BESS: egy proaktív energiagazdálkodási megoldás

A megújuló energiaforrások elterjedése és a hatékony energiafogyasztás felé tartó globális tendencia megnövelte az energiatároló megoldások iránti érdeklődést, és ez az akkumulátoros energiatárolásra különösen igaz. Ezen cikk elolvasása ismereteket nyújt ezekről a rendszerekről és arról, hogy azok használata milyen előnyökkel jár.

Mi az a BESS, és az elnevezés mit takar?

Egy akkumulátoros energiatároló rendszer (BESS) egy olyan komplex megoldás, amely újratölthető akkumulátorokat használ az energia tárolására és annak későbbi felszabadítására. A BESS-ek típusai az őket felépítő illetve az alkalmazott elektrokémiai módszerek vagy akkumulátorok alapján kategorizálhatók – a rendszerek lehetnek lítium-ion, ólom-sav, nikkel-kadmium, nátrium-kén és folyadékáramos akkumulátorokon alapulók. Az energiatároló rendszer (energy storage system, ESS) egy tág fogalom és az ilyen berendezések az akkumulátorok helyett számos más technológiát alkalmazhatnak, például vízenergiát, lendkerekeket, sűrített levegőt és egyebeket.

Ha szeretnénk megérteni, hogy mi a BESS és hogyan működik, segít, ha megvizsgáljuk annak felépítését és főbb elemeit:

AKKUMULÁTOR

A különböző forrásokból, például napfényből vagy szélből, illetve erőművekből származó elektromos energia az akkumulátor töltési folyamata közben kémiai energiává alakul át. Az akkumulátorból a kisütés során felszabaduló energia otthonok, járművek, kereskedelmi épületek és hálózatok energiaellátására alkalmas. Az akkumulátorok cellákból állnak és modulokba, csomagokba, illetve tárolókba rendezhetők.

AKKUMULÁTORKEZELŐ RENDSZER (BMS)

A BMS gondoskodik az akkumulátor biztonságos és megfelelő működéséről. Minden akkumulátortípushoz adott töltési és kisütési feltételek tartoznak. A BMS gondoskodik arról, hogy az akkumulátor a szükséges áram-, feszültség- és hőmérsékleti tartományon belül maradjon. A paraméterek figyelésével és az akkumulátor töltöttségi állapotának (SOC) és egészségi állapotának (SOH) becslésével a BMS biztosítja az akkumulátor megbízható és hosszú távú megfelelő működését.

ENERGIAÁTALAKÍTÓ RENDSZER (PCS)

A BESS egy energiaátalakító rendszer segítségével alakít át egyenáramot (DC) váltakozó árammá (AC) és fordítva. Az áramforrásból jövő váltakozó áram az akkumulátortöltés során egyenárammá alakul. Az akkumulátor kisülés közben egyenáramot termel, amelyet visszaalakítanak a BESS alkalmazások működtetéséhez szükséges váltakozó árammá.

ENERGIAGAZDÁLKODÁSI RENDSZER (EMS)

Az EMS az akkumulátoros energiatároló rendszer vezérlőegysége. Feladata a BESS-ben rendelkezésre álló energia menedzselése – nevezetesen az, hogy mikor, miért és milyen mennyiségben kell tárolni vagy leadni az energiát. Az EMS összerendezi a BESS elemeit és optimalizálja annak általános működését.

BIZTONSÁGI RENDSZEREK

Számos biztonsági rendszer létezhet, amelyek mindegyike egy adott feladatért felelős. Például egy fűtő-, szellőző- és légkondicionáló (HVAC) rendszer lehetővé teszi a BESS számára, hogy fűtés, szellőzés és légkondicionálás révén fenntartsa a kívánt hőmérsékletet és páratartalmat. A tűzvédelmi rendszer képes érzékelni a füstöt és megelőzni a tűzeseteket.

1. ábra: Egy tipikus BESS struktúra. (Kép: Integra Sources LLC)

Mire képes egy BESS?

Az akkumulátoros energiatároló rendszerek minden évben világszerte otthonok, vállalkozások, üzemek és közösségek ezreit látják el energiával. Méretük és tárolókapacitásuk eltérő.

A Tesla Powerwall például egy 13,5 kWh hasznos kapacitású kompakt eszköz, amely egy háztartás számára szünetmentes áramforrásként szolgálhat. Ezzel szemben a Vistra Moss Landing Energy Storage Facility – a világ legnagyobb BESS létesítménye – 1600 MWh összkapacitásával 300 000 háztartás energiaellátását képes biztosítani.

A méret- és kapacitásbeli különbségek ellenére azonban egy BESS hasonló funkciókat tölthet be és hasonló problémák megoldásául szolgálhat. Nézzük meg azokat az eseteket, hogy mikor jöhet szóba az akkumulátoros energiatárolás.

Megújuló energiaforrások integrálása

Egy BESS minden időben és bármilyen időjárási viszonyok között képes a nap- és szélenergia hatékony felhasználására. Az újratölthető akkumulátorok képesek tárolni az időszakosan rendelkezésre álló megújuló energiaforrások által termelt többletenergiát. Ez az energia később a felhasználók igényei szerint osztható el.

Az akkumulátoros tárolási megoldásokkal együtt a megújuló energiaforrások kiválthatják a fosszilis tüzelőanyagokat, olcsó és tiszta energiát kínálva a legkülönfélébb alkalmazások számára. A megújuló energiaforrások integrációja széles körben elfogadott a következő területeken:

• nap- és szélerőművek;
• kommunális hálózatra nem csatlakozó és elszigetelt közösségek (szigetek és nehezen megközelíthető területek);
• napelemekhez csatlakozó otthoni energiatároló eszközök (pl. Powerwall).

A kommunális hálózatra nem csatlakozó rendszerek mellett a BESS jelentősen képes támogatni a lakossági, kereskedelmi és ipari célú hálózaton belüli és hibrid megoldásokat is.

2. ábra: Az akkumulátoros energiatároló rendszereket széles körben alkalmazzák nap- és szélerőművekben. (Kép: Integra Sources LLC)

Energiaarbitrázs

A villamos energia iránti kereslet és annak költségei között pozitív összefüggés van. Az energia ára a keresleti csúcsidőszakokban emelkedik, a kereslet csökkenésével pedig csökken. Egy akkumulátoros tárolórendszer segítségével a fogyasztók áruüzleti szempontból kihasználhatják az energia tárolását.

Az akkumulátor csúcsidőn kívüli töltésével olcsó energiát vásárolhatnak és azt a BESS-ben tárolhatják. Ezután megvárhatják, amíg az áram ára ismét emelkedik, és kisüthetik az akkumulátort vagy azért, hogy olcsó energiát használjanak, vagy pedig azért, hogy eladják azt a hálózatnak.

Így a háztartások és a vállalkozások hatékonyan gazdálkodhatnak az energiaforrásokkal, csökkentve ezzel a költségeiket.

Terheléskezelés

Az energiafogyasztás a nap folyamán és az évszakok szerint változik – vannak csúcs- és csúcson kívüli időszakok. A BESS lehetővé teszi a felhasználók számára az ezen időszakok közötti navigálást, hogy szabályozzák az energiafogyasztásukat és áramköltségeket takarítsanak meg.

A terheléskezelés területén egy BESS-t legnépszerűbben a csúcsidőn belüli fogyasztás csökkentésére (peak shaving) használnak. Ennek lényege az energiafogyasztás csökkentése csúcsidőszakok alatt. Alkalmazásával a fogyasztók az energiaarbitrázshoz hasonló módon csökkenthetik kiadásaikat.

Az akkumulátoros tárolási megoldás segíthet elkerülni a villamosenergia-hálózat csúcsterheléseit, következésképpen az áramkimaradásokat és más vészhelyzeteket is. A tárolt energia leadásával a BESS leveszi a terhelést a hálózatról és megszakítás nélkül szolgáltat áramot.

Energiaellátás visszaállítása hálózatösszeomlás esetén (black start)

A BESS segíthet az erőműveknek és a villamosenergia-hálózatoknak az áramkimaradások utáni gyors helyreállításban. Dízelgenerátor használata helyett a fogyasztók akkumulátoros tárolórendszert használhatnak – ez olcsóbb és környezetbarátabb megoldás a visszálláshoz. A BESS képes a hálózat távvezetékeitől függetlenül működni és a szükséges ideig – percektől akár órákig – energiát szolgáltatni.

Tartalék tápellátás

A BESS képes energiát szolgáltatni otthonok, vállalkozások és egyéb létesítmények számára, biztosítva azok folyamatos működését. Ez létfontosságú az egészségügyi intézmények és más, az emberek egészségével és biztonságával kapcsolatos szolgáltatásokat nyújtó szervezetek számára. A tárolókapacitástól függően a BESS tartalék energiát tud szolgáltatni, ameddig szükséges, még súlyos hálózati hiba esetén is.

Frekvencia- és feszültségszabályozás

A frekvencia és a feszültség kívül kerülhet az üzemi határértékeken, ha a tápellátás nincs szinkronban a tényleges igényekkel. Ez áramkimaradáshoz és áramszünetekhez vezethet. A BESS a feszültség- és frekvenciaszabályozás révén biztosítani tudja a villamosenergia-hálózat vagy az energiarendszer stabilitását. Gyors válaszidejének köszönhetően az akkumulátoros energiatároló rendszer hatékony hálózati kiegyenlítő megoldást nyújt.

Mikrohálózatok

Ezek olyan kis elektromos hálózatok, amelyek egy nagyobb hálózathoz csatlakoztatva kereskedelmi épületek, gyártóüzemek vagy városrészek villamos energiával való ellátására képesek. Az autonóm mikrohálózatok biztosítani tudják távoli területek és közösségek, például szigetek energiaellátását. Egy BESS rendszerrel kombinálva és megújuló energiát igénybe véve a mikrohálózat több felhasználót ellátó rugalmas energiarendszerként működhet.

3. ábra: Egy mikrohálózat rugalmas energiaellátó rendszere lehet távoli területeknek és közösségeknek, például szigeteknek. (Kép: Integra Sources LLC)

Átviteli és elosztási késleltetés

Az átviteli és elosztóvezetékek a csúcsterhelések és a torlódások miatt hajlamosak az elöregedésre és az avulásra. Az akkumulátoros tárolási megoldás megszüntetheti ezt a problémát azáltal, hogy átveszi az átviteli és elosztó eszközök szerepét. A BESS további tárolókapacitást tud biztosítani és képes kiegyenlíteni a terhelést, így elhalasztható a meglevő átviteli és elosztóvezetékek korszerűsítése, illetve az új infrastruktúra kiépítése. Ezzel rengeteg pénz takarítható meg.

Hol használható fel a legjobban egy BESS?

A BESS-ek megfizethető technológiákra támaszkodnak, például a lítium-ion akkumulátorok ára az elmúlt 10 évben közel 90%-kal csökkent és további esést mutat. Az akkumulátoros tárolási megoldások kialakíthatósága igen széleskörű, beleértve a tárolókapacitást és a méretet is, így számos iparágban és alkalmazásban használhatók.

Ezek az alkalmazások mérő előtti (front-of-the-meter; FTM) vagy közüzemi szintű rendszerekre (a fogyasztott energiát fogyasztásmérő méri) és mérő utáni (behind-the-meter; BTM) vagy helyszíni megoldásokra (a fogyasztott energia nem csatlakoztatható hálózathoz, ezért azt fogyasztásmérő nem képes mérni) oszthatók. Következik az FTM és BTM BESS alkalmazások listája (amely biztosan nem teljes).

Mérő előtti (FTM) alkalmazások

Az akkumulátoros energiatároló rendszerek nagymértékben hozzájárulhatnak a közüzemi létesítmények és berendezések üzemeltetéséhez és karbantartásához. A BESS tartalékkapacitás és black start indítási szolgáltatások nyújtására és feszültség- és frekvenciastabilitás biztosítására képes valamint a késleltetett karbantartás révén pénzt takaríthat meg. Az FTM BESS alkalmazások közé tartoznak:

• közműhálózatok;
• alállomások;
• átviteli és elosztóvezetékek;
• erőművek.

Mérő mögötti (BTM) alkalmazások

A BTM rendszerek a villamosenergia-hálózat megkerülésével képesek energiát szolgáltatni a fogyasztóknak. A zöld energiaforrások mellett a BESS is megszakítás nélkül képes támogatni az önálló energiarendszereket vagy a mikrohálózatokat. A gyártók az energiatakarékosság érdekében akkumulátoros tárolást használhatnak, hogy elkerüljék a termelő létesítmények leállását. BESS-ek használatával a vállalatok és a családok jelentősen csökkenthetik a villamosenergia-díjakat az energiafogyasztási idő eltolásával. A BTM akkumulátoros energiatároló rendszerek a következő alkalmazásokban találhatók meg:

• ipari és gyártó létesítmények;
• vállalkozások;
• háztartások;
• elektromos járművek;
• tengeri rendszerek.

4. ábra: BESS alkalmazások. (Kép: Integra Sources LLC)

Van értelme megépíteni egy BESS-t?

Röviden, igen. A hosszabb válasz némi pontosításra szorul.

Kétségtelen, hogy egy kész BESS megvásárlásával sok időt és néha pénzt is megtakaríthatunk. Ha nincsenek különleges követelmények a rendszerrel szemben, akkor a piacon elérhető energiatároló termékek közül kiválaszthatunk egy kész megoldást. Vannak azonban olyan okok, amelyek visszatarthatják a fogyasztót a vásárlástól, például:

• egyedi ügyfélkövetelmények, beleértve a piaci pozíciót és a működési feltételeket is;
• kívánt funkciók hiánya vagy felesleges funkciók, amelyek növelik a rendszer költségeit;
• a rendszer hiányosságai és támogató berendezések hiánya;
• silány minőségű szoftver;
• jótállás és a jótállás utáni karbantartás hiánya.

Egy akkumulátoros energiatároló rendszer kiépítése fárasztó folyamat lehet, amely időt, pénzt és szakértelmet igényel. Lehetőséget ad azonban arra, hogy olyan, nagymértékben testre szabott megoldás jöjjön létre, amely teljes mértékben megfelel a végfelhasználó minden igényének.

Egy testre szabott BESS jobb funkcionalitást, használhatóságot, megbízhatóságot és kiberbiztonságot kínál. Fejlett BMS algoritmusok alkalmazása lehetővé teszi a felhasználók számára az akkumulátor működésének javítását és élettartamának meghosszabbítását. Egy egyedi megoldás kifejlesztése optimalizálja a műszaki támogatást, az ügyfélszolgálatot és egyéb szolgáltatásokat, amelyekre akár végfelhasználóként, akár BESS szolgáltatóként szükség lehet.

Egy kiváló minőségű BESS megtervezéséhez olyan szakemberekből álló csapatra van szükség, akik jártasak az akkumulátortechnológiák, a teljesítményelektronika, a beágyazott szoftverek és a hardverfejlesztés területén. Lényeges, hogy a termék létrehozásának minden egyes szakaszát megszervezzük és összehangoljuk, a tervezéstől a tanúsításon át a gyártásig. A megfelelő szakértelemmel és tapasztalattal rendelkező mérnökök alkalmazása segíthet egy teljes értékű, a fogyasztói elvárások elébe menő akkumulátoros tárolórendszer kiépítésében.

Mindezek ellenére az egyedi termék nem egy csodaszer. Az egyedi BESS elkészítését eseti alapon kell mérlegelni, egyes projektek esetében a kulcsrakész megoldás a legjobb. Ha többet szeretne megtudni a testre szabott és a kulcsra kész BESS-ek összevetéséről, olvasson el egy hosszabb cikket az akkumulátoros energiatároló rendszerekről az Integra Sources LLC blogoldalán. Ebben az olvasók megismerkedhetnek a különböző akkumulátortechnológiákkal és jellemzőkkel, a főbb BESS-gyártókkal, az alternatív energiatároló rendszerekkel és más kapcsolódó részletekkel.