at a lower cost and with greater efficiency to solve problems related to intermittent power generation is done.As energias renováveis são a melhor opção para garantir um futuro sustentável. A grande disponibilidade e diversidade de fontes de energias naturais levou ao desenvolvimento de tecnologias de geração flexíveis adaptadas às necessidades dos sistemas de energia elétrica. Em Portugal, o potencial da energia eólica, solar e hídrica permitem um futuro energético maioritariamente baseado em energias renováveis.No entanto, a mudança de sistemas de geração fóssil previsível e facilmente controlável para sistemas de geração dependentes de fontes de energia naturais variáveis tem um forte impacto no perfil da energia gerada. Níveis de geração inconstantes, incapacidade de garantir os níveis de energia consumida, e dificuldade em realizar uma correta gestão dos sistemas são apenas alguns dos problemas inerentes a este tipo de energia renovável intermitente. De entre as diferentes soluções existentes que permitem atenuar os problemas referidos, a utilização de reserva operacional baseada em sistemas de armazenamento de larga escala é a que apresenta melhores resultados. Armazenando energia em excesso e descarregando quando necessário, estes sistemas interligados com a rede elétrica permitem suavizar os diagramas de carga, reduzir os valores de energia importada e evitar a utilização de fontes de energia nocivas para o ambiente. Após uma análise das especificações técnicas dos sistemas atualmente conhecidos, foram selecionados os 4 sistemas mais adequados para a utilização com geração de energia intermitente, nomeadamente sistemas de armazenamento de comprimido, de baterias convencionais de iões de lítio, de baterias de sódio-enxofre e de baterias de fluxo de redox de vanádio.Para esta dissertação foi criado um algoritmo em Matlab® capaz de simular as variações causadas por cada um do sistema de armazenamento nos diagramas de carga de casos de estudo selecionados. Após obtenção dos resultados através do algoritmo, foi realizada uma análise técnica e económica das trocas de energia e dos custos de energia de cada um dos sistemas com a rede ao longo de um ano. No final foram apresentados quais os sistemas que fornecem energia a um custo mais reduzido e mais adequados para a resolução dos problemas relacionados com a geração de energia intermitência