Системы накопления энергии: что это, как работают и зачем нужны

Промышленная система накопления энергии (СНЭ) предназначена для аккумулирования электроэнергии от внешней сети или собственной генерации и её последующей отдачи потребителю по заданному алгоритму. В статье рассматриваются прежде всего аккумуляторные установки для промышленных предприятий. Проточные батареи и маховиковые накопители приведены для сравнения.

Термины и сокращения

ESS (Energy Storage System) — система накопления энергии (СНЭ, СНЭЭ)

BMS (Battery Management System) — система управления аккумуляторной батареей: контроль напряжения, температуры, токов и уровня заряда ячеек.

PCS (Power Conversion System) — двунаправленный преобразователь постоянного и переменного тока.

EMS (Energy Management System) — система управления режимами заряда, разряда и распределения нагрузки между источниками.

SOC (State of Charge) — уровень заряда батареи в процентах от полной ёмкости.

DoD (Depth of Discharge) — глубина разряда батареи.

LFP — литий-железо-фосфатная химия литий-ионных ячеек.

NMC — литий-никель-марганец-кобальт-оксидная химия литий-ионных ячеек.

C-rate — отношение мощности заряда или разряда к энергоёмкости батареи.

ИБП — источник бесперебойного питания.

ВИЭ — возобновляемые источники энергии.

Что такое система накопления энергии

Системой накопления энергии называют комплекс оборудования для приёма, аккумулирования и отдачи электроэнергии по командам системы управления. В аккумуляторной установке основными узлами служат батареи, преобразователь, средства защиты и управления.

В российской нормативной документации применяется термин «система накопления электрической энергии» (СНЭЭ). Требования к ней установлены серией стандартов ГОСТ Р 58092, гармонизированной с международной серией IEC 62933.

Заряд и разряд задаёт EMS. Например, батарею заряжают при доступной мощности собственной генерации или в предусмотренные графиком часы. При разряде двунаправленный преобразователь выдаёт энергию на шину переменного тока.

Мощность разряда (кВт) определяет нагрузку, которую установка способна покрыть, а энергоёмкость (кВт·ч) — продолжительность питания этой нагрузки. Соотношение этих величин выражают через C-rate.

Чем СНЭ отличается от источника бесперебойного питания

Функции резервирования у ИБП и накопителя частично совпадают, однако назначение и режим работы этих устройств различаются.

ИБП обеспечивает непрерывное питание ответственной нагрузки (серверное оборудование, системы управления технологическим процессом, аварийное освещение) при переходе на резервный источник. Автономия его батарей обычно составляет минуты — время на запуск резервного генератора или штатную остановку оборудования. Большую часть времени ИБП находится в режиме ожидания.

Накопитель рассчитывают на разряд продолжительностью до нескольких часов и ежедневное циклирование: помимо резервирования, он выполняет сглаживание графика потребления и поддержку генерации. При этом наличие батареи само по себе не обеспечивает бесперебойного переключения: время перехода и качество напряжения определяются схемой подключения и характеристиками оборудования.

Виды промышленных накопителей

Способ хранения энергии определяет соотношение мощности и энергоёмкости установки, длительность разряда и допустимое число циклов. По этим параметрам накопитель энергии подбирают под задачу объекта с учётом частоты циклирования и условий площадки.

Для промышленного предприятия практическое значение имеют литий-ионные и проточные батареи, а также маховиковые накопители. Свинцово-кислотные батареи сохраняют применение в ИБП и системах оперативного постоянного тока, но в циклическом режиме уступают литий-ионным по ресурсу.

Литий-ионные системы

Литий-ионные батареи собирают из ячеек и модулей, которые размещают в стойках и контейнерах. Ресурс и допустимый температурный диапазон зависят в том числе от химии ячеек. В новых проектах, как отмечает IEA, широко применяется литий-железо-фосфатная химия. При выборе модели определяющим параметром является гарантированная отдаваемая энергия на расчётном горизонте эксплуатации, а не номинальная ёмкость.

По сравнению с химией NMC ячейки LFP имеют меньшую удельную энергоёмкость, но более высокую температуру начала теплового разгона и больший циклический ресурс, поэтому в стационарных установках их применяют чаще. Заряд литий-ионных ячеек при отрицательной температуре не допускается.

Альтернативные технологии — проточные батареи и маховики

Для длительного разряда применяют проточные батареи, а для кратковременной высокомощной поддержки используют маховиковые накопители.

• В проточной батарее энергия аккумулируется в жидком электролите, поэтому мощность и энергоёмкость задаются разными узлами: мощность определяется параметрами стека, а энергоёмкость зависит от объёма резервуаров. Такое решение требует насосного оборудования, резервуаров и регулярного обслуживания стека. КПД цикла заряд–разряд у проточных батарей ниже, чем у литий-ионных систем, зато электролит ванадиевой батареи практически не деградирует.
• Маховиковый накопитель обеспечивает высокую мощность в течение короткого времени, однако его энергоёмкость недостаточна для длительного резервирования. Из-за потерь на вращение маховик не применяют для хранения энергии дольше нескольких минут.

Сравнение технологий

Значения в таблице — отраслевые диапазоны по данным EPRI и справочника DOE/EPRI.

Из чего состоит промышленная аккумуляторная установка

Типовая аккумуляторная установка включает следующие узлы:

1. Батарейные модули и стойки. Ячейки объединяются в модули, стойки или шкафы. Их конфигурация определяет напряжение шины постоянного тока и энергоёмкость установки.
2. Система управления батареей (BMS). Контролирует напряжение, температуру, SOC и допустимые токи, балансирует ячейки и ограничивает работу батареи при опасных отклонениях.
3. PCS. Преобразует постоянный ток в переменный при разряде и выполняет обратное преобразование при заряде. К ключевым параметрам относятся длительная и кратковременная допустимая мощность. Кратковременная мощность определяет возможность пуска двигателей: пусковой ток асинхронного двигателя при прямом пуске в 5–7 раз превышает номинальный, а преобразователь в этот момент отдаёт и реактивную мощность, поэтому его номинал указывают в кВА.
4. EMS, коммутация и мониторинг. Система управления задаёт график заряда и распределяет нагрузку между источниками; коммутационное оборудование обеспечивает переключение, а мониторинг фиксирует параметры работы.
5. Охлаждение и пожарная защита. Обеспечивают температурный режим, обнаружение опасных состояний и предусмотренные проектом меры их локализации.

Защита и безопасность эксплуатации

Основной риск литий-ионной установки — тепловой разгон ячейки с выделением горючих газов. Поэтому помимо пожаротушения предусматривают газовый анализ, вентиляцию и сброс избыточного давления из контейнера. При проектировании проверяют сценарии отказа и условия размещения.

Контейнерное исполнение для промышленных объектов

В контейнерном исполнении батарейные стойки, охлаждение и пожарная защита поставляются в собранном блоке заводской готовности. При наружной установке контейнер оснащают системой отопления и кондиционирования для поддержания рабочей температуры ячеек. При этом важно проводить предварительный расчёт защит, вентиляции и подключения на площадке.

Задачи накопителя на предприятии

Задача установки влияет на расчётный параметр: при покрытии пиков расчёт ведут по мощности преобразователя, при резервировании определяющей становится доступная энергия. Одна установка может совмещать несколько режимов, если EMS распределяет заряд между ними.

Сглаживание пиков нагрузки

Батарея компенсирует кратковременное превышение заданного предела отбора мощности. Расчёт выполняют по интервальному графику нагрузки, поскольку среднесуточные значения не отражают кратковременных пиков. Сглаживание пиков также позволяет подключить дополнительное оборудование, не превышая максимальную мощность по договору технологического присоединения.

Снижение оплаты мощности

Разряд накопителя снижает платёж за мощность, если договор энергоснабжения предусматривает её оплату. Оплачиваемую мощность определяют по потреблению в час максимальной нагрузки энергосистемы региона, который выбирают из плановых часов пиковой нагрузки. Этот час заранее неизвестен, поэтому накопитель должен снижать потребление на протяжении всего интервала плановых часов в каждый рабочий день, даже если у самого предприятия пика в это время нет.

Резервирование

Питать нагрузку при отключении сети накопитель может, если PCS поддерживает режим формирования напряжения и частоты (grid-forming), а схема предусматривает автоматическое отделение резервируемой нагрузки от внешней сети. Преобразователи, работающие только синхронно с сетью, при её исчезновении отключаются.

Требования к резервированию задаёт технологический процесс: если он не допускает даже краткого провала питания, проверяют схему коммутации и время перехода, а при необходимости длительной автономии оценивают доступную энергию и резервный источник.

Интеграция с возобновляемыми источниками энергии

Батарея аккумулирует избыток выработки ВИЭ и компенсирует её снижение, при этом EMS поддерживает резерв заряда для технологических пиков.

Поддержка частоты

В автономной сети PCS компенсирует кратковременный небаланс мощности до реакции генераторов. Участие в регулировании частоты внешней энергосистемы требует отдельного согласования.

Гибридные схемы: накопитель энергии и собственная генерация

Гибридная система генерации включает газопоршневую или дизельную электростанцию, накопитель и общую систему управления. Генератор в такой схеме несёт базовую нагрузку, а батарея при достаточном уровне заряда компенсирует кратковременные пики без запуска дополнительного агрегата. Это может сократить число пусков и работу двигателя в переходных режимах.

Газопоршневые установки допускают меньший единовременный наброс нагрузки, чем дизельные, и набирают мощность ступенями. Накопитель принимает на себя наброс, превышающий эту ступень. Кроме того, он может заменить вращающийся резерв: вместо работы нескольких агрегатов с неполной нагрузкой в работе остаётся меньше генераторов с нагрузкой, близкой к оптимальной, что снижает удельный расход топлива.

Алгоритм EMS согласуют с ограничениями двигателя: нагрузка генератора не должна опускаться ниже допустимого минимума, поскольку длительная работа на малой нагрузке ускоряет нагарообразование и износ, а батарея должна успевать зарядиться до следующего наброса нагрузки.

ПСМ выпускает газопоршневые и дизельные электростанции в блочно-контейнерном исполнении, на базе которых строят такие схемы. Интерфейсы сопрягаемого накопителя и алгоритм совместной работы определяют отдельным проектным решением.

Если вы хотите установить газовую или дизельную автономную электростанцию на своём объекте, оставьте заявку. Инженеры ПСМ рассчитают состав установки и подготовят решение под режим работы вашего объекта.

Типичные ошибки при выборе системы накопления энергии

Ошибки подбора в большинстве случаев связаны с подменой расчётных параметров.