Een batterij-energieopslagsysteem (BESS) slaat elektrische energie op in batterijen en geeft die later af wanneer een woning, bedrijf of elektriciteitssysteem haar nodig heeft. De batterijcellen zijn slechts één onderdeel van het systeem. Een werkend BESS heeft ook apparatuur nodig om de batterij te bewaken, vermogen om te zetten, laden en ontladen te regelen, temperatuur te beheren, storingen te isoleren en veilig op de elektrische installatie aan te sluiten.
Die definitie op systeemniveau is belangrijk. Een kast vol cellen kan energie bevatten, maar kan niet zelfstandig bepalen wanneer te laden, gelijkstroom in bruikbare wisselstroom omzetten of afstemmen met een gebouw of net.
Waaruit een BESS bestaat
De batterij is doorgaans georganiseerd in cellen, modules en grotere packs, racks of kasten. De precieze hiërarchie verschilt per product en project, maar het doel blijft gelijk: veel elektrochemische cellen samenbrengen in een bruikbaar opslagblok, met behoud van bewaking, elektrische verbindingen, temperatuurregeling en onderhoudbaarheid.
Een battery management system (BMS) werkt het dichtst bij de batterij. Het meet bijvoorbeeld celspanning en temperatuur, schat toestanden zoals de laadtoestand, balanceert cellen waar het ontwerp dit ondersteunt, communiceert de batterijstatus en past beschermingsgrenzen toe. Het BMS bepaalt niet het commerciële doel van het systeem. Zijn kerntaak is om de batterij binnen de voor die batterij en architectuur vastgelegde grenzen te laten werken.
Een power conversion system (PCS) regelt de elektrische omzetting tussen de gelijkstroomzijde van de batterij en de wisselstroomzijde die de meeste gebouwen en netten gebruiken. Tijdens het laden zet het vermogen richting de batterij om en regelt het die stroom. Tijdens ontladen zet het opgeslagen gelijkstroomenergie om in een geregelde wisselstroomuitgang. Afhankelijk van de architectuur kunnen bijbehorende schakelapparatuur, relais en scheidingsfuncties in of rond het PCS zitten.
Het energy management system (EMS) daarboven coördineert de werking. Het kan laden en ontladen plannen op basis van zonneproductie, elektriciteitsprijzen, het belastingsprofiel van een locatie, een noodstroomreserve of opdrachten van een ander regelsysteem. Het EMS kan een werkpunt aanvragen, maar dat moet nog steeds binnen de actieve grenzen van batterij, omvormer en locatie passen.
Een volledige installatie omvat ook ondersteunende systeemapparatuur. Pacific Northwest National Laboratory beschrijft een energieopslagsysteem als het opslagblok plus ondersteunende apparatuur, vermogensapparatuur, regeling en communicatie, en systeemintegratie. Afhankelijk van het project kan dit bekabeling, schakelapparatuur, transformatoren, meting, verwarming, ventilatie en airconditioning (HVAC), brandbeveiliging en een aansluitpunt omvatten.
Hoe laadt en ontlaadt een BESS?
Laden begint wanneer elektrisch vermogen beschikbaar is uit een toegestane bron, zoals het net of een PV-systeem. Het PCS regelt de omzetting en vermogensstroom naar de batterij. Het BMS bewaakt de batterijcondities en communiceert of handhaaft de grenzen die op dat moment gelden. Energie wordt opgeslagen via omkeerbare elektrochemische reacties in de cellen.
Bij ontladen verloopt het proces in omgekeerde richting. De batterij geeft elektrische gelijkstroomenergie af en het PCS zet die om in de vorm die het aangesloten wisselstroomsysteem nodig heeft. Het EMS of een andere regelaar bepaalt wanneer ontladen nuttig is, terwijl beveiligingssystemen blijven bewaken of de gevraagde werking toegestaan blijft.
Het proces is niet volledig efficiënt. Er gaat energie verloren in cellen, vermogenselektronica, bekabeling en hulpsystemen zoals thermisch beheer. Daarom is de gemeten energie die een BESS ingaat hoger dan de energie die het later gedurende dezelfde bedrijfscyclus afgeeft.
De regelkring blijft ook tijdens bedrijf actief. Een ontlaadverzoek dat op een bepaald moment haalbaar is, moet mogelijk worden verlaagd als batterijtemperatuur, laadtoestand, omvormercapaciteit of een locatiebeperking verandert. Het uiteindelijke uitgangsvermogen is dus het resultaat van een bedrijfsverzoek dat wordt begrensd door wat de batterij, het PCS en het aangesloten systeem kunnen ondersteunen.
Meer uitleg over deze regelrelatie vindt u in Hoe PCS, BMS en EMS samenwerken in een BESS.
Vermogen, energie en duur zijn verschillende specificaties
Batterijsystemen worden doorgaans beschreven met zowel een vermogenswaarde als een energiewaarde.
- Vermogen, gemeten in kilowatt of megawatt, vertelt hoe snel het systeem op een bepaald moment kan laden of ontladen.
- Energie, gemeten in kilowattuur of megawattuur, vertelt hoeveel energie het systeem in de tijd kan opslaan of leveren, binnen de aangegeven meetgrens en bedrijfsgrenzen.
Een vereenvoudigde duur kan worden geschat door bruikbare energie te delen door uitgangsvermogen. Een systeem met 200 kWh bruikbare energie dat een constante belasting van 50 kW voedt, heeft een geïdealiseerde duur van vier uur. De werkelijke werking kan afwijken doordat hulpverbruik, omzettingsverliezen, reserve-instellingen, wisselende belastingen en bedrijfsgrenzen verminderen of veranderen wat op het verbruikspunt beschikbaar is.
Dit onderscheid verklaart waarom een hogere energiewaarde een BESS niet automatisch voor elke toepassing geschikter maakt. Een systeem dat een hoge belasting kort moet ondersteunen, heeft een andere verhouding tussen vermogen en energie nodig dan een systeem dat een kleinere belasting vele uren moet voeden.
Wat kan een BESS doen?
Een BESS kan energie in de tijd verschuiven. Op een zonnelocatie kan het laden wanneer de productie groter is dan de directe vraag en later ontladen wanneer de zonneproductie is gedaald. Op een bedrijfslocatie kan het korte vraagpieken verminderen of afstemmen met lokale opwekking. In een installatie die voor noodstroom geschikt is, kan het geselecteerde belastingen tijdens een uitval ondersteunen.
Die toepassingen volgen niet automatisch uit batterijcapaciteit. Ze hangen elk af van het omliggende elektrische ontwerp, de regeling en de bedrijfsafspraken. Noodstroom vereist bijvoorbeeld een systeem dat zich correct van het net kan loskoppelen, een geschikte lokale elektrische bron kan vormen of volgen en de gekozen belastingen kan voeden. Een batterij die bij het begin van een uitval is opgeladen, is niet noodzakelijk geconfigureerd om die belastingen van stroom te voorzien.
Een BESS wekt geen energie op. Het verandert wanneer eerder aangeleverde energie beschikbaar is en elke laad-ontlaadcyclus brengt verliezen mee. Evenmin garandeert één component de prestaties van het hele systeem. Een goede batterij kan een te klein PCS, een incompatibele regelinterface of een ontwerp dat niet bij de belasting en het bedrijfsdoel van de locatie past niet compenseren.
Een BESS kan daarom het best worden begrepen als een gecoördineerd elektrisch systeem. De batterij slaat energie op, het BMS bewaakt de batterij, het PCS regelt de vermogensomzetting, het EMS coördineert het bedrijfsdoel en de ondersteunende systeemapparatuur verbindt die functies met een echte locatie. De waarde van het systeem hangt af van hoe goed die elementen zijn ontworpen voor hun vereiste taak.
