Supercacitor storage systems : modeling, control strategies, applications and sizing criteria

A confluence of industry, social and economic drivers, are creating new interest in electric storage systems for grid, transportation and more general for industrial applications. Energy storage has become a key issue for achieving goals connected with increasing the efficiency of both producers and the users; the presence of a storage system makes it possible, over a time period ranging from seconds up to hours, to store the excess of energy and to reuse it when really needed. In this way it is possible, not only to recover or regenerate energy, but also to design the overall system based on the average power requested by the application while the power requests over or below the average power is ensured by the presence of the storage system. This thesis describes in detail the supercapacitor devices as key storage technology for their excellent properties in terms of specific power, expected lifetime and a wide operative temperature range. In addition their stabilized production process makes them very interesting in many industrial applications where the availability of a technology over the time is very important to technically sustain new designs. Theory, modeling and simulation are investigated in order to provide insight into mechanisms, predict the device performances and understanding next evolution and improvement of this technology. In particular a simple procedure to identify the parameters of the model, that can be used to characterize a supercapacitor before use, is presented and, an extended experimental activity to prove the model validity over a wide range of supercapacitor devices is reported. A comprehensive analysis to address supercapacitor system integration is also presented based on different control strategies to ensure the correct energy flows and to optimize the overall system operations according to the application requirements. In addition in order to evaluate the total installed costs, performances and capabilities related to the integration of innovative supercapacitor storage system, the sizing of the storage is evaluated considering not only the technical design but also the economic return of the investment. According to the application the deterministic as the probabilistic method, based on Monte Carlo simulations, are presented, and their results are compared.

L’interesse più che mai attuale riguardo l’impiego dei sistemi di accumulo in applicazioni che spaziano dalle rete elettriche, ai trasporti e più in generale a diverse applicazioni industriali, è scaturito da una confluenza di diversi fattori sociali, economici ed ambientali. I sistemi di accumulo giocano un ruolo chiave al fine di ottimizzare gli impianti sotto il profilo dell’efficienza, infatti essi offrono la possibilità di accumulare energia nei momenti di maggiore eccedenza per poi riutilizzare tale energia quando realmente necessario. In tal modo, inoltre, risulta possibile dimensionare l’intero sistema sulla potenza media richiesta dal ciclo di lavoro, in quanto le oscillazioni di potenza al di sopra o al di sotto del valore medio sono garantite dal sistema di accumulo stesso. Il lavoro di tesi descrive nel dettaglio i sistemi di accumulo a supercondensatore, dispositivi basati su di una tecnologia che mostra eccellenti proprietà in termini di densità di potenza specifica, durata di vita ed esteso range operativo di temperatura. Tali caratteristiche, unite alla stabilità del processo produttivo, rendono tali sistemi di accumulo molto attraenti in diverse applicazioni industriali, dove la disponibilità di una determinata tecnologia nel medio e lungo termine è una sicura chiave di successo per lo sviluppo di nuovi progetti. È affrontato un approccio teorico e la relativa modellizzazione e simulazione del comportamento dei sistemi di accumulo a supercondensatore al fine di disporre di uno strumento matematico capace di descrivere qualitativamente e quantitativamente le caratteristiche di tali dispositivi e capire quali sono i meccanismi che influenzano l’evoluzione tecnologica di tali prodotti. In particolare nel lavoro svolto è stata introdotta una procedura semplificata di identificazione dei parametri del modello di supercondensatore supportata da un’estesa campagna di prove sperimentali atte a validare la modellistica e la procedura introdotti. Al fine di analizzare in modo esaustivo la problematica di integrazione a livello di sistema dei dispositivi di accumulo a supercondensatore, la corretta gestione dei flussi di potenza viene descritta attraverso opportune strategie di controllo. Il dimensionamento del sistema di accumulo, inoltre, viene affrontato non solo sulla base di valutazioni di carattere tecnico ma anche di tipo economico, in particolare sono presentati due criteri di dimensionamento, uno sulla base di un approccio deterministico e l’altro sulla base di un approccio probabilistico con metodo Monte Carlo, atti alla determinazione della taglia del sistema di accumulo in funzione del ritorno economico dell’investimento che discerne dall’introduzione dell’accumulo a livello di sistema.