FORNECIMENTO DE SERVIÇOS ANCILARES
COM SISTEMAS DE ARMAZENAMENTO DE
ENERGIA EM SISTEMAS ELÉTRICOS
COM ELEVADA PENETRAÇÃO DE
GERAÇÃO INTERMITENTE
São Paulo, 27 de junho de 2017
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Proponente:
Coordenação :
Execução:
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Objetivo global:
Desenvolver a eletrônica de potência e o controle de sistema de armazenamento
de energia (ESS) para o fornecimento de serviços ancilares à rede elétrica com
elevada penetração de geração intermitente e propor requisitos regulatórios para a
integração desses sistemas ao sistema elétrico.
Objetivos específicos: 1. Projetar, instalar e operacionalizar um sistema de armazenamento de energia
com baterias de lítio-íon (BESS) para fornecimento de serviços ancilares.
2. Projetar, instalar e operacionalizar um sistema de célula a combustível (CaC)
tipo PEM para conversão de energia armazenada em hidrogênio em energia
elétrica.
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3. Desenvolver no âmbito nacional a tecnologia e a indústria de sistemas de
gestão de energia de baterias de lítio-íon (BMS – Battery Management System)
e controle de conversores bidirecionais aplicados a sistemas de
armazenamento de energia.
4. Estudar, desenvolver e validar métodos e estratégias de gerenciamento de
sistemas de armazenamento de energia conectados ao sistema elétrico em
aplicações associadas à geração intermitente, em particular a fotovoltaica.
5. Estudar o comportamento intermitente das flutuações da radiação solar e seus
impactos na operação de sistemas de armazenamento de energia conectados à
rede elétrica.
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6. Propor requisitos normativos para a integração de sistemas de armazenamento
de energia ao sistema elétrico.
7. Comparar as tecnologias de armazenamento de energia utilizando sistemas
com baterias de lítio-íon e sistemas com célula a combustível/hidrogênio no
longo prazo.
8. Analisar a viabilidade técnico-econômica dos sistemas de armazenamento de
energia utilizando células a combustível/hidrogênio e baterias de lítio-íon.
9. Recomendar premissas regulatórias específicas para a integração de sistemas
de armazenamento de energia ao sistema elétrico.
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10. Implantar infraestrutura laboratorial para a avaliação de conformidade da
interface de conexão à rede de sistemas de armazenamento de energia com
bateria associados à geração fotovoltaica no contexto da geração distribuída.
11.Promover a divulgação dos resultados do projeto.
12.Estabelecer cooperação internacional com o IES-UPM (Grupo de Sistemas
Fotovoltaicos) para os estudos e para a divulgação dos resultados.
13.Capacitar recursos humanos nos temas abrangidos pelo projeto.
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Desenvolvimento nacional de engenharia e de produtos:
BMS
BESS + Empacotamento modular
ESS
Solução de controle e projeto/implantação de Célula a Combustível com engenharia nacional
Inteligência de gestão energética 7
Originalidade
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• Utilização do sistema e controle desenvolvidos para provimento de serviços ancilares.
• Possibilidade de adaptação em sistemas de micro e mini geração distribuída para gestão ativa da demanda.
• Adoção da proposta de regulamentação em Resoluções específicas.
• Adoção da proposta de normatização nos Procedimentos de Rede e no PRODIST.
• Aplicação dos resultados experimentais na produção de cabeça de série de sistema de armazenamento com tecnologia nacional.
Aplicabilidade
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• CTEEP: Fornecimento de serviços ancilares utilizando sistemas de armazenamento de energia incorporados às redes de transmissão.
• IEE/USP: Fomento de pesquisa nas áreas de geração intermitente e armazenamento de energia, bem como formação de recursos humanos nestas áreas do conhecimento.
• PHB Eletrônica: Desenvolvimento de protótipo comercial de sistema de armazenamento de energia (ESS) com possibilidade de inserção no mercado.
• CPqD: Fomento de pesquisa nas áreas de desenvolvimento dos sistemas de controle, gestão e empacotamento de baterias de lítio-íon (BMS e BESS).
• Hytron: Desenvolvimento de solução para o armazenamento de energia em hidrogênio e posterior conversão para energia elétrica através de célula a combustível visando à integração do sistema à rede elétrica.
Desenvolvimento da indústria nacional, regulamentação específica e exploração de novo nicho de mercado:
Relevância
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O projeto utilizará infraestrutura pré-existente no IEE/USP resultante da chamada de P&D estratégico n°13/2011.
Recursos – Materiais e Métodos
Projeto “Desenvolvimento de Competências e Avaliação de Arranjos Técnicos em Geração Distribuída com Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede”
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ATUALMENTE:
• Gerador FV (total): 396 kWp
• Inversor FV (total): 331 kW
PROPOSTA:
• Gerador FV: 150 kWp
• Inversor FV: 120 kWp
- Ajuste da geração fotovoltaica à demanda
- Geração modular (24 inversores)
- Simulação de diferentes níveis de penetração
• Conversor bidirecional: 100 kVA
• BESS: 100 kWh
• Sistema de controle
Sistema BIPV
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Geração do sistema BIPV
Céu parcialmente nublado
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100120140160180200220
Potên
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ilhar
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Demanda do IEE
Céu claro
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Metas físicas:
• Desenvolvimento de protótipo de BESS de 100 kWh (BMS + Acumulador Lítio-Íon.
• Instalação do protótipo e de conversor bidirecional de 100 kVA.
• Implantação de infraestrutura laboratorial para avaliação de conformidade da interface de conexão de sistemas de armazenamento de energia com bateria à rede de distribuição.
• Projeto, montagem e operacionalização de um sistema de armazenamento de energia utilizando o hidrogênio eletrolítico com conversão em energia elétrica através de célula a combustível com capacidade de 100 kWh em hidrogênio pressurizado.
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Metas físicas:
• Desenvolvimento de protótipo de BESS de 100 kWh (BMS + Acumulador Lítio-Íon).
10 módulos em série por string Tensão Nominal: 480 V
Corrente Nominal: 209 A
4 strings em paralelo totalizando 100 kWh Master BMS
-SOC -SOH -Gerenciamento e controle -Comunicação externa
CPqD / PHB
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Metas físicas:
• Instalação do protótipo e de conversor bidirecional de 100 kVA.
• Container de 20 pés (6,058m x 2,438m x 2,591m), com isolamento térmico nas paredes e teto, piso de chapa
corrugada e porta com fechadura.
• Cubículo de Média Tensão – MT (13,8kV) com seccionamento e proteções apropriados.
• Transformador trifásico 13,8kV Δ / 0,4kV Υ (125kVA).
• Quadro de Baixa Tensão – BT (400V 3F + N) com seccionamento e proteções apropriados.
• Conversor 425-900Vcc/400Vca 3F+N bidirecional com operação nos 4 quadrantes e potência nominal de 100kW @
35°C 60Hz (FP=±0,8).
• Battery Energy Storage System (BESS) composto por 4 bancos de baterias lítio-íon (480 V/52,1 Ah/25 kWh) com
Battery Management System (BMS).
• Transformador Auxiliar 400V Υ / 380V Υ (10kVA) e quadro de distribuição para circuitos auxiliares.
• Ar condicionado 20.000 BTU/h.
• Sistema de aterramento e SPDA.
• Sistema de segurança e detecção de incêndio.
• Sistema de iluminação interna e externa e tomadas.
• Cabos e barramentos para interconexão dos componentes internos.
Entregáveis - CPqD / PHB
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Implantação de infraestrutura laboratorial para avaliação de conformidade da interface de conexão de sistemas com armazenamento de energia em bateria.
Metas físicas:
LABORATÓRIO PARA QUALIFICAÇÃO DE INVERSORES - ACREDITADO PELO INMETRO Execução de ensaios de qualificação em conformidade com a Portaria INMETRO 357/2014
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Metas físicas:
• Projeto, montagem e operacionalização de um sistema de armazenamento de energia utilizando o hidrogênio eletrolítico com conversão em energia elétrica através de célula a combustível com capacidade de 100 kWh em hidrogênio pressurizado.
INFRAESTRUTURA LABORATORIAL DA HYTRON
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Etapa 1. Estudar as tecnologias de sistemas de armazenamento de energia
disponíveis comercialmente e os métodos para incorporá-las ao sistema elétrico,
considerando aplicações associadas à geração intermitente.
Etapa 2. Projetar, instalar e operacionalizar um sistema de armazenamento de
energia com baterias de lítio-íon para fornecimento de serviços ancilares.
Etapa 3. Projetar, instalar e operacionalizar um sistema de armazenamento de
energia em hidrogênio com conversão para eletricidade através de célula a
combustível tipo PEM.
Etapa 4. Contribuir para desenvolvimento da tecnologia e da indústria nacionais de
conversores bidirecionais e BMS para baterias de lítio-íon aplicados a sistemas de
armazenamento de energia.
Etapas
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Etapa 5. Estudar, desenvolver e validar métodos e estratégias de gerenciamento de
sistemas de armazenamento de energia conectados ao sistema elétrico em
aplicações associadas à geração intermitente, em particular a fotovoltaica.
Etapa 6. Estudar o comportamento intermitente das flutuações da radiação solar e
os seus impactos na operação de sistemas de armazenamento de energia
conectados à rede elétrica.
Etapa 7. Propor requisitos normativos e regulatórios para a integração de sistemas
de armazenamento de energia ao sistema elétrico.
Etapa 8. Implantar infraestrutura laboratorial para a avaliação de conformidade da
interface de conexão à rede de sistemas de armazenamento de energia com bateria
associados à geração fotovoltaica no contexto da geração distribuída.
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Etapa 9. Adaptar a infraestrutura existente na Hytron para a produção e o
armazenamento de hidrogênio eletrolítico.
Etapa 10. Instalação e operação do sistema de armazenamento em hidrogênio e
célula a combustível na Hytron.
Etapa 11. Promover a divulgação dos resultados do projeto
Etapa 12. Estabelecer cooperação internacional com o IES-UPM (Grupo de
Sistemas Fotovoltaicos) para os estudos e a divulgação dos resultados.
Etapa 13. Capacitar recursos humanos nos temas abrangidos pelo projeto.
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Resultados
1. Desenvolvimento de sistema piloto nacional de armazenamento de energia.
2. Desenvolvimento de proposta de normas técnicas.
3. Desenvolvimento de proposta de regulamentação.
4. Análise técnico-econômica de sistemas de armazenamento de energia.
5. Desenvolvimento de estratégias de controle para sistemas de armazenamento
de energia conectados à rede para prover serviços ancilares.
6. Planta piloto em escala laboratorial de sistema de CaC (utilizando hidrogênio)
para armazenamento de energia e sua comparação com ESS com Baterias de
Lítio-Íon.
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7. Estudos de viabilidade técnico-econômica.
8. Solução de bateria mais adequada para a aplicação, considerando aspectos
técnicos / financeiros e maturidade tecnológica.
9. Prova de conceito de mini geração distribuída com armazenamento conectado
a rede elétrica.
10.Prova de conceito em escala de 100 kW / 100 kWh e estudo de extrapolação
para sistemas de maior porte.
11.Estudos dos impactos na qualidade de energia da rede elétrica.