Bateryjny system magazynowania energii (BESS) przechowuje energię elektryczną w bateriach i oddaje ją później, gdy potrzebuje jej dom, przedsiębiorstwo lub system elektroenergetyczny. Ogniwa są tylko jedną częścią instalacji. Działający BESS potrzebuje również urządzeń do monitorowania baterii, przekształcania energii, sterowania ładowaniem i rozładowaniem, regulacji temperatury, odłączania uszkodzonych obwodów oraz bezpiecznego połączenia z instalacją elektryczną.
To rozróżnienie na poziomie całego systemu jest istotne. Szafa pełna ogniw może gromadzić energię, lecz sama nie zdecyduje, kiedy się ładować, nie przekształci prądu stałego (DC) w użyteczny prąd przemienny (AC) ani nie skoordynuje pracy z budynkiem lub siecią.
Z jakich elementów składa się BESS?
Bateria składa się zwykle z ogniw, modułów oraz większych pakietów, stojaków lub szaf. Dokładna hierarchia zależy od produktu i projektu, lecz cel jest podobny: połączyć wiele ogniw elektrochemicznych w użyteczny blok magazynowania, zapewniając monitorowanie, połączenia elektryczne, kontrolę temperatury i możliwość serwisowania.
System zarządzania baterią (BMS) działa najbliżej ogniw. Mierzy między innymi ich napięcie i temperaturę, szacuje stan naładowania, w odpowiednio zaprojektowanych układach wyrównuje ogniwa, przekazuje informacje o stanie baterii i egzekwuje ograniczenia ochronne. BMS nie określa biznesowego celu pracy instalacji. Jego główne zadanie polega na utrzymaniu pracy baterii w granicach przewidzianych dla niej i dla danej architektury.
System konwersji mocy (PCS) steruje przekształcaniem między stroną DC baterii a stroną AC, z której korzysta większość budynków i sieci elektroenergetycznych. Podczas ładowania kontroluje przepływ mocy do baterii; podczas rozładowania przekształca zmagazynowaną energię DC w sterowane wyjście AC. Zależnie od architektury aparatura łączeniowa, przekaźniki i funkcje odłączania mogą znajdować się w PCS lub obok niego.
System zarządzania energią (EMS) koordynuje pracę na wyższym poziomie. Może planować ładowanie i rozładowanie według produkcji energii słonecznej, cen energii, profilu obciążenia obiektu, rezerwy na zasilanie awaryjne lub poleceń innego układu sterowania. EMS może zadawać punkt pracy, lecz musi się on mieścić w aktualnych ograniczeniach baterii, przekształtnika i obiektu.
Kompletna instalacja obejmuje także urządzenia pomocnicze. Pacific Northwest National Laboratory opisuje system magazynowania energii jako blok magazynujący wraz z urządzeniami wspierającymi, układami mocy, sterowaniem, komunikacją i integracją systemu. W zależności od projektu mogą to być przewody, aparatura łączeniowa, transformatory, liczniki, HVAC, ochrona przeciwpożarowa i punkt przyłączenia.
Jak BESS ładuje się i rozładowuje?
Ładowanie rozpoczyna się, gdy energia elektryczna jest dostępna z dozwolonego źródła, na przykład z sieci lub instalacji fotowoltaicznej. PCS steruje przekształcaniem i przepływem mocy do baterii. BMS monitoruje jej stan oraz przekazuje lub egzekwuje ograniczenia obowiązujące w danej chwili. Energia jest magazynowana dzięki odwracalnym reakcjom elektrochemicznym w ogniwach.
Podczas rozładowania proces przebiega w przeciwnym kierunku. Bateria oddaje energię elektryczną DC, a PCS przekształca ją do postaci wymaganej przez podłączony układ AC. EMS lub inny sterownik określa, kiedy rozładowanie jest potrzebne, a zabezpieczenia nadal nadzorują, czy żądany sposób pracy pozostaje dopuszczalny.
Proces nie jest całkowicie sprawny. Straty energii powstają w ogniwach, układach energoelektronicznych, przewodach i urządzeniach pomocniczych, takich jak chłodzenie lub ogrzewanie. Dlatego energia dostarczona do BESS w danym cyklu będzie większa niż energia, którą system później odda.
Pętla sterowania działa przez cały czas pracy instalacji. Polecenie rozładowania, które było wykonalne chwilę wcześniej, może wymagać ograniczenia po zmianie temperatury lub stanu naładowania baterii, możliwości przekształtnika albo ograniczeń obiektu. Ostateczna moc wyjściowa wynika z polecenia skorygowanego do tego, co mogą bezpiecznie zapewnić bateria, PCS i podłączony system.
Aby bliżej poznać tę zależność, przeczytaj artykuł Jak PCS, BMS i EMS współpracują w BESS.
Moc, energia i czas pracy to różne parametry
Systemy bateryjne opisuje się zwykle zarówno mocą znamionową, jak i pojemnością energetyczną.
- Moc, mierzona w kilowatach lub megawatach, określa tempo, z jakim system może w danej chwili pobierać lub oddawać energię.
- Energia, mierzona w kilowatogodzinach lub megawatogodzinach, określa ilość energii, którą system może zmagazynować lub oddać w czasie, z uwzględnieniem przyjętego miejsca pomiaru i ograniczeń pracy.
Uproszczony czas pracy można oszacować, dzieląc energię użytkową przez moc wyjściową. System o energii użytkowej 200 kWh, zasilający stały odbiór o mocy 50 kW, teoretycznie będzie pracował przez cztery godziny. W rzeczywistości czas może się różnić, ponieważ pobór urządzeń pomocniczych, straty przekształcania, ustawiona rezerwa, zmienny pobór odbiorów i ograniczenia pracy zmniejszają lub zmieniają energię dostępną w punkcie użytkowania.
Dlatego większa pojemność energetyczna nie oznacza automatycznie, że BESS lepiej sprawdzi się w każdym zastosowaniu. System zasilający duży odbiór przez krótki czas wymaga innego stosunku mocy do energii niż system podtrzymujący mniejszy odbiór przez wiele godzin.
Do czego może służyć BESS?
BESS może przesuwać wykorzystanie energii w czasie. Przy instalacji fotowoltaicznej ładuje się, gdy produkcja przewyższa bieżące zapotrzebowanie, i oddaje energię później, gdy produkcja słoneczna spada. W obiekcie komercyjnym może ograniczać krótkie szczyty poboru albo współpracować z lokalnym źródłem energii. W instalacji wyposażonej w funkcję zasilania rezerwowego może zasilać wybrane odbiory podczas awarii sieci.
Takie zastosowania nie wynikają automatycznie z samej pojemności baterii. Zależą od projektu instalacji elektrycznej, sterowania i zasad eksploatacji. Zasilanie rezerwowe wymaga na przykład układu, który potrafi odpowiednio odłączyć się od sieci, wytworzyć lub wykorzystać właściwe lokalne źródło napięcia i zasilać wybrane odbiory. Naładowana bateria nie musi być skonfigurowana do ich zasilania podczas awarii.
BESS nie wytwarza energii. Zmienia moment dostępności energii dostarczonej wcześniej, a każdy cykl ładowania i rozładowania powoduje straty. Żaden pojedynczy komponent nie gwarantuje też działania całego systemu. Odpowiednia bateria nie zrekompensuje zbyt małej mocy PCS, niezgodnego interfejsu sterowania ani projektu niedopasowanego do obciążenia i celów obiektu.
Najlepiej więc rozumieć BESS jako zintegrowany system elektryczny. Bateria magazynuje energię, BMS nadzoruje baterię, PCS steruje przekształcaniem mocy, EMS koordynuje cel pracy, a urządzenia pomocnicze łączą te funkcje z rzeczywistą instalacją. Wartość systemu zależy od tego, jak dobrze wszystkie elementy zaprojektowano do wymaganego zadania.
