Projektiranje robusnih sustava za pohranu energije: Globalni vodič

Sustavi za pohranu energije (ESS) postaju sve važniji u globalnom energetskom krajoliku. Omogućuju integraciju obnovljivih izvora energije, poboljšavaju stabilnost mreže, smanjuju troškove energije i pružaju rezervno napajanje tijekom prekida. Ovaj sveobuhvatni vodič istražuje ključna razmatranja u projektiranju robusnih i učinkovitih ESS-ova za različite primjene diljem svijeta.

1. Razumijevanje osnova sustava za pohranu energije

ESS je sustav koji pohranjuje energiju proizvedenu u jednom trenutku za korištenje u kasnijem trenutku. Obuhvaća različite tehnologije, svaka sa svojim karakteristikama i prikladnošću za različite primjene. Osnovne komponente ESS-a obično uključuju:

• Tehnologija pohrane energije: Ključna komponenta odgovorna za pohranu energije, kao što su baterije, zamašnjaci ili pohrana energije komprimiranim zrakom (CAES).
• Sustav za pretvorbu snage (PCS): Pretvara istosmjernu struju iz tehnologije pohrane u izmjeničnu struju za povezivanje na mrežu ili izmjenična opterećenja, i obrnuto za punjenje.
• Sustav za upravljanje energijom (EMS): Upravljački sustav koji nadzire i upravlja protokom energije unutar ESS-a, optimizirajući performanse i osiguravajući siguran rad.
• Pomoćni sustavi (BOP): Uključuje sve ostale komponente potrebne za rad ESS-a, kao što su sklopni uređaji, transformatori, rashladni sustavi i sigurnosna oprema.

1.1 Uobičajene tehnologije za pohranu energije

Izbor tehnologije za pohranu energije ovisi o faktorima kao što su energetski kapacitet, snaga, vrijeme odziva, životni vijek ciklusa, učinkovitost, cijena i utjecaj na okoliš.

• Litij-ionske baterije: Najraširenija tehnologija zbog visoke gustoće energije, brzog vremena odziva i relativno dugog životnog vijeka ciklusa. Prikladne za širok raspon primjena, od stambenih do mrežnih razmjera. Na primjer, u Južnoj Australiji, Hornsdale Power Reserve (Teslina baterija) koristi litij-ionsku tehnologiju za pružanje usluga stabilizacije mreže.
• Olovno-kiselinske baterije: Zrela i isplativa tehnologija, ali s nižom gustoćom energije i kraćim životnim vijekom ciklusa u usporedbi s litij-ionskim. Često se koriste za rezervno napajanje i neprekidne izvore napajanja (UPS).
• Protočne baterije: Nude visoku skalabilnost i dug životni vijek ciklusa, što ih čini prikladnima za primjene na mrežnoj razini koje zahtijevaju dugotrajnu pohranu. Vanadijeve redoks protočne baterije (VRFB) su čest tip. Na primjer, Sumitomo Electric Industries je implementirao VRFB sustave u Japanu i drugim zemljama.
• Natrij-ionske baterije: Pojavljuju se kao obećavajuća alternativa litij-ionskim, nudeći potencijalno niže troškove i veću sigurnost. Istraživanje i razvoj su u tijeku na globalnoj razini.
• Zamašnjaci: Pohranjuju energiju kao kinetičku energiju u rotirajućoj masi. Nude vrlo brzo vrijeme odziva i visoku gustoću snage, što ih čini prikladnima za regulaciju frekvencije i primjene kvalitete napajanja.
• Pohrana energije komprimiranim zrakom (CAES): Pohranjuje energiju komprimiranjem zraka i otpuštanjem ga za pogon turbine po potrebi. Prikladno za velike, dugotrajne pohrane.
• Crpne hidroelektrane (PHS): Najzreliji i najrašireniji oblik pohrane energije, koristeći vodu koja se pumpa između rezervoara na različitim visinama. Prikladno za velike, dugotrajne pohrane.

2. Definiranje zahtjeva i ciljeva sustava

Prije početka procesa projektiranja, ključno je jasno definirati zahtjeve i ciljeve sustava. To uključuje razmatranje sljedećih faktora:

• Primjena: Je li ESS namijenjen za stambene, komercijalne, industrijske ili mrežne primjene?
• Pružene usluge: Koje će usluge ESS pružati, kao što su smanjenje vršnog opterećenja, premještanje opterećenja, regulacija frekvencije, podrška naponu, rezervno napajanje ili integracija obnovljive energije?
• Zahtjevi za energijom i snagom: Koliko energije treba pohraniti i koja je potrebna izlazna snaga?
• Trajanje pražnjenja: Koliko dugo ESS treba pružati snagu na potrebnoj izlaznoj snazi?
• Životni vijek ciklusa: Koliko se ciklusa punjenja-pražnjenja očekuje tijekom životnog vijeka ESS-a?
• Uvjeti okoline: Koja je temperatura okoline, vlažnost i drugi uvjeti okoline u kojima će ESS raditi?
• Zahtjevi za povezivanje na mrežu: Koji su standardi i zahtjevi za međusobno povezivanje s mrežom u određenoj regiji?
• Proračun: Koji je raspoloživi proračun za projekt ESS-a?

2.1 Primjer: Stambeni ESS za vlastitu potrošnju solarne energije

Stambeni ESS dizajniran za vlastitu potrošnju solarne energije ima za cilj maksimizirati korištenje lokalno proizvedene solarne energije i smanjiti ovisnost o mreži. Zahtjevi sustava mogu uključivati:

• Energetski kapacitet: Dovoljan za pohranu viška solarne energije proizvedene tijekom dana za korištenje tijekom večeri i noći. Tipičan stambeni sustav može imati kapacitet od 5-15 kWh.
• Nazivna snaga: Dovoljna za napajanje bitnih opterećenja u kući tijekom vršne potražnje. Tipičan stambeni sustav može imati nazivnu snagu od 3-5 kW.
• Trajanje pražnjenja: Dovoljno dugo da pokrije večernje i noćne sate kada je proizvodnja solarne energije niska ili nepostojeća.
• Životni vijek ciklusa: Dovoljno visok da osigura dug životni vijek, jer će se sustav svakodnevno ciklirati.

3. Dimenzioniranje sustava za pohranu energije

Dimenzioniranje ESS-a je ključan korak koji uključuje određivanje optimalnog energetskog kapaciteta i nazivne snage kako bi se zadovoljili definirani zahtjevi. Potrebno je razmotriti nekoliko faktora:

• Profil opterećenja: Tipičan obrazac potrošnje energije opterećenja koje se opslužuje.
• Profil proizvodnje obnovljive energije: Očekivani obrazac proizvodnje energije iz obnovljivih izvora, kao što su sunce ili vjetar.
• Vršna potražnja: Maksimalna potražnja za snagom opterećenja.
• Dubina pražnjenja (DoD): Postotak kapaciteta baterije koji se isprazni tijekom svakog ciklusa. Veći DoD može smanjiti životni vijek baterije.
• Učinkovitost sustava: Ukupna učinkovitost ESS-a, uključujući bateriju, PCS i druge komponente.

3.1 Metode dimenzioniranja

Za dimenzioniranje ESS-a može se koristiti nekoliko metoda, uključujući:

• Pravilo palca: Korištenje općih smjernica temeljenih na tipičnim profilima opterećenja i obrascima proizvodnje obnovljive energije.
• Simulacijsko modeliranje: Korištenje softverskih alata za simulaciju performansi ESS-a u različitim scenarijima i optimizaciju veličine na temelju specifičnih zahtjeva. Primjeri uključuju HOMER Energy, EnergyPLAN i MATLAB.
• Optimizacijski algoritmi: Korištenje matematičkih optimizacijskih algoritama za određivanje optimalne veličine koja minimizira troškove ili maksimizira koristi.

3.2 Primjer: Dimenzioniranje komercijalnog ESS-a za smanjenje vršnog opterećenja

Komercijalni ESS dizajniran za smanjenje vršnog opterećenja ima za cilj smanjiti vršnu potražnju zgrade, čime se smanjuju troškovi električne energije. Proces dimenzioniranja može uključivati:

1. Analizu profila opterećenja zgrade kako bi se identificirala vršna potražnja i trajanje vrha.
2. Određivanje željenog smanjenja vršne potražnje.
3. Izračun potrebnog energetskog kapaciteta i nazivne snage na temelju smanjenja vršne potražnje i trajanja vrha.
4. Razmatranje DoD-a i učinkovitosti sustava kako bi se osiguralo da se baterija ne prekomjerno prazni i da sustav radi učinkovito.

4. Odabir odgovarajuće tehnologije

Odabir odgovarajuće tehnologije za pohranu energije ovisi o specifičnim zahtjevima primjene i karakteristikama različitih tehnologija. Treba provesti analizu kompromisa kako bi se procijenile različite opcije na temelju faktora kao što su:

• Performanse: Gustoća energije, gustoća snage, vrijeme odziva, učinkovitost, životni vijek ciklusa i osjetljivost na temperaturu.
• Trošak: Kapitalni trošak, operativni trošak i trošak održavanja.
• Sigurnost: Zapaljivost, toksičnost i rizik od toplinskog bijega.
• Utjecaj na okoliš: Dostupnost resursa, emisije pri proizvodnji i zbrinjavanje na kraju životnog vijeka.
• Skalabilnost: Sposobnost skaliranja sustava kako bi se zadovoljile buduće potrebe za pohranom energije.
• Zrelost: Razina tehnološke spremnosti i dostupnost komercijalnih proizvoda.

4.1 Matrica za usporedbu tehnologija

Matrica za usporedbu tehnologija može se koristiti za usporedbu različitih tehnologija za pohranu energije na temelju ključnih kriterija odabira. Ova matrica treba uključivati i kvantitativne i kvalitativne podatke kako bi pružila sveobuhvatan pregled prednosti i nedostataka svake tehnologije.

5. Projektiranje sustava za pretvorbu snage (PCS)

PCS je ključna komponenta ESS-a koja pretvara istosmjernu struju iz tehnologije pohrane u izmjeničnu struju za povezivanje na mrežu ili izmjenična opterećenja, i obrnuto za punjenje. Projekt PCS-a treba uzeti u obzir sljedeće faktore:

• Nazivna snaga: PCS treba biti dimenzioniran tako da odgovara nazivnoj snazi tehnologije za pohranu energije i opterećenju koje se opslužuje.
• Napon i struja: PCS mora biti kompatibilan s karakteristikama napona i struje tehnologije za pohranu energije i mreže ili opterećenja.
• Učinkovitost: PCS treba imati visoku učinkovitost kako bi se smanjili gubici energije.
• Upravljački sustav: PCS treba imati sofisticirani upravljački sustav koji može regulirati napon, struju i frekvenciju izmjenične struje.
• Povezivanje na mrežu: PCS mora zadovoljavati standarde i zahtjeve za međusobno povezivanje s mrežom u određenoj regiji.
• Zaštita: PCS treba imati ugrađene zaštitne značajke za zaštitu ESS-a od prenapona, prekomjerne struje i drugih kvarova.

5.1 Topologije PCS-a

Dostupno je nekoliko topologija PCS-a, svaka sa svojim prednostima i nedostacima. Uobičajene topologije uključuju:

• Centralni inverter: Jedan veliki inverter koji opslužuje cijeli sustav za pohranu energije.
• String inverter: Više manjih invertera spojenih na pojedinačne nizove baterijskih modula.
• Inverter na razini modula: Inverteri integrirani u svaki baterijski modul.

6. Razvoj sustava za upravljanje energijom (EMS)

EMS je mozak ESS-a, odgovoran za nadzor i kontrolu protoka energije unutar sustava. Projekt EMS-a treba uzeti u obzir sljedeće faktore:

• Upravljački algoritmi: EMS treba implementirati upravljačke algoritme koji mogu optimizirati performanse ESS-a na temelju specifičnih zahtjeva primjene.
• Prikupljanje podataka: EMS treba prikupljati podatke s različitih senzora i mjerača kako bi nadzirao performanse ESS-a.
• Komunikacija: EMS treba komunicirati s drugim sustavima, kao što su operator mreže ili sustav za upravljanje zgradom.
• Sigurnost: EMS treba imati robusne sigurnosne značajke za zaštitu ESS-a od kibernetičkih napada.
• Daljinski nadzor i upravljanje: EMS treba omogućiti daljinski nadzor i upravljanje ESS-om.

6.1 Funkcije EMS-a

EMS treba obavljati sljedeće funkcije:

• Procjena stanja napunjenosti (SoC): Točno procijeniti SoC baterije.
• Kontrola snage: Kontrolirati snagu punjenja i pražnjenja baterije.
• Kontrola napona i struje: Regulirati napon i struju PCS-a.
• Termalno upravljanje: Nadzirati i kontrolirati temperaturu baterije.
• Otkrivanje i zaštita od kvarova: Otkrivati i reagirati na kvarove u ESS-u.
• Zapisivanje podataka i izvještavanje: Zapisivati podatke o performansama ESS-a i generirati izvješća.

7. Osiguravanje sigurnosti i sukladnosti

Sigurnost je od najveće važnosti u projektiranju ESS-a. Projekt ESS-a mora biti u skladu sa svim primjenjivim sigurnosnim standardima i propisima, uključujući:

• IEC 62933: Sustavi za pohranu električne energije (EES) – Opći zahtjevi.
• UL 9540: Sustavi i oprema za pohranu energije.
• Lokalni protupožarni i građevinski propisi.

7.1 Sigurnosna razmatranja

Ključna sigurnosna razmatranja uključuju:

• Sigurnost baterije: Odabir baterija s robusnim sigurnosnim značajkama i implementacija odgovarajućih sustava za termalno upravljanje kako bi se spriječio toplinski bijeg.
• Sustavi za gašenje požara: Instaliranje sustava za gašenje požara radi ublažavanja rizika od požara.
• Ventilacija: Osiguravanje odgovarajuće ventilacije kako bi se spriječilo nakupljanje zapaljivih plinova.
• Električna sigurnost: Implementacija pravilnog uzemljenja i izolacije radi sprječavanja električnih udara.
• Hitno isključivanje: Osiguravanje postupaka i opreme za hitno isključivanje.

7.2 Globalni standardi i propisi

Različite zemlje i regije imaju vlastite standarde i propise za ESS. Važno je biti svjestan tih zahtjeva i osigurati da je projekt ESS-a u skladu s njima. Na primjer:

• Europa: Europska unija ima propise o sigurnosti baterija, recikliranju i utjecaju na okoliš.
• Sjeverna Amerika: Sjedinjene Države i Kanada imaju standarde za sigurnost ESS-a i povezivanje na mrežu.
• Azija: Zemlje poput Kine, Japana i Južne Koreje imaju vlastite standarde i propise za ESS.

8. Planiranje instalacije i puštanja u pogon

Pravilno planiranje instalacije i puštanja u pogon ključno je za uspješan projekt ESS-a. To uključuje:

• Odabir lokacije: Odabir prikladne lokacije za ESS, uzimajući u obzir faktore kao što su prostor, pristup i uvjeti okoline.
• Dobivanje dozvola: Dobivanje svih potrebnih dozvola i odobrenja od lokalnih vlasti.
• Instalacija: Pridržavanje pravilnih postupaka instalacije i korištenje kvalificiranih izvođača.
• Puštanje u pogon: Testiranje i provjera performansi ESS-a prije stavljanja u rad.
• Obuka: Pružanje obuke osoblju koje će upravljati i održavati ESS.

8.1 Najbolje prakse za instalaciju

Najbolje prakse za instalaciju uključuju:

• Slijeđenje uputa proizvođača.
• Korištenje kalibriranih alata i opreme.
• Dokumentiranje svih koraka instalacije.
• Provođenje temeljitih inspekcija.

9. Rad i održavanje

Redoviti rad i održavanje ključni su za osiguravanje dugoročnih performansi i pouzdanosti ESS-a. To uključuje:

• Nadzor: Kontinuirano praćenje performansi ESS-a.
• Preventivno održavanje: Obavljanje redovitih zadataka održavanja, kao što su čišćenje, inspekcija i testiranje.
• Korektivno održavanje: Popravak ili zamjena neispravnih komponenti.
• Analiza podataka: Analiza podataka o performansama ESS-a radi identificiranja potencijalnih problema i optimizacije rada.

9.1 Raspored održavanja

Raspored održavanja treba razviti na temelju preporuka proizvođača i specifičnih radnih uvjeta ESS-a. Ovaj raspored treba uključivati i rutinske zadatke i sveobuhvatnije inspekcije.

10. Analiza troškova i ekonomska isplativost

Temeljita analiza troškova ključna je za utvrđivanje ekonomske isplativosti projekta ESS-a. Ova analiza treba uzeti u obzir sljedeće troškove:

• Kapitalni troškovi: Početni trošak ESS-a, uključujući bateriju, PCS, EMS i pomoćne sustave.
• Troškovi instalacije: Trošak instalacije ESS-a.
• Operativni troškovi: Trošak rada ESS-a, uključujući potrošnju električne energije i održavanje.
• Troškovi održavanja: Trošak održavanja ESS-a.
• Troškovi zamjene: Trošak zamjene baterije ili drugih komponenti.

Također treba uzeti u obzir prednosti ESS-a, kao što su:

• Uštede na troškovima energije: Uštede od smanjenja vršnog opterećenja, premještanja opterećenja i smanjenih naknada za potražnju.
• Stvaranje prihoda: Prihodi od pružanja mrežnih usluga, kao što su regulacija frekvencije i podrška naponu.
• Rezervno napajanje: Vrijednost pružanja rezervnog napajanja tijekom prekida.
• Integracija obnovljive energije: Vrijednost omogućavanja integracije obnovljivih izvora energije.

10.1 Ekonomski pokazatelji

Uobičajeni ekonomski pokazatelji koji se koriste za procjenu projekata ESS-a uključuju:

• Neto sadašnja vrijednost (NPV): Sadašnja vrijednost svih budućih novčanih tokova, umanjena za početnu investiciju.
• Interna stopa povrata (IRR): Diskontna stopa po kojoj je NPV jednak nuli.
• Razdoblje povrata: Vrijeme potrebno da kumulativni novčani tokovi budu jednaki početnoj investiciji.
• Nivelirani trošak pohrane energije (LCOS): Trošak pohrane energije tijekom životnog vijeka ESS-a.

11. Budući trendovi u pohrani energije

Industrija pohrane energije se brzo razvija, s novim tehnologijama i primjenama koje se neprestano pojavljuju. Neki ključni trendovi uključuju:

• Smanjenje troškova baterija: Troškovi baterija brzo opadaju, čineći ESS ekonomski isplativijim.
• Napredak u tehnologiji baterija: Razvijaju se nove tehnologije baterija s većom gustoćom energije, duljim životnim vijekom ciklusa i poboljšanom sigurnošću.
• Povećana integracija u mrežu: ESS igra sve važniju ulogu u stabilizaciji mreže i integraciji obnovljive energije.
• Pojava novih primjena: Pojavljuju se nove primjene za ESS, kao što su punjenje električnih vozila i mikromreže.
• Razvoj novih poslovnih modela: Razvijaju se novi poslovni modeli za ESS, kao što je pohrana energije kao usluga.

12. Zaključak

Projektiranje robusnih i učinkovitih sustava za pohranu energije zahtijeva pažljivo razmatranje različitih faktora, uključujući odabir tehnologije, dimenzioniranje, sigurnost i ekonomiju. Slijedeći smjernice navedene u ovom vodiču, inženjeri i voditelji projekata mogu dizajnirati ESS koji zadovoljava specifične potrebe njihovih primjena i doprinosi održivijoj energetskoj budućnosti. Globalna primjena ESS-a ključna je za omogućavanje prijelaza na čišći i otporniji energetski sustav, a razumijevanje načela projektiranja ESS-a presudno je za postizanje tog cilja.