バッテリーエネルギー貯蔵システムのコンポーネントを理解することでBESSをマスターする

はじめに

現在のエネルギー環境は世界中で急速に変化しており、その背景には、気候変動に対処するため、電力ソリューションがより持続可能で弾力的である必要性がある。この革命の核となるのが、バッテリーエネルギー貯蔵システム（BESS）である。BESSは、断続的な再生可能エネルギー源を統合し、送電網を安定化・不安定化させ、適切な場所と時間に安定した電力を生み出す能力を持つ技術として、急速に注目を集めている。

エネルギー転換はすでに進行中であり、今後ますますクリーンなエネルギーを使用するようになるエネルギー状況への動きにおいて、蓄電池の貢献と、後で使用するためにエネルギーを貯蔵できる時間は極めて重要である。化石燃料を燃やすことなく、再生可能エネルギーを貯蔵し、後で使用することができる。BESSの複雑な操作と重要性は、もはや技術者だけの専売特許ではなく、すべての投資家、政策立案者、そして電力業界の将来の熱狂的なファンが関心を寄せる必要な知識である。

以下の記事では、BESSの構成を重要な要素に至るまで詳細に分析し、後者の要素がいかに中心的であるかを明らかにする。また、あまりに無視されているが、実は重要なトピックである熱管理についても考察し、熱の選択がBESSの性能を高め、寿命を延ばすためにいかに重要な役割を果たすかについて述べる。

エネルギー貯蔵の核心蓄電池システム（BESS）とは？

バッテリー・エネルギー貯蔵システム（BESS）とは、複雑で統合されたシステムのことであり、様々なエネルギー源から生産されたエネルギーを貯蔵し、必要な時に貯蔵されたエネルギーを放出することを目的としている。主にエネルギー生成と需要の連鎖に介入し、電力網と個々の消費者の両方に柔軟性と信頼性を与える。

巨大な二次電池を想像してほしいが、はるかに高度なもので、大量のエネルギーを処理し、インテリジェントな方法でグリッドと通信することさえできる。BESSの用途は多様化しており、停電時のバックアップ電源、太陽光や風力の余剰電力を貯蔵して後で利用する、ピークカットでエネルギーコストを削減するといったシナリオに反映されている。太陽光発電の発展はBESS技術の発展と相まって、太陽エネルギーの管理と、日照がない場合でもエネルギーを利用できるように変貌を遂げた。

どのように機能するのか？

基本的なレベルでは、BESSは電気エネルギーを化学エネルギーに変換して貯蔵し、後の時点で電気エネルギーを必要なときに電気エネルギーに戻すことができるようにすることで作動する。

太陽光発電システムのピーク時や再生可能エネルギーによる発電が過剰な場合など、電力が過剰な場合にはBESSが充電され、交流電力（送電網または再生可能エネルギー）が直流に変換されてこのバッテリーにエネルギーが蓄えられる。一方、電力需要が高いときや再生可能エネルギーの発電量が少ないときには、システムは放電する。

放電時には、蓄積されたエネルギー（直流電力）は交流電力に変換され、送電網に注入されるか、負荷に供給される。この充電と放電の間のすべての揺れは、エネルギーの最適な流れとシステムの安定性を提供するために、複雑な制御システムによって制御される。このように、BESSは、より持続可能なエネルギー・システムへの移行とともに、現代のエネルギー・システムを支援している。

蓄電池システム構成要素

エネルギー貯蔵システム（ESS）を適切に使いこなすためには、その主要コンポーネント間の相互依存関係を理解することが望ましい。すべての要素は、システムの効率、安全性、寿命を決定する上で極めて重要である。1つの構成要素の故障や非効率が連鎖し、最終的にはシステムのエネルギー容量や信頼できる出力など、システム全体の性能に影響を及ぼす可能性がある。

バッテリーモジュールとセル

BESSで最もよく知られているのは、エネルギー貯蔵の基礎となるバッテリーモジュールとセルだろう。電池セルはモジュールにパッケージされ、モジュールはラックやコンテナに統合される。セルを構成する技術はさまざまで、現在のBESSに見られる一般的な電池セルは、エネルギー密度とサイクル寿命が高いリチウムイオン電池である。

電池の化学的性質も、エネルギーフロー、充電状態、出力、サイクル寿命、熱特性など、システムの性能特性に非常に大きな影響を与える。別の例として、リン酸鉄リチウム（LFP）バッテリーは、エネルギー密度が低下することもありますが、他のリチウムイオンバッテリーよりも安全性が高く、サイクル寿命が長く、外観の許容範囲も広いため、BESSアプリケーションの選択肢として普及しています。

バッテリー管理システム（BMS）

バッテリー・パックの頭脳とも呼ばれるバッテリー・マネージメント・システム（BMS）は、バッテリー・セル間のセンチネルの役割を果たす重要な電子システムです。この製品の主な役割は、セル電圧、電流、モジュール温度などの重要なパラメーターをスキャンすることです。

BMSは監視だけでなく、個々のセル充電のバランスをとり、バッテリー寿命を著しく低下させたり、熱暴走などの安全上の影響を引き起こす過充電や過放電の状態を禁止します。バッテリーの寿命を最大限に延ばし、安全に動作させ、バッテリーの充電状態（SoC）と健康状態（SoH）に関する正確な情報を提供するために、十分に機能するBMSは必須のコンポーネントです。

また、充電／放電サイクルの完了回数を追跡することで、バッテリーの性能や使用状況に関する貴重な情報を得ることができるからだ。洗練されたBMSがなければ、最新技術のバッテリーの高性能と長寿命は実現しなかっただろう。

電力変換システム（PCS）／双方向インバータ

バッテリーが外部グリッドまたは負荷に接続されるとき、それはインターフェイスであり、このインターフェイスは電力変換システム（PCS）である。インバーター.PCSは、入ってくる交流電力（送電網または太陽光発電システムなどの自然エネルギーから供給される）を使用し、バッテリーが使用できるように直流電力に変換する。

一方、放電時には、バッテリーの直流電力を交流に変換し、その周波数を送電網の周波数と同期させ、任意の時間の電圧を調整する。PCSのサイズと構造は、BESSの全体的な往復効率を直接決定し、最新のシステムでは97～98%を超える効率を実現できる。PCSはまた、エネルギー・フロー、電圧制御、グリッド・サービス機能を制御する役目も担っており、非常に複雑で不可欠な部品となっている。進化し続けるエネルギー貯蔵システムでは、供給されるエネルギーの利用を最適化するため、そのコストが電気料金に与える影響を最小限に抑えることが重要になる。

エネルギー管理システム（EMS）

より大きな頭脳は、BESS全体の活動を最適化するエネルギー管理システム（EMS）である。BMSは電池の内部（内部）寿命を担当し、PCSは電力変換を担当するが、EMSはBESSの充電と放電の時間と方法を決定する。EMSは、電力価格、送電網の安定性、送電網の需要、再生可能エネルギーの予測、工場の負荷プロファイルなどのリアルタイムデータを使用して、インテリジェントに意思決定を行う。

ユーティリティ・スケールのBESSがあれば、EMSは周波数調整、ピークカット、負荷シフトなどのサービスを提供できる。また、需要と供給のバランスをとることで電力網の安定性を維持するアンシラリーサービスも提供する。商用および産業用アプリケーションの場合、EMSは太陽光発電の自家消費を最適化したり、需要応答プログラムに関与したりすることができる。停電が発生した場合、EMSはバッテリー・システムに電力を供給することが可能であり、これによって電力の可用性が確保される。洗練されたEMSは、BESSの費用対効果と柔軟性を大幅に向上させるので、間違いなく最大の価値を提供します。

エンクロージャーと安全システム

BESS全体の保護は、人と財産の保護とともに、その筐体と安全システムに関して最も重要でなければなりません。環境要因（例：極端な温度、湿度、ほこり）に対する物理的な安全性は、モジュールが保管されるバッテリーラックのようなすべての内部コンポーネントも含む筐体によって与えられます。

物理的な閉じ込めにとどまらず、内蔵された安全システムは、起こりうる危険を検知し、それに対抗するために機能する。これは、エアゾール、クリーンエージェント、ウォーターミスト、煙探知機、温度センサー、換気システムなどのハイテク火災抑制を含む。

大型バッテリーの設置において熱事故が発生する可能性を考慮すると、UL9540（エネルギー貯蔵システムおよび機器の規格）などの規格で定められた安全な評価レベルまで設置を進めることは、規制上の義務であるだけでなく、技術的にも必要なことである。これらのシステムは、いかなる予期せぬ出来事に対しても最終的な受益者を提供するものであり、それゆえ信頼できる電力と系統安定性の分野において譲れない重要性を持っている。

補助システムと相互接続

主要な要素に加えて、BESSは補助的なシステムと接続システムを持っている。これらには以下が含まれる：

トランスフォーマー 電力網に接続するために電圧を上げる（昇圧）または下げる（降圧）こと。
スイッチギアとサーキットブレーカー システム内のパワーフローを保護、分離、制御する。
ケーブル配線とバスバー システム全体を安全かつ効率的に電気接続する。
通信ネットワーク： これは、BMS、PCS、EMS、および遠隔監視センターのデータを交換するための通信リンクである（通常、SCADA（Supervisory Control and Data Acquisitionシステム）を使用）。
HVAC（暖房、換気、空調）： すべての繊細な電子機器とバッテリーを最適な温度で作動させるために非常に重要なことだ。

これらはすべて細かいことのように見えるが、構造的には、BESS全体の円滑な機能、安全性、耐久性を確保するために不可欠であり、電力容量と総合出力の一部である。

BESS用熱管理システム

ほとんど議論されていないBESSの熱管理システムは、補助的なものに分類されるシステム群に加えることができるが、この側面はこれらのシステムの性能、耐久性、安全性に最も大きな影響を与えるものの1つであるため、このトピックをより詳細に取り上げる必要がある。バッテリー、特にリチウムイオン化学物質は温度変化を受けやすい。推奨動作温度（大半のリチウムイオンバッテリーでは15℃～35℃）を超えて動作させると、深刻な問題を引き起こす可能性がある。

過度の温度は劣化を早め、サイクル寿命を低下させ、熱暴走を引き起こす。

過度に低い温度レベルは、利用可能な容量を減らし、内部抵抗を上昇させ、充電率に悪影響を及ぼす可能性がある。

スマートな熱管理は、バッテリーモジュールとパワーエレクトロニクスの3つを、温度的に望ましい動作範囲内に保つことに委ねられている。これは、電力が必要とされるピーク時に非常に重要であり、システムはその最大容量内で動作する必要がある。BESSで使用される典型的な熱管理戦略は以下の通りである：

空冷/暖房： ファンを外気または空調された空気の上で動かし、コンポーネントを冷却または加熱すること。これは、中間温度制御のコスト効率の高い方法であり、エネルギー需要が比較的ない場合に運転コストを削減するために使用できる。
液体冷却/加熱： バッテリーセルやモジュールとの直接接触を維持するために、コールドプレートやチャンネルを循環する液体冷却剤（グリコールと水の混合物）を使用すること。これにより、特に高出力密度システムにおいて、より厳密で効果的な温度制御が可能となり、高出力放電時に蓄積される不要なエネルギーを効果的に放散することができる。
相変化材料（PCM）： 相変化（例えば固体から液体へ）に伴う大量の潜熱を吸収／放出することができ、受動的温度安定化／調整システムに使用することで、より長い時間枠を通してエネルギー消費量が変化してもシステムを安定に保つことができる材料。
冷凍・冷蔵： 高温環境または高W、高出力アプリケーションで、より積極的な温度冷却を実現するために液冷を使用する。これは、特に後で使用する熱エネルギー貯蔵を扱う場合に有効な戦略であり、極端な条件下でも貯蔵エネルギーが無駄にならないよう注意が払われる。

熱管理戦略は、BESSのサイズ、用途、周囲気候、望まれる性能特性に応じて選択される。

BESSの性能と寿命における効果的な冷却の重要性

BESSの熱管理は、BESSの効率と寿命、特に冷却手段の冗長性と有効性に取り返しのつかない関係がある。冷却不良は、多くの不都合を引き起こすだけでなく、システムの早期劣化、運転の非効率性、安全リスクの増大への直接的な道でもある。効果的な温度管理は、長期にわたって電力コストを下げ、効果的なエネルギーフローを確保し、電力容量を完全に最適化する。

温度が最適な範囲を10℃超えるたびに、リチウムイオン電池の寿命は50％短くなる。この超直線的な減衰は、資産の寿命が短くなり、交換費用が高騰するため、BESSの運用で失われる莫大な金額に直接転嫁される。さらに、高温での運転は、電池のエネルギー効率を低下させる。つまり、エネルギー効率が低下し、充放電の過程でより多くのエネルギーを熱として放散するため、システムの全体的な往復効率が低下し、運転コストが増加する。不適切な熱管理は、最悪の場合、局所的なホットスポットを引き起こし、セルの劣化を早め、熱暴走の危険性を引き起こします。

最適な熱管理の使用により、BESSシステムはピーク需要時の電気料金管理に適しており、余剰エネルギーを貯蔵して後で使用することで、実質的に長期にわたって全体的な運用コストを削減し、持続的なエネルギー負荷時の送電網の信頼性を高めることができる。

アスペクト	不十分な冷却の影響	効果的な冷却のメリット
バッテリー寿命	最適温度より10℃上昇するごとに最大50%減少。	バッテリー寿命を延ばし、ROIを最大化。
システム効率	エネルギー損失の増加、往復効率の低下。	エネルギー伝達を最適化し、運用コストを削減。
安全上のリスク	熱暴走や火災の可能性が高くなる。	安全上の危険を軽減し、安全な操作を保証します。
パフォーマンス出力	特に暑い気候では、容量と出力が低下する。	定格容量と出力を維持。
メンテナンス費用	オーバーヒートによる部品交換頻度の増加。	メンテナンスの頻度とコストを削減。

ACDCFANソリューション：BESSコンポーネントに合わせた冷却

専門的な冷却ソリューションが不可欠であり、BESSの弱点を強みに変えます。ACDCFANでは、20年以上の経験を積み重ね、戦略的エネルギーインフラの微妙な要件も実現してきました。最も専門的なメーカーの一つとして、BESS部品の厳しい要求を満たすために、高品質のAC軸流ファン、ラジアルファン、DC軸流ファン、ラジアルファン、EC軸流ファンを細部にわたって生産しています。

高品質のエンジニアリングレベルは、BESSの費用対効果の利点に直接反映されます。一例として、インバーター冷却ファンのフレームは、3-5 %銅を加えた最高のアルミニウム合金ADC-12で作られています。この独自の合金化により、ファンの性能を30％長持ちさせることができます。この機能は、電力変換システムの長期的で安定した、変わらない運転能力にとって重要です。当社のファンは信頼性が高いだけでなく、40 o Cで70,000時間という卓越した耐用年数を誇ります。

ACDCFANは、多様で厳しいBESS環境を理解し、高度なブラシレスモータを搭載した高品質のDCファンの提供に注力しています。これにより、当社のファンは、優れた保護等級IP68、卓越した埃/水の吸気口、および沿岸部や湿度の高い環境で重要な塩霧防止機能を利用することができます。

当社の製品はCE、UL、RoHS、EMの認証を取得しており、品質が保証されています。BESSの部品は熱エンベロープの中で機能するため、長い耐久性があり、お客様に最大限の投資効果をもたらします。効果的な生産のおかげで、お客様のプロジェクトを低コストで時間通りに実行するために、私たちは軸流ファンの納期を最小に短縮し、わずか1-2週間です。

結論

バッテリー蓄電システムを導入するには、単にバッテリーを購入するだけでは不十分です。バッテリーのエネルギー貯蔵モジュール、保護BMS、電力変換PCS、最適化EMS、安全システム、検出エンクロージャーなど、複雑な部品の統合された知識ベースが必要です。これらはすべて、私たちのエネルギーの未来を変えることを目的とした、複雑なメカニズムの重要な歯車なのです。太陽エネルギーやその他の再生可能エネルギー源がますます重要になる中、蓄電池システムは、エネルギー供給管理と、化石エネルギー部門から脱却したエネルギーへの移行に向けて重要な役割を担っている。

それにもかかわらず、熱管理はBESSの運用と長期的な持続可能性の主要な要素として理解することができる。高性能ファンを備えたインテリジェントでプロアクティブな冷却は、良い機能として考慮されることはなく、むしろバッテリーの長寿命、効率、システムの安全性への高い配慮を提供するための譲れない要件です。

高品質の冷却システムに投資することは、BESSの開発者や運営者が、自らの利益を守るだけでなく、投資を最適化し、自信を持って投資を確保し、現在のエネルギー転換において重要な役割を担い、より回復力と持続可能性を備えたより良いエネルギーシステムに積極的に貢献できるようになることを意味する。