Voordat we de architectuur en batterijtypen van batterij-energieopslagsystemen (BESS) bespreken, moeten we ons eerst concentreren op de meest voorkomende terminologie die op dit gebied wordt gebruikt. Verschillende belangrijke parameters beschrijven het gedrag van batterij-energieopslagsystemen.
Capaciteit [Ah]: De maximale elektrische lading die het systeem bij een redelijke spanning aan de aangesloten belasting kan leveren. De technologie van de batterij heeft een aanzienlijke invloed op deze parameter, waarvan de waarde wordt ingesteld voor een bepaalde ontlaadstroom en temperatuur.
Nominale energie [Wh]:Dit is de totale energie die wordt geproduceerd tussen de toestanden van volledig opladen en volledig ontladen. Het komt overeen met de accuspanning maal de capaciteit. Temperatuur en stroom hebben ook een impact, omdat de capaciteit deze bepaalt.
Vermogen [W]:Het definiëren van het uitgangsvermogen van een BESS is moeilijk omdat het afhankelijk is van de aangesloten belasting. Niettemin vertegenwoordigt het nominale vermogen het vermogen in het meest typische ontladingsscenario.
Specifieke energie [Wh/kg]:Dit geeft de energieopslagcapaciteit van de batterij aan in verhouding tot de massa.
De schaal die wordt gebruikt om de laad- en ontlaadduur te bepalen, wordt deC-tarief. Door de ontlaadstroom zal de accu bij 1C binnen een uur volledig leeglopen.
Laden/ontladen/laden is hetfiets. Er bestaat geen algemeen aanvaarde definitie van wat een cyclus is.
Van een batterijcyclus levenis het totale aantal cycli dat het kan produceren.
Dod: Uitblaasdiepte. Volledige ontlading is 100%;
Laadstatus (SoC,%):Met dit getal wordt het laadniveau van een accu aangegeven.
De voorwaarde "Coulombische efficiëntie" verwijst naar het vermogen van de accu om lading efficiënt over te dragen. Het is het deel van de lading dat nodig is om terug te keren naar de oorspronkelijke ladingstoestand ten opzichte van de ladingshoeveelheid (Ah) die vrijkomt tijdens de ontladingsfase. Met uitzondering van de loodzuurtechnologie, zijn de meeste gewone batterijen hebben een rendement dat hiermee vergelijkbaar is.
De belangrijkste soorten elektrochemische energieopslagsystemen
Er bestaan talloze batterijsystemen, elk gebaseerd op een unieke combinatie van chemische componenten en processen. Loodzuur- en Li-ionbatterijen zijn momenteel de meest gebruikte typen, maar ook stromings-, nikkel- en zwavelgebaseerde batterijen hebben een plaats op deze markt. We zullen snel de belangrijkste voordelen van de populairste batterijtechnologieën bespreken.
Wij gebruiken deze batterijen regelmatig. De basiscel van deze batterij bestaat uit een positieve bi-oxide- of loodelektrode en een negatieve loodelektrode. Het elektrolyt is een zwavelzuuroplossing in water.
De belangrijkste voordelen van deze batterijen zijn hun betaalbaarheid en geavanceerde technologische staat.
Nikkel-cadmium-batterijen (Ni-Cd).
Voordat de lithiumbatterijtechnologie op grote schaal werd gebruikt, diende dit type batterij een aantal jaren als de primaire energiebron voor draagbare apparaten.
Deze batterijen bieden een hoog vermogen en een snelle oplaadtijd.
Een verbetering ten opzichte van deze batterijen wordt vertegenwoordigd door de nikkel-metaalhydride (NiMH) technologie, die ongeveer 40% hogere specifieke energie kan leveren dan de standaard NiCd.
Lithium-ionbatterijen (Li-Ion).
Van alle metalen heeft lithium de hoogste specifieke energie en is het de lichtste. Oplaadbare lithium-metaalanodebatterijen hebben het vermogen om ongelooflijk hoge energiedichtheden te leveren.
Er zijn ook andere beperkingen. De ontwikkeling van dendrieten op de anode tijdens het fietsen is bijvoorbeeld een relevante beperking. Dit kan resulteren in een stroomstoring, waardoor de temperatuur kan stijgen en de batterij beschadigd kan raken.
De samenstelling van een BESS
Verschillende ‘niveaus’, zowel logisch als fysiek, vormen een BESS. Elk uniek fysiek onderdeel heeft zijn eigen besturingssysteem nodig.
Hier volgt een overzicht van deze belangrijke fasen:
Het batterijsysteem bestaat uit verschillende batterijpakketten en talrijke batterijen die met elkaar verbonden zijn om de gewenste spannings- en stroomniveaus te bereiken.
Het batterijbeheersysteem regelt de juiste werking van elke cel, zodat het systeem kan functioneren binnen een spannings-, stroom- en temperatuurbereik dat veilig is voor de uitstekende gezondheid van de batterijen en niet voor het systeem als geheel. Bovendien wordt hierdoor de laadstatus in elke cel aangepast en uitgebalanceerd.
Om de stroom om te zetten in wisselstroom worden de omvormers op het accusysteem aangesloten. Een gespecialiseerd vermogenselektronica-niveau, bekend als het PCS (Power Conversion System), is in elke BESS aanwezig. Het wordt doorgaans gegroepeerd in een conversie-eenheid, samen met alle hulpdiensten die nodig zijn voor een passende monitoring.
Het systeem en de energiestroom monitoring en controle (energiemanagementsysteem) zijn de volgende stappen. Het toezichthoudende controle- en data-acquisitiesysteem, of SCADA-systeem, omvat vaak algemene monitoring- en controlefuncties. Aan de andere kant is het energiebeheersysteem specifiek ontworpen om de energiestroom te monitoren in overeenstemming met de toepassingsvereisten.
De middenspannings-/laagspanningstransformatoraansluiting en, afhankelijk van de systeemgrootte, de hoogspannings-/middenspanningstransformator op een speciaal onderstation zijn de laatste aansluitingen.
PV-module en BESS-integratie
Hernieuwbare energiebronnen zullen in de toekomst waarschijnlijk een aanzienlijke impact hebben op elektrische systemen, zoals besproken in het eerste deel van deze serie. Zowel het elektrische systeem als de hernieuwbare energiecentrale kunnen profiteren van de integratie van een BESS met een hernieuwbare energiebron.
Hieronder worden de verschillende manieren uitgelegd waarop een BESS een energiecentrale zou kunnen helpen:
Om een stabielere en voorspelbaardere opwekkingscurve te bereiken, zou dit de ‘volatiliteit’ van het opwekkingsprofiel onder bewolking of abrupte pieken in de macht compenseren. Het contrast tussen de opwekkingscurve van een PV-installatie op een bewolkte dag en een met een heldere hemel wordt weergegeven in Figuur 4. De opwekking zou minder "flikkeren" vertonen met de integratie van een BESS, wat een regelmatigere curve oplevert.
De generatiecurve zal "gladder" worden als resultaat van peak shaving (lees het vorige artikel voor meer informatie over peak shaving).
Met betrekking tot netwerkondersteuning en ondersteunende diensten kan het BESS een belangrijke rol spelen bij de integratie van de energiecentrale in het elektriciteitsnet door frequentieregeling en spanningsbeheer aan te bieden (samen met blindvermogencompensatie) met aanzienlijk minder impact op het elektrische systeem.
Naast de bovengenoemde diensten bestaan er nog meer potentiële samenwerkingen tussen fotovoltaïsche modules en batterij-energieopslagsystemen, te beginnen met de uitwisseling van verbindingspunten (POC). Omdat er regelmatig een BESS wordt geïnstalleerd als "aanvulling" op de PV-module, kan de aanwezigheid ervan geen extra stroom op de POC noodzakelijk maken.
Bijkomende potentiële samenwerkingen vloeien voort uit beslissingen die zijn genomen in de architectuur van hoe PV-modules verbinding maken met een BESS. Er bestaan ten minste drie primaire opties:
DC-koppeling: Bij deze optie wordt een bepaalde DC/DC-converter gebruikt om de BESS en PV aan de DC-zijde van de batterijen en PV-modules te koppelen om de spanning te stabiliseren. Met deze methode zal de gehele AC-zijde van de installatie de omvormers delen tussen de PV-module en BESS (de omvormer in dit scenario zal in alle vier de kwadranten van het PQ-diagram kunnen werken). Deze keuze is vrij gebruikelijk voor woningen toepassingen, of in het geval van een kleine installatie (kW). Bij een grootschalige installatie wordt de BESS over het veld verspreid. Er zal echter specifieke en dure logica nodig zijn om de gelijkspanning en de lading van elk accupakket te regelen.
AC-koppeling na de omvormer: Deze methode is vergelijkbaar met de vorige, maar plaatst het BESS- en PV-modulekoppelpunt achter de omvormers. In dit geval hebben de BESS en de PV-module elk hun eigen speciale omvormer. Omdat er geen extra besturingslogica voor de DC-koppeling nodig is, is deze methode ook populair voor residentiële toepassingen en zou in grote installaties kunnen worden gebruikt om een gedistribueerde BESS te creëren.
AC-koppeling op de POC:Bij deze oplossing delen de PV-module en BESS alleen de interconnectiefaciliteit, terwijl ze op installatieniveau volledig gescheiden secties hebben.