Проектирование надежных систем хранения энергии: глобальное руководство

Системы хранения энергии (ESS) становятся все более важными в мировом энергетическом ландшафте. Они обеспечивают интеграцию возобновляемых источников энергии, повышают стабильность сети, снижают затраты на энергию и обеспечивают резервное питание во время отключений. В этом комплексном руководстве рассматриваются ключевые аспекты проектирования надежных и эффективных ESS для различных применений по всему миру.

1. Основные принципы систем хранения энергии

ESS — это система, которая накапливает энергию, произведенную в один момент времени, для использования в другой. Она включает в себя различные технологии, каждая из которых имеет свои особенности и подходит для разных применений. Основные компоненты ESS обычно включают:

• Технология хранения энергии: Основной компонент, отвечающий за хранение энергии, такой как аккумуляторы, маховики или системы хранения энергии на сжатом воздухе (CAES).
• Система преобразования мощности (PCS): Преобразует постоянный ток от накопителя в переменный ток для подключения к сети или для нагрузок переменного тока, и наоборот для зарядки.
• Система управления энергией (EMS): Система управления, которая отслеживает и управляет потоком энергии внутри ESS, оптимизируя производительность и обеспечивая безопасную работу.
• Вспомогательное оборудование (BOP): Включает все остальные компоненты, необходимые для работы ESS, такие как распределительные устройства, трансформаторы, системы охлаждения и оборудование для обеспечения безопасности.

1.1 Распространенные технологии хранения энергии

Выбор технологии хранения энергии зависит от таких факторов, как энергоемкость, номинальная мощность, время отклика, срок службы, эффективность, стоимость и воздействие на окружающую среду.

• Литий-ионные аккумуляторы: Наиболее широко используемая технология благодаря высокой плотности энергии, быстрому времени отклика и относительно долгому сроку службы. Подходят для широкого спектра применений, от бытовых до сетевых. Например, в Южной Австралии Hornsdale Power Reserve (аккумулятор Tesla) использует литий-ионную технологию для предоставления услуг по стабилизации сети.
• Свинцово-кислотные аккумуляторы: Зрелая и экономически выгодная технология, но с более низкой плотностью энергии и более коротким сроком службы по сравнению с литий-ионными. Часто используются для резервного питания и источников бесперебойного питания (ИБП).
• Проточные аккумуляторы: Обеспечивают высокую масштабируемость и длительный срок службы, что делает их подходящими для сетевых применений, требующих длительного хранения. Ванадиевые окислительно-восстановительные проточные аккумуляторы (VRFB) являются распространенным типом. Например, Sumitomo Electric Industries развернула системы VRFB в Японии и других странах.
• Натрий-ионные аккумуляторы: Появляются как многообещающая альтернатива литий-ионным, предлагая потенциально более низкую стоимость и более высокую безопасность. Исследования и разработки ведутся по всему миру.
• Маховики: Хранят энергию в виде кинетической энергии вращающейся массы. Обеспечивают очень быстрое время отклика и высокую удельную мощность, что делает их подходящими для регулирования частоты и приложений по качеству электроэнергии.
• Системы хранения энергии на сжатом воздухе (CAES): Хранят энергию путем сжатия воздуха и его выпуска для привода турбины при необходимости. Подходят для крупномасштабного, длительного хранения.
• Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС): Самая зрелая и широко распространенная форма хранения энергии, использующая воду, перекачиваемую между резервуарами на разных высотах. Подходит для крупномасштабного, длительного хранения.

2. Определение требований и целей системы

Прежде чем приступать к процессу проектирования, крайне важно четко определить требования и цели системы. Это включает в себя рассмотрение следующих факторов:

• Применение: Предназначена ли ESS для бытовых, коммерческих, промышленных или сетевых применений?
• Предоставляемые услуги: Какие услуги будет предоставлять ESS, такие как сглаживание пиков нагрузки, перенос нагрузки, регулирование частоты, поддержка напряжения, резервное питание или интеграция возобновляемой энергии?
• Требования к энергии и мощности: Сколько энергии необходимо хранить и какова требуемая выходная мощность?
• Продолжительность разряда: Как долго ESS должна обеспечивать питание при требуемой выходной мощности?
• Срок службы (в циклах): Сколько циклов заряда-разряда ожидается в течение срока службы ESS?
• Условия окружающей среды: Каковы температура окружающей среды, влажность и другие условия, в которых будет работать ESS?
• Требования к подключению к сети: Каковы стандарты и требования к подключению к сети в конкретном регионе?
• Бюджет: Каков доступный бюджет для проекта ESS?

2.1 Пример: Бытовая ESS для собственного потребления солнечной энергии

Бытовая ESS, предназначенная для собственного потребления солнечной энергии, нацелена на максимальное использование локально произведенной солнечной энергии и снижение зависимости от сети. Требования к системе могут включать:

• Энергоемкость: Достаточная для хранения избыточной солнечной энергии, произведенной днем, для использования вечером и ночью. Типичная бытовая система может иметь емкость 5-15 кВт·ч.
• Номинальная мощность: Достаточная для питания основных нагрузок в доме во время пикового спроса. Типичная бытовая система может иметь номинальную мощность 3-5 кВт.
• Продолжительность разряда: Достаточно долгая, чтобы покрыть вечерние и ночные часы, когда выработка солнечной энергии низкая или отсутствует.
• Срок службы (в циклах): Достаточно высокий, чтобы обеспечить длительный срок службы, так как система будет циклироваться ежедневно.

3. Расчет размеров системы хранения энергии

Расчет размеров ESS является критически важным шагом, который включает определение оптимальной энергоемкости и номинальной мощности для удовлетворения определенных требований. Необходимо учесть несколько факторов:

• Профиль нагрузки: Типичная схема энергопотребления обслуживаемой нагрузки.
• Профиль генерации возобновляемой энергии: Ожидаемая схема выработки энергии из возобновляемого источника, такого как солнце или ветер.
• Пиковый спрос: Максимальный спрос на мощность нагрузки.
• Глубина разряда (DoD): Процент емкости аккумулятора, который разряжается в каждом цикле. Более высокая DoD может сократить срок службы аккумулятора.
• Эффективность системы: Общая эффективность ESS, включая аккумулятор, PCS и другие компоненты.

3.1 Методы расчета размеров

Для расчета размеров ESS можно использовать несколько методов, включая:

• Правило «большого пальца»: Использование общих рекомендаций, основанных на типичных профилях нагрузки и схемах выработки возобновляемой энергии.
• Имитационное моделирование: Использование программных инструментов для моделирования производительности ESS в различных сценариях и оптимизации размера на основе конкретных требований. Примеры включают HOMER Energy, EnergyPLAN и MATLAB.
• Алгоритмы оптимизации: Использование математических алгоритмов оптимизации для определения оптимального размера, который минимизирует затраты или максимизирует выгоды.

3.2 Пример: Расчет размеров коммерческой ESS для сглаживания пиков нагрузки

Коммерческая ESS, предназначенная для сглаживания пиков нагрузки, нацелена на снижение пикового спроса здания, тем самым снижая затраты на электроэнергию. Процесс расчета размеров может включать:

1. Анализ профиля нагрузки здания для выявления пикового спроса и продолжительности пика.
2. Определение желаемого снижения пикового спроса.
3. Расчет требуемой энергоемкости и номинальной мощности на основе снижения пикового спроса и продолжительности пика.
4. Учет DoD и эффективности системы для обеспечения того, чтобы аккумулятор не был чрезмерно разряжен и система работала эффективно.

4. Выбор подходящей технологии

Выбор подходящей технологии хранения энергии зависит от конкретных требований приложения и характеристик различных технологий. Следует провести сравнительный анализ для оценки различных вариантов на основе таких факторов, как:

• Производительность: Плотность энергии, удельная мощность, время отклика, эффективность, срок службы и чувствительность к температуре.
• Стоимость: Капитальные затраты, эксплуатационные расходы и расходы на техническое обслуживание.
• Безопасность: Воспламеняемость, токсичность и риск теплового разгона.
• Воздействие на окружающую среду: Доступность ресурсов, выбросы при производстве и утилизация по окончании срока службы.
• Масштабируемость: Способность масштабировать систему для удовлетворения будущих потребностей в хранении энергии.
• Зрелость: Уровень готовности технологии и наличие коммерческих продуктов.

4.1 Сравнительная матрица технологий

Сравнительная матрица технологий может использоваться для сравнения различных технологий хранения энергии на основе ключевых критериев выбора. Эта матрица должна включать как количественные, так и качественные данные, чтобы предоставить всесторонний обзор преимуществ и недостатков каждой технологии.

5. Проектирование системы преобразования мощности (PCS)

PCS является критически важным компонентом ESS, который преобразует постоянный ток от накопителя в переменный ток для подключения к сети или нагрузкам переменного тока, и наоборот для зарядки. При проектировании PCS следует учитывать следующие факторы:

• Номинальная мощность: PCS должна быть рассчитана в соответствии с номинальной мощностью технологии хранения энергии и обслуживаемой нагрузки.
• Напряжение и ток: PCS должна быть совместима с характеристиками напряжения и тока технологии хранения энергии и сети или нагрузки.
• Эффективность: PCS должна иметь высокую эффективность для минимизации потерь энергии.
• Система управления: PCS должна иметь сложную систему управления, которая может регулировать напряжение, ток и частоту переменного тока.
• Подключение к сети: PCS должна соответствовать стандартам и требованиям к подключению к сети в конкретном регионе.
• Защита: PCS должна иметь встроенные функции защиты для защиты ESS от перенапряжения, перегрузки по току и других неисправностей.

5.1 Топологии PCS

Существует несколько топологий PCS, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки. Распространенные топологии включают:

• Центральный инвертор: Один большой инвертор, обслуживающий всю систему хранения энергии.
• Стринговый инвертор: Несколько меньших инверторов, подключенных к отдельным цепочкам аккумуляторных модулей.
• Инвертор на уровне модуля: Инверторы, интегрированные в каждый аккумуляторный модуль.

6. Разработка системы управления энергией (EMS)

EMS — это «мозг» ESS, отвечающий за мониторинг и управление потоком энергии в системе. При проектировании EMS следует учитывать следующие факторы:

• Алгоритмы управления: EMS должна реализовывать алгоритмы управления, которые могут оптимизировать производительность ESS на основе конкретных требований приложения.
• Сбор данных: EMS должна собирать данные с различных датчиков и измерителей для мониторинга производительности ESS.
• Связь: EMS должна взаимодействовать с другими системами, такими как оператор сети или система управления зданием.
• Безопасность: EMS должна иметь надежные функции безопасности для защиты ESS от кибератак.
• Удаленный мониторинг и управление: EMS должна позволять осуществлять удаленный мониторинг и управление ESS.

6.1 Функции EMS

EMS должна выполнять следующие функции:

• Оценка состояния заряда (SoC): Точная оценка SoC аккумулятора.
• Управление мощностью: Управление мощностью заряда и разряда аккумулятора.
• Управление напряжением и током: Регулирование напряжения и тока PCS.
• Терморегулирование: Мониторинг и контроль температуры аккумулятора.
• Обнаружение неисправностей и защита: Обнаружение и реагирование на неисправности в ESS.
• Регистрация данных и отчетность: Регистрация данных о производительности ESS и создание отчетов.

7. Обеспечение безопасности и соответствия нормам

Безопасность является первостепенной задачей при проектировании ESS. Проект ESS должен соответствовать всем применимым стандартам и нормам безопасности, включая:

• МЭК 62933: Системы накопления электрической энергии (EES) — Общие требования.
• UL 9540: Системы и оборудование для хранения энергии.
• Местные пожарные и строительные нормы.

7.1 Вопросы безопасности

Ключевые вопросы безопасности включают:

• Безопасность аккумуляторов: Выбор аккумуляторов с надежными функциями безопасности и внедрение соответствующих систем терморегулирования для предотвращения теплового разгона.
• Пожаротушение: Установка систем пожаротушения для снижения риска пожара.
• Вентиляция: Обеспечение достаточной вентиляции для предотвращения накопления горючих газов.
• Электробезопасность: Реализация надлежащего заземления и изоляции для предотвращения поражения электрическим током.
• Аварийное отключение: Предоставление процедур и оборудования для аварийного отключения.

7.2 Глобальные стандарты и правила

В разных странах и регионах действуют свои стандарты и правила для ESS. Важно знать эти требования и обеспечивать их соблюдение при проектировании ESS. Например:

• Европа: Европейский Союз имеет нормативные акты по безопасности аккумуляторов, их переработке и воздействию на окружающую среду.
• Северная Америка: В США и Канаде действуют стандарты безопасности и подключения ESS к сети.
• Азия: Такие страны, как Китай, Япония и Южная Корея, имеют свои собственные стандарты и правила для ESS.

8. Планирование установки и ввода в эксплуатацию

Правильное планирование установки и ввода в эксплуатацию необходимо для успешного проекта ESS. Это включает:

• Выбор площадки: Выбор подходящего места для ESS с учетом таких факторов, как пространство, доступ и условия окружающей среды.
• Получение разрешений: Получение всех необходимых разрешений и согласований от местных властей.
• Установка: Соблюдение надлежащих процедур установки и использование квалифицированных подрядчиков.
• Ввод в эксплуатацию: Тестирование и проверка производительности ESS перед ее запуском в эксплуатацию.
• Обучение: Предоставление обучения персоналу, который будет эксплуатировать и обслуживать ESS.

8.1 Лучшие практики по установке

Лучшие практики по установке включают:

• Следование инструкциям производителя.
• Использование калиброванных инструментов и оборудования.
• Документирование всех этапов установки.
• Проведение тщательных проверок.

9. Эксплуатация и техническое обслуживание

Регулярная эксплуатация и техническое обслуживание необходимы для обеспечения долгосрочной производительности и надежности ESS. Это включает:

• Мониторинг: Постоянный мониторинг производительности ESS.
• Профилактическое обслуживание: Выполнение регулярных задач по техническому обслуживанию, таких как чистка, осмотр и тестирование.
• Корректирующее обслуживание: Ремонт или замена неисправных компонентов.
• Анализ данных: Анализ данных о производительности ESS для выявления потенциальных проблем и оптимизации работы.

9.1 График технического обслуживания

График технического обслуживания должен быть разработан на основе рекомендаций производителя и конкретных условий эксплуатации ESS. Этот график должен включать как рутинные задачи, так и более комплексные проверки.

10. Анализ затрат и экономическая целесообразность

Тщательный анализ затрат необходим для определения экономической целесообразности проекта ESS. Этот анализ должен учитывать следующие затраты:

• Капитальные затраты: Первоначальная стоимость ESS, включая аккумулятор, PCS, EMS и вспомогательное оборудование.
• Затраты на установку: Стоимость установки ESS.
• Эксплуатационные расходы: Стоимость эксплуатации ESS, включая потребление электроэнергии и техническое обслуживание.
• Затраты на техническое обслуживание: Стоимость обслуживания ESS.
• Затраты на замену: Стоимость замены аккумулятора или других компонентов.

Также следует учитывать выгоды от ESS, такие как:

• Экономия на затратах на энергию: Экономия за счет сглаживания пиков нагрузки, переноса нагрузки и снижения платы за пиковую мощность.
• Получение дохода: Доход от предоставления сетевых услуг, таких как регулирование частоты и поддержка напряжения.
• Резервное питание: Ценность обеспечения резервного питания во время отключений.
• Интеграция возобновляемой энергии: Ценность обеспечения интеграции возобновляемых источников энергии.

10.1 Экономические показатели

Общие экономические показатели, используемые для оценки проектов ESS, включают:

• Чистая приведенная стоимость (NPV): Текущая стоимость всех будущих денежных потоков за вычетом первоначальных инвестиций.
• Внутренняя норма доходности (IRR): Ставка дисконтирования, при которой NPV равна нулю.
• Срок окупаемости: Время, необходимое для того, чтобы совокупные денежные потоки сравнялись с первоначальными инвестициями.
• Приведенная стоимость хранения энергии (LCOS): Стоимость хранения энергии в течение срока службы ESS.

11. Будущие тенденции в области хранения энергии

Индустрия хранения энергии быстро развивается, постоянно появляются новые технологии и приложения. Некоторые ключевые тенденции включают:

• Снижение стоимости аккумуляторов: Стоимость аккумуляторов быстро снижается, делая ESS более экономически выгодными.
• Достижения в технологии аккумуляторов: Разрабатываются новые технологии аккумуляторов с более высокой плотностью энергии, более длительным сроком службы и повышенной безопасностью.
• Усиление интеграции с сетью: ESS играет все более важную роль в стабилизации сети и интеграции возобновляемой энергии.
• Появление новых приложений: Появляются новые приложения для ESS, такие как зарядка электромобилей и микросети.
• Развитие новых бизнес-моделей: Разрабатываются новые бизнес-модели для ESS, такие как хранение энергии как услуга.

12. Заключение

Проектирование надежных и эффективных систем хранения энергии требует тщательного рассмотрения различных факторов, включая выбор технологии, расчет размеров, безопасность и экономику. Следуя рекомендациям, изложенным в этом руководстве, инженеры и разработчики проектов могут проектировать ESS, которые отвечают конкретным потребностям их приложений и способствуют более устойчивому энергетическому будущему. Глобальное внедрение ESS необходимо для обеспечения перехода к более чистой и устойчивой энергетической системе, и понимание принципов проектирования ESS имеет решающее значение для достижения этой цели.