Bateriová úložiště (BESS) » Energetický management budoucnosti
Autor: Conrad tým, 9. srpen 2023
Přiznejme si, že jsou spolehlivé dodávky energie v privátní sféře pohodlné a také důležité. Mrazničky ostatně v případě výpadku proudu uchovají požadovanou teplotu pod nulou pouze po omezenou dobu.
Bez elektřiny navíc nefunguje ani většina systémů vytápění. A to ani v případě, kdy je k dispozici dostatek paliva.
V podnicích ale znamenají výpadky proudu mnohem víc než jen mrzutost. Zde je bezpodmínečně nutné zachovat nejdůležitější procesy a funkce. Často ale stačí už jen krátkodobý výkyv v elektrické síti, a komplexní systémy a zařízení postihne výpadek provozu.
S problémy tohoto druhu se v minulosti potýkaly osobní počítače. Krátkodobé přerušení napájení pak vedlo ke zhroucení počítačových systémů. Tehdy používané řešení se velmi dobře osvědčilo a používá se dodnes. Moderní řešení založená na bateriových úložištích (BESS) jsou ovšem mnohem větší a výkonnější. Rádi vám ukážeme, jaké možnosti a potenciály bateriová úložiště skýtají.
Zkratka BESS pochází z angličtiny a znamená Battery Energy Storage System. Doslovný překlad jako systém ukládání energie do baterií, resp. bateriové úložiště energie není z technického hlediska zcela správný. V těchto systémech se totiž nevyužívají baterie, nýbrž akumulátory. Na rozdíl od baterií, které, když se vybijí, musejí být zlikvidovány, lze akumulátory znovu nabít. Nicméně pojem „bateriové úložiště“ ve významu opakovaně nabíjecího úložiště energie se již natolik vžil, že u něho zůstaneme.
Jak jsme již předeslali, technicky složité systémy, například počítače, reagují velmi citlivě na výkyvy, omezení (brownouts) nebo přerušení (blackouts) v dodávkách proudu.
Nejen, že dochází k náhlému zastavení provozu, ale v daném okamžiku editovaná a dosud neuložená data jsou nenávratně ztracená.
Vynalézaví vývojáři tento problém včas odhalili a vyvinuli praktické řešení v podobě zařízení UPS. Název UPS je odvozený od popisu zařízení: „Uninterruptible Power Supply/Source“, což znamená nepřerušitelný zdroj napájení. Systém UPS obsahuje jeden nebo více akumulátorů, které se nabíjejí z elektrické sítě. U zařízení UPS sice existuje více konceptů spínání, ale základní funkce je vždy stejná. Při výpadku proudu převezme UPS okamžitě spolehlivé napájení připojeného počítače. Měnič frekvence přitom vytváří ze stejnosměrného napětí akumulátoru nebo akumulátorů střídavé napětí, jímž napájí připojený počítač.
Přestože u prvních UPS zařízení nebyly použité akumulátory nijak obzvláště veliké, dokázali uživatelé v případě výpadku proudu ještě uložit důležitá data a následně systém řádným způsobem vypnout. Z tohoto úhlu pohledu byla tehdejší UPS zařízení vlastně prvními předchůdci dnešních systémů bateriových úložišť. Mezitím ale UPS zařízení prošla prudkým vývojem, takže dnes existují i výkonná UPS zařízení pro průmyslové aplikace.
Abychom vám mohli představit způsob fungování systémů bateriových úložišť (BESS), nejprve si ukážeme jejich strukturu, resp. možnosti připojení jednotlivých komponentů.
Akumulátory
Jak jsme zmínili výše, Energy Storage System neobsahuje baterie, nýbrž akumulátory (1). Na rozdíl od prvních UPS zařízení, která ještě pracovala s olověnými akumulátory, sázejí moderní úložiště energie na akumulátory s technologií Li-Ion. Důvodem je extrémně vysoká energetická hustota těchto akumulátorů. I když se často hovoří o lithiových bateriích, jedná se zejména o lithium-iontové akumulátory nebo lithium-železo-fosfátové akumulátory.
Řídicí jednotka
Řídicí jednotka (2) neboli Central Processing Unit (CPU) zajišťuje v první řadě energetický management úložiště. V závislosti na situaci, stavu nabití a potřebě energie řídí a monitoruje výstup proudu, resp. odběr proudu. U větších systémů se v této oblasti do jisté míry pracuje již s inteligentní technikou, aby bylo možné na základě existujících dat provádět prediktivní plánování.
Management akumulátoru (AM) zajišťuje, aby byly akumulátory provozovány v rámci přípustných parametrů. Mezní napětí při nabíjení a vybíjení musejí být v každém případě dodržena, aby se akumulátory zbytečně nezatěžovaly nebo nepoškodily. Řídicí jednotka navíc disponuje rozsáhlými bezpečnostními funkcemi a poskytuje potřebná rozhraní. Aktuální stav bateriového úložiště lze kdykoliv přímo na místě kontrolovat v počítači (3) nebo nezávisle na stanovišti prostřednictvím cloudu.
Střídač a regulátor nabíjení
Akumulátory jsou spojené se střídačem (4), který ze stejnosměrného napětí akumulátorů (DC) generuje střídavé napětí (AC). Tím jsou pak napájeny nejrůznější spotřebiče v domě (5) nebo ve firmě. Dokonce je při nadbytku obnovitelné energie možné i dodávání do veřejné elektrické sítě (6), bohužel tohle je v CZ zakázané. Často fungují střídače zároveň také jako regulátory nabíjení a umožňují v opačném směru nabíjení akumulátorů za pomoci síťového napětí.
U systémů s DC připojením, resp. se stejnosměrným napětím jsou na střídači ještě k dispozici přípojky pro solární panely (7), resp. větrné elektrárny (8) (viz obrázek). U systémů se střídavým napětím (AC) mají solární panely samostatný PV střídač, který je dimenzovaný pro dodávku do sítě. Jinak řečeno AC úložiště energie se ideálně hodí k dovybavení stávajících fotovoltaických systémů o možnost dodávky do sítě, kde střídač nemá přípojku pro akumulátor.
Příklad s UPS zařízením, uvedený na začátku tohoto článku, názorně ukazuje, jak i jen krátkodobý výpadek napětí u jediného počítače dokáže zapříčinit nezanedbatelné problémy. V provozech, u poskytovatelů služeb nebo také v průmyslu se ale používá mnoho počítačů v komplexních sítích. Pak člověk nemusí mít ani příliš bujnou fantazii, aby si dokázal představit enormní negativní dopady náhlého výpadku, resp. kolapsu celých komplexních systémů.
Optimisté se odvolávají na pozitivní zkušenost z minulosti a i nadále se spoléhají na dosud skutečně velmi dobrou stabilitu elektrické sítě. To je argument, který není snadné vyvrátit.
Jenomže transformace energetiky s plánovaným rušením elektráren a využíváním obnovitelných energií staví téma stability sítě do úplně nového světla. Ostatně i vítr a sluneční svit, jak známo, podléhají skutečně silným výkyvům.
Kromě toho často nelze elektřinu z obnovitelných zdrojů vyrábět tam, kde je většinou spotřebována. K tomu je nutné ještě připočíst skutečnost, že nároky na elektrickou síť nepřetržitě stoupají.
Hlavní příčinou je stále se rozšiřující elektromobilita a nutnost nabíjení. Instalace solárních systémů na soukromých domech je sice masivně podporována, nicméně zda dokáže vykompenzovat zvýšenou spotřebu elektrické energie, to je nejisté.
Systémy bateriových úložišť zajišťují nejen provozní bezpečnost důležitých technických zařízení a kritických systémů. Kromě ochrany před výkyvy napětí nebo výpadkem proudu nabízejí tato praktická úložiště ještě další rozhodující výhody, které bychom vám rádi představili.
Pokrytí výkonových špiček
Krátkodobě zvýšená potřeba výkonu může být kdykoliv bez problému pokryta bez nadměrného zatížení nebo ohrožení elektrické sítě.
Snížení nákladů
V noci lze akumulátory úložiště nabíjet cenově výhodným proudem v nízkém tarifu, který přes den výrazně sníží spotřebu drahého proudu ve vysokém tarifu.
Obnovitelné energie
Nabíjení akumulátorů úložiště z vlastní větrné elektrárny nebo z vlastního fotovoltaického systému šetří nákup drahé energie a snižuje emise CO2.
Dodávky do sítě
Nadbytečnou energii z obnovitelných zdrojů lze po plném nabití akumulátorů dodávat do veřejné elektrické sítě, což zvyšuje ekonomickou výtěžnost. Možné jen v Německu nikoliv v Česku.
Individuální škálování
Výkonnost systému bateriových úložišť lze velmi jednoduše a rychle přizpůsobit přidáním dalších akumulátorových jednotek.
Nepřetržitá kontrola
Nepřetržitý záznam dat v reálném čase zajišťuje komplexní přehled a může být v případě potřeby využit k monitorování podmínek.
Systémy bateriových úložišť mohou být používány v nejrůznějších oblastech.
Solární systémy pro soukromé domy
Protože elektřina vyrobená fotovoltaickými systémy přes den většinou není zapotřebí, je možné s ní nabít bateriové úložiště. Večer, kdy je spotřeba energie vysoká, se jako zdroj napájení používá přednostně elektřina z úložiště. Protože v takovém případě neodebíráte elektřinu od provozovatele sítě, můžete si tímto způsobem výrazně snížit náklady na elektřinu. Velikost úložiště energie se pohybuje orientačně od 4 kWh do 16 kWh (kilowatthodin).
Řemesla a průmysl
Větší zařízení mohou být zajímavá pro provozy a průmysl. Kromě již zmíněných úspor nákladů zde ovšem hraje hlavní roli spolehlivá dodávka energie pro důležité systémy a stroje.
Dodavatelé energie a provozovatelé sítě
Dokonce i dodavatelé energie využívají předností systémů bateriových úložišť. Provozovatelé větrných parků tak již nejsou nuceni své „větrníky“ odstavovat z provozu jen proto, že v dané chvíli sice fouká vítr, ale poptávka po elektřině právě neexistuje. Také pro přenosové sítě nebo přeshraniční toky znamenají odlehčení. Vedení lze například v noci využít k nabití akumulátorů velkého úložiště na straně příjemce. Úložiště energie s kapacitou 20 MWh (megawatthodiny) nebo větší pak pomáhá s dodávkami energie v době obzvláště vysoké spotřeby.
Ale také pro ultrarychlé nabíjení elektromobilů se úložiště energie tohoto druhu perfektně hodí. Proces nabíjení pak využívá výhradně stejnosměrný proud, aniž by byla zatěžována střídavá síť.
Řešení v minulosti
Nápad ukládat velké množství energie a v případě potřeby ji znovu použít vůbec není nový. Již před 100 lety se stavěly přečerpávací vodní elektrárny pro okamžité a rychlé odlehčení elektrických sítí ve špičce. V noci, když byl k dispozici určitý nadbytek proudu, přečerpávaly velké množství vody na vyšší úroveň. Při vyšší spotřebě proudu mohla voda stékající dolů pohánět turbíny a generátory, a tím vyrobit potřebnou elektřinu. Takové zařízení ovšem vyžaduje určité geografické podmínky, které nejsou k dispozici všude.
Aktuální technologie
Mnohem jednodušší je to s akumulátory pro ukládání energie. V závislosti na účelu použití a aplikaci mohou být různě dimenzované. Výkon, nebo lépe řečeno elektrická práce, tedy výkon za určitý čas, sahá od několika kWh až po několik MWh. Díky tomu lze ideálním způsobem vyrovnávat výkyvy v síti a nedostatek energie z obnovitelných zdrojů (tedy solární a větrné). Vysokokapacitní akumulátory a inteligentní systém energetického managementu dnes umožňují flexibilní řešení pro nejrůznější aplikace. Zkoumány jsou ale také alternativy, například setrvačníková úložiště nebo přečerpávací vodní elektrárny na mořském dně.
Pohled do budoucnosti
V dohledné budoucnosti bude spotřeba elektrické energie nadále stoupat. S ohledem na elektrickou práci pak již nebudeme hovořit o kWh nebo MWh, ale o gigawatthodinách (GWh). Současně s tím budou stoupat požadavky na úložiště energie. Současně se ale bude díky postupujícímu budování obnovitelných zdrojů energie zvyšovat výroba energie.
Také přenosový výkon se v budoucnosti zvýší. Díky rozvoji elektromobility se budou intenzivně rozvíjet i akumulátory. Ukládání velkého množství energie bude například již brzy bez problému možné díky organickým bateriím.