Analysis of potential applications and business models for battery energy storage systems on a low and medium voltage distribution systems in Brazil

Orientador : Prof. Dr. Alexandre Rasi AokiCoorientadores : Prof. Dr. Patricio Rodolfo Impinnisi ; Prof. Dr. Hans-Georg SchweigerDissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. Defesa: Curitiba, 22/05/2017Inclui referências : p. 221-227Resumo: A escassez de recursos, o aquecimento global e os desastres naturais aumentaram a conscientização ambiental e desencadearam notáveis esforços de transformação em todo o mundo, afastando da geração baseada em fontes fósseis para a geração de recursos energéticos renováveis na última década. A tendência global de Sistemas de Armazenamento de Energia Elétrica, especialmente as baterias, é uma promissora solução para a qualidade e segurança dos futuros sistemas de redes elétricas inteligentes com uma elevada quota de produção de energia renovável. A aplicabilidade e o desempenho técnico e econômico dos sistemas de baterias distribuídas dependem fortemente de múltiplas questões, que incluem a localização do projeto, o ambiente, as regulamentações do mercado da eletricidade, a aplicação, a tecnologia, a propriedade e o regime de remuneração. Desta forma, o conhecimento e as melhores práticas para a utilização da bateria distribuída, desenvolvidos em diferentes ambientes, não podem ser aplicados diretamente no cenário nacional, mas as circunstâncias e necessidades locais precisam ser estudadas e soluções adequadas e customizadas identificadas. Alinhada com os esforços mundiais em P&D para melhorar o desempenho técnico-econômico das tecnologias de baterias, a última solicitação pública de projetos estratégicos de P&D da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) tem como objetivo identificar aplicações razoáveis e modelos de negócios para sistemas distribuídos de armazenamento de energia no Brasil. O objetivo deste trabalho é desenvolver um método para identificar como os sistemas distribuídos de baterias podem ser usados para melhorar a qualidade das redes de eletricidade renovável a nível nacional. Para isso, foi realizada uma pesquisa bibliográfica sobre os fundamentos das tecnologias e aplicações de baterias, seguida de uma coleta de dados sobre o estado da arte em P&D para sistemas de baterias distribuídas. O mercado brasileiro de eletricidade é estudado em termos de estrutura geral, partindo da participação e regulamentação relevante para geração distribuída e aplicação de armazenamento. Apresenta-se uma visão geral de todos os dados relevantes e do processo desenvolvido e detalhado, para identificar modelos de negócios apropriados para aplicação de bateria distribuída. Com base no resultado do último convite à apresentação de propostas do projeto estratégico de pesquisa e desenvolvimento, denominado Chamada 21, é criado um modelo para sistemas de armazenamento distribuído no Brasil para os próximos quatro anos, incluindo uma classificação das seis principais classificações de tipos e aplicações de baterias. A funcionalidade do método desenvolvido é comprovada pela identificação de um projeto exemplo de utilização distribuída do sistema de bateria para cada uma das classificações identificadas a partir do modelo brasileiro. Sob condições atuais de mercado e meio ambiente, esses projetos são simulados em termos de desempenho técnico-econômico com o programa de simulação de redes elétricas inteligentes no Homer Energy. Os resultados de custo e desempenho são comparados com soluções convencionais, para identificar a adequação de sistemas de baterias distribuídas e potenciais nichos de mercado. Em termos de eletrificações isoladas de fora da rede, em pequena escala, já foram identificados custos de operação global vantajosos. O método e o programa de simulação utilizado revelaram-se ferramentas razoáveis para identificar modelos de negócios para aplicações de bateria distribuída no Brasil e calcular as estruturas de cálculo de custos esperadas. Palavras-chave: Bateria, Modelo de Negócio, Baixa Tensão, Media Tensão, Brasil, Armazenamento de Energia ElétricaAbstract: Resource scarcity, global warming and environmental disasters increased environmental awareness and unleashed remarkable worldwide transformation efforts away from fossil to renewable energy resources based generation during the last decade. There is a global trend for Electrical Energy Storage Systems (ESS) and especially batteries are one of the promising solutions for quality and safety in future, smart electricity networks with high shares of fluctuating renewable energy generation. Applicability and technical economic performance of distributed battery systems are strongly dependent on multiple issues, which include the project location, environment, electricity market regulations, application, technology, ownership and remuneration scheme. This way, knowledge and best practice for distributed battery utilization, developed in different environments, cannot be transferred directly to the national case, but local circumstances and needs have to be studied and appropriate, customized solutions identified. Aligned with the worldwide efforts on R&D to improve techno-economic performance of battery technologies, the latest public call for strategic R&D projects from the Brazilian Electricity Regulatory Agency - ANEEL, aims to identify reasonable applications and business models for distributed energy storage systems in Brazil. Objective of this work is to develop a method to identify how distributed battery systems can be used to improve the quality of renewable electricity networks on a nationalized level. To reach this, a literature research on the fundaments of battery technologies and applications, followed by a data collection on the state of the art in R&D for distributed battery systems are executed. The Brazilian electricity market is studied in terms of general structure, participation parties and relevant regulatory for distributed generation and storage application. An overview of all relevant data and the developed, detailed process, to identify appropriate business models for distributed battery application are presented. Based on the outcome of the last Public call for proposals from the strategic R&D project, known as Chamada 21, a roadmap for distributed storage systems in Brazil for the next four years is created, including a classification in six main classifications of battery types and applications. The functionality of the developed method is proved by identification of one exemplary project of distributed battery system utilization for each of the identified classifications from the Brazilian road map. Under current market and environment conditions, these projects are further simulated in terms of techno economic performance with the smart grid simulation program Homer Energy. The results of cost and performance are compared with conventional solutions, to identify the suitability of distributed battery systems and potential market niches. In terms of small scale, isolated off-grid electrifications there have been already advantageous overall operation cost identified. The method as well as the utilized simulation program turned out to be reasonable tools to identify business models for distributed battery applications in Brazil and calculate the expected costing structures. Keywords: Battery Energy Storage. Business Case. Low Voltage. Medium Voltage. Brazil. Electricity Storage