Kaj je baterijski sistem za shranjevanje energije (BESS)?
\Za trenutek se znebimo žargona: a Baterijski sistem za shranjevanje energije (BESS) je preprosto škatla, polna baterij, ki se polni, ko je elektrika poceni ali je je je veliko, in izprazni, ko je je malo ali je draga. To je to. To je ogrodje. Vendar so kosti le polovica zgodbe.
Zakaj je to pomembno? Ker ne shranjujemo le elektronov, temveč tudi vzvode. Za upravljavca omrežja, ki poskuša zmanjšati največje povpraševanje za nekaj megavatov, ali za tovarno, ki se izogiba uničujočim stroškom povpraševanja, je BESS taktično orožje. Gre za preusmerjanje energije, odpornost in donosnost naložbe - vse to je stisnjeno v jekleno ohišje.
Osnovna zanka je naslednja: sistem napolnite, ko je energija poceni ali se je proizvede preveč (na primer opoldne na sončno nedeljo v Kaliforniji), in jo izpraznite, ko je najbolj dragocena (na primer ob 18.00, ko vsi vklopijo klimatsko napravo). Vendar pozor: če sistem imenujemo "baterija", ne razumemo širše slike. To ni pasivna komponenta - to je aktiven, prilagodljiv stroj za sprejemanje odločitev.
Kamada Power 100 kWh Baterija C&I BESS
Osnovne komponente in arhitektura BESS
Kemija baterijskih celic - gradniki
Zaradi izbire kemijskih lastnosti baterije sem videl, kako se je ustvarilo in izgubilo bogastvo. Pred leti je stranka pri projektu v Arizoni vztrajala pri NMC. Visoka gostota energije je bila na papirju videti odlično - dokler ni nastopilo poletje. Degradacija celic je bila brutalna. Prešli smo na LFP in nikoli več nismo pogledali nazaj.
LFP (litij-železo-fosfat) je stoična želva v svetu baterij: varnejši, toplotno stabilnejši in z daljšo življenjsko dobo. NMC (nikelj-mangan-kobalt) je zajec - hitrejši, lažji, vendar bolj nestabilen. Natrijevo-ionski akumulatorji so divja karta. Je obetaven, vendar v velikem obsegu nedokazan. Svinčeva kislina? Še vedno se drži kot fosil in je uporaben v nišnih aplikacijah, kjer so stroški pomembnejši od zmogljivosti.
Kemija je pomembna. Ne le za gostoto energije ali življenjsko dobo cikla, temveč tudi za to, kako sistem se počuti na terenu. Kako prenaša vročino, kako se odziva na polnjenje, kako se odziva na zlorabe. Kemija je DNK. Tako kot pri ljudeh tudi pri DNK ni usodna, ampak je le podlaga.
Baterijski paket - konfiguracije in vloga
Tu celice postanejo sistem. Baterijski paket ni le skupek celic - je strogo zasnovan organizem. Napetost in tok je treba prilagoditi posebni uporabi: 48-voltni rezervni sistem za telekomunikacije ne bo podoben 1000-voltni pošastni bateriji, vezani na omrežje.
Potem pa je tu še neplačani junak: senzorji. Temperaturne sonde, tokovni odvodniki, napetostne pipe. Videl sem pakete s slabo postavitvijo senzorjev, ki so začeli toplotno bežati, ker je sistem mislil, da je v redu, dokler... ni bilo tako. Dobri paketi so večplastni kot mille-feuille: celice, izolacija, hlajenje, ožičenje - vse v harmoniji.
Odkrito povedano, menim, da mnogi integratorji še vedno obravnavajo zasnovo paketa kot naknadno nalogo. Ne bi smeli.
Sistem za upravljanje baterije (BMS) - možgani sistema
Če je akumulator telo, je sistem BMS živčni sistem. Pravzaprav je več kot to. Je tudi imunski sistem.
Sistem BMS v realnem času spremlja napetost, tok in temperaturo vsake celice. Izravnava polnjenje med celicami (pasivno, s prepuščanjem odvečne energije v obliki toplote, ali aktivno, s prerazporeditvijo). Preprečuje prekomerno polnjenje, globoko praznjenje in strašljivo toplotno beganje.
Včasih sem verjel, da je pasivno uravnoteženje "dovolj dobro". Potem sem opazoval, kako je 1,2 MWh sistem zaradi neenakomernega premikanja celic v manj kot letu dni izgubil 8% zmogljivosti. Aktivno uravnoteženje, če je pravilno izvedeno, se dolgoročno izplača.
Filozofska teansa: če bo umetna inteligenca kdaj prevzela energijo, to ne bo v obliki terminatorskih dronov. To bo sistem BMS, ki bo tiho odločal, katera celica bo živela in katera umrla.
Sistem za pretvorbo energije (PCS) - premostitev enosmernega in izmeničnega toka
Ah, veliki prevajalec. Baterije govorijo z enosmernim tokom, omrežje zahteva izmenični tok. Vstopi PCS.
Ta enota je zavajajoče zapletena. Invertira enosmerni tok v izmenični (za praznjenje) in usmerja izmenični tok v enosmerni (za polnjenje). Sinhronizira se s frekvenco omrežja. Upošteva pravila o medsebojnem povezovanju. Upravlja hitrost naraščanja. Če gre kaj narobe, je PCS pogosto prvi, ki to izve.
Hrup? Seveda lahko ventilatorsko hlajene enote šumijo z glasnostjo 50-65 dB, podobno kot sistem HVAC, ki šumi v poletnem popoldnevu. Nekoč sem namestil PCS za pekarno v Brooklynu. Čez teden dni me je poklical lastnik: "Ali je tam zadaj NLP?" Zamenjali smo enoto s tekočinskim hlajenjem.
Novi trendi, kot so polprevodniki iz silicijevega karbida (SiC), zmanjšujejo preklopne izgube in velikost. Dvosmerni pretvorniki omogočajo prenos podatkov iz vozila v omrežje in omrežne storitve. To ni več pasivna škatla. Postaja orkestrator.
Sistem hlajenja in HVAC - toplotni menedžment
Baterije sovražijo skrajnosti. Če je prevroče, se pokvarijo. Če je preveč mrzlo, se sesujejo.
Toplotno upravljanje je ključnega pomena za dolgo življenjsko dobo. Zračno hlajenje je preprosto in poceni, vendar je v sistemih z veliko gostoto težavno. Tekoče hlajenje? Dražje, vendar natančno. Nekoč sem moral naknadno opremiti sistem z 250 kWh v Nevadi, ker zračno hlajenje ni moglo ohraniti temperature pod 45 °C. Prešli smo na tekočinsko hlajenje na osnovi glikola in zmogljivost se je čez noč stabilizirala.
Opomba: ljudje podcenjujejo hrup hladilnih naprav in ventilatorjev. Pri nameščanju v bližini stanovanjskih območij upoštevajte akustične lastnosti.
Gašenje požara in varnost ohišja
Pogovorimo se o strahu. Nihče si ne želi, da bi bil v trendu "požar litijeve baterije".
Sodobna ohišja BESS so zdaj opremljena s sistemi za zatiranje plina, toplotnimi pregradami, ognjevarnimi oblogami in ploščami za sprostitev tlaka. Preizkus UL9540A ni le potrditveno polje, temveč je talilnik, v katerem se zasnove bodisi dokažejo bodisi zgorejejo.
Videl sem, da poceni ohišja zadržujejo toploto kot krsta. Varnost ni seksi, dokler ni edina pomembna stvar.
Sistem za spremljanje in komunikacijo
BESS brez vidljivosti na daljavo je kot letenje na slepo. Integracija SCADA, analitika v oblaku BMS, opozorila o napakah v realnem času - vse to ni izbirno.
Imel sem stranko v Teksasu, ki je ignorirala daljinsko diagnostiko. Napaka v vdelani programski opremi je tiho onemogočila hladilno zanko. Sistem se je pekel 48 ur, preden je to kdo opazil. Do takrat? \$90.000 poškodb celic. Nauk.
Glavne vrste BESS glede na uporabo in tehnologijo
Vsi BESS niso zgrajeni enako - in tudi ne bi smeli biti. Pravi sistem je odvisen od tega, kdo ste, kaj napajate in zakaj ga potrebujete. Od velikanov v omrežju do taktičnih enot za števcem - pokrajina je tako raznolika, kot so raznolike potrebe, ki jim služijo. Razčlenimo jih.
Komunalni BESS - tihi partner omrežja
Predstavljajte si ga kot prvaka v težki kategoriji. Komunalni sistemi se merijo v megavatnih in megavatnih urah. Uporabljajo se za izvajanje funkcij na ravni omrežja: regulacijo frekvence, podporo napetosti, preusmerjanje obremenitve, celo nadomeščanje elektrarn za proizvodnjo električne energije.
Ti sistemi pogosto vključujejo:
- Visokonapetostni PCS (do 1500 V)
- Modularna kontejnerska zasnova (20- ali 40-metrske enote)
- Napredni sistem EMS za udeležbo na trgu
Komercialni in industrijski (C&I) BESS - spreminjanje investicijskih stroškov v strategijo
Tu shranjevanje energije postane poslovno orodje. Tovarne, podatkovni centri, hladilna skladišča - ti uporabljajo C&I BESS da bi se izognili zaračunavanju stroškov povpraševanja, se izognili izpadom in ohranili vitko poslovanje.
Značilne funkcije vključujejo:
- 100 kWh baterija do zmogljivosti z več MWh
- Integrirano gašenje požara in HVAC
- Brezhibna integracija sistema SCADA in sistema za upravljanje stavb (BMS)
Stanovanjski BESS - majhna škatla, velika svoboda
Da, lastniki stanovanj se pridružujejo igri. Spodbude za sončno energijo in skladiščenje so v porastu, stanovanjski BESS vam omogoča, da prižgete luči, ko se v omrežju stemni, in prodate nazaj električno energijo, ko cene narastejo.
Ključne lastnosti:
- zmogljivost 5-20 kWh
- Stenske ali talne oblike
- Hibridni pretvorniki za vključevanje sončne energije
Mobilni in modularni BESS - energija, ki gre tja, kjer jo potrebujete
Dogodki, gradbišča, polnilne postaje za električna vozila - to so mesta, kjer električna energija ni vedno na voljo, vendar je še vedno nujna. Tu se izkažejo modularne, priklopne ali celo zamenljive enote BESS.
Poiščite:
- Plug-and-play PCS
- Robustna ohišja
- Hitro polnjenje litijevih ali natrijevih ionskih kemikalij
Mikroomrežje BESS - odpornost, kjer koli
Ko omrežje odpove - ali pa ga sploh ni - postane BESS srce mikromrežja. Bolnišnice, vojaške baze in oddaljene vasi uporabljajo te sisteme za otoke in ohranjanje energije, ne glede na to, kaj se dogaja zunaj.
Ti sistemi združujejo:
- Vključitev fotovoltaike, vetra ali generatorja
- Možnost črnega zagona
- Prednostna razvrstitev obremenitve v realnem času
Kako deluje BESS? Postopek po korakih
Polnjenje: Varno pretvarjanje in shranjevanje energije
Polnjenje je v teoriji preprosto, v izvedbi pa zapleteno.
Vir - sončni, vetrni ali omrežni - se napaja v PCS. Sistem BMS spremlja stanje napolnjenosti (SOC) kot jastreb. Strogo upošteva omejitve napetosti, temperaturna okna in stopnje polnilnega toka.
Nekoč sem videl prehitro polnjenje sistema iz vetrne elektrarne med nevihto. PCS ni mogel dovolj hitro dodajati plina. Rezultat? Izključeni odklopniki, udarci po egu.
Razrešitev: Zagotavljanje energije po potrebi
Ko sistem prejme signal povpraševanja - bodisi od bremena, ukaza iz omrežja ali cenovnega signala - se PCS vključi in začne dobavljati izmenično energijo iz baterij za enosmerni tok.
Prednostne obremenitve (kot so bolnišnice ali podatkovni centri) dobijo prednost. Nekateri sistemi uporabljajo celo dinamične profile praznjenja, da bi raztegnili čas delovanja.
Odkrito povedano, menim, da je prav na tem področju večina shranjevanja energije precenjena. Stopnje praznjenja niso neskončne. Če slabo načrtujete, se boste izčrpali, še preden boste dosegli vrhunec.
Spremljanje, varnost in samodiagnosticiranje med delovanjem
Med polnjenjem in praznjenjem sistem BMS spremlja vsak milivolt in stopnjo. Če kar koli odstopa - vroča celica, padajoča napetost, komunikacijska napaka -, lahko sistem zaustavi ali izklopi.
Dobri sistemi so paranoični. Odlični sistemi so z zdravjem obsedeni. Predstavljajte si ga kot baterijo, ki lahko sama pokliče reševalno vozilo.
Večja slika: Zakaj je razumevanje delovanja BESS pomembno?
Gospodarski in okoljski vplivi
Odstopanje od omrežja, varčevanje v konicah, upravljanje stroškov povpraševanja - to niso modne besede. To je bilanca stanja.
Skladišče v Fresnu je prihranilo 12.000 EUR/mesec samo z namestitvijo sistema BESS, da bi se izognilo cenovnim konicam. Medtem pa majhno komunalno podjetje v Vermontu uporablja svoje naprave za blaženje sončnih prekinitev in odlaganje dragih nadgradenj transformatorjev.
Potem so tu še emisije. Uporaba BESS za zamenjavo elektrarn za proizvodnjo električne energije? Spremeni pravila igre.
Modeli prihodkov in potencial ROI
Arbitraža časa uporabe je le začetek. V ZDA je FERC 841 odprl vrata za sodelovanje BESS na energetskih trgih - regulacija frekvence, spinning rezerva, storitve "black start".
Ena od mojih strank na območju PJM iz sistema s 500 kWh na leto dobi več kot \$150k, izključno na podlagi sodelovanja na trgu. Vendar pa to ni "plug-and-play". Potrebujete programsko opremo, čas in pogum.
Vključevanje v omrežje in vidiki AC/DC
Sisteme z izmeničnim tokom je enostavneje naknadno opremiti. Sistemi z enosmernim tokom so učinkovitejši za skupno namestitev sončne energije. Noben od teh sistemov ni kategorično boljši - odločilen je kontekst.
In ne pozabimo na mikromrežja. BESS omogoča otočno odklapljanje, črni zagon in določanje prednosti obremenitve. Videl sem, da so med požari v naravi in orkani ohranjali delovanje celotnih vasi.
Zaključek
BESS ni samo baterija. Je budno, kompleksno in odzivno sredstvo, ki energijo spreminja v strategijo.
In tu je resnica, ki jo industrija pogosto zamolči: shranjevanje je težko. Je neurejeno. Ni čarobna škatla. Toda če je pravilno izvedeno, je preobrazbeno.
Bolj ko razumemo, kako deluje, bolje ga lahko uporabljamo. In pametnejše bo naše omrežje, naša mesta in naša prihodnost.
POGOSTA VPRAŠANJA
Ali je sistem BESS hrupen?
Na splošno ne, vendar lahko komponente PCS in HVAC oddajajo šum (~50-65 dB). Pomislite na hladilnik ali tiho enoto HVAC.
Ali je BESS izmenični ali enosmerni tok?
Baterije so po svoji naravi enosmerne, vendar BESS za povezavo z izmeničnimi bremeni ali omrežji uporablja PCS.
Kako dolgo lahko deluje BESS?
Odvisno od njegove energijske zmogljivosti in obremenitve. Sistem s porabo 1 MWh, ki napaja 250 kW bremena, deluje ~4 ure.
Ali se lahko polni iz sončne energije in omrežja?
Da. Večina sodobnih zasnov BESS podpira polnjenje iz več virov.
Ali potrebuje vzdrževanje?
Da. Redni pregledi, posodobitve vdelane programske opreme in toplotni pregledi sistema so nujni. Zanemarjanje = katastrofa.