BESS: řešení proaktivního řízení energie

Obrovský nárůst obnovitelných zdrojů a globální tendence k efektivní spotřebě energie zvýšily zájem o řešení skladování energie a zejména o bateriové systémy skladování energie. Tento článek vám pomůže porozumět, o čem tyto systémy jsou a jaké jsou výhody jejich používání.

BESS: co za tím stojí?

Bateriový systém skladování energie („battery energy storage system“, BESS) je komplexní řešení, které využívá nabíjecí baterie ke skladování energie a k jejímu pozdějšímu uvolnění. Jednotlivé typy BESS odpovídají elektrochemii nebo využívaným bateriím – systémy mohou být založeny na lithium-iontových, olověných, nikl-kadmiových, sodík-sírových a průtokových bateriích. Systém skladování energie (ESS) je širší pojem a může se opírat o celou řadu jiných technologií než baterií, například o vodní energii, setrvačníky, stlačený vzduch a další.

Abychom pochopili, co BESS je a jak funguje, pomůže se podívat na jeho strukturu a základní prvky:

BATERIE

Elektrická energie dodávaná z různých zdrojů, jako jsou sluneční, větrné nebo jiné elektrárny, se během procesu nabíjení baterie mění na chemickou energii. Energie uvolněná z baterie při vybíjení může napájet domácnosti, vozidla, komerční budovy a sítě. Baterie se skládají z článků a mohou být uspořádány v modulech, blocích a kontejnerech.

SYSTÉM ŘÍZENÍ BATERIE (BMS)

BMS zajišťuje bezpečný a správný chod baterie. Každý typ baterie má určité podmínky nabíjení a vybíjení. BMS zajišťuje, že baterie zůstane v požadovaném rozsahu proudu, napětí a teploty. Monitorováním parametrů a odhadováním stavu nabití („state-of-charge“, SOC) a technického stavu („state-of-health“, SOH) baterie zajišťuje BMS spolehlivý a dlouhodobý výkon.

SYSTÉM PRO PŘEMĚNU ENERGIE (PCS)

Díky použití systému pro přeměnu energie převádí BESS stejnosměrný proud (DC) na střídavý proud (AC) a naopak. Střídavý proud proudí ze zdroje energie a během nabíjení baterie se mění na stejnosměrný. Když se baterie vybíjí, produkuje stejnosměrný proud, který se převádí zpět na střídavý proud nezbytný pro napájení aplikací BESS.

SYSTÉM MANAGEMENTU HOSPODAŘENÍ S ENERGIÍ (EMS)

EMS je řídicí jednotka bateriového systému skladování energie. Řídí výkon dostupný v BESS – konkrétně kdy, proč a v jakých množství energii akumulovat nebo uvolňovat. EMS spojuje prvky BESS dohromady a optimalizuje jeho celkový výkon.

BEZPEČNOSTNÍ SYSTÉMY

Může být nasazena řada bezpečnostních systémů, z nichž každý odpovídá za určitou úlohu. Například systém vzduchotechniky (HVAC) umožňuje BESS udržovat požadovanou teplotu a vlhkost vytápěním, větráním a klimatizací. Protipožární systém dokáže detekovat kouř a předcházet požárním událostem.

Obrázek 1: Typická struktura BESS. (Zdroj obrázku: společnost Integra Sources LLC)

Co systém BESS dokáže?

Bateriové systémy skladování energie dodávají každý rok energii tisícům domácností, podniků, závodů a komunit po celém světě. Liší se svým rozsahem a skladovací kapacitou.

Například Tesla Powerwall je s 13,5 kWh využitelné kapacity kompaktní zařízení, které může sloužit jako zdroj nepřerušovaného napájení pro jednu domácnost. Naproti tomu stojí energetický sklad Vistra Moss Landing s celkovou kapacitou 1 600 MWh – největší BESS na světě, který může zásobovat energií 300 000 domácností.

Navzdory rozdílům ve velikosti a kapacitě však BESS mohou plnit podobné funkce a řešit podobné problémy. Pojďme se zabývat případy, kdy do hry může vstupovat bateriové úložiště energie.

Integrace obnovitelné energie

BESS dokáže za všech okolností a za jakéhokoli počasí efektivně využívat solární a větrnou energii. Nabíjecí baterie mohou ukládat přebytečnou energii generovanou přerušovanými obnovitelnými zdroji. Později může být tato energie uvolňována podle potřeb uživatelů.

V kombinaci s řešeními bateriových úložišť mohou obnovitelné zdroje energie nahradit fosilní paliva a nabídnout mnoha různým aplikacím levnou a čistou energii. Integrace obnovitelných zdrojů se široce uplatňuje:

• na solárních a větrných farmách,
• v místech bez rozvodné sítě a v izolovaných komunitách (ostrovy a těžko přístupné oblasti),
• v domácích zařízeních pro skladování energie ve spojení se solárními panely (například Powerwall).

Kromě systémů bez rozvodné sítě může BESS výrazně podporovat řešení v síti a hybridní řešení pro obytné, komerční a průmyslové využívání.

Obrázek 2: Bateriové systémy skladování energie se široce využívají na solárních a větrných farmách. (Zdroj obrázku: společnost Integra Sources LLC)

Energetická arbitráž

Mezi poptávkou po elektřině a jejími náklady existuje pozitivní korelace. Cena energie se během špiček poptávky zvyšuje a s klesající poptávkou klesá. Energetická arbitráž, alias posunutí času, je to, co mohou spotřebitelé pomocí bateriového systému skladování využít.

Nabíjením baterie mimo špičku mohou spotřebitelé nakupovat levnou energii a ukládat ji pomocí vlastního BESS. Poté mohou počkat, až cena elektřiny stoupne, a baterii vybít, aby buď využili levnou energii, nebo ji prodali do sítě.

Domácnosti a podniky tak mohou efektivně řídit energetické zdroje a zároveň přitom snižovat náklady.

Řízení zátěže

Energie se spotřebovává v průběhu dne různě a v závislosti na ročním období dochází v různých časech ke špičkám a v jiných časech zase k poklesům. BESS umožňuje uživatelům procházet mezi těmito obdobími, upravovat spotřebu energie a šetřit náklady na elektřinu.

Jedním z nejoblíbenějších případů použití BESS v řízení zátěže je vyrovnávání špiček. Jde o snížení spotřeby energie během období špiček. Zároveň s tím mohou spotřebitelé stejně jako u energetické arbitráže snížit své výdaje.

Řešení bateriových úložišť může pomoci vyhnout se špičkovému zatížení elektrické sítě a následně blackoutům a dalším mimořádným událostem. Vybíjením uložené energie snímá BESS zátěž ze sítě a dodává energii bez přerušení.

Black start neboli start ze tmy

BESS může pomoci elektrárnám a rozvodným sítím s rychlou obnovou po výpadcích proudu. Namísto použití dieselového generátoru mohou spotřebitelé přejít na systém bateriových úložišť – levnější a ekologičtější řešení startu ze tmy. BESS může pracovat nezávisle na přenosovém vedení sítě a dodávat energii po požadovanou dobu – od řádu minut po hodiny.

Záloha napájení

BESS může poskytovat energii domácnostem, podnikům a jiným závodům a zajišťovat jejich nepřetržitý provoz. To má zásadní význam pro zdravotnická zařízení a další organizace, které poskytují služby související se zdravím a bezpečností lidí. V závislosti na kapacitě úložiště může BESS dodávat záložní energii tak dlouho, jak to bude nutné, a to i v případě vážného selhání sítě.

Regulace frekvence a napětí

Pokud není napájení synchronizováno se skutečnou poptávkou, mohou frekvence a napětí překročit své provozní limity. Může tak dojít k výkonovým ztrátám a blackoutům. BESS může zajistit stabilitu elektrické sítě nebo energetického systému prostřednictvím regulace napětí a frekvence. Díky své rychlé době odezvy se bateriový systém skladování energie stává efektivním řešením pro vyrovnávání sítě.

sMikrosítě

Jedná se o malé elektrické sítě, které mohou po připojení k větší síti dodávat elektřinu do komerčních budov, výrobních závodů nebo obytných čtvrtí. Autonomní mikrosítě mohou napájet vzdálené oblasti a komunity, například ostrovy. V kombinaci s BESS a integrací obnovitelné energie může mikrosíť fungovat jako odolný napájecí systém pro více uživatelů.

Obrázek 3: Mikrosíť může fungovat jako odolný napájecí systém pro vzdálené oblasti a komunity, jako jsou ostrovy. (Zdroj obrázku: společnost Integra Sources LLC)

Odložení přenosu a distribuce

Přenosová a distribuční vedení (T&D) podléhají stárnutí a znehodnocování v důsledku špičkových zatížení a přetížení. Řešení bateriových úložišť může tento problém vyřešit převzetím role aktiv přenosového a distribučního vedení. BESS může nabídnout dodatečnou kapacitu úložišť a vyvažování zátěže, čímž odloží upgrade stávajících přenosových a distribučních vedení a výstavbu nové infrastruktury. Představuje to obrovskou úsporu peněz.

Kde lze BESS nejlépe využít?

BESS se spoléhají na cenově dostupné technologie, například cena lithium-iontových baterií klesla za posledních 10 let téměř o 90 % a bude klesat i nadále. Řešení bateriových úložišť mají širokou škálu konfigurací, včetně kapacity úložiště a velikosti, takže je lze přizpůsobit mnoha průmyslovým odvětvím a aplikacím.

Tyto aplikace lze rozdělit na před elektroměrem („front-of-the-meter“, FTM) nebo tzv. utility-scale systémy (spotřebovaná energie se měří elektroměrem) a za elektroměrem („behind-the-meter“, BTM) nebo řešení na místě (spotřebovanou energii nelze připojit k síti, a tedy ani měřit elektroměrem). Zde je seznam aplikací BESS FTM a BTM (není v žádném případě úplný).

Aplikace před elektroměrem

Bateriové systémy skladování energie mohou významně přispět k provozu a údržbě zařízení a vybavení závodů. BESS může nabídnout rezervní kapacitu a služby startu ze tmy, zajistit stabilitu napětí a frekvence a ušetřit peníze díky odložené údržbě. Mezi aplikace BESS FTM patří:

• sítě provozovatelů,
• rozvodny,
• přenosová a distribuční vedení,
• elektrárny.

Aplikace za elektroměrem

Systémy BTM mohou dodávat energii spotřebitelům a obcházet elektrickou síť. Spolu se zelenými zdroji energie může BESS nepřetržitě podporovat samostatné systémy napájení nebo mikrosítě. Výrobci mohou využívat bateriové úložiště jako zálohu napájení, aby se vyhnuli prostojům ve svých výrobních závodech. Firmy a rodiny mohou pomocí BESS výrazně snížit tarify za elektřinu díky posunu času odběru energie. Bateriové systémy skladování energie BTM najdete v:

• průmyslových a výrobních zařízeních,
• podnicích,
• domácnostech,
• elektrických vozidlech,
• mořských systémech.

Obrázek 4: Aplikace BESS. (Zdroj obrázku: společnost Integra Sources LLC)

Má smysl budovat systém BESS?

Stručná odpověď je ano, má. Delší odpověď vyžaduje určité upřesnění.

Nákup hotového systému BESS bezpochyby ušetří spoustu času a někdy i peněz. Pokud nejsou na systém kladeny žádné zvláštní požadavky, lze ze spousty produktů pro skladování energie, které jsou na trhu dostupné, vybrat předem připravené řešení. Existuje však také několik důvodů, které by mohly spotřebitele od nákupu odrazovat, například následující:

• specifické požadavky zákazníků, včetně požadavků, se kterými mají firmy mezeru na trhu, a provozní podmínky,
• nedostatek požadovaných funkcí nebo zbytečné funkce, které zvyšují cenu systému,
• neúplnost systému a nedostatek podpůrného vybavení,
• nekvalitní software,
• absence záruční a pozáruční údržby.

Budování bateriového systému skladování energie může být únavný proces, který vyžaduje čas, peníze a znalosti. Dává to však příležitost vytvořit vysoce přizpůsobené řešení, které zcela splňuje všechny požadavky koncového uživatele.

Systém BESS na zakázku může nabídnout lepší funkčnost, použitelnost, bezpečnost a kybernetické zabezpečení. Implementace pokročilých algoritmů BMS umožní uživatelům zvýšit výkon baterie a prodloužit její životnost. Vývoj vlastního řešení optimalizuje technickou podporu, péči o zákazníky a další služby, které může potřebovat buď koncový uživatel, nebo poskytovatel BESS.

K návrhu vysoce kvalitního BESS je nutný tým profesionálů, kteří se dobře vyznají v bateriových technologiích, výkonové elektronice, vestavěném softwaru a ve vývoji hardwaru. Je nezbytné organizovat a slaďovat všechny fáze vytváření produktu od návrhu po certifikaci a výrobu. Vybudování plnohodnotného systému bateriových úložišť, který předvídá očekávání spotřebitelů, může pomoci najmutí inženýrů s příslušnými odbornými znalostmi a zkušenostmi.

Kvůli všem zmíněným důvodům není vlastní produkt řešením, které by bylo k dispozici okamžitě. Vytvoření vlastního systému BESS by se mělo zvažovat případ od případu, u některých projektů by bylo nejlepší řešení na klíč. Chcete-li se dozvědět více o BESS šitých na míru v porovnání s již připravenými systémy, přečtěte si podrobnější článek o bateriových systémech skladování energie na stránce blogu společnosti Integra Sources LLC. Zde se čtenáři mohou také dozvědět o různých technologiích a charakteristikách baterií, hlavních výrobcích systémů BESS, alternativních systémech skladování energie a dalších souvisejících podrobnostech.