Väitös: Kuinka voittaa sähköverkon joustoresursseina toimivien litiumioniakkujen haasteet? – uudet adaptiiviset ohjausjärjestelmät optimoivat akkujen suorituskykyä

Uusiutuva energia, kuten aurinko- ja tuulivoima, on luonteeltaan vaihtelevaa ja aiheuttaa haasteita sähköverkon vakaudelle. Ratkaisuna tähän ovat litiumioniakkuihin pohjautuvat energian varastointijärjestelmät, jotka tuovat tarvittavaa joustoa sähkövoimajärjestelmään. Chethan Parthasarathyn sähkötekniikan väitöstutkimuksessa esitellään uusi varteenotettava menetelmä litiumioniakkujen käytön optimoimiseksi.

– Litiumioniakkuihin pohjautuvat energian varastointijärjestelmät ovat nykyään laajalti käytössä ylivoimaisten teknisten ominaisuuksiensa ja alenevien kustannustensa ansiosta. Litiumioniakuilla on kuitenkin erittäin epälineaariset ominaisuudet, mikä aiheuttaa haasteita niiden toiminta-alueen määrittämisessä käytännön sovelluksissa. Lisäksi niiden suorituskykyyn vaikuttavat myös ympäristön käyttöolosuhteet, mikä vaikeuttaa tilannetta entisestään, selittää 20. kesäkuuta Vaasan yliopistossa väittelevä Chethan Parthasarathy.

Parthasarathyn väitöstutkimuksessa ratkaistaan litiumioniakkujen ongelmia kehittämällä tarkkoja ja dynaamisia akkujen suorituskyky- ja ikääntymismalleja ja sisällyttämällä ne sähköverkon ohjausjärjestelmään.

Yksi Parthasarathyn väitöskirjan tärkeimmistä tuloksista on uusien adaptiivisten ohjausmenetelmien kehittäminen sähköverkkosovelluksia varten. Nämä ohjausmenetelmät mahdollistavat litiumioniakkujen optimaalisen käytön ja varmistavat, että niiden suorituskyvyn raja-arvoja noudatetaan aina, jolloin vältetään akkujärjestelmien alikäyttö tai liikakäyttö. Menetelmät myös helpottavat uusiutuvan energian käyttöönottoa ja auttavat pitämään sähköverkon tehon ja taajuuden vakaana.

Tutkimuksessa on käytetty laajamittaisia simulointeja, esimerkiksi paikallista älyverkkopilottia Sundom Smart Gridiä simuloimalla.

–Tällaisten akkumallien kehittäminen on monimutkainen prosessi, joka vaatii laajaa kokeellista testausta ja määrittelyä valvotussa laboratorioympäristössä. Tämä johti lopulta uuden akkutestauslaboratorion perustamiseen Vaasan yliopistoon, Parthasarathy paljastaa.

Ikääntymisen vaikutukset otettiin huomioon ohjauksessa

Parthasarathyn väitöskirjassa korostetaan myös litiumioniakkujen ikääntymisen vaikutuksen sisällyttämistä niiden ohjauksen suunnitteluun. Lähestymistapa mahdollistaa energian ja tehon reaaliaikaisen mukauttamisen, mikä pidentää litiumioniakkujen käyttöikää.  Tätä tarkoitusta varten luotiin akun ikääntymismalleja, joilla on mahdollista määrittää akun huipputehon muutos sen ikääntyessä.

– Tämä ei ainoastaan paranna akkujen pitkäikäisyyttä, vaan myös lisää ymmärrystä niiden taloudellisesta kannattavuudesta sähköverkkosovelluksissa, Parthasarathy selittää.

Väitöskirjan teknisiin tuloksiin kuuluu verkkokohtaisen ohjausarkkitehtuurin suunnittelu aktiivista verkonhallintaa varten, tarkkojen akkumallien kehittäminen litiumioniakkujen integrointia varten, parannetut sähköjärjestelmän simulointimallinnusmenetelmät ja kehittyneessä ohjaussuunnittelussa tarvittavien akkujen parametrien kartoittaminen. Väitöskirjassa esitellään myös ikääntymisen huomioonottava adaptiivinen ohjaus litiumioniakkuihin pohjautuviin energian varastontijärjestelmiin, joka mahdollistaa aktiivisen verkonhallinnan simuloinnit ja teknistaloudelliset tutkimukset.

Väitöskirja

Parthasarathy, Chethan (2023) Accurate Battery Modelling for Control Design and Economic Analysis of Lithium-ion Battery Energy Storage Systems in Smart Grid. Acta Wasaensia 510. Väitöskirja. Vaasan yliopisto.

Julkaisun pdf

Väitöstilaisuus

M.Sc. Chethan Parthasarathyn sähkötekniikan alaan kuuluva väitöstutkimus ”Accurate Battery Modelling for Control Design and Economic Analysis of Lithium-ion Battery Energy Storage Systems in Smart Grid” tarkastetaan tiistaina 20.6.2023 klo 12 Vaasan yliopiston Wolff-auditoriossa.

Väitöstilaisuutta on mahdollista seurata myös etäyhteyden kautta: Zoom, salasana: 233106

Vastaväittäjänä tilaisuudessa toimii professori Pertti Kauranen (LUT-yliopisto) ja kustoksena professori Hannu Laaksonen.

Lisätiedot

Chethan Parthasarathy, puh. +49 1520 7573665, sähköposti: ch0003hy@e.ntu.edu.sg

Chethan Parthasarathy on syntynyt vuonna 1989. Hänellä on tekniikan kandidaatin tutkinto intialaisesta Sri Jayachamarajendra College of Engineeringistä SJCE (2011) ja maisterin tutkinto Nanyang Technological Universitystä NTU (2016) Singaporesta.

Hän on työskennellyt urallaan Rolls-Royce@NTU Corporate Laboratoryssä Singaporessa sekä projektitutkijana Vaasan yliopistossa. Hän työskentelee nykyisin akkumallinnuksen vanhempana insinöörinä Sonnen Gmbh:ssa Saksassa.