BESS: En løsning for å håndtere energi proaktivt

Utvidelsen av fornybar energi og en global tendens til effektivt energiforbruk har økt interessen for energilagringsløsninger og spesielt batterilagringssystemer. Denne artikkelen vil bidra til å forstå hva disse systemene handler om og fordelene ved å bruke dem.

Et BESS: hva består det av?

Et batterienergilagringssystem (battery energy storage system – BESS) er en kompleks løsning som bruker oppladbare batterier for å lagre energi og frigjøre den senere. BESS-typer korrelerer med elektrokjemi eller batteriet de bruker – systemene kan være basert på litium-ion, blysyre, nikkel-kadmium, natriumsvovel og flytbatterier. Et energilagringssystem (energy storage system – ESS) er et bredere begrep og kan hvile på en rekke andre teknologier enn batterier, for eksempel vannkraft, svinghjul, trykkluft og annet.

For å forstå hva et BESS er og hvordan den fungerer, vil det bidrar til å se på strukturen og kjerneelementene:

BATTERI

Elektrisk energi levert fra forskjellige kilder, som sol-, vind- eller kraftstasjoner, konverteres til kjemisk energi under batteriladingsprosessen. Energien som frigjøres fra batteriet under utladning kan drive boliger, kjøretøyer, næringsbygg og strømnett. Batterier består av celler og kan arrangeres i moduler, pakker og beholdere.

Batterihåndteringssystem (battery management system – BMS)

Et BMS sørger for sikker og riktig drift av batteriet. Hver batteritype har visse lade- og utladingsforhold. En BMS sørger for at batteriet holder seg innenfor ønsket strøm-, spennings- og temperaturområde. Ved å overvåke parametrene og estimere batteriets ladetilstand (state-of-charge – SOC) og helsetilstand (state-of-health – SOH), sikrer et BMS sin pålitelige og langvarige ytelse.

Strømomformingssystem (PCS)

Gjennom bruk av et strømomformingssystem (strømkonverteringssystem omformes (konverteres) et BESS-likestrøm (DC) til vekselstrøm (AC) og omvendt. AC strømmer fra en strømkilde og konverteres til DC under batterilading. Når batteriet er utladet, produserer det likestrøm, som konverteres tilbake til vekselstrøm som er nødvendig for å drive BESS-oppsett.

Energihåndteringssystem (energy management system – EMS)

Et EMS er en styringsenhet i et batterienergilagringssystem. Den håndterer strømmen som er tilgjengelig i et BESS-, akkurat når, hvorfor og i hvilke mengder den akkumulerer eller leverer energien. Et EMS setter sammen elementene i et BESS og optimaliserer den generelle ytelsen.

Sikkerhetssystemer

Det kan være en rekke sikkerhetssystemer, som alle er ansvarlige for en spesifikk oppgave. For eksempel gjør et ventilasjonssystem (HVAC) det mulig for et BESS å opprettholde ønsket temperatur og fuktighet gjennom oppvarming, ventilasjon og kjøling (klimatisering). Et brannvernsystem kan oppdage røyk og forhindre brannhendelser.

Figur 1: En typisk BESS-struktur. (Bildekilde: Integra Sources LLC)

Hva kan et BESS gjøre?

Hvert år leverer batterienergilagringssystemer strøm til tusenvis av hjem, bedrifter, anlegg og lokalsamfunn over hele verden. De varierer i omfang og lagringskapasitet.

Med 13,5 kWh brukskapasitet er for eksempel Tesla Powerwall en kompakt enhet som kan fungere som en kilde til uavbrutt strøm for en enkelt husholdning. Mens Vistra Moss Landing Energy Storage Facility – verdens største BESS - med sin totale kapasitet på 1600 MWh kan levere energi til 300 000 boliger.

Men til tross for forskjellen i størrelse og kapasitet, kan BESS oppfylle lignende funksjoner og håndtere lignende problemer. La oss vurdere tilfellene hvor batterienergilagring kan være til nytte.

Integrasjon av fornybar energi

BESS kan utnytte sol- og vindkraft effektivt, til alle tider og i alle værforhold. Oppladbare batterier kan lagre overskuddsenergi generert av periodisk fornybar energi. Senere kan denne energien sendes ut i henhold til brukernes behov.

Når de er integrert med batterilagringsløsninger, kan fornybare energikilder erstatte fossile brensler og tilby billig og ren energi til et mangfold av oppsett. Integrering av fornybar energi er mye brukt i:

• sol- og vindmøllepark
• samfunn utenfor strømnettet (off-grid) og isolerte samfunn (øyer og vanskelig tilgjengelige områder)
• energilagringsenheter i hjemmet kombinert med solcellepaneler (for eksempel Powerwall)

Bortsett fra frittstående systemer (off-grid systemer), kan et BESS støtte nettilkoblede systemer (on-grid) og hybridløsninger for bolig-, kommersiell og industriell bruk.

Figur 2: Batterienergilagringssystemer er mye brukt i sol- og vindparker. (Bildekilde: Integra Sources LLC)

Energtransmisjon (energi-arbitrage)

Det er en positiv sammenheng mellom etterspørselen etter elektrisk kraft og kostnadene på strømmen. Energiprisen øker i perioder med høy etterspørsel og synker når etterspørselen synker. Energtransmisjon (energi-arbitrage) – eller tidsforskyvning – kan forbrukerne få til ved hjelp av et batterilagringssystem.

Ved å lade batteriet på tider med lavere pris, kan forbrukerne kjøpe billig strøm og lagre den i sitt BESS. Deretter kan de vente til strømprisen stiger og lade ut batteriet, ved enten å bruke billig strøm eller selge strømmen til nettet.

Dermed kan husholdninger og bedrifter effektivt forvalte energiressurser, og dermed kutte ned på kostnadene.

Laststyring

Strømmen forbrukes forskjellig gjennom dagen og basert på sesongen – det er på- og avspenningstider. Et BESS lar brukere navigere mellom disse periodene, justere energiforbruket og spare strømkostnader.

«Peak-shaving» – lasthåndtering til å ta effekttopper ved flytting av forbruk fra tider når forbruket er høyt, til tider når forbruket er lavere – er en av de mest populære bruken av BESS. Dette handler om å redusere strømforbruket i topp-perioder. I tillegg til dette kan forbrukerne kutte utgiftene sine, akkurat som med energtransmisjon.

En batterilagringsløsning kan bidra til å unngå spissbelastninger på et strømnett, og dermed strømbrudd og andre nødssituasjoner. Ved å lade ut den lagrede energien, tar et BESS lasten av nettet og leverer strøm uten avbrudd.

Start ved strømbrudd

Et BESS kan hjelpe kraftstasjoner og strømnett med å gjenopprette seg raskt etter strømbrudd. I stedet for å bruke en dieselgenerator, kan forbrukerne ta til et batterilagringssystem – en billigere og grønnere startløsning ved strømbrudd. Et BESS kan arbeide uavhengig av nettets overføringslinje og levere energi i den tiden som kreves – fra minutter til timer.

Strømbackup

Et BESS kan levere energi til boliger, bedrifter og andre anlegg, og dermed sikre kontinuerlig drift. Dette er av vital betydning for helseinstitusjoner og andre organisasjoner som leverer tjenester knyttet til menneskers helse og sikkerhet. Avhengig av lagringskapasiteten, kan et BESS levere reservestrøm så lenge som helst, selv i tilfellet med alvorlig nettfeil.

Frekvens- og spenningskontroll

Frekvens og spenning kan gå utenfor sine driftsgrenser hvis strømforsyningen er ute av synkronisering med dens faktiske etterspørsel. Dette kan føre til strømbrudd og strømbrudd. Et BESS kan sikre stabiliteten til et strømnett eller kraftsystem gjennom spennings- og frekvensregulering. På grunn av sin raske responstid, blir et batterienergilagringssystem en virkningsfull (effektiv) balanseringsløsning for strømnettet.

Mikrostrømnett

Dette er små strømnett som kan levere strøm til næringsbygg, produksjonsanlegg eller nabolag når de er koblet til et større nett. Autonome mikrostrømnett (mikronett) kan drive fjerntliggende områder og samfunn, for eksempel øyer. Når det kombineres med et BESS og integreres med fornybar energi, kan et mikronett fungere som et robust kraftsystem for flere brukere.

Figur 3: Et mikrogrid kan fungere som et robust kraftsystem for fjerntliggende områder og samfunn, for eksempel øyer. (Bildekilde: Integra Sources LLC)

Forlengelse av levetid for distribusjonsnett

Linjer for overføring og distribusjon er utsatt for aldring og avskrivninger på grunn av toppbelastninger (spissbelastninger) og overbelastninger. En batterilagringsløsning kan løse dette problemet ved å påta seg rollen som ressur for overføring og distribusjon. Et BESS kan tilby ytterligere lagringskapasitet og balansebelastninger, og dermed utsette oppgraderingen av eksisterende overførings- og distribusjonslinjer, samt bygging av ny infrastruktur. Dette betyr å spare massevis av penger.

Hvor kan et BESS benyttes best mulig?

BESS er avhengig av rimelig teknologi, for eksempel har prisen på litium-ion-batterier falt med nesten 90 % i løpet av de siste 10 årene og kommer til å falle ytterligere. Batterilagringsløsninger har et bredt spekter av konfigurasjoner, inkludert lagringskapasitet og størrelse, slik at de kan passe til mange bransjer og utrustninger.

Disse oppsettene kan deles inn i FTM – før strømmåleren (elektrisitetsmåleren) (front-of-the-meter) – eller offentlig strømforsyningssystem (energiforbruket måles med en strømmåler) og BTM – etter strømmåleren (behind-the-meter) – eller isolerte systemer (energiforbruket kan ikke kobles til strømnettet og måles dermed ikke av noen strømmåler). Her er en oversikt over BESS-oppsett av typene FTM og BTM (som definitivt ikke er komplett).

Før strømmåleren-oppsett (front-of-the-meter – FTM)

Systemer for lagring av batterienergi kan bidra sterkt til drift og vedlikehold av anlegg og utstyr i bruksskala. Et BESS kan tilby reservekapasitet og svart-start-tjenester, gi spenning og frekvensstabilitet, og spare penger gjennom mindre behov for vedlikehold. BESS FTM-utrustninger inkluderer:

• Strømnett
• Understasjoner
• Forlengelse av levetid for overføring- og distribusjonsnett
• Kraftstasjoner

Etter strømmåleren-oppsett (behind-the-meter – BTM)

BTM-systemer kan levere strøm til forbrukere via et strømforsyningsnett. Sammen med grønne energikilder kan et BESS forsyne frittstående kraftsystemer eller mikrostrømnett uten stans. Produsentene kan bruke batterilagring til sikkerhetskopiering av strøm for å unngå nedetid på produksjonsanlegg. Ved å bruke BESS-systemer kan selskaper og familier redusere strømtakstene betydelig med energitidsforskyvning. BTM-batterienergilagringssystemer finnes i:

• Industri- og produksjonsanlegg
• Virksomheter
• Husholdninger
• Elektriske kjøretøyer
• Marinesystemer

Figur 4: BESS-oppsett. (Bildekilde: Integra Sources LLC)

Er det fornuftig å bygge et BESS?

Det korte svaret er ja, det gjør det. Det lengre svaret trenger litt mer avklaring.

Uten tvil, å kjøpe en ferdig BESS sparer masse tid og, noen ganger, penger. Hvis det ikke er noen spesielle krav til systemet, kan en løsning velges «rett ut av boksen» blant mange energilagringsprodukter som er tilgjengelige på markedet. Når det er sagt, er det noen grunner som kan holde en forbruker tilbake fra å kjøpe, som for eksempel:

• spesifikke kundekrav, som forretningsmessige nisjekrav og driftsforhold
• mangel på ønskede funksjoner eller unødvendige funksjoner som bidrar til systemets kostnad
• ufullstendighet i systemet, og mangel på støtteutstyr
• programvare av lav kvalitet
• fravær av garanti og vedlikehold etter garanti

Å bygge et batteri-energilagringssystem kan være en kjedelig prosess som tar tid, penger og kompetanse. Men dette gir en mulighet til å lage en svært tilpasset løsning som fullt ut oppfyller alle kravene til en sluttbruker.

Et skreddersydd BESS kan tilby forbedret funksjonalitet, brukervennlighet, sikkerhet og cybersikkerhet. Implementering av avanserte BMS-algoritmer vil gjøre det mulig for brukere å forbedre batteriets ytelse og forlenge levetiden. Utvikling av en tilpasset løsning optimaliserer teknisk støtte, kundebehandling og andre tjenester som kan være nødvendige som enten en sluttbruker eller en BESS-leverandør.

For å konstruere et høykvalitets BESS krever et team av profesjonelle som er godt kjent med batteriteknologi, strømelektronikk, innebygd programvare og maskinvareutvikling. Det er viktig å organisere og harmonisere hvert trinn i å skape produktet fra design til sertifisering og produksjon. Å ansette ingeniører med relevant kompetanse og erfaring kan bidra til å bygge et fullverdig batterilagringssystem som forutsier forbrukernes forventninger.

Til tross for dette er ikke et spesialtilpasset produkt noen patentløsning. Å lage en tilpasset BESS bør vurderes fra gang til gang, for noen prosjekter vil en bruksklar løsning fungere best. For å lære mer om skreddersydde kontra hylle-BESSer, les en større artikkel omlagringssystemer for batterier på bloggsiden til Integra Sources LLC. Her kan leserne også lære om ulike batteriteknologier og -egenskaper, store BESS-produsenter, alternative energilagringssystemer og andre relaterte detaljer.