Что Такое Система Хранения Энергии На Основе Аккумуляторов?
Система хранения энергии на основе батарей (BESS) — это устройство, которое накапливает энергию в батареях и высвобождает её, когда требуется электроэнергия. Емкость батарей варьируется от нескольких киловатт-часов (кВт·ч) для бытовых систем до нескольких мегаватт-часов (МВт·ч) для крупномасштабных энергосистем. BESS могут быть как стационарными для фиксированных установок, так и мобильными, с прочной конструкцией, позволяющей многократно перемещать их и быстро развертывать. В данном документе основное внимание уделяется небольшим мобильным системам BESS емкостью 150 кВт·ч или менее.
Что Находится Внутри Небольшой Мобильной Системы Хранения Энергии (BESS)?
Прочная подрамная конструкция, обычно отсутствующая в стационарных системах хранения энергии, обеспечивает мобильной системе хранения энергии необходимую прочность для частых перевозок. Складной металлический корпус обеспечивает защиту от атмосферных воздействий и ограничивает доступ к внутренним компонентам. Система крепления батареи улучшена для большей прочности и виброизоляции по сравнению со стационарными системами.
Подключение питания
Для минимизации затрат на установку решающее значение имеют скорость и простота. Силовые соединения спроектированы таким образом, чтобы обеспечить легкий доступ и быстрое подключение кабелей. Небольшие мобильные системы накопления энергии (BESS) обычно имеют отдельные входные и выходные разъемы, в отличие от двунаправленного соединения, часто встречающегося в более крупных системах BESS. Такая конфигурация размещает элементы управления синхронизацией внутри самой системы BESS, упрощая установку и позволяя подключаться к стандартной генераторной установке с несинхронизирующими элементами управления. Кроме того, разделение входа и выхода означает, что питание от источника проходит через BESS к нагрузке. Небольшая мобильная система BESS имеет ограничение тока сквозной передачи, которое обычно указывается в техническом описании системы. Это важный параметр, который следует учитывать, поскольку он определяет максимальную мощность генераторной установки, которую можно использовать в сочетании с системой BESS.
Инвертор-зарядное устройство
В небольших мобильных системах накопления энергии (BESS) часто используются инверторы комбинированного типа — инвертор-зарядное устройство. Как и сама система BESS, инвертор-зарядное устройство имеет отдельные вход и выход. Контроль синхронизации и управление, включая синхронизирующий контактор и реле нейтрального заземления, находятся внутри инвертора-зарядного устройства, что упрощает внутреннюю структуру BESS. Другие конструкции, использующие инверторы с комбинированным двунаправленным входом-выходом, более сложны, поскольку контроль, управление и контакторы, необходимые для синхронизации, находятся вне инвертора. Большинство конструкций инверторов позволяют энергии от источника питания, не используемой для зарядки батареи, передаваться непосредственно на нагрузку без каких-либо преобразований энергии. Однако в отрасли существуют конструкции, которые включают в себя множественные преобразования энергии для передачи энергии от источника питания к нагрузке. Это имеет недостаток в виде дополнительных потерь при преобразовании энергии, которых нет в конструкциях с прямым прохождением.
Батареи
Большинство производителей малогабаритного мобильного оборудования для хранения энергии устанавливают в свои изделия литий-ионные аккумуляторные модули, хотя некоторые модели с свинцово-кислотными батареями всё ещё доступны. Хотя свинцово-кислотные батареи могут быть значительно дешевле, они имеют ряд недостатков. Одно из заметных отличий — это размер и вес: система хранения энергии на основе свинцово-кислотных батарей может весить более чем вдвое больше, чем система на основе литий-ионных батарей с той же номинальной ёмкостью в кВт·ч, и занимать примерно на 50% больший объём.
Однако, на первый взгляд, менее очевидной может быть относительная разница в емкости в кВт·ч между двумя типами аккумуляторных батарей. Полезная емкость свинцово-кислотной системы хранения энергии (BESS) будет значительно ниже, чем у литий-ионной BESS той же номинальной емкости. Полезная емкость литий-ионной BESS обычно составляет 80% от номинальной емкости и может быть увеличена до 90% при умеренном сокращении срока службы батареи. В отличие от этого, полезная емкость свинцово-кислотной BESS составляет всего около 40%, которая может быть увеличена до 60% за счет значительного сокращения срока службы батареи. Кроме того, на полезную емкость свинцово-кислотной BESS сильно влияют скорость разряда и низкие температуры. Только часть из упомянутых выше 40% может быть доступна, если свинцово-кислотная BESS разряжается быстрее, чем за 10 часов, или если температура ниже 25°C. Таким образом, хотя свинцово-кислотные системы хранения энергии могут казаться дешевле литий-ионных батарей, если сравнивать их по полезной емкости в кВт·ч, свинцово-кислотные батареи выглядят менее конкурентоспособными.
Литий-ионные системы хранения энергии (BESS) также принимают более высокую скорость зарядки, чем свинцово-кислотные. Зарядка свинцово-кислотной системы BESS на максимальной скорости дополнительно снижает полезное количество кВт⋅ч, и скорость зарядки снижается гораздо раньше в цикле зарядки по сравнению с литий-ионной батареей. Поэтому для зарядки литий-ионной системы BESS генератор будет работать меньше времени и поддерживать оптимальную нагрузку в течение всего цикла зарядки. Это позволит добиться большей экономии топлива и большего снижения затрат на обслуживание генератора. Эта экономия дополнительно увеличивается за счет более низкой эффективности преобразования энергии у свинцово-кислотных батарей. То есть, при том же количестве затраченной энергии вы получаете меньшую отдачу от свинцово-кислотной батареи по сравнению с литий-ионной батареей.
Еще одним важным фактором является срок службы батареи. Литий-ионные системы хранения энергии выдерживают гораздо больше циклов зарядки-разрядки, чем свинцово-кислотные аналоги. Это еще больше усиливается при температурах выше 25°C, поскольку высокие температуры оказывают большее негативное воздействие на срок службы свинцово-кислотных батарей. При сравнении стоимости литий-ионной системы хранения энергии со свинцово-кислотной следует учитывать и срок службы батареи.
Зачем Использовать Систему Накопления Энергии (BESS)?
Расход топлива и выбросы парниковых газов
Наиболее часто рекламируемое преимущество использования небольших мобильных систем хранения энергии (BESS) заключается в снижении расхода топлива и связанных с этим выбросов парниковых газов. Генераторы в системах временного электроснабжения часто работают с нагрузкой не более 30%. Например, размер генератора может быть выбран исходя из пиковой нагрузки, но большую часть времени генератор может обеспечивать лишь очень низкую нагрузку. Кроме того, профили нагрузки могут быть асимметричными, с высокими нагрузками в течение дня и низкими нагрузками вне рабочего времени. В других случаях размер генератора может быть выбран исходя из мощности распределительного щита, но к нему может быть подключена лишь небольшая нагрузка. Длительная работа генератора при низкой нагрузке негативно сказывается на двигателе и приводит к перерасходу топлива. Однако при использовании BESS совместно с генератором суммарная нагрузка на площадке и мощность зарядки увеличивают нагрузку на двигатель до более эффективного режима работы. После зарядки генератор останавливается, и нагрузка на площадке плавно переключается на питание от BESS. Это сокращает время работы генераторной установки и обеспечивает ее более эффективную работу, снижая расход топлива и уменьшая выбросы парниковых газов.
Система нейтрализации отработавших газов двигателя
Дополнительные сложности возникают при эксплуатации генераторных установок с двигателями, соответствующими стандартам EPA Tier 4 Final или EU Stage 5, при низкой нагрузке. Проблемы возникают, когда выхлопная система не может достичь достаточно высокой температуры для регенерации, что приводит к засорению сажевого фильтра и остановке генераторной установки. Распространенным решением является установка нагрузочного стенда, обеспечивающего достаточную нагрузку для регенерации. Однако при этом существенно увеличивается расход топлива и выбросы парниковых газов. Использование системы хранения энергии (BESS) вместо нагрузочного стенда значительно сократит количество сжигаемого топлива и выбросов парниковых газов, и, несмотря на низкую стоимость нагрузочного стенда по сравнению со стоимостью BESS, экономия топлива будет больше, чем более высокая арендная плата за BESS.
Пиковая нагрузка
Добавление системы накопления энергии (BESS) позволяет снизить пиковые нагрузки за счет объединения пиковой мощности генератора и BESS, тем самым увеличивая пиковую нагрузочную способность системы. Это позволяет использовать генератор меньшей мощности, что приводит к экономии топлива.
Затраты на обслуживание и срок службы активов
Использование системы хранения энергии (BESS) сокращает время работы генераторной установки, что, в свою очередь, снижает частоту технического обслуживания и продлевает срок службы оборудования. Это приводит к экономии за счет снижения затрат на обслуживание и ремонт, а также к долгосрочным выгодам от уменьшения износа. В некоторых случаях время работы генераторной установки может быть сокращено на 60–80%, что потенциально позволяет перейти от двух- или трехсменной работы к односменной, исключить множители смен и обеспечить дополнительную экономию для потребителей.
Экономия на трудозатратах
Внедрение системы хранения энергии (BESS) также может снизить затраты на рабочую силу. На некоторых объектах требуется присутствие обученного персонала во время работы генератора. Использование BESS позволяет обеспечивать электроэнергией ночное и выходное время вместо генератора, устраняя необходимость в круглосуточном дежурстве. Большинство систем BESS обладают возможностями удаленного мониторинга и могут отправлять оповещения о таких параметрах, как неисправности, высокие нагрузки или низкий уровень заряда батареи. Потенциальные проблемы можно решать удаленно по мере их возникновения, а настройки можно изменять, например, перепрограммировать график включения/выключения, что исключает необходимость поездок сотрудников на объект. Для объектов, расположенных далеко от депо, экономия рабочего времени может превышать экономию топлива.
Безопасность поставок
Добавление системы хранения энергии (BESS) также обеспечивает дополнительный уровень резервирования. Во время технического обслуживания генераторной установки накопленная в BESS энергия может обеспечивать питание нагрузки, позволяя проводить обслуживание без перебоев в электроснабжении. В случае отказа генераторной установки BESS может предотвратить отключения электроэнергии и выиграть критически важное время для устранения неисправности. Это может быть ценным преимуществом для некоторых клиентов, где простой обходится дорого. Например, когда оборудование необходимо перезапускать вручную после отключения электроэнергии или прерывается технологический процесс, что приводит к потере продукции. Аналогично, дополнительное резервирование, обеспечиваемое BESS, может быть полезно на мероприятиях, конвенциях и теле-/радиопередачах, где отключение электроэнергии может оказать значительное негативное воздействие.
Шумовое загрязнение
Многие производители рекламируют свои небольшие мобильные системы хранения энергии (BESS) как бесшумные источники питания. Однако при работе вентиляторов охлаждения некоторый шум всё же будет присутствовать. Тем не менее, при условии, что вентиляторы имеют регулируемую скорость и правильно настроены, система BESS может обеспечить значительное снижение уровня шума по сравнению с генератором. Использование системы BESS вместо генератора может обеспечить более тихую и приятную обстановку для участников мероприятия или на площадках, прилегающих к жилым районам. В местах, где действуют правила, регулирующие уровень шума, добавление системы BESS может обеспечить бесперебойное электроснабжение в тихие часы, когда работа генератора запрещена.
Солнечная
Некоторые системы хранения энергии (BESS) оснащены разъемами для подключения фотоэлектрических (PV) панелей, позволяющих улавливать солнечную энергию и хранить ее в системе для последующего использования. Это значительно упрощает интеграцию солнечной энергии в проект. Добавление фотоэлектрических панелей может еще больше снизить расход топлива и в некоторых случаях полностью исключить необходимость в генераторных установках, обеспечивая нулевые выбросы и устраняя необходимость в выездах на объект для заправки и обслуживания.
Зарядка аккумуляторной электрической машины
Система хранения энергии на основе аккумуляторов (BESS) может помочь в переходе от дизельной техники к электромашинам на основе аккумуляторов (BEM). В ситуациях, когда использование небольшой электромашины может быть нецелесообразным из-за ограниченности энергии для обеспечения работы в течение всей смены и отсутствия доступа к местной электросети, небольшая система BESS может сделать проект жизнеспособным. Например, использование BESS для подзарядки электромашины во время обеденных перерывов может обеспечить достаточное количество энергии для завершения смены. В случаях, когда возврат электромашины к электросети для подзарядки невозможен, мобильная система BESS может доставлять необходимую энергию к электромашине, подобно тому, как автоцистерна заправляет обычную технику.
Когда И Как Использовать Систему Накопления Энергии (BESS)?
Определение подходящих вакансий
Важно понимать, что небольшая мобильная система хранения энергии (BESS) не является генераторной установкой и не подойдёт для каждой задачи. Если генераторная установка оптимально рассчитана при средней нагрузке выше 50%, добавление BESS вряд ли приведёт к экономии топлива или сокращению выбросов парниковых газов. Однако, если средняя нагрузка низкая или если она сильно колеблется в течение дня или недели, то стоит изучить преимущества добавления BESS. Если экологические соображения важны для заказчика, количественная оценка сокращения выбросов парниковых газов от использования BESS продемонстрирует ценность для заказчика. Если рассматривается установка нагрузочного стенда, поскольку средняя нагрузка слишком низка для регенерации на генераторной установке, соответствующей экологическим нормам, то следует рассмотреть BESS в качестве альтернативы, чтобы избежать дополнительных затрат на топливо и выбросов парниковых газов, связанных с использованием нагрузочного стенда. При оценке пригодности задачи для использования BESS важно определить все преимущества экономии, помимо экономии топлива, и включить их в расчёт общей стоимости. К ним относятся снижение затрат на обслуживание, продление срока службы оборудования, снижение затрат на рабочую силу и исключение множителей смен.
Еще один фактор, который следует учитывать, — это проекты, где шумовое загрязнение является проблемой, включая любые приложения, где шум от генераторной установки нежелателен или запрещен. Кроме того, на объектах, где важна надежность электроснабжения, могут быть предусмотрены системы хранения энергии (BESS). Если обеспечение нагрузки критически важно и отключение электроэнергии влечет за собой затраты или негативные последствия, то дополнительная надежность системы BESS может обеспечить необходимую уверенность. Если заказчик планирует установить фотоэлектрические панели, с генераторной установкой или без нее, система BESS может стать простым способом интеграции солнечной энергии для создания микросети. Кроме того, для любого объекта, рассматривающего возможность использования небольшой системы BESS, стоит изучить, повысит ли небольшая мобильная система BESS жизнеспособность проекта.
Расчет размеров системы накопления энергии и генераторной установки.
Система накопления энергии (BESS) имеет номинальную мощность в кВА или кВт и емкость хранения энергии в кВт·ч. Номинальная мощность обычно соответствует мощности инвертора, но может быть ограничена максимальной скоростью разряда батарей. Поэтому полная мощность в кВА может быть доступна в течение ограниченного времени, чтобы избежать срабатывания защиты от перегрузки батарей. BESS также запускает генератор при высокой нагрузке, поэтому может потребоваться поддерживать нагрузку ниже 80%, если вы не хотите, чтобы генератор запустился до разряда батарей. Модели BESS, использующие свинцово-кислотные батареи, будут ограничены гораздо меньшей средней мощностью, чтобы избежать существенного снижения их полезной емкости в кВт·ч. Как указано выше, небольшая мобильная система BESS не является генератором, и сравнение ее с генератором с той же номинальной мощностью в кВА может ввести в заблуждение. Например, оптимальная средняя нагрузка для генератора обычно составляет 75%, тогда как области применения, где BESS хорошо подходит, обычно предполагают гораздо меньшие нагрузки, которые не являются идеальной нагрузкой для генератора.
Большинство небольших мобильных систем хранения энергии (BESS) имеют ограничение по току сквозного пропускания, то есть максимальный ток, который может передаваться непосредственно от входа к выходу BESS. Лучше не использовать генератор, мощность которого значительно превышает это ограничение, поскольку в этом случае его не удастся эффективно нагрузить. Это определяет максимальную мощность генератора, который можно использовать с BESS. При объединении тока сквозного пропускания от генератора и инверторов обычно допускается больший ток, чем ограничение по сквозному пропусканию, что повышает суммарную пиковую нагрузку. Это может позволить выбрать генератор меньшей мощности, чем потребовалось бы без BESS.
В идеале генераторная установка должна быть достаточно мощной, чтобы обеспечивать достаточную мощность при коэффициенте нагрузки около 75% как для зарядки системы хранения энергии (BESS), так и для питания нагрузки. Можно использовать генератор меньшей мощности, если систему BESS можно настроить таким образом, чтобы ограничить ток, потребляемый от сети, во избежание перегрузки генераторной установки. Однако генераторам меньшей мощности потребуется работать дольше из-за меньшей мощности, доступной для подзарядки батарей BESS.
Продолжительность работы системы хранения энергии (BESS) до необходимости подзарядки зависит от нагрузки и емкости BESS в кВт·ч. Важно учитывать полезную емкость в кВт·ч, а не номинальную. Полезная емкость BESS с литий-ионными батареями обычно составляет от 80 до 90% от номинальной емкости. Как уже упоминалось, полезная емкость свинцово-кислотных BESS ниже и зависит от температуры и скорости разряда. Кривая разряда BESS представляет собой график зависимости средней нагрузки от времени разряда и используется для определения того, как долго BESS может обеспечивать электропитание до необходимости подзарядки. Кривая разряда полезна для определения того, будет ли у BESS достаточно накопленной энергии для обеспечения бесперебойного электропитания в течение всего события или для покрытия ночных часов до начала смены на следующий день.
Использование системы хранения энергии с солнечными панелями
Встроенное солнечное зарядное устройство, входящее в состав некоторых моделей BESS, обычно работает по принципу «подключи и работай». Однако при выборе и размещении фотоэлектрических панелей в цепочки необходимо учитывать важные параметры. Входное напряжение солнечного зарядного устройства должно быть достаточно высоким для зарядки аккумуляторов — обычно на 5–10 В выше напряжения шины постоянного тока. Кроме того, входное напряжение солнечного зарядного устройства не должно превышать максимально допустимое напряжение самого зарядного устройства. Важно рассчитать наихудший сценарий, то есть максимальное напряжение холостого хода фотоэлектрической панели при самой низкой температуре окружающей среды. Это определяет количество фотоэлектрических панелей, которые можно соединить последовательно, не превышая максимальное входное напряжение зарядного устройства. Также необходимо рассчитать максимальный ток короткого замыкания фотоэлектрической панели при самой высокой температуре окружающей среды. Это определит максимальное количество цепочек фотоэлектрических панелей, которые можно соединить параллельно, не превышая предел тока короткого замыкания разъемов или солнечного зарядного устройства. При расчете количества подключаемых фотоэлектрических панелей необходимо также учитывать мощность солнечного зарядного устройства в кВт.
Если на объекте требуется большее количество фотоэлектрических панелей, то может быть возможно подключить солнечные инверторы к выходу системы хранения энергии (BESS). Это сложнее, чем подключение фотоэлектрических панелей к бортовому зарядному устройству, но позволяет подключить больше фотоэлектрических панелей. Если система BESS поддерживает добавление солнечных инверторов, избыточная энергия от солнечных инверторов может быть использована для зарядки аккумуляторов BESS. И наоборот, когда солнечной энергии недостаточно для обеспечения нагрузки, BESS обеспечит дополнительную энергию, необходимую для восполнения дефицита. Модели BESS, поддерживающие подключение солнечных инверторов, используют частотный сдвиг или команды SunSpec для ограничения солнечной энергии, чтобы избежать перезарядки аккумуляторов BESS.
Настройка системы хранения энергии (BESS)
Настройка обычно осуществляется через панель управления, установленную на системе хранения энергии (BESS). Часто это графическая панель, которая может иметь сенсорный дисплей и интуитивно понятна в использовании. С помощью различных экранов можно регулировать параметры и заданные значения для настройки BESS под конкретное применение. Это включает в себя установку минимального уровня заряда батареи для запуска генератора и максимального уровня заряда для его выключения. Большинство панелей управления также имеют несколько таймеров для планирования работы генератора в разное время дня или недели, и может быть возможность установить таймеры для включения и выключения питания нагрузки. Максимальный входной ток, который может быть потреблен от источника питания, можно регулировать, чтобы избежать срабатывания автоматического выключателя или перегрузки генератора меньшей мощности. Пороговое значение нагрузки, выше которого генератор запустится, обычно также регулируется. Изменяя эти простые заданные значения, можно оптимизировать BESS для большинства применений. Однако для более сложных задач может потребоваться более глубокий уровень настройки, доступный только опытным пользователям.
С помощью панели управления модели BESS с возможностью удаленного мониторинга могут быть настроены на отправку оповещений по электронной почте персоналу в случае возникновения неисправности или тревоги. Также возможен удаленный доступ к BESS для устранения неисправностей или корректировки настроек, что позволяет избежать необходимости выезда на объект. Удаленный мониторинг может предоставлять автоматические отчеты, отображающие такую информацию, как сокращение времени работы генератора или показатели выработки солнечной энергии, что повышает ценность для клиентов.
Выводы
Крайне важно понимать, что небольшая мобильная система хранения энергии (BESS) не заменяет генератор. Напротив, она часто лучше подходит для применений, где генераторы менее эффективны, например, в условиях повышенной чувствительности к шуму или на объектах с низкой средней нагрузкой. В зависимости от профиля нагрузки установки, добавление BESS может обеспечить существенную экономию топлива и сокращение выбросов парниковых газов. Кроме того, BESS обеспечивает дополнительную экономию за счет снижения затрат на обслуживание, увеличения срока службы оборудования, снижения трудозатрат и уменьшения арендной платы за генератор. Все эти факторы следует учитывать при расчете общей выгоды от внедрения BESS.
Дополнительная избыточность, обеспечиваемая системой хранения энергии (BESS), неоценима в ситуациях, когда отключения электроэнергии могут быть дорогостоящими или иметь нежелательные последствия. Для клиентов, желающих использовать солнечную энергию с помощью фотоэлектрических панелей, система BESS упрощает интеграцию солнечной энергии, обеспечивая дополнительную экономию топлива, снижение выбросов парниковых газов и, в некоторых случаях, решение с нулевым уровнем выбросов, полностью исключая необходимость в генераторе.
Использование системы хранения энергии (BESS) для передачи энергии с целью подзарядки аккумуляторных электромашин может стать ключевым фактором в обеспечении жизнеспособности проекта по переходу от дизельной техники. Данный документ не охватывает все возможные области применения, но призван осветить потенциальные возможности, где BESS может принести значительную пользу.