Komercyjny system magazynowania energii z układem zasilania rezerwowego

Akumulatorowy system magazynowania energii (BESS) jest jednostką elektrochemiczną, która pobiera i magazynuje energię z sieci energetycznej i oddaje ją później. Układy magazynowania energii w akumulatorach litowo-jonowych uważane są za jedne z najwydajniejszych. Komercyjne, akumulatorowe systemy magazynowania energii do zarządzania zasilaniem lub realizacji usług dla sieci są nowym rozwiązaniem, które staje się coraz popularniejsze. Zdobycie popularności wynika z rosnących potrzeb w zakresie elastyczności, stabilności i przewidywalności systemów dla instalacji OZE w połączeniu z gwałtownym spadkiem kosztów technologii akumulatorowych. W efekcie w ostatnich latach nastąpił wzrost znaczącej roli BESS w systemach sieciowych. Dzięki opracowaniu systemów BESS można już wykonywać różne zadania. Jednym z zdań systemów BESS jest zapewnienie zasilania podczas przerw w dostawie energii elektrycznej, co omówiono bardziej szczegółowo w niniejszym artykule.

Czym jest system BESS i dlaczego jest potrzebny?

Akumulatorowy system magazynowania energii (BESS) jest jednostką elektrochemiczną, która pobiera i magazynuje energię z sieci energetycznej i oddaje ją później.
Układy magazynowania energii w akumulatorach litowo-jonowych uważane są za jedne z najwydajniejszych.
Komercyjne, akumulatorowe systemy magazynowania energii do zarządzania zasilaniem lub realizacji usług dla sieci są nowym rozwiązaniem, które staje się coraz popularniejsze.

Przeznaczenie systemu BESS:

        • Stosowanie w razie braku zasilania z sieci. Stosowanie systemu BESS zależy od działania sieci, gdyż może on dostarczać energię w reakcji na zmiany lub spadku napięcia i częstotliwości i zapewniać dodatkowe zasilanie w razie niewystarczającego dopływu energii z sieci. Pozwala to uniknąć ponoszenia nakładów na przebudowę infrastruktury przesyłowej i dystrybucyjnej.
        • Bilans energetyczny zmniejsza całkowite koszty energii elektrycznej ponoszonych przez odbiorców dzięki magazynowaniu energii w okresach pozaszczytowych, kiedy to taryfy są niskie, w celu późniejszego jej wykorzystania, gdy taryfy są wysokie podczas okresów szczytowych.
        • Stosowanie ze źródłem solarnym (VDE)
          Odnawialne źródła energii odgrywają coraz większą rolę w sieciach elektroenergetycznych. Dlatego wymagania związane z przewidywalnością stosowania takich systemów stają się większe. Zatem jedną możliwością jest na przykład dodanie systemu magazynowania energii do elektrowni solarnej. System magazynowania energii może pomóc utrzymać równowagę w całej instalacji i uniknąć powstania przepięć w sieci.
        • Stosowanie systemu BESS z układem zasilania rezerwowego (off-grid)
          System BESS z układem zasilania rezerwowego (tryb pracy off grif) nadaje się do stosowania w miejscach, gdzie występują częste przerwy w dostawie prądu lub gdy jest wymagane wiele źródeł energii.
          System BESS z układem zasilania rezerwowego może także wykorzystywać energię z akumulatorów do zarządzania zużyciem prądu na podstawie porównania z systemem autonomicznym.

Poniżej bardziej szczegółowo rozważono możliwości stosowania systemu BESS z układem zasilania rezerwowego. Kwestią, którą należy wyjaśnić, jest to, dlaczego system BESS z układem zasilania rezerwowego stanowi oddzielną kategorię? Jest tak, ponieważ system magazynowania energii nie w każdym przypadku zapewnia możliwość działania poza siecią. Podobnie elektrownia solarna nie może wytwarzać prądu elektrycznego bez przyłącza do sieci, a ponadto zapewnianie zasilania rezerwowego nie jest zawsze konieczne.
Systemy, które mogą pracować bez przyłącza do sieci, są droższe.
Kolejnym problemem jest to, że systemy pracujące poza siecią są dość nietypowe, a wcześniejsza liczba rozwiązań, które można było stosować w sektorze komercyjnym, była ograniczona.
Niektóre obiekty przemysłowe zostały zaprojektowane ze sprzętem wyprodukowanym specjalnie dla tego obiektu

Wraz z rozwojem i zapotrzebowaniem na systemy magazynowania energii w celu rozwiązania problemów w sektorze mieszkaniowym, sektor komercyjny zaczyna wykorzystywać to doświadczenie i zwiększać jego skalę
Producenci i rozwijające się technologie zaczęli oferować rozwiązania systemów magazynowania energii, które mogą działać częściowo lub całkowicie off gri.
Należy także określić różnicę pomiędzy stosowaniem systemu BESS w sektorze prywatnym, co jest dość powszechne, a jego użytkowaniem w sektorze komercyjnym. Mianowicie leży ona w skali i obowiązkach.
Rozwiązania, które zaczynają być stosowane w sektorze komercyjnym, stają przed nowymi wyzwaniami wynikającymi ze skalowania – takimi jak ochrona przeciwpożarowa, chłodzenie, zapobieganie niekontrolowanemu wzrostowi temperatury, konserwacja itp.
Dzięki opracowaniu systemów BESS i ich różnym zastosowaniom wkrótce możliwe będzie osiągnięcie znacznego postępu w przekształcaniu odnawialnych źródeł energii z niegwarantowanych na gwarantowane, co zmniejszy wpływ elektrowni węglowych na środowisko.

Elementy i funkcje systemu BESS

System BESS składa się z różnych części, z których głównymi są:

    • System akumulatorowy
      Akumulator jest głównym elementem systemu magazynowania energii. W akumulatorze magazynowana jest energia, która może zostać wykorzystana w razie potrzeby. Akumulator składa się ogniw litowych, które tworzą blok, a kilka połączonych bloków stanowi moduł akumulatorowy. Jako szafa akumulatorowa kilka modułów połączonych (najczęściej) szeregowo zapewnia wymagane napięcie. Szafy akumulatorowe są łączone równolegle dla uzyskania pożądanej pojemności, akumulatory tworzą wówczas system magazynowania energii, którego rozmiar można zwiększyć w skali, aby dostosować go do szafy, kontenera itp.
      W zależności od wymagań w odniesieniu do napięcia i mocy łączy się połączenia równoległe i szeregowe w celu zbudowania systemu o wymaganym rozmiarze
Elementy pojemnikowego systemu akumulatorowego
      • System zarządzający akumulatorem (BMS)
        Akumulatorem litowym w systemie BESS musi sterować system zarządzający (BMS). BMS jest mózgiem systemu akumulatorowego, a jego główną funkcją jest ochrona akumulatora przed uszkodzeniem w różnych trybach pracy. System BMS musi zapewniać działanie akumulatora w określonych przedziałach parametrów krytycznych, obejmujących:
              •  Stan naładowania (SoC)
              • Stan techniczny (SoH)
              • Napięcie (V)
              • Temperatura (°C)
              • Prąd (A)

        Sterowanie takimi ważnymi parametrami pozwala uniknąć pożaru, przeciążenia, zwarć, braku równowagi itp.
        Właściwie zaprojektowany BMS jest podstawowym elementem akumulatorowego systemu magazynowania energii i zapewnia bezpieczeństwo i                                żywotność akumulatora w każdym systemie litowym BESS.

      • System konwersji energii (PCS) lub falownik hybrydowy
        System BESS magazynuje i oddaje energię w postaci prądu stałego (DC), lecz sieć, podobnie jak większość obciążeń jest zasilana jest prądem przemiennym (AC). Aby dostarczyć energię z systemu BESS do sieci (obciążeń) i naładować system BESS z sieci, potrzebny jest system konwersji energii (PCS) lub falownik hybrydowy. Może być nim cały system, który stanowi połączenie kilku typów falowników. PCS lub falownik hybrydowy jest bardziej złożony niż większość falowników, ponieważ musi przeprowadzać konwersję w obu kierunkach – z prądu DC na prąd AC i z prądu AC na prąd DC. Bardziej skomplikowane systemy PCS muszą być w stanie ładować system z sieci, jak i zasilać sieć.
        Taki typ systemu (PCS) lub falownika hybrydowego prawie całkowicie ustala, jakie czynności system będzie przeprowadzać, czy system będzie zasilać sieć lub czy system jest w stanie działać poza siecią albo czy system będzie realizował usługi dla sieci.
        System PCS lub falownik hybrydowy ma stabilne połączenie z systemem BESS i bierze udział w zarządzaniu nim. W zależności od ustawień będzie on kontrolował do jakiego poziomu, kiedy oraz jak często baterie będą ładowane i rozładowywane
        Należy znać dwa typy konfiguracji systemu konwersji energii. Sprzężenie z AC i sprzężenie z DC.
        W przypadku elektrowni solarnej z łączonym systemem BESS można wybrać jedną z dwóch konfiguracji. Sprzężenie z AC ma miejsce wtedy, gdy system BESS jest połączony równolegle z solarnym systemem PV po stronie AC.
        Sprzężenie z DC ma miejsce wtedy, gdy instalacja PV i system BESS są przyłączone po stronie DC.
Przykład schematu pojedynczej linii sprzężonej z AC i sprzężonej z DC
        • Inne (opcjonalny generator)
 W zależności od rozmiaru systemu BESS i jego zadań może on obejmować system grzewczy, wentylacyjny, klimatyzacyjny, monitorujący, przeciwpożarowy, SCADA itp. Można także wyróżnić dość powszechną kombinację systemu BESS z instalacjami odnawialnych źródeł energii.

Bezpieczeństwo

Akumulatory litowo-jonowe (Li-ion) są powszechne i stosunkowo bezpieczne. Stosuje się je w wielu urządzeniach elektrycznych, aby umożliwić ich autonomiczne działanie. Jednak akumulator o dużej pojemności wymaga dodatkowej uwagi ze względu na konieczność zapewnienia bezpieczeństwa i długoterminowego użytkowania systemu.

W ogniwach akumulatora litowo-jonowego (Li-ion) może zajść reakcja chemiczna znana jako ucieczka termiczna. Jeśli zachodzi w zespole ciasno upakowanych ogniw, do jej przebiegu nie potrzebny jest tlen ani widoczny płomień. W przypadku gdy nie ma odpowiednich urządzeń zabezpieczających system, ten proces może spowodować wzrost ciśnienia i temperatury, a w konsekwencji pęknięcie ogniwa akumulatora, co z kolei może być przyczyną wydzielania się wybuchowych gazów. Jeśli ucieczka termiczna rozprzestrzeni się przez moduł, łatwopalne gazy mogą nagromadzić się w systemie BESS i stworzyć warunki sprzyjające wybuchowi. Ucieczka termiczna może także być wynikiem przegrzania się systemu wskutek oddziaływania pożaru.

Należy zauważyć, że standardowa metoda zwalczania pożarów, która polega na przykład na wyłączeniu wentylacji i użyciu środków gaszących do zdławienia ognia poprzez odcięcie dopływu tlenu, może zwiększyć ryzyko wybuchu, gdyż stężenie gazu wybuchowego może wzrosnąć. Zatem systemy awaryjne i protokoły reagowania awaryjnego muszą być tak zaprojektowane, aby w razie potrzeby umożliwiały ugaszenie pożaru i wentylację obudów przed jego przedostaniem się do akumulatorów.

Zaleca się stosowanie następujących systemów wraz z systemem BESS (w zależności od jego rozmiaru) (UWAGA: wszystkie środki bezpieczeństwa muszą spełniać krajowe normy i być zaprojektowane przez wykwalifikowanych inżynierów z odpowiednimi uprawnieniami):

        • Systemy wykrywające zagrożenia
        • Systemy zapobiegające ucieczce cieplnej
        • Systemy przeciwpożarowy
        • Zabezpieczenie ziemnozwarciowe
        • Układy wykrywające warunki sprzyjające wybuchowi

WAŻNE INFORMACJE DOTYCZĄCE NIEBEZPIECZEŃSTW ZWIĄZANYCH ZE STOSOWANIEM AKUMULATOROWYCH SYSTEMÓW MAGAZYNOWANIA ENERGII (BESS)
W razie pożaru lub uszkodzenia akumulatorowych systemów magazynowanie energii (BESS):

      • Zawsze postępować tak, jakby akumulatory i powiązane z nimi elementy były pod napięciem i w pełni naładowane.
      • Karta charakterystyki (SDS) zawiera istotne informacje na temat substancji chemicznych zawartych w akumulatorze.
      • Odsłonięte elementy elektryczne, przewody i akumulatory stwarzają ryzyko porażenia prądem.
      • W razie niebezpieczeństwa związanego z systemem BESS należy postępować zgodnie z następującymi instrukcjami: USTALIĆ położenie i typ systemu BESS i w razie potrzeby WYŁĄCZYĆ go, UWAŻAĆ na elementy pod wysokim napięciem i postępować z uwzględnieniem możliwości istnienia innych zagrożeń.
      • Użyć środków ochrony indywidualnej, a podczas odłączania elementów nie patrzeć na nie, aby nie doznać obrażeń, jakie mogą być spowodowane błyskiem łuku.
      • Zlokalizować numery alarmowe i/lub personel budynku odpowiedzialny za system.
      • Przygotować się na sterowanie systemami HVAC, aby zapobiec rozprzestrzenianiu się dymu i toksycznych/łatwopalnych gazów.

Utrzymanie

Właściwe utrzymanie, zapewnienie odpowiedniej temperatury akumulatorów, niezbędna kalibracja systemu, monitorowanie i analiza danych umożliwiają ochronę systemu przed uszkodzeniem oraz zapewniają jego optymalne działanie i długi okres trwałości użytkowej.
Wskaźniki wymagające stałej obserwacji w celu skutecznego przeprowadzenia utrzymania instalacji:

      • Konieczne jest utrzymywanie odpowiedniej temperatury w pomieszczeniu, w którym znajdują się akumulatory. Wysoka temperatura może być przyczyną uszkodzenia ogniw akumulatora lub skrócenia pozostałych cyklów. Z tego powodu pomieszczenia, w którym systemy są umieszczone, powinny być ogrzewane w zimie i klimatyzowane w lecie.
      • Upewnić się, że system jest właściwie ustawiony i skalibrowany. Poprawne i wydajne działanie systemu jest możliwe tylko wtedy, gdy takie parametry jak bezpieczny poziom rozładowania i bezpieczny poziom naładowania nie zostaną przekroczone.
      • Monitorowanie i analiza danych stanowią istotną część poprawnej obsługi i konserwacji systemu BESS. Na podstawie monitorowania wskaźników systemu, jego trybów pracy i powiadomień można zawczasu wykryć potencjalne zagrożenia i zastosować odpowiednie środki.
      • Regularne prace konserwacyjne umożliwiają także właściwe działanie systemu BESS. Obejmują one rutynowe czyszczenie systemu, wymienianie zużytych lub uszkodzonych elementów i przeprowadzanie prób pojemnościowych akumulatorów w celu sprawdzenia ich wydajności. Falowniki można kalibrować, aby upewnić się, że System BESS jest w stanie wydajnie przekształcać energię DC zmagazynowaną w akumulatorach na prąd AC. Ograniczenie dopływu energii z zasilania pomocniczego może także znaczne zwiększyć wydajność systemu.

Jakie rozwiązania do projektów komercyjnych oferuje obecnie firma Solarity?

Huawei – BESS

Huawei BESS można stosować do zasilania sieci elektrycznych, utrzymywania ich niezawodności i magazynowania nadmiaru energii w celu jej późniejszego wykorzystania.
To rozwiązanie można stosować do:

      • Arbitrażu: system można stosować do ładowania akumulatora podczas obowiązywania niskich taryf energii i rozładowywania go przy wysokich taryfach energii (na przykład podczas godzin szczytowych).
      • Zapewnienia stałej pojemności lub pojemności szczytowej: operatorzy systemu muszą zapewnić odpowiedni zapas pojemności, aby sprostać zapotrzebowaniu szczytowemu lub największemu zapotrzebowaniu w danych okresach roku.
      • Obsługi rezerw i realizacji usług pomocniczych: aby móc utrzymać niezawodne działanie systemu elektroenergetycznego, ilość generowanej energii musi cały czas dokładnie odpowiadać zapotrzebowaniu. Istnieją różne kategorie obsługi rezerw i realizacji usług pomocniczych w różnych skalach czasu, od ułamków sekund do kilku godzin, z których wszystkie są potrzebne do zapewnienia niezawodności sieci.
      • Przesunięcia w czasie modernizacji infrastruktury przesyłowej i dystrybucyjnej: infrastruktura przesyłowa i dystrybucyjna sieci elektrycznej musi mieć odpowiedni rozmiar, aby sprostać zapotrzebowaniu szczytowemu, które może trwać jedynie kilka godzin w roku.
Rozwiązanie FusionSolar Smart String ESS
FusionSolar oferuje rozwiązanie Smart String ESS, aby pomóc klientom monitorować i optymalizować systemy BESS oraz zarządzać nimi na poziomie stosowania pakietu i szafy. Rozwiązanie zaprojektowano z wieloma warstwami zapewniającymi bezpieczeństwo. Możliwe jest zbudowanie systemu od 2 MWh.

Victron + Pylontech

Na bazie falowników Victron i akumulatorów Pylontech możliwe jest zbudowanie systemu BESS dla małych obiektów komercyjnych. Małe i średnie systemy o mocy do 90 kW i pojemności kilku MWh. Takie systemy są wystarczającym rozwiązaniem w małych firmach, biurach i sklepach. Falowniki Victron umożliwiają zbudowanie systemu z układem zasilania rezerwowego, mogącego dostarczać energię z instalacji PV do sieci, zarządzać poborem mocy i magazynować nadmiar energii.

Trójfazowy system 45 kW z akumulatorem o pojemności 72 kWh

Deye + Pylontech

Falowniki hybrydowe DEYE są skonstruowane na podstawie technologii falowników sieciowych, dzięki czemu możliwe jest zbudowanie elektrowni solarnej z systemem magazynowania energii. Falownikiem hybrydowym DEYE o największej mocy jest SUN-50K-SG01HP3-EU-BM4 50 kW. Maksymalnie 10 takich falowników można połączyć szeregowo i zbudować hybrydową / pracującą poza siecią elektrownię 500 kW. Do takiej elektrowni można przyłączyć akumulatory o pojemności kilkudziesięciu MWh.

Schemat roboczy falownika hybrydowego Deye

Work modes

Autor: Oleksandr Lashchenko, Technical Support UA

Bulgaria

Czechy

International

Jordania

Kolumbia

Maroko

Niemcy

Polska

Ukraina

Rumunia

Węgry