Проєктування надійних систем накопичення енергії: Глобальний посібник

Системи накопичення енергії (СНЕ) стають все більш важливими у світовому енергетичному ландшафті. Вони дозволяють інтегрувати відновлювані джерела енергії, підвищують стабільність мережі, знижують витрати на електроенергію та забезпечують резервне живлення під час відключень. Цей комплексний посібник розглядає ключові аспекти проєктування надійних та ефективних СНЕ для різноманітних застосувань у всьому світі.

1. Основи систем накопичення енергії

СНЕ — це система, яка накопичує енергію, вироблену в один час, для використання в інший. Вона охоплює різноманітні технології, кожна з яких має свої характеристики та придатність для різних застосувань. Основні компоненти СНЕ зазвичай включають:

• Технологія накопичення енергії: Основний компонент, що відповідає за зберігання енергії, такий як акумулятори, маховики або системи накопичення енергії на стисненому повітрі (CAES).
• Система перетворення потужності (СПП): Перетворює постійний струм від накопичувача на змінний струм для підключення до мережі або живлення споживачів змінного струму, і навпаки для заряджання.
• Система керування енергією (СКЕ): Система контролю, яка відстежує та керує потоками енергії в межах СНЕ, оптимізуючи її продуктивність та забезпечуючи безпечну роботу.
• Допоміжне обладнання системи (ДОС): Включає всі інші компоненти, необхідні для роботи СНЕ, такі як розподільні пристрої, трансформатори, системи охолодження та обладнання для забезпечення безпеки.

1.1 Поширені технології накопичення енергії

Вибір технології накопичення енергії залежить від таких факторів, як енергоємність, номінальна потужність, час відгуку, циклічний ресурс, ефективність, вартість та вплив на навколишнє середовище.

• Літій-іонні батареї: Найпоширеніша технологія завдяки високій щільності енергії, швидкому часу відгуку та відносно довгому циклічному ресурсу. Підходить для широкого спектра застосувань, від житлових до промислових. Наприклад, у Південній Австралії Hornsdale Power Reserve (батарея Tesla) використовує літій-іонну технологію для надання послуг зі стабілізації мережі.
• Свинцево-кислотні батареї: Зріла та економічно ефективна технологія, але з нижчою щільністю енергії та коротшим циклічним ресурсом порівняно з літій-іонними. Часто використовується для резервного живлення та джерел безперебійного живлення (ДБЖ).
• Проточні батареї: Пропонують високу масштабованість та довгий циклічний ресурс, що робить їх придатними для промислових застосувань, які вимагають тривалого зберігання. Ванадієві окисно-відновні проточні батареї (VRFB) є поширеним типом. Наприклад, Sumitomo Electric Industries впровадила системи VRFB в Японії та інших країнах.
• Натрій-іонні батареї: З'являються як перспективна альтернатива літій-іонним, пропонуючи потенційно нижчу вартість та вищу безпеку. Дослідження та розробки тривають у всьому світі.
• Маховики: Зберігають енергію у вигляді кінетичної енергії обертової маси. Пропонують дуже швидкий час відгуку та високу щільність потужності, що робить їх придатними для регулювання частоти та застосувань для покращення якості електроенергії.
• Накопичення енергії у стисненому повітрі (CAES): Зберігає енергію шляхом стиснення повітря та його випуску для приводу турбіни за потреби. Підходить для великомасштабного, тривалого зберігання.
• Гідроакумулююча електростанція (ГАЕС): Найбільш зріла та широко розповсюджена форма накопичення енергії, що використовує воду, яка перекачується між резервуарами на різних висотах. Підходить для великомасштабного, тривалого зберігання.

2. Визначення вимог та цілей системи

Перед початком процесу проєктування надзвичайно важливо чітко визначити вимоги та цілі системи. Це включає розгляд наступних факторів:

• Застосування: Чи призначена СНЕ для житлових, комерційних, промислових чи мережевих застосувань?
• Послуги, що надаються: Які послуги надаватиме СНЕ, наприклад, згладжування пікових навантажень, перенесення навантаження, регулювання частоти, підтримка напруги, резервне живлення або інтеграція відновлюваної енергії?
• Вимоги до енергії та потужності: Скільки енергії потрібно зберігати, і яка необхідна вихідна потужність?
• Тривалість розряду: Як довго СНЕ повинна забезпечувати живлення при необхідній вихідній потужності?
• Циклічний ресурс: Скільки циклів заряду-розряду очікується протягом терміну служби СНЕ?
• Умови навколишнього середовища: Яка температура навколишнього середовища, вологість та інші умови, в яких буде працювати СНЕ?
• Вимоги до підключення до мережі: Які стандарти та вимоги до підключення до мережі в конкретному регіоні?
• Бюджет: Який доступний бюджет для проєкту СНЕ?

2.1 Приклад: Житлова СНЕ для власного споживання сонячної енергії

Житлова СНЕ, розроблена для власного споживання сонячної енергії, має на меті максимізувати використання локально виробленої сонячної енергії та зменшити залежність від мережі. Вимоги до системи можуть включати:

• Енергоємність: Достатня для зберігання надлишкової сонячної енергії, виробленої вдень, для використання ввечері та вночі. Типова житлова система може мати ємність 5-15 кВт·год.
• Номінальна потужність: Достатня для живлення основних навантажень у будинку під час пікового попиту. Типова житлова система може мати номінальну потужність 3-5 кВт.
• Тривалість розряду: Достатньо довга, щоб покрити вечірні та нічні години, коли вироблення сонячної енергії низьке або відсутнє.
• Циклічний ресурс: Достатньо високий, щоб забезпечити довгий термін служби, оскільки система буде циклуватися щодня.

3. Визначення розміру системи накопичення енергії

Визначення розміру СНЕ є критичним кроком, який включає визначення оптимальної енергоємності та номінальної потужності для задоволення визначених вимог. Необхідно враховувати кілька факторів:

• Профіль навантаження: Типова схема споживання енергії навантаженням, що обслуговується.
• Профіль генерації відновлюваної енергії: Очікувана схема генерації енергії з відновлюваних джерел, таких як сонце або вітер.
• Піковий попит: Максимальна потреба в потужності навантаження.
• Глибина розряду (DoD): Відсоток ємності батареї, що розряджається протягом кожного циклу. Вищий DoD може скоротити термін служби батареї.
• Ефективність системи: Загальна ефективність СНЕ, включаючи батарею, СПП та інші компоненти.

3.1 Методи визначення розміру

Для визначення розміру СНЕ можна використовувати кілька методів, зокрема:

• Практичні правила: Використання загальних рекомендацій на основі типових профілів навантаження та схем генерації відновлюваної енергії.
• Симуляційне моделювання: Використання програмних інструментів для моделювання продуктивності СНЕ за різних сценаріїв та оптимізації розміру на основі конкретних вимог. Приклади включають HOMER Energy, EnergyPLAN та MATLAB.
• Алгоритми оптимізації: Використання математичних алгоритмів оптимізації для визначення оптимального розміру, що мінімізує витрати або максимізує переваги.

3.2 Приклад: Визначення розміру комерційної СНЕ для згладжування піків

Комерційна СНЕ, призначена для згладжування пікових навантажень, має на меті зменшити піковий попит будівлі, тим самим знижуючи витрати на електроенергію. Процес визначення розміру може включати:

1. Аналіз профілю навантаження будівлі для визначення пікового попиту та тривалості піку.
2. Визначення бажаного зменшення пікового попиту.
3. Розрахунок необхідної енергоємності та номінальної потужності на основі зменшення пікового попиту та тривалості піку.
4. Врахування DoD та ефективності системи для забезпечення того, щоб батарея не була надмірно розряджена, і система працювала ефективно.

4. Вибір відповідної технології

Вибір відповідної технології накопичення енергії залежить від конкретних вимог застосування та характеристик різних технологій. Слід провести порівняльний аналіз для оцінки різних варіантів на основі таких факторів, як:

• Продуктивність: Щільність енергії, щільність потужності, час відгуку, ефективність, циклічний ресурс та чутливість до температури.
• Вартість: Капітальні витрати, операційні витрати та витрати на технічне обслуговування.
• Безпека: Займистість, токсичність та ризик теплового розгону.
• Вплив на навколишнє середовище: Доступність ресурсів, викиди при виробництві та утилізація в кінці терміну служби.
• Масштабованість: Здатність масштабувати систему для задоволення майбутніх потреб у накопиченні енергії.
• Зрілість: Рівень готовності технології та наявність комерційних продуктів.

4.1 Матриця порівняння технологій

Матриця порівняння технологій може бути використана для порівняння різних технологій накопичення енергії на основі ключових критеріїв вибору. Ця матриця повинна містити як кількісні, так і якісні дані для надання всебічного огляду переваг та недоліків кожної технології.

5. Проєктування системи перетворення потужності (СПП)

СПП є критичним компонентом СНЕ, який перетворює постійний струм від накопичувача на змінний струм для підключення до мережі або живлення споживачів змінного струму, і навпаки для заряджання. При проєктуванні СПП слід враховувати наступні фактори:

• Номінальна потужність: СПП повинна бути розрахована відповідно до номінальної потужності технології накопичення енергії та навантаження, що обслуговується.
• Напруга та струм: СПП повинна бути сумісною з характеристиками напруги та струму технології накопичення енергії та мережі або навантаження.
• Ефективність: СПП повинна мати високу ефективність для мінімізації втрат енергії.
• Система керування: СПП повинна мати складну систему керування, яка може регулювати напругу, струм та частоту змінного струму.
• Підключення до мережі: СПП повинна відповідати стандартам та вимогам до підключення до мережі в конкретному регіоні.
• Захист: СПП повинна мати вбудовані функції захисту для захисту СНЕ від перенапруги, перевантаження по струму та інших несправностей.

5.1 Топології СПП

Існує кілька топологій СПП, кожна з яких має свої переваги та недоліки. Поширені топології включають:

• Центральний інвертор: Один великий інвертор, який обслуговує всю систему накопичення енергії.
• Стрінговий інвертор: Кілька менших інверторів, підключених до окремих стрінгів акумуляторних модулів.
• Інвертор на рівні модуля: Інвертори, інтегровані в кожен акумуляторний модуль.

6. Розробка системи керування енергією (СКЕ)

СКЕ — це «мозок» СНЕ, відповідальний за моніторинг та контроль потоку енергії в системі. При розробці СКЕ слід враховувати наступні фактори:

• Алгоритми керування: СКЕ повинна реалізовувати алгоритми керування, які можуть оптимізувати продуктивність СНЕ на основі конкретних вимог застосування.
• Збір даних: СКЕ повинна збирати дані з різних датчиків та лічильників для моніторингу продуктивності СНЕ.
• Комунікація: СКЕ повинна взаємодіяти з іншими системами, такими як оператор мережі або система управління будівлею.
• Безпека: СКЕ повинна мати надійні функції безпеки для захисту СНЕ від кібератак.
• Віддалений моніторинг та керування: СКЕ повинна дозволяти віддалений моніторинг та керування СНЕ.

6.1 Функції СКЕ

СКЕ повинна виконувати наступні функції:

• Оцінка рівня заряду (SoC): Точно оцінювати рівень заряду батареї.
• Контроль потужності: Контролювати потужність заряду та розряду батареї.
• Контроль напруги та струму: Регулювати напругу та струм СПП.
• Управління температурою: Моніторити та контролювати температуру батареї.
• Виявлення несправностей та захист: Виявляти та реагувати на несправності в СНЕ.
• Реєстрація даних та звітність: Реєструвати дані про продуктивність СНЕ та генерувати звіти.

7. Забезпечення безпеки та відповідності стандартам

Безпека є першочерговою при проєктуванні СНЕ. Проєкт СНЕ повинен відповідати всім чинним стандартам та нормам безпеки, зокрема:

• IEC 62933: Системи накопичення електричної енергії (EES) – Загальні вимоги.
• UL 9540: Системи та обладнання для накопичення енергії.
• Місцеві пожежні норми та будівельні кодекси.

7.1 Аспекти безпеки

Ключові аспекти безпеки включають:

• Безпека батареї: Вибір батарей з надійними функціями безпеки та впровадження відповідних систем управління температурою для запобігання тепловому розгону.
• Пожежогасіння: Встановлення систем пожежогасіння для зменшення ризику пожежі.
• Вентиляція: Забезпечення належної вентиляції для запобігання накопиченню легкозаймистих газів.
• Електрична безпека: Впровадження належного заземлення та ізоляції для запобігання ураженню електричним струмом.
• Аварійне відключення: Надання процедур та обладнання для аварійного відключення.

7.2 Глобальні стандарти та регуляції

Різні країни та регіони мають власні стандарти та регуляції для СНЕ. Важливо знати про ці вимоги та забезпечити їх дотримання при проєктуванні СНЕ. Наприклад:

• Європа: Європейський Союз має регуляції щодо безпеки батарей, їх переробки та впливу на навколишнє середовище.
• Північна Америка: США та Канада мають стандарти щодо безпеки СНЕ та підключення до мережі.
• Азія: Країни, такі як Китай, Японія та Південна Корея, мають власні стандарти та регуляції для СНЕ.

8. Планування встановлення та введення в експлуатацію

Належне планування встановлення та введення в експлуатацію є важливим для успішного проєкту СНЕ. Це включає:

• Вибір місця: Вибір відповідного місця для СНЕ з урахуванням таких факторів, як простір, доступ та умови навколишнього середовища.
• Отримання дозволів: Отримання всіх необхідних дозволів та погоджень від місцевих органів влади.
• Встановлення: Дотримання належних процедур встановлення та залучення кваліфікованих підрядників.
• Введення в експлуатацію: Тестування та перевірка продуктивності СНЕ перед запуском в роботу.
• Навчання: Проведення навчання для персоналу, який буде експлуатувати та обслуговувати СНЕ.

8.1 Найкращі практики встановлення

Найкращі практики встановлення включають:

• Дотримання інструкцій виробника.
• Використання каліброваних інструментів та обладнання.
• Документування всіх етапів встановлення.
• Проведення ретельних перевірок.

9. Експлуатація та технічне обслуговування

Регулярна експлуатація та технічне обслуговування є важливими для забезпечення довгострокової продуктивності та надійності СНЕ. Це включає:

• Моніторинг: Постійний моніторинг продуктивності СНЕ.
• Профілактичне обслуговування: Виконання регулярних завдань з технічного обслуговування, таких як чищення, огляд та тестування.
• Коригувальне обслуговування: Ремонт або заміна несправних компонентів.
• Аналіз даних: Аналіз даних про продуктивність СНЕ для виявлення потенційних проблем та оптимізації роботи.

9.1 Графік технічного обслуговування

Графік технічного обслуговування повинен бути розроблений на основі рекомендацій виробника та конкретних умов експлуатації СНЕ. Цей графік повинен включати як рутинні завдання, так і більш комплексні перевірки.

10. Аналіз витрат та економічна доцільність

Ретельний аналіз витрат є важливим для визначення економічної доцільності проєкту СНЕ. Цей аналіз повинен враховувати наступні витрати:

• Капітальні витрати: Початкова вартість СНЕ, включаючи батарею, СПП, СКЕ та допоміжне обладнання.
• Витрати на встановлення: Вартість встановлення СНЕ.
• Операційні витрати: Вартість експлуатації СНЕ, включаючи споживання електроенергії та обслуговування.
• Витрати на технічне обслуговування: Вартість обслуговування СНЕ.
• Витрати на заміну: Вартість заміни батареї або інших компонентів.

Також слід враховувати переваги СНЕ, такі як:

• Економія на вартості енергії: Економія від згладжування піків, перенесення навантаження та зменшення плати за піковий попит.
• Генерація доходу: Дохід від надання послуг мережі, таких як регулювання частоти та підтримка напруги.
• Резервне живлення: Цінність забезпечення резервного живлення під час відключень.
• Інтеграція відновлюваної енергії: Цінність забезпечення інтеграції відновлюваних джерел енергії.

10.1 Економічні показники

Поширені економічні показники, що використовуються для оцінки проєктів СНЕ, включають:

• Чиста приведена вартість (NPV): Приведена вартість усіх майбутніх грошових потоків за вирахуванням початкових інвестицій.
• Внутрішня норма прибутковості (IRR): Ставка дисконтування, при якій NPV дорівнює нулю.
• Період окупності: Час, необхідний для того, щоб сукупні грошові потоки дорівнювали початковим інвестиціям.
• Нормована вартість накопичення енергії (LCOS): Вартість зберігання енергії протягом терміну служби СНЕ.

11. Майбутні тенденції в накопиченні енергії

Галузь накопичення енергії швидко розвивається, постійно з'являються нові технології та застосування. Деякі ключові тенденції включають:

• Зниження вартості батарей: Вартість батарей стрімко знижується, що робить СНЕ більш економічно доцільними.
• Досягнення в технології батарей: Розробляються нові технології батарей з вищою щільністю енергії, довшим циклічним ресурсом та покращеною безпекою.
• Збільшення інтеграції в мережу: СНЕ відіграють все більш важливу роль у стабілізації мережі та інтеграції відновлюваної енергії.
• Поява нових застосувань: З'являються нові застосування для СНЕ, такі як зарядка електромобілів та мікромережі.
• Розвиток нових бізнес-моделей: Розробляються нові бізнес-моделі для СНЕ, такі як накопичення енергії як послуга.

12. Висновок

Проєктування надійних та ефективних систем накопичення енергії вимагає ретельного розгляду різних факторів, включаючи вибір технології, визначення розміру, безпеку та економіку. Дотримуючись рекомендацій, викладених у цьому посібнику, інженери та розробники проєктів можуть проєктувати СНЕ, які відповідають конкретним потребам їхніх застосувань та сприяють більш сталому енергетичному майбутньому. Глобальне впровадження СНЕ є важливим для переходу до більш чистої та стійкої енергетичної системи, і розуміння принципів проєктування СНЕ є вирішальним для досягнення цієї мети.