Battery energy storage systems modeling for robust design of micro grids in developing countries

During the past years, Battery Energy Storage Systems (BESS) have gained importance in several contexts, especially in off-grid systems applications. Power production in stand alone systems is often based on highly variable and non reliable renewable energy sources: BESS are fundamental in this context to balance sources variability and satisfy load demand. Nevertheless, batteries represent one of the major costs in mini grids due to their high investment cost and limited life time. Hence, it is important to introduce in design tools an adequate BESS model that allows to account for system reliability and costs. The present thesis work is devoted to develop a new methodology for modeling battery storage systems, and to implement it in microgrid design tools. The authors rigorously review the majority of the approaches found in literature, with the purpose of classifying the models according to diverse methodologies; models are analyzed in terms of accuracy and computational effort. A novel approach is then proposed, the goal is to accurately represent battery performance. The chosen model represents the battery as an equivalent electric circuit constituted of a variable capacitance (i.e. stored energy) and a variable resistance (i.e. battery losses). In addition, two empirical models are proposed; they are simpler and represent a classical approach in off-grid sizing tools, requiring little computational effort. A comparison between the different models is proposed in order to point out pros and cons of each one. The models are parametrized with data of both lead acid and lithium ion batteries as far as they are the two technologies that will likely compete in the future in off-grid applications. The methodologies are implemented in the novel dimensioning tool Poli.NRG developed by a research Team in Politecnico. Eventually the tool is validated in a real life scenario: the experimental microgrid in place at Ngarenanyuki school, Tanzania. Data regarding school consumption are collected by on field survey performed by the authors during one month spent there. Results obtained with the different model methodologies are compared and discussed.

I sistemi di accumulo di energia a batterie (BESS) hanno acquisito negli ultimi anni molta importanza in diversi contesti, specialmente nelle applicazioni in sistemi "Off Grid". I sistemi ad isola si basano su fonti di energia rinnovabile altamente variabili e inaffidabili: i sistemi di accumulo a batterie sono fondamentali in questo campo per bilanciare la variabilità delle risorse e per soddisfare la domanda di carico. Di conseguenza, è importante introdurre nei software di dimensionamento un modello adeguato di BESS che permetta di considerare i costi e l'affidabilità del sistema. Il presente lavoro di tesi ha lo scopo di sviluppare una nuova metodologia per i modelli BESS da implementare in strumenti di dimensionamento di "Microgrid". La maggioranza degli approcci presente in letteratura è analizzata rigorosamente dagli autori, ai fini di classificare gli approcci di modellazione in base all'accuratezza e all'onere computazionale. Successivamente viene proposto un approccio innovativo: l'obiettivo è di rappresentare accuratamente le prestazioni della batteria. Il modello prescelto rappresenta la batteria come un circuito elettrico equivalente costituito da una capacità variabile e da una resistenza variabile. Inoltre, sono proposti due modelli empirici, che rappresentano un semplice e classico approccio usato nei software di dimensionamento di sistemi "Off Grid" e che richiedono uno sforzo computazionale inferiore. Un confronto tra i differenti modelli è proposto con l'obiettivo di evidenziare vantaggi e svantaggi di ognuno di essi. I modelli sono parametrizzati con dati sia di batterie al piombo che di batterie al litio, dal momento che sono le due tecnologie che più probabilmente competeranno nel futuro delle applicazioni "Off Grid". Le metodologie sono implementate in Poli.NRG, uno strumento innovativo per il dimensionamento sviluppato da un gruppo di ricerca in Politecnico. Infine, il software è validato in uno scenario reale: la microgrid sperimentale situata nella scuola di Ngarenanyuki, Tanzania. I dati riguardanti i consumi della scuola sono raccolti attraverso un sondaggio effettuato sul campo dagli autori durante il mese vissuto nella scuola. I risultati ottenuti utilizzando le diverse metodologie di modellazione sono confrontati e discussi.