Padroneggiare i BESS comprendendo i componenti del sistema di accumulo di energia a batteria

Introduzione

L'attuale contesto energetico sta cambiando rapidamente in tutto il mondo e la ragione è la necessità di soluzioni energetiche più sostenibili e resilienti per affrontare il cambiamento climatico. Il cuore di questa rivoluzione è il sistema di accumulo di energia a batteria (BESS), che sta rapidamente emergendo come una tecnologia di alto profilo in grado di integrare fonti di energia rinnovabili intermittenti, stabilizzare e destabilizzare le reti e generare energia stabile nel luogo e nel momento giusto.

La transizione energetica è già in corso e nel nostro movimento verso un panorama energetico che utilizzerà sempre più energia pulita, il contributo delle batterie di accumulo e la quantità di tempo in cui possono immagazzinare l'energia per un uso successivo è fondamentale. L'energia rinnovabile può ora essere immagazzinata per un uso successivo senza bruciare combustibili fossili, riducendo così le emissioni di carbonio e contribuendo a una fornitura di energia costante in qualsiasi momento della giornata. Il complesso funzionamento e l'importanza di un BESS non sono più appannaggio esclusivo degli ingegneri, ma sono conoscenze necessarie che interessano tutti gli investitori, i politici e i futuri appassionati del settore energetico.

L'articolo che segue fornirà un'analisi dettagliata della composizione dei BESS fino ai suoi elementi vitali e farà luce sulla centralità di questi ultimi. Esamineremo anche un argomento troppo ignorato, ma in realtà fondamentale: la gestione termica e il modo in cui la selezione termica svolge un ruolo essenziale nell'aumentare le prestazioni dei BESS e nel consentire loro di raggiungere una maggiore durata di vita.

Il cuore dell'accumulo di energia: Cos'è un sistema di accumulo di energia a batteria (BESS)?

Il sistema di accumulo dell'energia a batteria (BESS) è un sistema complesso e integrato che ha lo scopo di immagazzinare l'energia prodotta da una serie di fonti e di rilasciarla quando è necessaria. Interviene principalmente nella catena di generazione e domanda di energia per dare flessibilità e affidabilità sia alle reti elettriche che ai singoli consumatori.

Pensate a una gigantesca batteria ricaricabile, ma molto più avanzata, in grado di elaborare enormi quantità di energia e persino di comunicare con la rete in modo intelligente. Le applicazioni dei BESS sono sempre più varie e si riflettono in scenari come l'alimentazione di riserva in caso di interruzione, l'immagazzinamento dell'energia solare o eolica in eccesso per utilizzarla in seguito o la riduzione del costo dell'energia attraverso il peak shaving. Lo sviluppo del solare fotovoltaico è andato di pari passo con lo sviluppo della tecnologia BESS, che ha trasformato la gestione dell'energia solare e la disponibilità dell'energia anche in assenza di sole.

Come funziona?

A livello di base, un BESS funziona consentendo di convertire l'energia elettrica in energia chimica e di immagazzinarla; in un secondo momento, l'energia elettrica può essere riconvertita in energia elettrica, quando è necessaria.

In caso di eccesso di elettricità, come durante i picchi di produzione del sistema solare o quando le fonti rinnovabili producono elettricità in eccesso, il BESS viene caricato e la corrente alternata (dalla rete o dalle fonti rinnovabili) viene convertita in corrente continua per immagazzinare l'energia nella batteria. D'altra parte, il sistema si scarica quando la domanda di elettricità è alta o quando la generazione rinnovabile è bassa.

Quando si scarica, l'energia immagazzinata (corrente continua) viene convertita in corrente alternata e immessa nella rete o alimentata ai carichi. Tutte queste oscillazioni tra carica e scarica sono controllate da complessi sistemi di controllo per garantire un flusso ottimale di energia e la stabilità del sistema. In questo modo, i BESS aiutano il sistema energetico moderno nella transizione verso un sistema energetico più sostenibile.

Componenti essenziali del sistema di accumulo di energia a batteria

Per padroneggiare correttamente un sistema di accumulo di energia (ESS), è auspicabile comprendere la relazione di interdipendenza tra i suoi componenti principali. Tutti gli elementi sono fondamentali per definire l'entità dell'efficienza, della sicurezza e della durata del sistema. Il malfunzionamento o l'inefficienza di un componente può influire a cascata sulle prestazioni dell'intero sistema, compresa la capacità energetica e la produzione affidabile di energia del sistema.

Moduli e celle per batterie

La parte forse più nota di un BESS sono i moduli e le celle della batteria, che rappresentano la base dell'accumulo di energia. Le celle della batteria sono poi impacchettate in moduli e i moduli sono riuniti in rack o contenitori. La tecnologia di composizione delle celle può variare notevolmente, ma una delle celle più comuni che si trovano negli attuali BESS è quella agli ioni di litio, grazie alla sua elevata densità energetica e alla durata del ciclo.

Anche la chimica della batteria ha un impatto notevole sulle caratteristiche prestazionali del sistema, come il flusso di energia, lo stato di carica, la potenza erogata, la durata del ciclo e le caratteristiche termiche. Per fare un altro esempio, le batterie al litio-ferro-fosfato (LFP) si stanno diffondendo come scelta per le applicazioni BESS, avendo una migliore sicurezza, una maggiore durata dei cicli e tolleranze sull'aspetto visivo rispetto ad altre varietà di batterie agli ioni di litio, anche se a volte la densità energetica è ridotta.

Sistema di gestione della batteria (BMS)

Chiamato anche il cervello del pacco batterie, il Battery Management System (BMS) è un sistema elettronico essenziale che svolge un ruolo di sentinella tra le celle della batteria. I ruoli principali di questo prodotto sono la scansione di parametri importanti come la tensione della cella, la corrente e la temperatura del modulo.

Oltre a monitorare, il BMS bilancia anche le cariche delle singole celle, impedendo gli stati di sovraccarico o sovrascarico che possono ridurre significativamente la durata della batteria o causare ripercussioni sulla sicurezza, come il runaway termico. Un BMS ben funzionante è un componente obbligatorio per massimizzare la durata della batteria, operare in sicurezza e fornire informazioni precise sullo stato di carica (SoC) e di salute (SoH) della batteria.

Inoltre, tiene traccia del numero di cicli di carica/scarica completati, in quanto si tratta di informazioni preziose per quanto riguarda le prestazioni e l'utilizzo della batteria. Senza un sofisticato BMS, le elevate prestazioni e la lunga durata delle batterie di ultima generazione non sarebbero state possibili.

Sistema di conversione di potenza (PCS) / Inverter bidirezionale

Quando la batteria è collegata alla rete o al carico esterno, costituisce l'interfaccia e questa interfaccia è il Sistema di Conversione di Potenza (PCS), che viene spesso utilizzato come interfaccia bidirezionale. inverter. Il PCS utilizza la corrente alternata in ingresso (fornita dalla rete o da fonti rinnovabili, ad esempio un impianto fotovoltaico) e la converte in corrente continua in modo che le batterie possano utilizzarla.

D'altra parte, quando è il momento di scaricare, converte la corrente continua delle batterie in corrente alternata e ne sincronizza la frequenza con quella della rete e la tensione in un determinato momento. Le dimensioni e la struttura del PCS determinano direttamente l'efficienza complessiva di andata e ritorno del BESS, e i sistemi moderni possono avere efficienze superiori a 97-98%. Il PCS ha anche il compito di controllare il flusso di energia, il controllo della tensione e la funzionalità dei servizi di rete, il che lo rende una parte estremamente complessa ed essenziale. Con i sistemi di accumulo di energia in continua evoluzione, sarà importante garantire che i loro costi abbiano un'incidenza minima sulle bollette elettriche, in quanto ottimizzano l'utilizzo dell'energia fornita.

Sistema di gestione dell'energia (EMS)

Il cervello più grande è il Sistema di Gestione dell'Energia (EMS) che ottimizza l'attività dell'intero BESS. Sebbene il BMS sia responsabile della vita interna della batteria e il PCS sia responsabile della conversione di energia, l'EMS determina il tempo e la modalità di carica e scarica del BESS. Utilizza dati in tempo reale, come il prezzo dell'elettricità, la stabilità della rete, la domanda di rete, le previsioni di energia rinnovabile e i profili di carico degli impianti per prendere decisioni intelligenti.

Con un BESS su scala utility, l'EMS è in grado di offrire servizi come la regolazione della frequenza, il peak shaving e il load shifting. Fornisce anche servizi ausiliari, che mantengono la stabilità della rete elettrica attraverso il bilanciamento della domanda e dell'offerta. Nel caso di applicazioni commerciali e industriali, l'EMS può ottimizzare l'autoconsumo di energia solare o essere coinvolto in programmi di risposta alla domanda. In caso di interruzione di corrente, l'EMS è in grado di alimentare il sistema di batterie, garantendo la disponibilità di elettricità. Un EMS sofisticato migliora anche il rapporto costo-efficacia e la flessibilità di un BESS in modo considerevole, per cui è sicuramente in grado di fornire il massimo valore.

Sistemi di protezione e sicurezza

La protezione dell'intero BESS, insieme alla sicurezza delle persone e delle cose, deve essere della massima importanza per quanto riguarda l'involucro e i sistemi di sicurezza. La sicurezza fisica contro i fattori ambientali (ad esempio, temperature estreme, umidità, polvere) è data dall'involucro, che contiene anche tutti i componenti interni, come il rack delle batterie, dove sono conservati i moduli.

Al di là del confinamento fisico, i sistemi di sicurezza integrati funzionano per rilevare e contrastare i probabili pericoli. Comprendono sistemi di soppressione degli incendi ad alta tecnologia come aerosol, agenti puliti, acqua nebulizzata o rilevatori di fumo, sensori di temperatura, sistemi di ventilazione, ecc.

Considerando il possibile verificarsi di incidenti termici nelle grandi installazioni di batterie, non è solo un mandato normativo, ma una necessità tecnica che l'installazione sia perseguita a un livello di valutazione sicuro, come stabilito da standard come UL 9540 (Standard for Energy Storage Systems and Equipment). Questi sistemi forniscono il beneficiario finale contro qualsiasi evento imprevisto, e per questo motivo la loro importanza non è negoziabile nell'area dell'energia affidabile e della stabilità della rete.

Sistemi ausiliari e interconnessioni

Oltre agli elementi chiave, un BESS dispone di un sistema di sistemi ausiliari e di connessioni su cui opera. Questi includono:

Transformers: Aumentare (step-up) o diminuire (step-down) la tensione da collegare alla rete elettrica.
Interruttori e commutatori: Proteggere, isolare e controllare il flusso di energia nel sistema.
Cablaggio e sbarre: Eseguire collegamenti elettrici sicuri ed efficienti in tutto il sistema.
Reti di comunicazione: Si tratta dei collegamenti di comunicazione attraverso i quali possono essere scambiati i dati di BMS, PCS, EMS e dei centri di monitoraggio remoti (in genere utilizzando sistemi SCADA - Supervisory Control and Data Acquisition).
HVAC (riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell'aria): È molto importante per consentire a tutti i componenti elettronici sensibili e alle batterie di funzionare a temperature ottimali.

Tutti questi sembrano piccoli dettagli, ma strutturalmente sono essenziali per garantire il funzionamento regolare, la sicurezza e la durata dell'intero BESS e fanno parte della capacità di potenza e della produzione complessiva.

Sistemi di gestione termica per BESS

Anche se i sistemi di gestione termica dei BESS, raramente discussi, possono essere aggiunti all'insieme dei sistemi classificati come ausiliari, è necessario affrontare questo argomento in modo più dettagliato poiché questo aspetto ha una delle maggiori influenze sulle prestazioni di questi sistemi, sulla loro durata e sulla sicurezza. Le batterie, soprattutto quelle agli ioni di litio, sono soggette a variazioni di temperatura. Il funzionamento oltre le temperature di esercizio raccomandate (che nella maggior parte delle batterie agli ioni di litio sono comprese tra 15 °C e 35 °C) può causare gravi problemi.

Una temperatura eccessiva ne accelera il degrado, riduce la durata del ciclo e lo sottopone a un'interruzione termica.

Un livello di temperatura troppo basso può ridurre la capacità disponibile, aumentare la resistenza interna e influire negativamente sui tassi di carica, il che può influire sulla capacità di soddisfare la domanda di energia nei periodi critici.

La gestione termica intelligente consiste nel mantenere tre elementi, soprattutto i moduli della batteria e l'elettronica di potenza, all'interno dell'intervallo operativo desiderato in termini di temperatura. Questo è molto importante nei momenti di picco, quando la potenza è necessaria e il sistema deve funzionare al massimo della sua capacità. Le tipiche strategie di gestione termica utilizzate nei BESS sono:

Cos'è il sistema di accumulo di energia a batteria (bess)

Raffreddamento/riscaldamento ad aria: Spostamento di un ventilatore sull'aria ambiente o sull'aria condizionata per raffreddare o riscaldare i componenti. Si tratta di un metodo economico per il controllo intermedio della temperatura e potrebbe essere utilizzato per ridurre i costi di funzionamento quando la richiesta di energia è relativamente nulla.
Raffreddamento/riscaldamento a liquido: L'uso di un liquido refrigerante (miscela di acqua e glicole) che circola attraverso piastre o canali freddi per mantenere un contatto diretto con le celle o i moduli della batteria. In questo modo si ottiene un controllo della temperatura più stretto ed efficace, soprattutto nei sistemi ad alta densità di potenza, che consente di dissipare efficacemente l'energia indesiderata accumulata durante la scarica ad alta potenza.
Materiali a cambiamento di fase (PCM): Materiali in grado di assorbire/rilasciare grandi quantità di calore latente associato a un cambiamento di fase (ad esempio, da solido a liquido) e che potrebbero essere utilizzati in un sistema passivo di stabilizzazione/regolazione della temperatura per mantenere il sistema stabile durante un consumo energetico variabile per un periodo di tempo più lungo.
Refrigerazione/Congelatori: Utilizzato con l'uso del raffreddamento a liquido per ottenere un raffreddamento più aggressivo della temperatura di ambienti caldi o di applicazioni ad alta potenza e ad alta potenza. Si tratta di una buona strategia, soprattutto quando si tratta di immagazzinare energia termica da utilizzare in seguito, facendo attenzione che l'energia immagazzinata non vada sprecata in condizioni estreme.

La strategia di gestione termica sarà scelta in base alle dimensioni del BESS, all'applicazione, al clima ambientale e alle caratteristiche di prestazione desiderate.

Importanza di un raffreddamento efficace per le prestazioni e la longevità dei BESS

La gestione termica di un BESS ha un legame irrevocabile con l'efficienza e la durata di vita del BESS, in particolare la ridondanza e l'efficacia delle misure di raffreddamento. Un cattivo raffreddamento non solo provoca molti disagi, ma è anche una strada diretta verso il degrado prematuro del sistema, l'inefficienza del funzionamento e l'aumento dei rischi per la sicurezza. Una gestione efficace della temperatura garantirà una riduzione del costo dell'elettricità per un lungo periodo di tempo, un flusso energetico efficace e la piena ottimizzazione della capacità energetica.

Pensate a quanto segue: ogni volta che la temperatura supera di 10 °C l'intervallo ottimale, la vita di una batteria agli ioni di litio può ridursi del 50%. Questo decadimento super-lineare si traduce direttamente in un'enorme quantità di denaro perso nelle operazioni di BESS a causa della riduzione della vita dei loro asset e dei costi vertiginosi delle loro sostituzioni. Inoltre, un funzionamento ad alte temperature riduce l'efficienza energetica della batteria, cioè è meno efficiente, dissipando più energia sotto forma di calore durante i processi di carica e scarica, diminuendo così l'efficienza complessiva del sistema e aumentandone i costi operativi. Una cattiva gestione termica può causare punti caldi locali negli scenari peggiori, con conseguente più rapido degrado delle celle e rischio di fuga termica, una reazione a catena che può culminare in un incendio.

Grazie all'uso di una gestione termica ottimale, i sistemi BESS sono più adatti a gestire i costi dell'elettricità nei momenti di picco della domanda e, a loro volta, immagazzinano l'energia in eccesso per utilizzarla successivamente, riducendo di fatto i costi operativi complessivi nel tempo e aumentando il numero di affidabilità della rete nei momenti di carico energetico sostenuto.

Aspetto	Impatto di un raffreddamento inadeguato	Vantaggi di un raffreddamento efficace
Durata della batteria	Riduzione fino a 50% per ogni aumento di 10°C rispetto alla temperatura ottimale.	Prolunga la durata della batteria, massimizzando il ROI.
Efficienza del sistema	Aumento della perdita di energia, minore efficienza di andata e ritorno.	Ottimizza il trasferimento di energia e riduce i costi operativi.
Rischi per la sicurezza	Maggiore probabilità di fuga termica e incendio.	Riduce i rischi per la sicurezza e garantisce un funzionamento sicuro.
Prestazioni in uscita	Diminuzione della capacità e della potenza, soprattutto nei climi caldi.	Mantiene la capacità e la potenza nominale.
Costi di manutenzione	Sostituzione più frequente dei componenti a causa del surriscaldamento.	Riduce la frequenza e i costi di manutenzione.

Soluzioni ACDCFAN: Raffreddamento su misura per i componenti del BESS

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Cos'è il sistema di accumulo di energia a batteria

Conclusione

L'adozione di un sistema di accumulo di energia a batteria va ben oltre il semplice acquisto di batterie. Richiede una conoscenza integrata delle sue parti complesse, come i moduli di accumulo di energia della batteria, il BMS di protezione, il PCS di conversione dell'energia, l'EMS di ottimizzazione e i sistemi di sicurezza e di rilevamento. Tutti questi elementi sono ruote cruciali di un meccanismo complicato, che mira a trasformare il nostro futuro energetico. Con l'energia solare e altre fonti di energia rinnovabile che diventano sempre più cruciali, i sistemi di accumulo a batteria sono fondamentali per la gestione dell'approvvigionamento energetico e per la transizione dell'energia dal settore dell'energia fossile a quello dell'energia da fonti fossili.

Tuttavia, la gestione termica può essere intesa come un elemento primario della sostenibilità operativa e a lungo termine di un BESS. Il raffreddamento intelligente e proattivo, con le sue ventole ad alte prestazioni, non può essere considerato una caratteristica piacevole, ma piuttosto un requisito non negoziabile per garantire la longevità delle batterie, l'efficienza e un'elevata attenzione alla sicurezza del sistema.

Investire in sistemi di raffreddamento di alta qualità significa che gli sviluppatori e i gestori di BESS potrebbero non solo proteggere le loro partecipazioni, ma anche ottimizzare il loro investimento ed essere in grado di garantire il loro investimento con fiducia e contribuire attivamente a un sistema energetico migliore con maggiore resilienza e sostenibilità, assumendo un ruolo importante nell'attuale transizione energetica.