Bateryjne systemy magazynowania energii (BESS): rozwiązanie do proaktywnego zarządzania energią

Ekspansja odnawialnych źródeł energii i globalna tendencja do efektywnego wykorzystania energii zwiększyły zainteresowanie rozwiązaniami magazynowania energii, a w szczególności bateryjnymi systemami magazynowania energii. Niniejszy artykuł pomoże w zrozumieniu, czym są te systemy i jakie korzyści płyną z ich używania.

BESS: co się za tym kryje?

Bateryjny system magazynowania energii (BESS) to kompleksowe rozwiązanie, które do przechowywania energii i uwalniania jej w późniejszym czasie wykorzystuje baterie wielokrotnego ładowania. Typ danego systemu BESS zależy od zastosowanej chemii lub rodzaju wykorzystywanej baterii - systemy mogą być oparte na bateriach litowo-jonowych, kwasowo-ołowiowych, niklowo-kadmowych, sodowo-siarkowych i przepływowych. System magazynowania energii (ESS) jest pojęciem szerszym i może opierać się na różnych technologiach, innych niż baterie, na przykład energii wodnej, kołach zamachowych, sprężonym powietrzu i innych.

Aby zrozumieć, czym jest bateryjny system magazynowania energii (BESS) i jak działa, przyjrzymy się jego strukturze oraz podstawowym elementom:

BATERIA

Energia elektryczna dostarczana z różnych źródeł, np. słońce, wiatr czy elektrownie, jest podczas procesu ładowania baterii zamieniana na energię chemiczną. Energia uwalniana z baterii podczas rozładowywania może zasilać domy, pojazdy, budynki komercyjne i sieci. Baterie składają się z ogniw i mogą być rozmieszczone w modułach, pakietach i pojemnikach.

SYSTEM ZARZĄDZANIA BATERIAMI (BMS)

System zarządzania bateriami (BMS) zapewnia bezpieczną i prawidłową pracę baterii. Każdy typ baterii ma określone warunki ładowania i rozładowania. System BMS gwarantuje, że bateria pozostanie w wymaganym zakresie prądu, napięcia i temperatury. Monitorując parametry i szacując stan naładowania (SOC) i stan techniczny (SOH) baterii, system BMS zapewnia niezawodne i długotrwałe działanie.

SYSTEM KONWERSJI ENERGII (PCS)

Dzięki zastosowaniu systemu konwersji energii, bateryjny system magazynowania energii (BESS) zamienia prąd stały (=) na prąd zmienny (~) i na odwrót. Podczas ładowania baterii ze źródła zasilania płynie prąd zmienny, który jest zamieniany na prąd stały. Rozładowując się, bateria wytwarza prąd stały, który jest przekształcany z powrotem w prąd zmienny niezbędny do zasilania systemu BESS.

SYSTEM ZARZĄDZANIA ENERGIĄ (EMS)

System zarządzania energią (EMS) to jednostka sterująca bateryjnego systemu magazynowania energii. Zarządza energią dostępną w systemie BESS - a konkretniej, decyduje o tym, kiedy, dlaczego i w jakich ilościach ma gromadzić lub uwalniać energię. System EMS łączy elementy systemu BESS i optymalizuje jego ogólne działanie.

SYSTEMY BEZPIECZEŃSTWA

Można wyróżnić wiele systemów bezpieczeństwa, z których każdy będzie odpowiadać za inne zadanie. Na przykład instalacja klimatyzacji i wentylacji umożliwia bateryjnemu systemowi magazynowania energii (BESS) utrzymanie żądanej temperatury i wilgotności poprzez ogrzewanie, wentylację i klimatyzację. Instalacja przeciwpożarowa może wykrywać dym i zapobiegać pożarom.

Ilustracja 1: typowa struktura bateryjnego systemu magazynowania energii (BESS). (Źródło ilustracji: Integra Sources LLC)

Co potrafi bateryjny system magazynowania energii (BESS)?

Każdego roku bateryjne systemy magazynowania energii dostarczają energię tysiącom domów, firm, zakładów i społeczności na całym świecie. Różnią się one rozmiarami i pojemnością.

Na przykład kompaktowe urządzenie firmy Tesla Powerwall o pojemności użytkowej 13,5kWh może służyć jako źródło nieprzerwanego zasilania dla pojedynczego gospodarstwa domowego. Natomiast system magazynowania energii firmy Vistra Moss Landing o łącznej mocy 1600MWh - największy na świecie system BESS - może dostarczyć energię do 300 tysięcy domów.

Jednak pomimo różnicy w wielkości i pojemności, różne bateryjne systemy magazynowania energii (BESS) mogą pełnić podobne funkcje i rozwiązywać podobne problemy. Rozważmy przypadki, w których w grę może wchodzić magazynowanie energii w baterii.

Integracja energii odnawialnych

Bateryjny system magazynowania energii (BESS) pozwala efektywnie wykorzystywać energię słoneczną i wiatrową przez cały czas i przy każdej pogodzie. Baterie mogą przechowywać nadmiar energii wytwarzanej przez odnawialne źródła o nieciągłej naturze. Później energia ta może być przekazywana użytkownikom zależnie od potrzeb.

Po zintegrowaniu z bateryjnymi rozwiązaniami do przechowywania energii, odnawialne źródła energii mogą zastąpić paliwa kopalne, oferując tanią i czystą energię do różnorodnych zastosowań. Integracja energii odnawialnych jest szeroko stosowana w:

• farmach słonecznych i wiatrowych,
• społecznościach zlokalizowanych poza zasięgiem sieci energetycznej i w izolacji (wyspy i trudno dostępne obszary),
• domowych urządzeniach magazynujących energię w połączeniu z panelami słonecznymi (np. Powerwall).

Bateryjne systemy magazynowania energii (BESS) mogą znacząco wspierać nie tylko instalacje niezależne od sieci energetycznej, ale także te podłączone do sieci i hybrydowe, przeznaczone na potrzeby mieszkaniowe, komercyjne i przemysłowe.

Ilustracja 2: bateryjne systemy magazynowania energii są szeroko stosowane w farmach słonecznych i wiatrowych. (Źródło ilustracji: Integra Sources LLC)

Arbitraż energetyczny

Zapotrzebowanie na energię elektryczną jest skorelowane z jej kosztem. Cena energii wzrasta w okresach szczytowego zapotrzebowania i spada, gdy zapotrzebowanie jest niższe. Arbitraż energetyczny, czyli inaczej przesunięcie w czasie, jest tym, co konsumenci mogą zastosować, korzystając z bateryjnego systemu magazynowania energii (BESS).

Dzięki ładowaniu baterii poza godzinami szczytu, konsumenci mogą kupować tanią energię i przechowywać ją za pomocą systemu BESS. Następnie mogą poczekać, aż cena energii elektrycznej wzrośnie i spożytkować lub sprzedać do sieci tanią energię, rozładowując baterię.

Dzięki temu gospodarstwa domowe i firmy mogą efektywnie zarządzać zasobami energetycznymi, obniżając koszty.

Zarządzanie obciążeniem

Energia jest zużywana inaczej w ciągu dnia i w zależności od pory roku - istnieją godziny szczytu i poza szczytem. Bateryjny system magazynowania energii (BESS) pozwala użytkownikom poruszać się między tymi okresami, dostosowywać zużycie energii i oszczędzać na kosztach energii elektrycznej.

Zmniejszenie poboru mocy w szczytach to jeden z najpopularniejszych przypadków zastosowania systemu BESS w zarządzaniu obciążeniem. Chodzi o zmniejszenie zużycia energii w okresach szczytowych. Korzystając z tej metody, konsumenci mogą ciąć swoje wydatki, tak jak w przypadku arbitrażu energetycznego.

Bateryjne rozwiązanie do magazynowania energii może pomóc w zapobieganiu szczytowym obciążeniom sieci elektrycznej, a w konsekwencji przerwom w dostawie prądu i innym sytuacjom awaryjnym. Rozładowując zmagazynowaną energię, system BESS odciąża sieć i dostarcza energię bez przerw.

Odbudowa zasilania systemu elektroenergetycznego

System BESS może pomóc elektrowniom i sieciom energetycznym szybko przywrócić działanie po przerwach w dostawie prądu. Zamiast korzystać z zespołu prądotwórczego z silnikiem wysokoprężnym, konsumenci mogą skorzystać z bateryjnego systemu magazynowania energii - tańszego i bardziej ekologicznego rozwiązania do odbudowy zasilania. System BESS może pracować niezależnie od linii przesyłowej sieci i dostarczać energię przez wymagany czas - przez minuty a nawet godziny.

Zasilanie awaryjne

System BESS może dostarczać energię do domów, firm i innych obiektów, zapewniając ich ciągłą pracę. Ma to kluczowe znaczenie dla placówek służby zdrowia i innych organizacji świadczących usługi związane ze zdrowiem i bezpieczeństwem ludzi. System BESS, w zależności od swojej pojemności, może zapewnić zasilanie awaryjne tak długo, jak to jest potrzebne, nawet w przypadku poważnej awarii sieci.

Kontrola częstotliwości i napięcia

Jeśli zasilanie nie będzie zsynchronizowane z rzeczywistym zapotrzebowaniem, częstotliwość i napięcie mogą wykraczać poza zakresy robocze. Może to prowadzić do utraty zasilania i przerw w dostawie prądu. System BESS może zapewnić stabilność sieci elektrycznej lub systemu elektroenergetycznego poprzez regulację napięcia i częstotliwości. Ze względu na krótki czas reakcji, bateryjny system magazynowania energii staje się wydajnym rozwiązaniem do stabilizacji sieci.

Mikrosieci

Są to małe sieci elektryczne, które po podłączeniu do większej sieci mogą dostarczać energię elektryczną do budynków komercyjnych, zakładów produkcyjnych lub osiedli. Autonomiczne mikrosieci mogą zasilać odległe obszary i społeczności, na przykład na wyspach. Mikrosieć w połączeniu z systemem BESS i przy wsparciu energii odnawialnej może działać jako odporna instalacja zasilająca dla wielu użytkowników.

Ilustracja 3: mikrosieć może działać jako odporna instalacja zasilająca dla odległych obszarów i społeczności, takich jak wyspy. (Źródło ilustracji: Integra Sources LLC)

Odroczenie modernizacji infrastruktury przesyłowej i rozdzielczej

Linie przesyłowe i rozdzielcze są podatne na starzenie, oraz pogarszanie się parametrów pracy z powodu obciążeń szczytowych i zatorów. Bateryjne systemy do przechowywania energii mogą rozwiązać ten problem, przejmując rolę zaplecza przesyłowego i rozdzielczego. Bateryjne systemy magazynowania energii (BESS) mogą zaoferować dodatkową pojemność na potrzeby przechowywania energii i zrównoważyć obciążenia, odkładając w ten sposób w czasie modernizację istniejących linii przesyłowych i rozdzielczych czy budowę nowej infrastruktury. Oznacza to zaoszczędzenie mnóstwa pieniędzy.

Gdzie najlepiej wykorzystać system BESS?

Systemy BESS opierają się na niedrogich technologiach. Przykładowo cena za baterie litowo-jonowe spadła o prawie 90% w ciągu ostatnich 10 lat i będzie dalej spadać. Bateryjne rozwiązania do przechowywania energii występują w różnorodnych konfiguracjach, w tym pod względem pojemności i rozmiaru, dzięki czemu mogą pasować do wielu branż i zastosowań.

Zastosowania te można podzielić na systemy przedlicznikowe (FTM) lub przemysłowe (zużywana energia jest mierzona licznikiem elektrycznym) oraz zalicznikowe (BTM) czy też zakładowe (zużywana energia nie jest podłączona do sieci energetycznej i tym samym nie jest mierzona przez licznik elektryczny). Oto lista zastosowań FTM i BTM systemów BESS (która zdecydowanie nie jest wyczerpująca).

Zastosowania przedlicznikowe (FTM)

Bateryjne systemy magazynowania energii (BESS) mogą mieć duży wpływ na obsługę i utrzymanie instalacji i urządzeń przemysłowych. System BESS może oferować rezerwową pojemność i usługi odbudowy zasilania, zapewnić stabilność napięcia i częstotliwości oraz zaoszczędzić pieniądze dzięki odroczeniu prac konserwacyjnych. Przykłady zastosowań FTM systemów BESS:

• Sieci elektroenergetyczne
• Podstacje
• Linie przesyłowe i rozdzielcze
• Elektrownie

Zastosowania zalicznikowe (BTM)

Systemy BTM mogą dostarczać energię do konsumentów z pominięciem sieci elektrycznej. W połączeniu z ekologicznymi źródłami energii system BESS może bez zakłóceń zasilać samodzielne systemy zasilania lub mikrosieci. Producenci mogą wykorzystywać magazyny bateryjne do podtrzymania zasilania, aby uniknąć przestojów w zakładach produkcyjnych. Korzystając z systemów BESS, firmy i rodziny mogą znacznie obniżyć taryfy za energię elektryczną dzięki przesunięciu poboru energii z sieci w czasie. Obszary zastosowań zalicznikowych (BTM) bateryjnych systemów magazynowania energii obejmują:

• Obiekty przemysłowe i produkcyjne
• Firmy
• Gospodarstwa domowe
• Pojazdy elektryczne
• Systemy morskie

Ilustracja 4: zastosowania bateryjnych systemów magazynowania energii (BESS) (Źródło ilustracji: Integra Sources LLC)

Czy budowanie bateryjnego systemu magazynowania energii (BESS) ma sens?

Krótka odpowiedź brzmi: tak. Dłuższa odpowiedź wymaga wyjaśnienia.

Bez wątpienia zakup gotowego systemu BESS pozwala zaoszczędzić mnóstwo czasu, a czasem i pieniędzy. Jeśli nie ma specjalnych wymagań co do systemu, gotowe rozwiązanie można wybrać spośród wielu dostępnych na rynku produktów do magazynowania energii. Pomimo tego, istnieją pewne powody, które mogą powstrzymać konsumenta od zakupu, na przykład:

• konkretne wymagania klientów, w tym wymagania nisz biznesowych i warunki pracy
• brak żądanych funkcji lub zbędne funkcje, które zwiększają koszt systemu
• niekompletność systemu i brak urządzeń pomocniczych
• niskiej jakości oprogramowanie
• brak obsługi gwarancyjnej i pogwarancyjnej

Budowa bateryjnego systemu magazynowania energii może być żmudnym procesem, który wymaga czasu, pieniędzy i wiedzy. Daje to jednak możliwość stworzenia rozwiązania dobrze dopasowanego do indywidualnych potrzeb, które w pełni spełnia wszystkie wymagania użytkownika końcowego.

Skrojony na miarę system BESS może zapewnić lepszą funkcjonalność, użyteczność, bezpieczeństwo i cyberbezpieczeństwo. Wdrożenie zaawansowanych algorytmów systemów monitorownaia baterii (BMS) pozwoli użytkownikom zwiększyć wydajność baterii i wydłużyć okres ich użytkowania. Opracowanie niestandardowego rozwiązania optymalizuje wsparcie techniczne, obsługę klienta i inne usługi, których może potrzebować użytkownik końcowy lub dostawca systemu BESS.

Aby zaprojektować wysokiej jakości system BESS, potrzebny jest zespół profesjonalistów dobrze zorientowanych w technologiach baterii, energoelektronice, oprogramowaniu wbudowanym i rozwoju sprzętu. Niezbędna jest organizacja i harmonizacja każdego etapu tworzenia produktu, od projektu po certyfikację i produkcję. Zatrudnienie inżynierów z odpowiednią wiedzą i doświadczeniem może pomóc w zbudowaniu pełnowartościowego bateryjnego systemu magazynowania energii, który przewiduje oczekiwania konsumentów.

Mimo wszystko produkt niestandardowy nie jest lekiem na całe zło. Zasadność tworzenia niestandardowego systemu BESS powinno się analizować indywidualnie dla każdej sytuacji, a w przypadku niektórych projektów najlepiej sprawdzi się rozwiązanie „pod klucz”. Więcej o różnicach między szytymi na miarę i gotowymi systemami BESS można dowiedzieć się z obszerniejszego artykułu na temat bateryjnych systemów magazynowania energii na blogu firmy Integra Sources LLC. Tutaj czytelnicy mogą również zasięgnąć informacji o różnych technologiach i cechach baterii, głównych producentach BESS, alternatywnych systemach magazynowania energii i innych powiązanych kwestiach.