Energy storage systems for wind energy integration. Technology, applications, and benefit analisis

Autor: Andor Diac, Daniela; 

Tipo de documento: Tesis

Director/es: Jiménez Macías, EmilioAquino Martín, Arturo

Universidad: Universidad de La Rioja

Año: 2015 

Texto completo open access 

Resumen: El objetivo de esta tesis es el estudio de las diferentes tecnologías de almacenamiento de energía adecuadas para apoyar la integración de la energía eólica en red. Los sistemas de almacenamiento energético pueden contribuir haciendo la energía eólica más fiable y económicamente más atractiva de una manera sostenible. En el Capítulo 1 se hace un análisis de los problemas energéticos a los que nos enfrentamos y se destaca el interés por las energías renovables, especialmente la energía eólica. Se analizan las particularidades de la generación e integración en red de la energía eólica. También se analiza la necesidad y el papel que el almacenamiento de energía puede tener en el panorama energético y los factores que han dado lugar al creciente interés en esta área en particular. En el Capítulo 2 se ha realizado una revisión exhaustiva de los trabajos de investigación existentes en relación con el almacenamiento de energía eólica. Además, se han identificado las organizaciones que participan en la promoción y la investigación del almacenamiento de la energía eólica. Algunos de los proyectos existentes más importantes de energías renovables con sistemas de almacenamiento y sus características se presentan también en este capítulo. El capítulo concluye con la presentación del estado actual de desarrollo del almacenamiento de energía eólica en relación con el almacenamiento como habilitador de las energías renovables, los valores obtenidos a través de la integración de las tecnologías de almacenamiento de energía con generación de energías renovables, modelado y análisis para evaluar el valor del almacenamiento de energía combinado con las energías renovables, el estado de arte del almacenamiento de energías renovables y proyectos de demonstración. El Capítulo 3 incluye una visión general de las tecnologías de almacenamiento. Se presentan las características y formas de almacenamiento de energía. Las aplicaciones del almacenamiento de energía y los requisitos técnicos han sido identificados en términos de duración y frecuencia de descarga. Se presentan también los servicios más específicos que el almacenamiento de energía podría proporcionar. El capítulo termina con el estudio de las posibles fuentes de valor del almacenamiento de energía incluyendo capacidad flexible, arbitraje de energía, balance del sistema y servicios auxiliares, gestión de las congestiones, desplazamiento de energías renovables en el tiempo, previsión de producción de energías renovables emisiones y calidad de energía. El almacenamiento de energía permite gestionar mejor la oferta y demanda de energía. La relación entre la energía eólica y la curva de demanda se ha estudiado en el Capitulo 4. El viento como, como la mayoría de las cargas es un recurso no despachable, con un comportamiento cíclico, dependiendo de las condiciones climáticas y tiende a veces desviarse de las previsiones. Se ha analizado el recorte de la energía eólica incluyendo los motivos y las estrategias para mitigar los recortes. El almacenamiento de energía puede utilizarse eficazmente para mitigar los recortes de energía eólica. El capítulo concluye con el análisis de la energía eólica y la demanda de electricidad en España. El precio de la energía (�/MWh) es más bajo cuando la demanda es baja lo que proporciona una oportunidad para conseguir beneficios económicos almacenando energía eólica cuando la demanda es baja y vendiéndola cuando los precios son más altos. Las características técnicas y de rendimiento, costos del sistema, ventajas y desventajas, impacto ambiental y estado actual del sistema de almacenamiento mediante el bombeo de agua, almacenamiento de energía con aire comprimido, sistema de almacenamiento de hidrogeno, volantes de inercia, baterías y supercondensadores se han estudiado en los Capítulos 5, 6, 7, 8 y 9. Varios tipos de baterías incluyendo LA, Ni?Cd, NiMH, Li?ion, NaS, VRB, ZBB, Zn?Cl, ZEBRA y NiFe han sido comparados en el Capítulo 9. Los resultados de la tesis han sido presentados en el Capítulo 10. Se ha comprado la capacidad, tiempo de descarga, la energía y densidad de potencia, eficiencia, vida útil y capacidad cíclica y costes de las tecnologías estudiadas en los Capítulos 5, 6, 7, 8 y 9. Se ha determinado la idoneidad técnica y económica de las diferentes tecnologías de almacenamiento para determinados servicios y aplicaciones basado en sus requisitos técnicos específicos. Además, se ha simulado el desplazamiento de 1 MWh de energía eólica por un periodo de una hora hasta nuevo horas utilizando varias tecnologías de almacenamiento en un día con mucho viento y en un día con poco viento. De acuerdo con los resultados, en un día con mucho viento se pueden obtener ganancias de hasta 67,8% desplazando energía eólica a horas con mucha demanda mientras que en un día con poco viento se pueden obtener ganancias de hasta 19,17%. --- The aim of this thesis is to study energy storage technologies that are suitable for wind energy integration services. Energy storage can make wind energy more reliable and economically more attractive in an environmentally responsible way. Chapter 1 provides an analysis of the energy challenges faced and highlights the interest for renewable energy, especially wind energy. The particularities of wind generation and wind energy grid integration are analyzed. The need for and roles of energy storage and the drivers that led to the increasing interest in this area are presented. The chapter concludes with the identification of the possible energy storage applications to help wind energy integration. Through the strategic utilization of storage the use of renewable energy and more specifically the use of wind energy can in fact be improved. In Chapter 2 a comprehensive review of the existing research work related to wind energy storage has been made. The organizations involved in the promotion and research of wind energy storage have been also identified in this chapter. Some of the most important existing renewable energy storage projects and their characteristics are presented. The chapter ends with the presentation of the current state of wind energy storage development regarding the issues related to energy storage as renewable energy enabler, values obtained through the integration of energy storage technologies with renewable energy generation, modeling and analysis tools to assess the value of energy storage combined with renewable energy, state of the art of renewable energy storage and test and demonstration projects of renewable energy storage. Chapter 3 includes an energy storage technology overview. The forms and characteristics of energy storage are presented. The energy storage applications and their operational requirements are identified according to the duration and frequency of discharge. More specific services that energy storage could provide are also identified. The chapter ends with the study of the possible value streams of energy storage including flexible capacity, energy arbitrage, system balancing and ancillary services, congestion management, renewable time shifting, forecast hedging, emissions and power quality. Energy storage allows for the improved management of energy supply and demand and can provide multiple valuable energy and power sources. The relation between wind energy and demand curve has been studied in Chapter 4. Wind is more similar to load than to conventional generation, wind and most loads are nondispatchable resources, they have cycling behaviour, and they depend on weather conditions and sometimes deviate from the forecast. Wind power curtailment including the curtailment reasons and strategies to mitigate curtailment have also been analysed. Energy storage can effectively be used to mitigate wind power curtailment. The chapter concludes with the analysis of wind power and electricity demand in Spain. The price of electricity (�/MWh) is lower when demand is lower which gives an opportunity for economic benefits by storing wind energy when demand is low and selling it during peak demand when prices are higher. The technical characteristics and performance parameters, system costs, benefits and drawbacks, environmental impact, and commercial status of pumped hydro storage, compressed air energy storage, hydrogen fuel cell storage systems, flywheel energy storage systems and batteries and ultracapacitors have been studied in Chapters 5, 7, 8 and 9. Several battery energy storage technologies including lead acid, nickel cadmium, nickel metal hydride, lithium?ion, sodium sulphur, vanadium redox flow, zinc bromide, zinc chlorine, iron redox, sodium nickel chloride and nickel iron have been compared in Chapter 9. The results of this study have been presented in Chapter 10. The power rating, discharge time, energy and power density, efficiency, life time and cycle life, environmental impact and capital cost of the energy storage technologies studied in Chapters 5, 6, 7, 8 and 9 have been compared. The technical and ecomonical suitability of the different energy storage technologies for certain services and applications based on their specific technical requirements is determined. Besides, the time shift of 1 MWh of energy storage for a duration of 1 to 9 hours has been simulated using energy storage technologies. According to the results, on a day with high wind energy levels the gain obtained by time shifting wind energy from low to high demand hours could reach 67,8%. On a day with low wind energy levels, the gain obtained by time shifing wind energy could reach 19,17%.