Проектиране на надеждни системи за съхранение на енергия: Глобално ръководство

Системите за съхранение на енергия (ССЕ) стават все по-жизненоважни в световния енергиен пейзаж. Те позволяват интегрирането на възобновяеми енергийни източници, подобряват стабилността на мрежата, намаляват разходите за енергия и осигуряват резервно захранване при прекъсвания. Това изчерпателно ръководство разглежда ключовите аспекти при проектирането на надеждни и ефективни ССЕ за различни приложения в световен мащаб.

1. Разбиране на основите на системите за съхранение на енергия

ССЕ е система, която улавя енергия, произведена в един момент, за да я използва по-късно. Тя обхваща различни технологии, всяка със свои собствени характеристики и пригодност за различни приложения. Основните компоненти на една ССЕ обикновено включват:

• Технология за съхранение на енергия: Основният компонент, отговорен за съхраняването на енергия, като батерии, маховици или съхранение на енергия чрез сгъстен въздух (CAES).
• Система за преобразуване на мощността (СПМ): Преобразува постоянен ток (DC) от технологията за съхранение в променлив ток (AC) за свързване към мрежата или за AC товари, и обратно за зареждане.
• Система за управление на енергията (СУЕ): Система за управление, която наблюдава и управлява потока на енергия в рамките на ССЕ, оптимизирайки производителността и гарантирайки безопасна работа.
• Спомагателно оборудване (BOP): Включва всички останали компоненти, необходими за работата на ССЕ, като разпределителни уредби, трансформатори, охладителни системи и оборудване за безопасност.

1.1 Разпространени технологии за съхранение на енергия

Изборът на технология за съхранение на енергия зависи от фактори като енергиен капацитет, номинална мощност, време за реакция, цикличен живот, ефективност, цена и въздействие върху околната среда.

• Литиево-йонни батерии: Най-широко използваната технология поради високата им енергийна плътност, бързото време за реакция и сравнително дългия цикличен живот. Подходящи са за широк спектър от приложения, от жилищни до такива в мащаб на мрежата. Например, в Южна Австралия, Hornsdale Power Reserve (батерията на Tesla) използва литиево-йонна технология за предоставяне на услуги за стабилизиране на мрежата.
• Оловно-киселинни батерии: Зряла и рентабилна технология, но с по-ниска енергийна плътност и по-кратък цикличен живот в сравнение с литиево-йонните. Често се използват за резервно захранване и непрекъсваеми токозахранващи устройства (UPS).
• Поточни батерии: Предлагат висока мащабируемост и дълъг цикличен живот, което ги прави подходящи за приложения в мащаб на мрежата, изискващи дълготрайно съхранение. Ванадиевите редокс-поточни батерии (VRFB) са често срещан тип. Например, Sumitomo Electric Industries е внедрила VRFB системи в Япония и други страни.
• Натриево-йонни батерии: Налагат се като обещаваща алтернатива на литиево-йонните, предлагайки потенциално по-ниска цена и по-висока безопасност. Изследванията и разработките продължават в световен мащаб.
• Маховици: Съхраняват енергия като кинетична енергия във въртяща се маса. Предлагат много бързо време за реакция и висока плътност на мощността, което ги прави подходящи за регулиране на честотата и приложения за качество на електроенергията.
• Съхранение на енергия чрез сгъстен въздух (CAES): Съхранява енергия чрез компресиране на въздух и освобождаването му за задвижване на турбина, когато е необходимо. Подходящи за мащабно, дълготрайно съхранение.
• Помпено-акумулираща водноелектрическа централа (ПАВЕЦ): Най-зрялата и широко разпространена форма за съхранение на енергия, използваща вода, изпомпвана между язовири на различна надморска височина. Подходящи за мащабно, дълготрайно съхранение.

2. Определяне на системните изисквания и цели

Преди да се пристъпи към процеса на проектиране, е изключително важно ясно да се определят системните изисквания и цели. Това включва разглеждане на следните фактори:

• Приложение: Дали ССЕ е предназначена за жилищни, търговски, промишлени или мрежови приложения?
• Предоставяни услуги: Какви услуги ще предоставя ССЕ, като например ограничаване на пиковото потребление, преместване на товара, регулиране на честотата, поддържане на напрежението, резервно захранване или интегриране на възобновяема енергия?
• Изисквания за енергия и мощност: Колко енергия трябва да се съхранява и каква е необходимата изходна мощност?
• Продължителност на разреждане: Колко дълго трябва ССЕ да осигурява мощност при необходимата изходна мощност?
• Цикличен живот: Колко цикъла на зареждане-разреждане се очакват през живота на ССЕ?
• Условия на околната среда: Какви са околната температура, влажност и други условия на средата, в които ще работи ССЕ?
• Изисквания за свързване към мрежата: Какви са стандартите и изискванията за свързване към мрежата в конкретния регион?
• Бюджет: Какъв е наличният бюджет за проекта за ССЕ?

2.1 Пример: Жилищна ССЕ за собствено потребление на слънчева енергия

Жилищна ССЕ, проектирана за собствено потребление на слънчева енергия, има за цел да максимизира използването на локално генерирана слънчева енергия и да намали зависимостта от мрежата. Системните изисквания могат да включват:

• Енергиен капацитет: Достатъчен за съхраняване на излишната слънчева енергия, генерирана през деня, за използване през вечерта и нощта. Типична жилищна система може да има капацитет от 5-15 kWh.
• Номинална мощност: Достатъчна за захранване на основните товари в къщата по време на пиково търсене. Типична жилищна система може да има номинална мощност от 3-5 kW.
• Продължителност на разреждане: Достатъчно дълга, за да покрие вечерните и нощните часове, когато слънчевото производство е ниско или липсва.
• Цикличен живот: Достатъчно висок, за да се гарантира дълъг експлоатационен живот, тъй като системата ще се циклира ежедневно.

3. Оразмеряване на системата за съхранение на енергия

Оразмеряването на ССЕ е критична стъпка, която включва определяне на оптималния енергиен капацитет и номинална мощност за посрещане на определените изисквания. Трябва да се вземат предвид няколко фактора:

• Профил на товара: Типичният модел на потребление на енергия на обслужвания товар.
• Профил на генериране на възобновяема енергия: Очакваният модел на генериране на енергия от възобновяемия източник, като слънце или вятър.
• Пиково търсене: Максималното търсене на мощност от товара.
• Дълбочина на разреждане (DoD): Процентът от капацитета на батерията, който се разрежда по време на всеки цикъл. По-високата DoD може да намали живота на батерията.
• Ефективност на системата: Общата ефективност на ССЕ, включително батерията, СПМ и други компоненти.

3.1 Методи за оразмеряване

За оразмеряване на ССЕ могат да се използват няколко метода, включително:

• Приблизителни правила: Използване на общи насоки, базирани на типични профили на натоварване и модели на генериране на възобновяема енергия.
• Симулационно моделиране: Използване на софтуерни инструменти за симулиране на производителността на ССЕ при различни сценарии и оптимизиране на размера въз основа на специфични изисквания. Примерите включват HOMER Energy, EnergyPLAN и MATLAB.
• Оптимизационни алгоритми: Използване на математически оптимизационни алгоритми за определяне на оптималния размер, който минимизира разходите или максимизира ползите.

3.2 Пример: Оразмеряване на търговска ССЕ за ограничаване на пиковото потребление

Търговска ССЕ, предназначена за ограничаване на пиковото потребление, има за цел да намали пиковото търсене на сграда, като по този начин намали разходите за електроенергия. Процесът на оразмеряване може да включва:

1. Анализиране на профила на натоварване на сградата, за да се идентифицира пиковото търсене и продължителността на пика.
2. Определяне на желаното намаление на пиковото търсене.
3. Изчисляване на необходимия енергиен капацитет и номинална мощност въз основа на намалението на пиковото търсене и продължителността на пика.
4. Отчитане на DoD и ефективността на системата, за да се гарантира, че батерията не е прекомерно разредена и че системата работи ефективно.

4. Избор на подходяща технология

Изборът на подходяща технология за съхранение на енергия зависи от специфичните изисквания на приложението и характеристиките на различните технологии. Трябва да се извърши компромисен анализ за оценка на различните опции въз основа на фактори като:

• Производителност: Енергийна плътност, плътност на мощността, време за реакция, ефективност, цикличен живот и температурна чувствителност.
• Цена: Капиталови разходи, оперативни разходи и разходи за поддръжка.
• Безопасност: Запалимост, токсичност и риск от термично разпространение.
• Въздействие върху околната среда: Наличност на ресурси, емисии при производството и изхвърляне в края на експлоатационния живот.
• Мащабируемост: Възможност за мащабиране на системата, за да отговори на бъдещи нужди за съхранение на енергия.
• Зрялост: Ниво на технологична готовност и наличие на търговски продукти.

4.1 Сравнителна матрица на технологиите

Сравнителна матрица на технологиите може да се използва за сравняване на различните технологии за съхранение на енергия въз основа на ключовите критерии за избор. Тази матрица трябва да включва както количествени, така и качествени данни, за да предостави изчерпателен преглед на предимствата и недостатъците на всяка технология.

5. Проектиране на системата за преобразуване на мощността (СПМ)

СПМ е критичен компонент на ССЕ, който преобразува постоянен ток от технологията за съхранение в променлив ток за свързване към мрежата или AC товари, и обратно за зареждане. При проектирането на СПМ трябва да се вземат предвид следните фактори:

• Номинална мощност: СПМ трябва да бъде оразмерена така, че да съответства на номиналната мощност на технологията за съхранение на енергия и обслужвания товар.
• Напрежение и ток: СПМ трябва да е съвместима с характеристиките на напрежението и тока на технологията за съхранение на енергия и мрежата или товара.
• Ефективност: СПМ трябва да има висока ефективност, за да се минимизират енергийните загуби.
• Система за управление: СПМ трябва да има усъвършенствана система за управление, която може да регулира напрежението, тока и честотата на променливия ток.
• Свързване към мрежата: СПМ трябва да отговаря на стандартите и изискванията за свързване към мрежата в конкретния регион.
• Защита: СПМ трябва да има вградени защитни функции за предпазване на ССЕ от пренапрежение, свръхток и други повреди.

5.1 Топологии на СПМ

Налични са няколко топологии на СПМ, всяка със своите предимства и недостатъци. Често срещаните топологии включват:

• Централен инвертор: Един голям инвертор, който обслужва цялата система за съхранение на енергия.
• Стрингов инвертор: Множество по-малки инвертори, свързани към отделни стрингове от батерийни модули.
• Инвертор на ниво модул: Инвертори, интегрирани във всеки батериен модул.

6. Разработване на система за управление на енергията (СУЕ)

СУЕ е мозъкът на ССЕ, отговорен за наблюдението и контрола на потока на енергия в системата. При проектирането на СУЕ трябва да се вземат предвид следните фактори:

• Алгоритми за управление: СУЕ трябва да прилага алгоритми за управление, които могат да оптимизират производителността на ССЕ въз основа на специфичните изисквания на приложението.
• Събиране на данни: СУЕ трябва да събира данни от различни сензори и измервателни уреди, за да наблюдава производителността на ССЕ.
• Комуникация: СУЕ трябва да комуникира с други системи, като например мрежовия оператор или системата за управление на сгради.
• Сигурност: СУЕ трябва да има стабилни функции за сигурност, за да защити ССЕ от кибератаки.
• Дистанционно наблюдение и управление: СУЕ трябва да позволява дистанционно наблюдение и управление на ССЕ.

6.1 Функции на СУЕ

СУЕ трябва да изпълнява следните функции:

• Оценка на състоянието на заряд (SoC): Точно да оценява състоянието на заряд на батерията.
• Управление на мощността: Да контролира мощността на зареждане и разреждане на батерията.
• Управление на напрежението и тока: Да регулира напрежението и тока на СПМ.
• Термично управление: Да наблюдава и контролира температурата на батерията.
• Откриване на повреди и защита: Да открива и реагира на повреди в ССЕ.
• Регистриране на данни и отчитане: Да регистрира данни за производителността на ССЕ и да генерира отчети.

7. Гарантиране на безопасност и съответствие

Безопасността е от първостепенно значение при проектирането на ССЕ. Проектът на ССЕ трябва да отговаря на всички приложими стандарти и разпоредби за безопасност, включително:

• IEC 62933: Системи за съхранение на електрическа енергия (EES) – Общи изисквания.
• UL 9540: Системи и оборудване за съхранение на енергия.
• Местни противопожарни норми и строителни норми.

7.1 Съображения за безопасност

Ключовите съображения за безопасност включват:

• Безопасност на батериите: Избор на батерии със стабилни функции за безопасност и внедряване на подходящи системи за термично управление за предотвратяване на термично разпространение.
• Пожарогасене: Инсталиране на системи за пожарогасене за смекчаване на риска от пожар.
• Вентилация: Осигуряване на адекватна вентилация за предотвратяване на натрупването на запалими газове.
• Електрическа безопасност: Прилагане на правилно заземяване и изолация за предотвратяване на токови удари.
• Аварийно изключване: Осигуряване на процедури и оборудване за аварийно изключване.

7.2 Глобални стандарти и регулации

Различните държави и региони имат свои собствени стандарти и регулации за ССЕ. Важно е да сте наясно с тези изисквания и да гарантирате, че проектът на ССЕ е в съответствие с тях. Например:

• Европа: Европейският съюз има регулации относно безопасността на батериите, рециклирането и въздействието върху околната среда.
• Северна Америка: САЩ и Канада имат стандарти за безопасност на ССЕ и свързване към мрежата.
• Азия: Държави като Китай, Япония и Южна Корея имат свои собствени стандарти и регулации за ССЕ.

8. Планиране на инсталация и въвеждане в експлоатация

Правилното планиране на инсталацията и въвеждането в експлоатация е от съществено значение за успешния проект на ССЕ. Това включва:

• Избор на място: Избор на подходящо място за ССЕ, като се вземат предвид фактори като пространство, достъп и условия на околната среда.
• Разрешителни: Получаване на всички необходими разрешителни и одобрения от местните власти.
• Инсталация: Спазване на правилните процедури за инсталация и използване на квалифицирани изпълнители.
• Въвеждане в експлоатация: Тестване и проверка на производителността на ССЕ преди пускането ѝ в експлоатация.
• Обучение: Осигуряване на обучение на персонала, който ще експлоатира и поддържа ССЕ.

8.1 Най-добри практики за инсталация

Най-добрите практики за инсталация включват:

• Следване на инструкциите на производителя.
• Използване на калибрирани инструменти и оборудване.
• Документиране на всички стъпки на инсталацията.
• Извършване на щателни инспекции.

9. Експлоатация и поддръжка

Редовната експлоатация и поддръжка са от съществено значение за осигуряване на дългосрочната производителност и надеждност на ССЕ. Това включва:

• Наблюдение: Непрекъснато наблюдение на производителността на ССЕ.
• Профилактична поддръжка: Извършване на редовни задачи по поддръжка, като почистване, инспекция и тестване.
• Корективна поддръжка: Ремонт или подмяна на дефектни компоненти.
• Анализ на данни: Анализиране на данни за производителността на ССЕ за идентифициране на потенциални проблеми и оптимизиране на работата.

9.1 График за поддръжка

Графикът за поддръжка трябва да бъде разработен въз основа на препоръките на производителя и специфичните условия на работа на ССЕ. Този график трябва да включва както рутинни задачи, така и по-обстойни инспекции.

10. Анализ на разходите и икономическа жизнеспособност

Задълбоченият анализ на разходите е от съществено значение за определяне на икономическата жизнеспособност на проект за ССЕ. Този анализ трябва да вземе предвид следните разходи:

• Капиталови разходи: Първоначалната цена на ССЕ, включително батерията, СПМ, СУЕ и спомагателното оборудване.
• Разходи за инсталация: Разходите за инсталиране на ССЕ.
• Оперативни разходи: Разходите за експлоатация на ССЕ, включително консумация на електроенергия и поддръжка.
• Разходи за поддръжка: Разходите за поддръжка на ССЕ.
• Разходи за подмяна: Разходите за подмяна на батерията или други компоненти.

Трябва да се вземат предвид и ползите от ССЕ, като например:

• Спестявания от разходи за енергия: Спестявания от ограничаване на пиковото потребление, преместване на товара и намалени такси за мощност.
• Генериране на приходи: Приходи от предоставяне на мрежови услуги, като регулиране на честотата и поддържане на напрежението.
• Резервно захранване: Стойността на осигуряване на резервно захранване по време на прекъсвания.
• Интегриране на възобновяема енергия: Стойността на улесняването на интегрирането на възобновяеми енергийни източници.

10.1 Икономически показатели

Често използваните икономически показатели за оценка на проекти за ССЕ включват:

• Нетна настояща стойност (NPV): Настоящата стойност на всички бъдещи парични потоци, минус първоначалната инвестиция.
• Вътрешна норма на възвръщаемост (IRR): Дисконтовият процент, при който NPV е равна на нула.
• Срок на изплащане: Времето, необходимо на кумулативните парични потоци да се изравнят с първоначалната инвестиция.
• Изравнена цена на съхранение на енергия (LCOS): Разходът за съхранение на енергия през целия живот на ССЕ.

11. Бъдещи тенденции в съхранението на енергия

Индустрията за съхранение на енергия се развива бързо, като постоянно се появяват нови технологии и приложения. Някои ключови тенденции включват:

• Намаляващи разходи за батерии: Разходите за батерии намаляват бързо, което прави ССЕ по-икономически жизнеспособни.
• Напредък в технологиите за батерии: Разработват се нови технологии за батерии с по-висока енергийна плътност, по-дълъг цикличен живот и подобрена безопасност.
• Увеличена интеграция в мрежата: ССЕ играе все по-важна роля в стабилизирането на мрежата и интегрирането на възобновяема енергия.
• Поява на нови приложения: Появяват се нови приложения за ССЕ, като зареждане на електрически превозни средства и микромрежи.
• Разработване на нови бизнес модели: Разработват се нови бизнес модели за ССЕ, като например съхранение на енергия като услуга.

12. Заключение

Проектирането на надеждни и ефективни системи за съхранение на енергия изисква внимателно разглеждане на различни фактори, включително избор на технология, оразмеряване, безопасност и икономика. Като следват насоките, очертани в това ръководство, инженерите и разработчиците на проекти могат да проектират ССЕ, които отговарят на специфичните нужди на техните приложения и допринасят за по-устойчиво енергийно бъдеще. Глобалното внедряване на ССЕ е от съществено значение за осъществяването на прехода към по-чиста и по-устойчива енергийна система, а разбирането на принципите на проектиране на ССЕ е от решаващо значение за постигането на тази цел.