Prima di discutere l’architettura del sistema di accumulo dell’energia della batteria (BESS) e i tipi di batterie, dobbiamo concentrarci sulla terminologia più comune utilizzata in questo campo. Diversi parametri importanti descrivono il comportamento dei sistemi di accumulo dell'energia delle batterie.
Capacità [Ah]: La carica elettrica massima che il sistema è in grado di fornire al carico collegato a una tensione ragionevole. La tecnologia della batteria ha un impatto significativo su questo parametro, il cui valore è impostato per una particolare corrente e temperatura di scarica.
Energia Nominale [Wh]:Questa è l'energia totale prodotta tra gli stati di piena carica e completa scarica. È equivalente alla tensione della batteria moltiplicata per la capacità. Anche la temperatura e la corrente hanno un impatto, poiché è la capacità a determinarlo.
Potenza [W]:Definire la potenza di uscita di un BESS è difficile perché si basa sul carico collegato. Tuttavia, la potenza nominale rappresenta la potenza nello scenario di scarica più tipico.
Energia specifica [Wh/kg]:Ciò indica la capacità di accumulo di energia della batteria in relazione alla massa.
La scala utilizzata per determinare la durata di carica e scarica è chiamataTasso C. La corrente di scarica scaricherà completamente la batteria in un'ora a 1°C.
Carica/scarica/carica è ilciclo. Non esiste una definizione condivisa di cosa sia un ciclo.
Quella di una batteriaciclo di vitaè il numero totale di cicli che può produrre.
Dipartimento della Difesa: Profondità di scarico. Lo scarico completo è al 100%;
Stato di carica (SoC,%):Il livello di carica della batteria è indicato da questo numero.
Il termine "efficienza coulombiana" si riferisce alla capacità della batteria di trasmettere la carica in modo efficiente. È la proporzione di carica necessaria per ritornare allo stato di carica originale rispetto alla quantità di carica (Ah) rilasciata durante la fase di scarica. Ad eccezione della tecnologia al piombo, la più comune le batterie hanno un'efficienza paragonabile a questa.
Le principali tipologie di sistemi di accumulo dell'energia elettrochimica
Esistono numerosi sistemi di batterie, ciascuno basato su una combinazione unica di componenti e processi chimici. Le batterie al piombo e agli ioni di litio sono attualmente i tipi più utilizzati, ma anche le batterie a flusso, al nichel e a base di zolfo hanno un posto in questo mercato. Esamineremo rapidamente i principali vantaggi delle tecnologie delle batterie più popolari.
Usiamo queste batterie regolarmente. La cella base di questa batteria è composta da un elettrodo positivo al biossido o piombo e da un elettrodo negativo al piombo. L'elettrolita è una soluzione di acido solforico in acqua.
I principali vantaggi di queste batterie sono la loro convenienza e lo stato tecnologico avanzato.
Batterie al nichel-cadmio (Ni-Cd).
Prima che la tecnologia delle batterie al litio fosse ampiamente utilizzata, questo tipo di batteria fungeva da fonte di alimentazione primaria per i dispositivi portatili per diversi anni.
Queste batterie forniscono un'elevata potenza e un tempo di ricarica rapido.
Un miglioramento di queste batterie è rappresentato dalla tecnologia al Nichel-Metallo-Idruro (NiMH), in grado di fornire un'energia specifica superiore di circa il 40% rispetto alle NiCd standard.
Batterie agli ioni di litio (Li-Ion).
Tra tutti i metalli, il litio ha l’energia specifica più alta ed è il più leggero. Le batterie ricaricabili all'anodo metallico di litio hanno la capacità di fornire densità di energia incredibilmente elevate.
Ci sono anche altre restrizioni. Ad esempio, lo sviluppo di dendriti sull'anodo durante il ciclo è una limitazione pertinente. Ciò potrebbe provocare un'interruzione di corrente, che potrebbe aumentare la temperatura e danneggiare la batteria.
La composizione di un BESS
Diversi "livelli", sia logici che fisici, compongono un BESS. Ogni parte fisica unica necessita del proprio sistema di controllo.
Ecco una carrellata di queste fasi chiave:
Il sistema di batterie è composto da diversi pacchi batteria e numerose batterie collegate tra loro per raggiungere i livelli di tensione e corrente desiderati.
Il sistema di gestione della batteria regola il funzionamento appropriato di ciascuna cella per consentire al sistema di funzionare entro un intervallo di tensione, corrente e temperatura sicuro per l'eccellente salute delle batterie piuttosto che per il sistema nel suo complesso. Inoltre, lo stato di carica in ciascuna cella viene regolato e bilanciato in questo modo.
Per convertire l'energia in CA, gli inverter sono collegati al sistema di batterie. In ogni BESS è presente un livello elettronico di potenza specializzato noto come PCS (sistema di conversione di potenza). Tipicamente è raggruppato in una unità di conversione insieme a tutti i servizi ausiliari necessari per un adeguato monitoraggio.
Il monitoraggio e il controllo del sistema e del flusso di energia (sistema di gestione dell'energia) sono i passaggi seguenti. Il sistema di controllo di supervisione e acquisizione dati, o sistema SCADA, spesso include funzioni generali di monitoraggio e controllo. D'altro canto, il sistema di gestione dell'energia è specificamente progettato per monitorare il flusso di potenza in conformità con i requisiti dell'applicazione.
Gli ultimi collegamenti sono il collegamento del trasformatore di media/bassa tensione e, a seconda delle dimensioni dell'impianto, il trasformatore di alta/media tensione presso una cabina dedicata.
Modulo FV e integrazione BESS
Le fonti energetiche rinnovabili sono destinate ad avere un impatto significativo sui sistemi elettrici in futuro, come discusso nel primo pezzo di questa serie. Sia il sistema elettrico che l’impianto di energia rinnovabile possono trarre vantaggio dall’integrazione di un BESS con una fonte di energia rinnovabile.
Di seguito vengono spiegati i vari modi in cui un BESS potrebbe assistere una centrale elettrica:
Al fine di ottenere una curva di generazione più stabile e prevedibile, ciò compenserebbe la “volatilità” del profilo di generazione in condizioni di copertura nuvolosa o picchi improvvisi di potenza. Il contrasto tra la curva di generazione di un impianto fotovoltaico in una giornata nuvolosa e una con cielo sereno è mostrato nella Figura 4. La generazione mostrerebbe meno "sfarfallio" con l'integrazione di un BESS, producendo una curva più regolare.
La curva di generazione sarà "attenuata" come risultato del peak shaving (per ulteriori informazioni sul peak shaving, leggere l'articolo precedente).
Per quanto riguarda il supporto di rete e i servizi ausiliari, il BESS può svolgere un ruolo significativo nell'integrazione della centrale elettrica nella rete elettrica offrendo la regolazione della frequenza e la gestione della tensione (insieme alla compensazione della potenza reattiva) con un impatto notevolmente minore sulla rete elettrica.
Oltre ai servizi sopra menzionati, esistono ulteriori potenziali collaborazioni tra moduli fotovoltaici e sistemi di accumulo dell'energia a batteria, a cominciare dallo scambio di punti di connessione (POC). Poiché un BESS viene spesso installato per "complementare" il modulo fotovoltaico, la sua presenza non potrebbe richiedere potenza aggiuntiva al POC.
Ulteriori potenziali collaborazioni derivano dalle decisioni prese nell’architettura di come i moduli fotovoltaici si collegano a un BESS. Esistono almeno tre opzioni principali:
Accoppiamento CC: In questa opzione, un particolare convertitore CC/CC viene utilizzato per collegare il BESS e il FV sul lato CC delle batterie e dei moduli FV per stabilizzare la tensione. Con questo metodo, tutto il lato AC dell'impianto condividerà gli inverter tra il modulo FV e il BESS (l'inverter in questo scenario sarà in grado di funzionare in tutti e 4 i quadranti del diagramma PQ). Questa scelta è abbastanza comune per il residenziale applicazioni, o nel caso di un piccolo impianto (kW). Nel caso di un impianto di grandi dimensioni, il BESS verrà distribuito lungo il campo. Richiederà, tuttavia, una logica specifica e costosa per controllare la tensione CC e la carica di ciascun pacco batteria.
Accoppiamento CA dopo l'inverter: Questo metodo è paragonabile al precedente, ma posiziona il punto di accoppiamento tra BESS e modulo FV dopo gli inverter. In questo caso, il BESS e il modulo fotovoltaico avranno ciascuno il proprio inverter dedicato. Poiché non è necessaria una logica di controllo aggiuntiva per l'accoppiamento CC, questo metodo è popolare anche per le applicazioni residenziali e potrebbe essere utilizzato in impianti di grandi dimensioni per creare un BESS distribuito.
Accoppiamento CA al POC:In questa soluzione il modulo fotovoltaico e il BESS condividono solo la struttura di interconnessione, mentre a livello di impianto hanno sezioni completamente separate.