Magazyn energii elektrycznej – na co warto zwrócić uwagę

Wiele mówi się o magazynach energii, zwłaszcza o tych akumulujących energię elektryczną. Ich potencjalne wykorzystanie nie skupia się tylko na możliwości transferu energii w czasie. Innym istotnym aspektem stosowania magazynów energii jest ich wpływ na zmianę mocy chwilowej w sieci elektroenergetycznej. Możliwości systemów bateryjnych to również nie tylko arbitraż (magazynowanie energii, gdy jest tania i sprzedaż, gdy jest droższa). Obecnie ogniwa bateryjne mogą pomóc w regulacji częstotliwości, zwiększeniu penetracji OZE, optymalizacji profilu mocy; pomogą nam skorzystać i uczestniczyć w programie DRP (Demand Response Programms) oraz zwiększyć syntetyczną inercję.

Opłacalność inwestycji w BESS (Battery Energy Storage System)

Najważniejszy temat przy każdym projekcie inwestycyjnym to jego finansowa opłacalność. Nie inaczej wygląda to w przypadku systemów bateryjnych (BESS – Battery Energy Storage System, czyli bateryjne systemy magazynujące energię), gdzie cel jego wykorzystania znacząco wpływa na parametry finansowe przedsięwzięcia.

Obecnie, w związku z optymalizacją opłacalności inwestycji w magazyn energii, najbardziej popularne jest ich stosowanie w celu regulacji sieci elektroenergetycznej, wygładzenia przebiegów mocy czynnej produkowanej przez źródła rozproszone, load shitfing, jako źródło napięcia i częstotliwości dla wydzielonego fragmentu sieci elektroenergetycznej. Jeśli uwzględnimy to na etapie projektowym, możliwe jest połączenie tych funkcji w celu dodatkowego zwiększenia parametrów finansowych.

Elementy systemu BESS

Rozważając budowe magazynu energii, warto zapoznać się z podstawowymi elementami konstrukcji całego systemu. Wyróżnić możemy następujące elementy składowe: kontener, przedział bateryjny DC, system konwersji AC/DC i system zarządzania energią. Poniżej przedstawiono szczegółowe elementy wymienionych części:

Źródło: Techniczne aspekty projektowania bateryjnych magazynów energii w świetle doświadczeń z realizacji projektu GEKON – J. Jemielity, Ł. Czapla, P. Rozenkiewicz

W przypadku planowania i projektowania magazynu energii, warto zwrócić szczególną uwagę na koherentności poszczególnych elementów w każdych warunkach. Dodatkowo przy stosowaniu komponentów różnych producentów ważne jest sprawdzenie wzajemnej integralności oraz wzajemne wsparcie poszczególnych firm. Najlepszym rozwiązaniem jest stosowanie narzędzi jednego producenta na ile jest to możliwe.

Kontener

Na etapie projektowania i doboru komponentów magazynu energii pod uwagę bierze się rozmieszczenie ogniw na całej dostępnej powierzchni, a także relacje powierzchni urządzeń chłodniczych do powierzchni ogniw bateryjnych wraz z ilością łańcuchów oraz stosowanej technologii.

Konstrukcja stojaka na poszczególne baterie również pełni kluczową rolę ze względu na to, że wymaga się, aby była ona w stanie zapewnić równomierny rozkład temperatury na każdej półce lub kasecie. Jeśli rozkład nie jest równy, znacząco zwiększamy eksploatacje części magazynu oraz narażamy się na potencjalną awarię lub pożar.

W zależności od naszych potrzeb możemy stosować różne rozwiązania: magazyn energii może powstać w odpowiednio dostosowanym kontenerze morskim, transportowym kontenerze chłodniczym (duży plus stanowi od razu zintegrowany system chłodzenia z całą konstrukcją) lub dedykowanym kontenerze wyposażonym np. w chłodzenie cieczą.

Przedział bateryjny DC

Element ten stanowi najważniejszy aspekt całej konstrukcji magazynu energii, ponieważ to od rodzaju stosowanych ogniw zależy, jak wydajny będzie cały system dla naszych celów. Kluczowe jest, aby poszczególne ogniwa bateryjne pochodziły z jednej serii produkcyjnej oraz posiadały identyczną charakterystykę w spektrum temperatury pracy, wieku, składu chemicznego i cykli ładowania.

Obecnie na rynku możemy wyróżnić kilka typów ogniw do których należą:

• Konstrukcja litowo-żelazowo-fosforanowa (LFP), w której anoda wykonana jest z fosforanu żelaza. Największe zalety to przede wszystkim stabilność termiczna i chemiczna, co sprawia, że ogniwa te są mniej podatne na przegrzewanie i zapalanie. Wadą natomiast jest słaba wydajność w niskich temperaturach, co sprawia, że szybko tracimy pojemność magazynu.
• Typ niklowo-manganowo-kobaltowy (NMC) to ogniwo o dobrej gęstości energii (ok. 150-250 Wh/kg) co sprawia, że najczęściej stosowane jest w urządzeniach przenośnych. Ze względu na obecność kobaltu jest on droższy w zakupie.
• Typ niklowo-kobaltowo-aluminiowy (NCA) charakteryzuje się bardzo dobrą gęstością energii (200-300 Wh/kg) oraz posiada wysoki zakres napięcia prądów ładowania i rozładowania. Wykorzystywane jest w przemyśle pojazdów elektrycznych. Minus jego stosowania to niska liczba cykli ładownia (500-1500 do 100%/80%).
• Typ litowo-tytanowy (LTO), w którym tradycyjna anoda została zastąpiona tytanem litu. W efekcie ogniwo posiada bardzo dobrą elastyczność ładowania (możliwe jest szybkie ładowanie i rozładowanie) oraz wysoką liczbę cykli ładowania. Na niekorzyść tego typu ogniwa przemawia niska gęstość energii (ok. 90 Wh/kg).

System konwersji AC/DC oraz zarządzania energia

Przekształtnik energii, jako kolejna niezbędna składowa, odpowiedzialny jest za konwersje prądu o napięciu zmiennym AC na stałe DC oraz odwrotnie. To dzięki niemu możliwe jest magazynowanie i odbiór przekazanej energii. Najlepiej, aby posiadał on interfejs komunikacyjny, co ułatwi sterowanie mocą czynną, bierną, napięciem oraz częstotliwością. Urządzenie stoi bezpośrednio w relacji z mocą znamionową magazynu energii; jednak im wyższa moc przekształtnika tym znacznie większy koszt jego zakupu oraz rośnie stopień skomplikowania całego projektu. Stąd dobrym rozwiązaniem jest rozdzielenie łańcucha ogniw na różne przekształtniki, co ułatwia i usprawnia kontrole całego systemu bateryjnego.

Zarządzenie wszystkimi komponentami decyduje o końcowej trwałości i opłacalności przedsięwzięcia. System zarządzania energią odpowiedzialny jest za określenie i kontrolowanie stanu naładowania i rozładowania baterii, tak aby nie dopuścić do całkowitego opróżnienia lub naładowania poszczególnego ogniwa. W innym wypadku trwałość poszczególnych segmentów magazynu zostałaby znacząco skrócona oraz zwiększyło się ryzyko pożaru lub innej poważnej awarii. Ważną rolę odgrywa także SCADA, będąca rozszerzeniem BMSu, która pozwala na zdalne sterowanie i monitorowanie parametrów pracy systemu bateryjnego, co więcej odczytuje także sygnały o awariach, blokadach oraz innych ostrzeżeniach płynących z BMS, przekształtnika energii czy klimatyzacji.

Dobrą praktyką jest weryfikacja pracy BMS metodą symulacji z planowanymi do zastosowania komponentami, tak aby potwierdzić prawidłowość zarządzania rozrzutem charakterystyki ogniw oraz kompatybilności systemu z tymi parametrami.

Podsumowanie

Budowa magazynu energii elektrycznej to niełatwe wyzwanie, jednak w obliczu coraz większych wahań cen energii oraz ryzyka związanego z jej dostępnością, jest to rozwiązanie szczególnie pomocne dla przedsiębiorstw z różnych branży w całej Polsce, które dostarczają obywatelom ważne usługi i produkty. Warto pamiętać o mądrym podejściu do wymienionego zadania, a korzyści z niego płynące będą pozytywnie wpływać na rozwój firmy w przyszłości.