Come scegliere la configurazione di un sistema di accumulo di energia a batteria

Una soluzione di accumulo di energia a batteria è un pacchetto integrato che comprende celle, sistema di gestione della batteria, sistema di conversione di potenza, software di gestione energetica, gestione termica e dispositivi antincendio, dimensionato in base a uno specifico ciclo di lavoro piuttosto che a un valore di capacità. La configurazione più adatta dipende da tre fattori che è possibile determinare prima di contattare qualsiasi fornitore: il rapporto potenza/energia, le condizioni ambientali e i vincoli di spazio del sito e la frequenza di scarica richiesta dall'applicazione. La composizione chimica delle celle deriva da questi fattori, e non viceversa. Due progetti con la stessa potenza nominale in megawattora possono richiedere architetture di raffreddamento e budget di protezione antincendio differenti.

Cosa include una soluzione BESS oltre alle batterie?

Una soluzione di accumulo di energia a batteria comprende, come minimo, sei sottosistemi il cui dimensionamento è interdipendente e, nei progetti ad alta potenza o con vincoli di spazio, il limite termico è spesso il primo fattore a dettare le condizioni. I moduli batteria immagazzinano la carica. Il sistema di gestione della batteria monitora la tensione, la temperatura e lo stato di carica delle celle. Il sistema di conversione di potenza trasferisce l'energia tra l'accumulo in corrente continua e la rete o il carico in corrente alternata in entrambe le direzioni. Il sistema di gestione dell'energia decide quando effettuare la carica e la scarica, tenendo conto dei segnali di prezzo, del profilo di carico e delle condizioni della rete. La gestione termica mantiene le celle entro i loro limiti operativi. I sistemi di sicurezza rilevano, contengono e sopprimono i guasti. Una fornitura completa in genere include protezione in corrente continua, quadri elettrici in corrente alternata, trasformatore, misurazione, SCADA e comunicazioni, alimentazione ausiliaria, rilevamento gas, ventilazione, messa a terra e controlli di sicurezza informatica.

Quale vincolo si imponga per primo dipende dal progetto specifico. In altri progetti, la capacità di interconnessione, le specifiche del trasformatore o del PCS, la disposizione del sito e la compartimentazione antincendio, i limiti di rumore o le autorizzazioni possono prevalere prima che venga raggiunto qualsiasi limite termico. Ciò che generalmente rimane valido è l'accoppiamento. La specifica del PCS impone un limite superiore alla velocità di ciclo del pacco batterie. La frequenza di ciclo effettiva, influenzata anche dall'energia utilizzabile, dalla finestra di tensione CC, dai limiti di corrente del BMS e dal declassamento in base allo stato di carica (SOC) e alla temperatura, determina la generazione di calore. La generazione di calore vincola l'architettura di raffreddamento, e l'architettura di raffreddamento determina l'ingombro dell'involucro e il carico parassita.

Potenza ed energia sono due specifiche separate

Il dimensionamento di un sistema di accumulo di energia a batteria richiede due valori indipendenti: la potenza in megawatt e l'energia in megawattora. Confonderli porta a dimensionare correttamente i sistemi per applicazioni non adatte. La potenza descrive la quantità di energia erogata dal sistema in un dato istante. L'energia descrive per quanto tempo il sistema mantiene tale erogazione. Un sistema da 1 MW / 4 MWh eroga la sua potenza nominale massima per circa quattro ore; un sistema da 1 MW / 1 MWh eroga la stessa potenza istantanea per circa un'ora.

Entrambi i valori necessitano di condizioni limite prima di poter avere un significato contrattuale. È necessario specificare se l'energia è in corrente continua (CC) o in corrente alternata (CA), se è nominale o utilizzabile dopo la riserva SOC (Stato di Carica), se è dichiarata all'inizio della vita utile o garantita alla fine, e se l'efficienza di andata e ritorno include i carichi ausiliari e i sistemi di alimentazione di emergenza (PCS). Due preventivi con lo stesso valore in MWh possono differire sostanzialmente in termini di energia effettivamente fornita, una volta applicati questi limiti.

Il rapporto tra potenza ed energia — il C-rate — è un utile indicatore preliminare della domanda termica, sebbene non possa sostituire i dati di resistenza a livello di cella e un modello di ciclo di lavoro risolto nel tempo. Per sistemi con la stessa capacità energetica nominale e tensione CC, la riduzione della durata della scarica da quattro ore a una aumenta la corrente di circa quattro volte. In un modello semplificato a resistenza costante, la potenza di generazione di calore I²R istantanea aumenta di circa sedici volte, mentre il calore resistivo cumulativo sull'intera scarica aumenta di circa quattro volte, poiché la scarica dura un quarto del tempo. I valori effettivi dipendono dalla resistenza della cella, dallo stato di carica, dalla temperatura e dall'architettura di tensione.

La distinzione tra potenza di picco ed energia cumulativa è ciò che rende la durata una questione di raffreddamento piuttosto che di capacità. Un sistema di raffreddamento deve respingere il picco istantaneo, non la media. Due sistemi che immagazzinano la stessa energia, uno con cicli di carica/scarica in un'ora e l'altro in quattro, presentano quindi carichi di raffreddamento che differiscono di gran lunga rispetto a quanto indicato dalle loro specifiche nominali. Questo è il motivo per cui gli impianti di regolazione della frequenza e gli impianti di arbitraggio con cicli di carica/scarica di quattro ore raramente condividono la stessa architettura di raffreddamento, anche quando le loro capacità coincidono, ed è il motivo per cui un'applicazione con un elevato tasso di carica/scarica restringe la gamma di materiali e involucri utilizzabili prima ancora di applicare qualsiasi preferenza commerciale.

Quando la chimica vincola la decisione

La chimica della batteria definisce l'intervallo termico e di sicurezza entro cui è progettata una soluzione, e il suo effetto pratico sulla configurazione è più ristretto di quanto suggeriscano la maggior parte delle tabelle comparative. Il litio ferro fosfato è generalmente più stabile termicamente rispetto a nichel-manganese-cobalto formulazioni, che influenzano le prestazioni dei test antincendio a livello di sistema. Le batterie al piombo-acido rimangono valide dove il costo è predominante e il numero di cicli è basso. Le batterie a flusso disaccoppiano la potenza dall'energia scalando lo stack e i serbatoi in modo indipendente, a una densità energetica inferiore. Le chimiche a base di sodio sono una classe emergente posizionata in base all'abbondanza del materiale.

La composizione chimica viene solitamente considerata la prima decisione da prendere, ma le sue conseguenze principali a valle sono di natura termica e normativa, piuttosto che elettrica. Una composizione chimica con una maggiore stabilità termica intrinseca può migliorare le prestazioni del sistema nei test antincendio. Tuttavia, le distanze di separazione e i requisiti di soppressione sono determinati dalla configurazione del sistema certificato, dall'edizione del codice applicabile, dai dati di prova UL 9540A, dalla disposizione dell'installazione e dall'approvazione dell'autorità competente, e non dalla sola composizione chimica. Scegliere una composizione chimica senza considerare le sue conseguenze termiche e normative è una decisione presa due volte.

La gestione termica è il punto in cui le configurazioni BESS divergono

L'architettura termica è una decisione di instradamento a livello di sistema ed è la specifica che più probabilmente viene ereditata senza essere esaminata da un progetto di riferimento costruito per un diverso tasso C. I prodotti BESS commerciali utilizzano principalmente sistemi basati su HVAC raffreddamento ad aria o raffreddamento a liquido indiretto. Il raffreddamento a immersione è un'opzione emergente laddove l'uniformità della temperatura o la resistenza alla propagazione sono prioritarie, sebbene la sua base di implementazione e l'ecosistema di servizi rimangano più limitati.

La conseguenza dell'approvvigionamento è ciò che rientra nella decisione di configurazione. La non uniformità della temperatura tra i moduli crea differenze nella resistenza interna, nella potenza disponibile e nel tasso di invecchiamento. Nel tempo, queste differenze aumentano lo squilibrio delle celle e il BMS raggiunge i suoi limiti di tensione o temperatura sui moduli periferici prima che l'intero pacco sia esaurito, il che riduce l'energia utilizzabile del sistema. Un percorso che abbassa la temperatura media ampliando al contempo la dispersione può quindi costare più energia utilizzabile di quanta ne risparmi in termini di carico di raffreddamento. Le specifiche di temperatura media non possono distinguere tra questi tre percorsi. Le specifiche di dispersione, misurate a un livello specificato di cella, modulo o rack, possono.

Una nota sulla portata. Il meccanismo alla base di tale diffusione — fonti di generazione di calore, finestre operative ottimali degli ioni di litio, progettazione del trasferimento di calore della piastra fredda e selezione del materiale di interfaccia — è un'ingegneria a livello di pacco trattata nella nostra guida a ottimizzare la gestione termica del pacco batterie. Dove il percorso è già fissato e la questione riguarda l'hardware e l'ambito della simulazione, questo si colloca con gestione termica del pacco batterie. Questo articolo si ferma al percorso che un ciclo di lavoro e un permesso di sito consentono.

Standard che definiscono i parametri di sicurezza di base

La conformità BESS degli Stati Uniti combina standard di prodotto, codici antincendio ed edilizi, requisiti di installazione elettrica e condizioni AHJ specifiche del progetto, e nessun singolo documento la copre. UL 9540 è lo standard di sicurezza per i sistemi e le apparecchiature di accumulo di energia; i sistemi sono elencati in base ad esso piuttosto che certificati da esso. UL 9540A è un metodo di prova per la valutazione fuga termica propagazione del fuoco, producendo dati empirici anziché un risultato di superamento/fallimento — dati che progettisti e autorità competenti utilizzano per stabilire distanze di separazione, ventilazione e strategie di controllo degli incendi. La norma NFPA 855 è lo standard di installazione per i sistemi di accumulo di energia stazionari, che disciplina barriere, soppressione, monitoraggio e ventilazione a livello di sito. È valida laddove uno stato, una città o un'autorità competente l'abbia adottata o citata.

Questi tre standard si affiancano alle norme IFC o NFPA 1 adottate, all'articolo 706 del NEC per gli impianti elettrici, alla norma UL 1973 per le batterie in applicazioni stazionarie, alla norma UL 1741 per i PCS e le apparecchiature di interconnessione, nonché ai requisiti di interconnessione locali. I progetti al di fuori degli Stati Uniti si basano su framework equivalenti, con le serie IEC 62619 e IEC 62933 come punti di riferimento usuali. Verificare il set di norme applicabile al mercato di destinazione prima di definire la configurazione.

Poiché i risultati della norma UL 9540A influenzano il grado di severità dei requisiti della norma NFPA 855, i dati di prova di un sistema incidono sui costi in loco prima della gettata delle fondamenta. La richiesta di tali dati rappresenta un input per la valutazione dei costi in loco, non una formalità di conformità. Il rapporto è utile solo se la configurazione testata corrisponde all'installazione proposta. Verificare quali edizioni si applicano nella giurisdizione di riferimento, poiché i requisiti variano in base alla capacità, alla distanza di separazione e al tipo di installazione (residenziale o non residenziale).

Quale variabile confermare per prima?

Prima di iniziare il lavoro sulle altre specifiche, è necessario definire due parametri: il ciclo di lavoro (durata della scarica, cicli al giorno, profondità della scarica) e l'involucro termico e spaziale del sito (portata ambientale, ingombro disponibile, collocazione interna o esterna).

Entrambi sono costosi o impossibili da modificare in seguito. Il ciclo di lavoro è definito dall'applicazione commerciale e il sito è solitamente un bene fisso. Altre variabili mantengono una certa flessibilità durante la fase di progettazione concettuale, ma la composizione chimica, l'architettura dell'involucro e la piattaforma del fornitore dovrebbero essere definite in modo definitivo prima di procedere con le autorizzazioni dettagliate, l'analisi antincendio e la progettazione dell'impianto ausiliario, poiché ciascuna di queste attività utilizza le scelte precedenti come input fissi. Definire una variabile flessibile prima di una fissa produce la modalità di errore più comune negli appalti BESS: un sistema costruito correttamente secondo una specifica che non è più adatta all'applicazione.

Per applicazioni di backup di breve durata senza spread di orario e senza esposizione a costi di picco, un generatore o un UPS potrebbero avere la potenza installata inferiore costo per kilowattora erogato. In questo contesto, è opportuno mettere in discussione l'efficacia dei sistemi di accumulo a batteria. Un confronto onesto richiede un modello del ciclo di vita che tenga conto della frequenza e della durata delle interruzioni, del carburante e della manutenzione, dei vincoli relativi a emissioni e rumore, dei tempi di risposta, dei risparmi sui costi di potenza, di eventuali ricavi derivanti dai servizi di rete o dalla capacità, e del costo del carico non servito. In genere, l'accumulo di energia giustifica il suo costo quando svolge più funzioni contemporaneamente. Un caso in cui svolge una sola funzione può comunque essere valido, ma dovrebbe essere verificato piuttosto che dato per scontato.

Parametri che è opportuno confermare per iscritto prima di confrontare i preventivi:

Da dove iniziare con le specifiche del tuo BESS

La decisione è determinata da due variabili: il ciclo di lavoro imposto dall'applicazione e le caratteristiche termiche e spaziali del sito. Una volta definiti questi parametri, la chimica, il percorso di raffreddamento e l'involucro saranno più facili da determinare. Tutto ciò che segue – proiezioni di degrado, budget per la protezione antincendio, ingombro – ne deriva.

Ciò che rimane specifico del progetto è l'interazione tra il ciclo di lavoro e l'ambiente di codifica locale, un problema che nessun articolo risolve in modo esaustivo. Quando l'ipotesi di raffreddamento di un pacco batterie viene ripresa da un progetto di riferimento con un tasso di carica inferiore senza verifica, il risultato usuale è una temperatura media accettabile a fronte di una dispersione inaccettabile tra i moduli. La correzione in questa fase consiste in una riprogettazione, non in un'ottimizzazione. Trumonytechs confronta i percorsi di raffreddamento a piastra fredda e a immersione con un ciclo di lavoro dichiarato anziché con un valore nominale, perché i percorsi divergono maggiormente nei punti operativi in cui i valori nominali convergono.

Prima del prossimo colloquio con il fornitore, raccogli i dati relativi alla durata della scarica e al profilo dei cicli giornalieri, al consumo energetico di picco e medio, all'intervallo di temperatura ambiente annuale del sito, all'ingombro disponibile e alla possibilità di installazione (interna o esterna), al limite di interconnessione alla rete e alla posizione attuale dell'autorità competente in merito ai test antincendio a livello di impianto. Con questi sei dati, un fornitore può dimensionare un sistema e quantificarne il costo in termini di isolamento termico e sicurezza, senza dover ricorrere a supposizioni o dati concreti.

Dove finisce questo articolo

Tre decisioni esulano dall'ambito di questo articolo, ognuna con una guida dedicata:

• Design del circuito di raffreddamento e della piastra fredda — una volta definito il percorso, seguono la geometria del canale, il bilanciamento del flusso e il dimensionamento della pompa. Vedi Progettazione di sistemi di raffreddamento a liquido per la gestione termica di batterie e sistemi di accumulo di energia per veicoli elettrici..
• Prevenzione dell'instabilità termica a livello di sistema — la sezione sugli standard qui fornisce solo le coordinate di conformità; l'ingegneria alla base della resistenza alla propagazione è trattata in come prevenire l'instabilità termica nei sistemi di accumulo di energia a batteria (BESS).
• Fasce di costo di installazione — questo articolo evita deliberatamente le cifre dei prezzi, poiché variano in base alla chimica, al mercato e alla scala. Gli intervalli attuali sono in costo del sistema di accumulo a batteria solare.

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