Akumulatorowe systemy magazynowania energii (BES) » Zarządzanie energią przyszłości
Autor: Conrad.pl, 04.08.2023
Trzeba przyznać, że niezawodne dostawy energii są wygodne i ważne również w sferze prywatnej. W końcu w przypadku awarii zasilania, zamrażarki i lodówki stacjonarne utrzymują wymaganą ujemną temperaturę tylko przez ograniczony czas.
Co więcej, bez elektryczności większość systemów grzewczych pozostaje bezczynna. Nawet jeśli nadal dostępna jest wystarczająca ilość paliwa.
W środowisku operacyjnym przerwy w zasilaniu są jednak czymś więcej niż tylko uciążliwością. W końcu jest ono niezbędne do utrzymania najważniejszych procesów operacyjnych i funkcjonalności. Jednak nawet krótkotrwałe wahania w sieci energetycznej często wystarczają, aby złożone systemy i urządzenia przestały działać.
Takie problemy występowały już wiele lat temu w przypadku komputerów osobistych, gdy krótkie przerwy w zasilaniu powodowały awarie tych urządzeń. Zastosowane wówczas rozwiązanie sprawdziło się bardzo dobrze i jest wykorzystywane do dziś. Nowoczesne rozwiązania oparte na akumulatorach (BESS) są jednak znacznie większe i wydajniejsze. Chętnie zaprezentujemy możliwości i potencjał systemu magazynowania energii w akumulatorach. Zapraszmay do lektury.
Skrót BESS pochodzi z języka angielskiego i oznacza Battery Energy Storage System. Systemy te nie wykorzystują baterii, lecz akumulatory. W przeciwieństwie do baterii, które muszą być utylizowane po rozładowaniu, akumulatory mogą być ponownie ładowane.
Jak już wspomniano na początku, technicznie złożone systemy, takie jak komputery, reagują bardzo wrażliwie na wahania, redukcje ("brown-out") lub przerwy ("black-out") w dostawie prądu.
Nie tylko działanie zostaje nagle przerwane, ale także dane przetwarzane w tym momencie i jeszcze niezapisane, są bezpowrotnie tracone.
Pomysłowi inżynierowie wcześnie dostrzegli ten problem i opracowali praktyczne zasilacze UPS, jako rozwiązanie. Termin UPS pochodzi od nazwy "zasilacz bezprzerwowy" i dość dobrze opisuje podstawową funkcję tych urządzeń. System UPS zawiera jeden lub więcej akumulatorów, które są ładowane z sieci. Chociaż istnieją różne koncepcje obwodów dla zasilaczy UPS, podstawowa funkcja jest zawsze taka sama. W przypadku awarii sieci, zasilacz UPS natychmiast przejmuje niezawodne zasilanie podłączonego komputera. W tym celu falownik przetwarza napięcie sieciowe AC na napięcie DC akumulatora lub akumulatorów i zasila w ten sposób podłączony sprzęt.
Mimo że akumulatory stosowane w pierwszych zasilaczach UPS nie były szczególnie duże, osoby z nich korzystające mogły zapisać ważne dane w przypadku awarii prądu, a następnie prawidłowo wyłączyć system. W tym sensie ówczesne urządzenia UPS były również pierwszymi prekursorami dzisiejszych systemów magazynowania energii. W międzyczasie jednak zasilacze UPS bardzo się rozwinęły, dzięki czemu istnieją również potężne systemy UPS do zastosowań przemysłowych.
Aby móc zademonstrować działanie systemu magazynowania energii w akumulatorach (BESS), chcemy bardziej szczegółowo przedstawić projekt konstrukcyjny lub opcje połączeń poszczególnych komponentów.
Akumulatory
Jak już wspomniano na początku, system magazynowania energii nie zawiera baterii, ale akumulatory (1). W przeciwieństwie do pierwszych zasilaczy UPS, które działały w oparciu o baterie ołowiowe, nowoczesne systemy magazynowania energii wykorzystują baterie litowo-jonowe. Wynika to z niezwykle wysokiej gęstości energii akumulatorów. Chociaż opisy często odnoszą się do baterii litowych, są to przede wszystkim baterie litowo-jonowe lub litowo-żelazowo-fosforanowe.
Sterowanie
Kontroler (2) lub jednostka centralna (CPU) jest przede wszystkim odpowiedzialna za zarządzanie energią modułu magazynującego. W zależności od sytuacji, stanu naładowania i zapotrzebowania na energię, moc wyjściowa lub zużycie są kontrolowane i monitorowane. W większych systemach inteligentna technologia jest już do pewnego stopnia wykorzystywana w tym obszarze, aby umożliwić planowanie predykcyjne w oparciu o istniejące dane.
System zarządzania baterią (AM) zapewnia, że są eksploatowane w ramach dopuszczalnych parametrów. Wynika to z faktu, że napięcia graniczne podczas ładowania i rozładowywania muszą być przestrzegane w każdym przypadku, aby niepotrzebnie nie obciążać ani nie uszkadzać akumulatorów. Ponadto system sterowania posiada kompleksowe funkcje bezpieczeństwa i zapewnia niezbędne interfejsy. W ten sposób aktualny stan akumulatora może być monitorowany i kontrolowany w dowolnym momencie na miejscu na komputerze (3) lub niezależnie od lokalizacji za pośrednictwem chmury.
Falownik i kontroler ładowania
Akumulatory są podłączone do falownika (4), który generuje zmienne napięcie sieciowe (AC) z napięcia stałego akumulatorów (DC). Może ono być następnie wykorzystane do zasilania szerokiej gamy odbiorników w domu (5) lub firmie. W przypadku nadwyżki energii odnawialnej jest dostarczana do sieci publicznej (6). Często falowniki działają również jako kontrolery ładowania i umożliwiają doładowywanie akumulatorów w przeciwnym kierunku za pomocą napięcia sieciowego.
W systemach sprzężonych z prądem stałym (DC) przy inwerterze dostępne są jeszcze złącza dla modułów solarnych (7) lub turbin wiatrowych (8) (patrz rysunek). W systemach sprzężonych z prądem zmiennym (AC) moduły solarne mają oddzielny inwerter fotowoltaiczny, który jest przystosowany do bezpośredniego wprowadzania do sieci. Inaczej mówiąc: sprzężone z prądem zmiennym (AC) magazyny energii są idealne do modernizacji istniejących instalacji fotowoltaicznych z wprowadzaniem do sieci, w których inwertery nie mają złącza dla akumulatora.
Wspomniany na początku przykład z urządzeniem UPS pokazuje dość wyraźnie, jak nawet krótkie przerwy w zasilaniu pojedynczego komputera mogą powodować niemałe problemy. Jednakże w firmach, u dostawców usług, a nawet w przemyśle, wiele komputerów jest wykorzystywanych w złożonych sieciach. Wystarczy odrobina wyobraźni, by dostrzec ogrom negatywnych skutków nagłego uszkodzenia lub awarii całego systemu.
Optymiści będą czerpać z pozytywnych wartości empirycznych z przeszłości i nadal ufać w dotychczasową dość dobrą stabilność sieci energetycznej. Jest to argument, którego zdecydowanie nie można odrzucić.
Jednak zwrot energetyczny związany z planowanym wyłączeniem elektrowni i wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii, stawia kwestię stabilności sieci w zupełnie nowym świetle. W końcu wiadomo, że wiatr i światło słoneczne podlegają dość silnym wahaniom.
Ponadto energia elektryczna z odnawialnych źródeł energii często nie może być wytwarzana tam, gdzie jest najbardziej potrzebna. Co więcej, zapotrzebowanie na prąd stale rośnie.
Jednym z głównych powodów takiego stanu rzeczy jest stale rosnąca elektromobilność i wymagane dla niej procesy ładowania. Pomimo masowego rozpowszechniania instalacji solarnych na prywatnych domach, nie ma pewności, czy będą one w stanie zrekompensować ciągłe dodatkowe zapotrzebowanie na energię elektryczną.
Akumulatorowe systemy magazynowania energii nie tylko zapewniają bezpieczeństwo operacyjne ważnych urządzeń technicznych i krytycznych systemów. Oprócz ochrony przed wahaniami napięcia lub awariami zasilania, praktyczne systemy magazynowania oferują inne decydujące zalety, które chcemy przedstawić.
Pokrycie szczytowych wartości mocy
Krótkotrwały wzrost zapotrzebowania na energię może być bezproblemowo zaspokojony w dowolnym momencie, bez nadmiernego obciążania sieci energetycznej lub narażania jej na negatywne skutki.
Redukcja kosztów
Nocą akumulatory mogą być ładowane energią elektryczną o niskim koszcie, co znacznie zmniejsza zapotrzebowanie na droższą energię elektryczną w ciągu dnia.
Odnawialne źródła energii
Ładowanie akumulatorów za pomocą systemu elektrowni wiatrowych lub fotowoltaicznych, pozwala zaoszczędzić na zakupie drogiej energii i zmniejszyć emisję CO2.
Zasilanie sieciowe
Nadwyżka energii odnawialnej jest dostarczana do publicznej sieci energetycznej, gdy akumulatory są pełne, co zwiększa rentowność.
Indywidualne skalowanie
Wydajność systemu magazynowania energii w akumulatorach można bardzo łatwo i szybko dostosować, dodając kolejne jednostki akumulatorowe.
Pełna kontrola
Bezproblemowa rejestracja danych w czasie rzeczywistym zapewnia kompleksowy przegląd i w razie potrzeby może być wykorzystywana do monitoringu stanu.
Wykorzystanie systemów magazynowania energii w akumulatorach jest możliwe w wielu różnych obszarach.
System solarny dla prywatnych gospodarstw domowych
Większość energii elektrycznej generowanej przez system fotowoltaiczny nie jest potrzebna w ciągu dnia, dlatego można nią doładowywać akumulator. Wieczorem, gdy pobór prądu jest wysoki, do zasilania wykorzystywana jest energia elektryczna ze zbiornika magazynowego. Ponieważ w tym przypadku energia elektryczna nie jest pobierana od operatora sieci, koszty mogą zostać znacznie obniżone. Magazyny energii mają pojemność od 4 kWh do 16 kWh (kilowatogodzin).
Handel i przemysł
Większe systemy są interesujące dla firm i przemysłu. Jednak oprócz wspomnianych już oszczędności, nacisk kładziony jest tutaj na niezawodne dostawy energii dla ważnych systemów i maszyn.
Dostawcy energii elektrycznej i operatorzy siec
Nawet dostawcy energii wykorzystują zalety systemów magazynowania za pomocą akumulatorów. Właściciele farm wiatrowych nie są już zmuszeni do częściowego wyłączania swoich turbin wiatrowych tylko dlatego, że w danym momencie wieje wiatr, ale nie ma zapotrzebowania na energię elektryczną. Odciążone zostają również sieci przesyłowe lub napowietrzne linie energetyczne. Przykładowo, linie przesyłowe mogą być wykorzystywane w nocy do ładowania akumulatorów dużego systemu magazynowania energii po stronie odbiorczej. Magazyn energii o pojemności rzędu 20 MWh (megawatogodzin) lub większej wspomaga dostawy prądu, gdy zapotrzebowanie jest szczególnie wysokie.
Takie magazyny energii doskonale nadają się również do ultraszybkiego ładowania samochodów elektrycznych. Proces odbywa się bowiem wyłącznie za pośrednictwem prądu stałego, bez obciążania sieci prądu zmiennego.
Rozwiązania stosowane w przeszłości
Pomysł magazynowania energii w dużych ilościach i pobierania jej w razie potrzeby nie jest nowy. Już ponad 100 lat temu budowano elektrownie szczytowo-pompowe, aby szybko i w krótkim czasie odciążyć sieci energetyczne w godzinach szczytu. W tym celu duże ilości wody były pompowane do wyższego poziomu w nocy. Gdy zapotrzebowanie na prąd było wysokie, woda płynąca z powrotem mogła napędzać turbiny z generatorami i w ten sposób produkować wymaganą energię elektryczną. Takie zastosowanie wymaga jednak określonych warunków geograficznych, które nie wszędzie występują.
Aktualna technologia
Znacznie łatwiej jest w przypadku akumulatorów magazynujących energię. W zależności od przeznaczenia i zastosowania są one różnie projektowane pod względem wielkości. Moc wyjściowa, a raczej wydajność elektryczna, tj. moc wyjściowa w danym czasie, waha się od kilku kWh do kilku MWh. Umożliwia to idealną kompensację wahań w sieci i ograniczeń w odnawialnych źródłach energii, takich jak energia słoneczna i wiatrowa. Baterie o dużej pojemności i inteligentne zarządzanie energią już teraz umożliwiają elastyczne rozwiązania dla różnych zastosowań. Obecnie prowadzone są również badania i optymalizacje nad alternatywnymi rozwiązaniami, takimi jak magazynowanie energii w kole zamachowym lub elektrownie szczytowo-pompowe na dnie morskim.
Spojrzenie na przyszłość
W najbliższej przyszłości zapotrzebowanie na energię elektryczną będzie stale rosnąć. Wtedy nie będziemy już mówić o kWh czy MWh, ale o gigawatogodzinach (GWh). Równolegle gwałtownie wzrośnie popyt na magazynowanie prądu. Równocześnie jednak stały rozwój odnawialnych źródeł energii będzie generował coraz więcej energii elektrycznej.
Nie tylko jednak przepustowość mocy będzie w przyszłości wzrastać. Dzięki stałemu zwiększaniu się elektromobilności, intensywnie rozwijane są również akumulatory. Przechowywanie bardzo dużych ilości energii powinno być wkrótce możliwe bez problemów, na przykład dzięki bateriom organicznym.