SSEB: O soluție pentru gestionarea proactivă a energiei

By Andrey Solovev

Dezvoltarea surselor regenerabile de energie și tendința globală către un consum eficient de energie au sporit interesul pentru soluțiile de stocare a energiei și, în special, pentru sistemele de stocare a energiei cu baterii. Citirea acestui articol vă va ajuta să înțelegeți despre ce este vorba în aceste sisteme și care sunt beneficiile utilizării lor.

SSEB: pe ce se bazează?

Un sistem de stocare a energiei cu baterii (SSEB) este o soluție complexă care utilizează baterii reîncărcabile pentru a stoca energie și a o elibera ulterior. Tipurile de SSEB se corelează cu electrochimia sau cu bateria pe care o utilizează – sistemele se pot baza pe baterii litiu-ion, plumb-acid, nichel-cadmiu, sodiu-sulf și baterii redox. Un sistem de stocare a energiei (SSE) este un termen mai larg și se poate baza pe o varietate de tehnologii, altele decât bateriile, cum ar fi, energia hidroelectrică, volanți, aer comprimat și altele.

Pentru a înțelege ce este și cum funcționează un SSEB, este util să analizăm structura și elementele sale de bază:

BATERIA

Energia electrică furnizată din diferite surse, cum ar fi energia solară, eoliană sau de la centrale electrice, se transformă în energie chimică în timpul procesului de încărcare a bateriei. Energia eliberată de baterie în timpul descărcării poate alimenta locuințe, vehicule, clădiri comerciale și rețele electrice. Bateriile sunt alcătuite din celule și pot fi aranjate în module, acumulatoare și containere.

SISTEMUL DE MANAGEMENT AL BATERIEI (SMB)

Un SMB garantează funcționarea sigură și corectă a bateriei. Fiecare tip de baterie implică anumite condiții de încărcare și descărcare. Un SMB se asigură că bateria se menține între limitele de curent, tensiune și temperatură necesare. Prin monitorizarea parametrilor și estimarea stării de încărcare (SOC) și a stării de funcționare (SOH) a bateriei, un SMB asigură o performanță fiabilă și de lungă durată a acesteia.

SISTEMUL DE CONVERSIE A ENERGIEI (PCS)

Prin utilizarea unui sistem de conversie a energiei, un SSEB convertește curentul continuu (c.c.) în curent alternativ (c.a.), și invers. Curentul alternativ circulă de la o sursă de alimentare și se transformă în curent continuu în timpul încărcării bateriei. Atunci când bateria este descărcată, aceasta produce curent continuu, care este convertit înapoi în curentul alternativ necesar pentru a alimenta aplicațiile SSEB.

SISTEMUL DE MANAGEMENT AL ENERGIEI (SME)

Un SME este o unitate de control a unui sistem de stocare a energiei cu baterii. Acesta gestionează energia disponibilă într-un SSEB – și anume, când, de ce și în ce cantități trebuie acumulată sau eliberată energia. Un SME reunește elementele unui SSEB și optimizează performanța generală a acestuia.

SISTEMELE DE SIGURANȚĂ

Poate exista o serie de sisteme de siguranță, fiecare dintre acestea fiind responsabil pentru o anumită sarcină. De exemplu, un sistem HVAC permite unui SSEB să mențină temperatura și umiditatea dorite prin încălzire, ventilație și aer condiționat. Un sistem de protecție împotriva incendiilor poate detecta fumul și poate preveni incendiile.

Diagrama structurii tipice a SSEBFigura 1: o structură tipică a SSEB. (Sursa imaginii: Integra Sources LLC)

Ce poate face un SSEB?

În fiecare an, sistemele de stocare a energiei cu baterii furnizează energie electrică pentru mii de locuințe, întreprinderi, fabrici și comunități din întreaga lume. Acestea variază în funcție de scară și de capacitatea de stocare.

De exemplu, având o capacitate utilă de 13,5 kWh, Tesla Powerwall este un dispozitiv compact care poate funcționa ca sursă de energie neîntreruptă pentru o singură gospodărie. Cu o capacitate totală de 1.600 MWh, instalația de stocare a energiei Vistra Moss Landing – cel mai mare SSEB din lume – poate furniza energie pentru 300.000 de locuințe.

Cu toate acestea, în ciuda diferențelor de mărime și capacitate, SSEB poate îndeplini funcții similare și poate aborda probleme similare. Să analizăm cazurile în care stocarea energiei cu baterii poate fi utilă.

Integrarea energiei regenerabile

SSEB poate utiliza în mod eficient energia solară și eoliană în orice moment și pe orice vreme. Bateriile reîncărcabile pot stoca excesul de energie generat de sursele regenerabile intermitente. Ulterior, această energie poate fi distribuită în funcție de nevoile utilizatorilor.

Atunci când sunt integrate cu soluții de stocare cu baterii, sursele de energie regenerabilă pot înlocui combustibilii fosili, oferind energie ieftină și curată pentru o diversitate de aplicații. Integrarea surselor regenerabile este adoptată pe scară largă în:

  • parcurile solare și eoliene
  • comunitățile izolate și nebranșate (insule și zone greu accesibile)
  • dispozitivele de stocare a energiei la domiciliu cuplate cu panouri solare (cum ar fi Powerwall)

În afară de sistemele nebranșate, un SSEB poate susține în mod semnificativ soluțiile branșate și hibride pentru uz rezidențial, comercial și industrial.

Imaginea parcurilor solare și eolieneFigura 2: sistemele de stocare a energiei cu baterii sunt utilizate pe scară largă în parcurile solare și eoliene. (Sursa imaginii: Integra Sources LLC)

Arbitrajul energetic

Există o corelație pozitivă între cererea de energie electrică și costul acesteia. Prețul energiei crește în perioadele de cerere maximă și scade atunci când cererea scade. Arbitrajul energetic, cunoscut sub numele de defazare temporală, este ceea ce consumatorii pot aplica folosind un sistem de stocare a energiei cu baterii.

Prin încărcarea bateriei în afara orelor de vârf, consumatorii pot cumpăra energie ieftină și o pot stoca în SSEB. Apoi, pot aștepta până când prețul energiei electrice crește și pot descărca bateria pentru a utiliza energia cu costuri reduse sau pentru a o vinde în rețea.

Astfel, gospodăriile și întreprinderile pot gestiona în mod eficient resursele energetice, reducându-și costurile.

Gestionarea sarcinii

Energia este consumată diferit pe parcursul zilei și în funcție de anotimp – există perioade de vârf și perioade în afara orelor de vârf. Un SSEB permite utilizatorilor să navigheze între aceste perioade, să ajusteze consumul de energie și să economisească din costurile pentru energia electrică.

Nivelarea perioadelor de vârf de consum este unul dintre cele mai populare cazuri de utilizare a SSEB în gestionarea sarcinii. Aceasta implică reducerea consumului de energie în timpul perioadelor de vârf. În plus, consumatorii își pot reduce cheltuielile, la fel ca în cazul arbitrajului energetic.

O soluție de stocare cu baterii poate ajuta la evitarea vârfurilor de sarcină pe o rețea electrică și, în consecință, a penelor de curent și a altor situații de urgență. Prin descărcarea energiei stocate, un SSEB preia sarcina din rețea și furnizează energie electrică fără întrerupere.

Pornirea autonomă

Un SSEB poate ajuta centralele electrice și rețelele de electricitate să își revină rapid după întreruperile de curent. În loc să folosească un generator diesel, consumatorii pot apela la un sistem de stocare cu baterii – o soluție mai ieftină și mai ecologică de pornire autonomă. Un SSEB poate funcționa independent de linia de transmisie a rețelei și poate furniza energie pentru perioada de timp necesară – de la câteva minute la câteva ore.

Rezerva de putere

Un SSEB poate furniza energie pentru locuințe, întreprinderi și alte instalații, asigurând funcționarea continuă a acestora. Acest lucru este esențial pentru instituțiile medicale și alte organizații care furnizează servicii legate de sănătatea și siguranța oamenilor. În funcție de capacitatea de stocare, un SSEB poate furniza o rezervă de putere atât timp cât este necesar, chiar și în cazul unei defecțiuni grave a rețelei.

Controlul frecvenței și al tensiunii

Frecvența și tensiunea pot depăși limitele de funcționare dacă sursa de alimentare nu este sincronizată cu cererea reală. Acest lucru poate duce la pierderea energiei electrice și la pene de curent. Un SSEB poate asigura stabilitatea unei rețele electrice sau a unui sistem energetic prin reglarea tensiunii și a frecvenței. Datorită timpului său de răspuns rapid, un sistem de stocare a energiei cu baterii devine o soluție eficientă de echilibrare a rețelei.

Micro-rețele

Acestea sunt rețele electrice de mici dimensiuni care pot furniza energie electrică clădirilor comerciale, fabricilor de producție sau cartierelor, atunci când sunt conectate la o rețea mai mare. Micro-rețelele autonome pot alimenta zone și comunități izolate, cum ar fi insulele. Atunci când este combinată cu un SSEB și integrată cu energie regenerabilă, o micro-rețea poate acționa ca un sistem de alimentare rezilient pentru mai mulți utilizatori.

Diagrama micro-rețelei care poate acționa ca un sistem energetic rezilientFigura 3: o micro-rețea poate acționa ca un sistem de alimentare rezilient pentru zonele și comunitățile izolate, cum ar fi insulele. (Sursa imaginii: Integra Sources LLC)

Amânarea transmisiei și distribuției

Liniile de transmisie și distribuție (T&D) sunt predispuse la îmbătrânire și uzură din cauza vârfurilor de sarcină și a congestiilor. O soluție de stocare cu baterii poate rezolva această problemă prin asumarea rolului elementelor T&D. Un SSEB poate oferi o capacitate de stocare suplimentară și poate echilibra sarcinile, amânând astfel modernizarea liniilor T&D existente și construirea unei infrastructuri noi. Acest lucru înseamnă economisirea unor sume importante de bani.

Unde se poate folosi cel mai bine un SSEB?

SSEB se bazează pe tehnologii accesibile, de exemplu, prețul bateriilor litiu-ion a scăzut cu aproape 90% în ultimii 10 ani și va scădea în continuare. Soluțiile de stocare cu baterii au o gamă largă de configurații, inclusiv capacitatea de stocare și dimensiunea, astfel că sunt potrivite pentru mai multe industrii și aplicații.

Aceste aplicații pot fi împărțite în sisteme de tip front-of-the-meter (FTM) (în fața contorului) sau sisteme la scară utilitară (energia consumată este măsurată de un contor electric) și soluții de tip behind-the-meter (BTM) (în spatele contorului) sau soluții la fața locului (energia consumată nu poate fi conectată la o rețea și, prin urmare, nu poate fi măsurată de un contor electric). Iată o listă a aplicațiilor SSEB FTM și BTM (care cu siguranță nu este completă).

Aplicații de tip front-of-the-meter

Sistemele de stocare a energiei cu baterii pot contribui considerabil la funcționarea și întreținerea instalațiilor și echipamentelor la scară utilitară. Un SSEB poate oferi capacitate de rezervă și servicii de pornire autonomă, poate asigura stabilitatea tensiunii și a frecvenței și poate ajuta la economisirea banilor prin amânarea întreținerii. Aplicațiile SSEB FTM includ:

  • Rețele de utilități
  • Substații
  • Linii de transmisie și distribuție
  • Centrale electrice

Aplicații de tip behind-the-meter

Sistemele BTM pot furniza energie electrică consumatorilor, ocolind o rețea de electricitate. Alături de sursele de energie ecologice, un SSEB poate susține în permanență sistemele de alimentare autonome sau micro-rețelele. Producătorii pot utiliza stocarea cu baterii ca rezervă de putere pentru a evita perioadele de nefuncționare a instalațiilor de producție. Prin utilizarea SSEB, companiile și familiile pot reduce în mod semnificativ tarifele la electricitate prin defazarea temporală a energiei. Sistemele de stocare a energiei cu baterii BTM pot fi găsite în:

  • Instalații industriale și de producție
  • Întreprinderi
  • Gospodării
  • Vehicule electrice
  • Sisteme marine

Diagramă de aplicații SSEBFigura 4: aplicații SSEB. (Sursa imaginii: Integra Sources LLC)

Are sens să construim un SSEB?

Răspunsul scurt este da, are sens. Răspunsul mai lung necesită anumite clarificări.

Fără îndoială, cumpărarea unui SSEB gata făcut economisește mult timp și, uneori, bani. Dacă nu există cerințe speciale pentru sistem, se poate alege o soluție gata de utilizare din multitudinea de produse de stocare a energiei disponibile pe piață. Acestea fiind spuse, există câteva motive care ar putea face un consumator să evite cumpărarea acesteia, de exemplu:

  • cerințele specifice ale clienților, inclusiv cerințele de nișă și condițiile de funcționare ale întreprinderilor
  • lipsa caracteristicilor dorite sau prezența caracteristicilor inutile care cresc costul sistemului
  • caracterul incomplet al sistemului și lipsa echipamentelor auxiliare
  • software de slabă calitate
  • absența garanției și a întreținerii post-garanție

Construirea unui sistem de stocare a energiei cu baterii poate fi un proces anevoios care necesită timp, bani și expertiză. Dar acest lucru oferă posibilitatea de a crea o soluție extrem de personalizată, care să satisfacă pe deplin toate cerințele unui utilizator final.

Un SSEB personalizat poate oferi funcționalitate, utilizare, siguranță și securitate cibernetică îmbunătățite. Implementarea algoritmilor SMB avansați va permite utilizatorilor să îmbunătățească performanța bateriei și să îi prelungească durata de viață. Dezvoltarea unei soluții personalizate optimizează suportul tehnic, asistența pentru clienți și alte servicii care pot fi necesare fie ca utilizator final, fie ca furnizor de SSEB.

Pentru a proiecta un SSEB de înaltă calitate este nevoie de o echipă de profesioniști bine pregătiți în domeniul tehnologiilor bateriilor, al electronicii de putere, al software-ului încorporat și al dezvoltării hardware. Este esențial să se organizeze și să se armonizeze fiecare etapă de creare a produsului, de la proiectare la certificare și producție. Angajarea inginerilor cu expertiza și experiența relevante poate ajuta la construirea unui sistem complet de stocare cu baterii care să anticipeze așteptările consumatorilor.

Cu toate acestea, un produs personalizat nu este o soluție miraculoasă. Realizarea unui SSEB personalizat ar trebui să fie luată în considerare în funcție de fiecare caz, iar pentru unele proiecte, o soluție la cheie ar fi cea mai bună. Pentru a afla mai multe despre SSEB-urile personalizate comparativ cu cele din comerț, citiți un articol mai amplu despre sistemele de stocare a energiei cu baterii pe pagina de blog Integra Sources LLC. În plus, aici, cititorii pot obține și informații despre diverse tehnologii și caracteristici ale bateriilor, despre principalii producători de SSEB, despre sistemele alternative de stocare a energiei și alte detalii conexe.

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

About this author

Andrey Solovev

Andrey Solovev is the co-founder and Chief Technology Officer of Integra Sources. He earned a Ph.D. in Physics and Mathematics at Altai State University.