Индустриални системи за съхранение на енергия

• Системите за съхранение на енергия осигуряват широк спектър от нови възможности за промишлените предприятия
  
  
• Те позволяват оптимизиране на разходите, гарантиране на сигурно и непрекъсваемо захранване и по-широка интеграция на ВЕИ с цел намаляване на въглеродния отпечатък
  
  
• В индустрията се използва разнообразен набор от технологии за съхранение, включително батерийни, термални, механични, водородни и др.

Системите за съхранение на енергия (ESS) осигуряват широк спектър от нови възможности за промишлените предприятия. Те им позволяват значително да оптимизират разходите си, да гарантират сигурно и непрекъсваемо захранване за критични услуги и приложения и по-широко да интегрират възобновяеми източници, за да намалят въглеродния си отпечатък.

Индустриалните решения за съхранение на енергия дават оптимална гъвкавост и стабилност на промишлени компании и обекти, центрове за данни и ВЕИ комплекси. Те са подходящи както за мрежово свързани сценарии, така и за изолирани и отдалечени съоръжения.

В индустрията се използва разнообразен набор от технологии за съхранение, включително батерийни, термални, механични, водородни и др. Глобалният пазар на промишлени системи се равнява на 8,2 млрд. щатски долара през 2025 г., като очакванията са сегментът експоненциално да нараства в следващото десетилетие и да достигне близо 56 млрд. долара през 2035 г.

Същност, функции и типични сценарии на приложение

Индустриалните системи за съхранение на енергия (IESS) са специално проектирани решения, които събират произведената електроенергия, съхраняват я в определена форма и осигуряват възможност тя да бъде използвана на по-късен етап с цел реализиране на конкретни ползи. Примери са подаване на излишъците към мрежата или търговия с енергия, оптимизиране на собственото потребление, осигуряване на резервно или непрекъсваемо захранване при аварии или временно отпадане на основното, стабилно потребление при ниски моментни добиви и т. н.

Ядрото от функции на IESS системите най-често включва възможности за намаляване на пиковото потребление и свързаните разходи, резервно захранване, управление на тарифите, оптимизация на енергийни профили, изглаждане на колебанията при ВЕИ производство, повишаване на предвидимостта, стабилизиране на честотата и др. Когато тези решения са активен мрежов участник, те могат да се използват за балансиране, регулиране и други системни услуги. В редица промишлени сценарии са особено полезни функциите за използване на евтина енергия в различни времеви прозорци (т. нар. енергиен арбитраж), както и за стабилизиране на захранването по напрежение и качество на мощността – например при чувствително оборудване.

Ключова функция при някои IESS системи е възможността захранването на даден обект да бъде възстановено след пълен срив. Все повече предприятия ценят и функциите за поддръжка на микромрежи, свързани с управление на автономни или хибридни енергийни системи.

В мрежово свързани приложения решенията за съхранение на енергия осигуряват надеждно резервно захранване и стабилизират доставките, като намаляват рисковете от скъпи и продължителни престои и повишават цялостната енергийна сигурност и устойчивост на предприятията. IESS системите помагат на бизнеса да оптимизира енергийните си разходи чрез намаляване на пиковото потребление и изместване на натоварванията, гарантират високо качество на захранването за високотехнологичното оборудване и позволяват по-широка интеграция например на соларни инсталации и вятърни турбини.

В отдалечени райони извън мрежата индустриалните ESS платформи изпълняват дори още по-стратегическа роля. В комбинация с възобновяеми източници и конвенционални генератори те балансират променливите товари, намаляват потреблението на гориво и позволяват енергийно автономни операции. Това ги прави особено полезни например в мини, инфраструктурни съоръжения и изолирани промишлени обекти.

Компоненти

При индустриалните решения за съхранение на енергия се наблюдава огромно разнообразие по отношение на технологията, конструкцията и компонентите. Тук ще разгледаме основното ядро от елементи и подсистеми, ключови при повечето популярни типове IESS системи в практиката. Всяко подобно решение следва да разполага със съответната среда или носител за съхранение. Такива може да са батерийни модули, резервоари с течен електролит или вода, механични, гравитационни системи или термални среди, които складират енергията под формата на топлина или студ.

IESS решенията обикновено са оборудвани със система за преобразуване на мощността (PCS), състояща се от инвертори и конвертори. Те се грижат за преобразуване на променлив/постоянен ток, синхронизация на мрежата, автономна работа, управление на реактивната мощност и защита.

Друг важен компонент е системата за енергиен мениджмънт (EMS), която осигурява оптимизация на по-високо ниво чрез планиране и управление на това кога, колко и с каква мощност даден ресурс подава или приема енергия. EMS платформата намалява натоварването в пиковите часове, управлява участието на пазара и интеграцията със сградните и SCADA системи.

Голяма част от индустриалните решения, базирани на батерийно съхранение, разполагат и със система за батериен мениджмънт (BMS). Тя осъществява мониторинг на напрежението, температурата и състоянието на заряд на отделните клетки, налага ограничения, балансира зареждането и разреждането и предпазва от опасни условия.

Ключов компонент са и решенията за топлинен мениджмънт – технологии и принципи в дизайна за активно въздушно или течно охлаждане и вентилация, както и платформи за топлинен мониторинг, които гарантират, че IESS системата функционира при оптимални и безопасни температури и условия.

Критичен елемент са и решенията за пожарозащита. Те обхващат системи за детекция и ограничаване на рискове от възпламеняване чрез различни технологии – мултисензорни системи, водна мъгла, газове или аерозоли. Препоръчително е защитата да е на няколко отделни нива и да се комбинира с надеждна изолация, вентилация и охлаждане.

Последни по ред, но не и по значимост, ще споменем и компонентите за електрически баланс на инсталацията (E-BoP) – разпределителни устройства, трансформатори, защитни релета, измервателни уреди, окабеляване, заземителни системи и разединители, които формират електроинсталацията на IESS системата.
Съществени стандарти в тази област са: IEC 62619, който въвежда ключови изисквания за безопасност на индустриални литиево-йонни батерии, и IEEE 1547 – за присъединяване на разпределени енергийни ресурси към електроенергийната мрежа.

Капацитет

Типичният капацитет на индустриалните системи варира в широки граници в зависимост от приложението. Можем да ги поделим основно в няколко по-големи групи. Първата е на малките промишлени системи – с капацитет за съхранение в диапазона от около 100 kWh до 1 MWh. Такива се използват в малки индустриални и логистични обекти. Характерни функции са намаляване на пиковото натоварване, стабилизиране на напрежението и резервно/непрекъсваемо захранване (UPS). По конструкция тези системи обикновено са базирани в шкафове/стелажи или доставяни в компактни контейнери.

IESS платформите от среден индустриален клас типично попадат в диапазон на капацитета от 1 до 10 MWh. Използват се предимно в комбинация с инсталации за производство на електроенергия от ВЕИ или когенерация, като са локално ситуирани във фабрики или други промишлени обекти. Сред основните им функции са балансиране на натоварването и управление на тарифите. Те осигуряват непрекъсваемо захранване за критични процеси и приложения при риск от мрежови смущения.

В третата група – от 10 до над 100 MWh, попадат големите ESS системи за мащабни индустриални и инфраструктурни приложения. Такива се използват в минното дело и рудодобива, тежката промишленост, както и в хибридни микромрежи. Отличен избор са за off-grid сценарии, в съчетание с ВЕИ мощности и генератори. Решенията от този клас обикновено са участници в мрежовите услуги и на енергийните пазари.

Индустриалните системи в диапазона 1 – 20 MWh предлагат практичен баланс между капиталови разходи, оперативна гъвкавост и възвръщаемост на инвестицията.
Ключов параметър при IESS решенията е и инсталираната (максималната активна) мощност в мегавати. За стандартни промишлени приложения типично се използват платформи от порядъка на 0,5 – 5 MW, докато в големи производствени, промишлени или инфраструктурни обекти се залага на системи над 10 MW. Важни фактори при избора на конкретно решение са още заложеният експлоатационен живот (в брой цикли на зареждане и разреждане) и дълбочината на разряд (DoD). В зависимост от условията на работа, е ключово да се подберат и правилната степен на защита – IP (срещу навлизане на прах и влага), срещу вибрации и сеизмична активност, а ако е приложимо – и срещу ветрови натоварвания.

Основни типове IESS системи и бъдещи тенденции

Що се отнася до технологията на съхранение, най-популярни в индустрията безспорно са батерийните системи (BESS). По химичен състав преобладават литието-йонните (NMC, NCA, LFP), натриево-йонните и усъвършенстваните поточни батерии, които могат да обезпечават захранването в рамките на дълги периоди. BESS платформите осигуряват бърз отговор на нуждата от резервно или непрекъсваемо захранване, висока ефективност и модулна мащабируемост. Често срещано решение са т. нар. контейнеризирани решения, които се помещават в стандартни по размер контейнери и позволяват бързо и лесно внедряване.

Поточните (redox flow) батерии за съхранение на енергия в течни електролити се характеризират с конструкция, в която енергийната и мощностната секция са отделни една от друга. Капацитетът се определя основно от обема на резервоарите, а мощността – от размера на електрохимичния модул или пакет, съставен от отделни клетки. Това позволява сравнително лесно мащабиране. Батериите от този тип са атрактивни за приложения, в които химическата стабилност е приоритет, а изискванията са за много часове наличност на захранването.

Интерес в сферата на съхранението на енергия в индустриален мащаб предизвикват и помпено-акумулиращите водноелектрически централи, системите за индиректно механично съхранение със сгъстен въздух, решенията с въртящи се маховици, както и иновативните гравитационни системи.

Важен сегмент от пазара са индустриалните решения за термално съхранение на енергия под формата на топлина или студ – в разтопени соли или охладена вода, за да я използват директно или да я преобразуват в електричество за захранване на промишлени процеси.Съхранението се обвързва все по-тясно и с бързо развиващата се водородна икономика. Ключов сценарий включва производство на електроенергия от вятърни и соларни източници в индустриални обекти и преобразуване на неизползваните излишъци в зелен водород чрез електролиза. Той може да бъде използван в т. нар. Power-to-X концепции – за обратно генериране на електроенергия, като гориво или като суровина за химическата индустрия. Водородът допълва сегмента на IESS системите, осигурявайки възможности за дългосрочно съхранение, значително надхвърлящо часовия диапазон.

Експертите очакват секторът да продължи бурното си технологично развитие и през следващите десетилетия. Сред ключовите иновации, които предстои да се разгръщат, са отдалеченият мониторинг, интеграцията между EMS, SCADA и BMS платформите (в сградната инфраструктура), прогнозната поддръжка, изкуственият интелект и машинното самообучение. Изследователските разработки все повече се насочват към методи и технологии за дългосрочно съхранение, а прогнозите са на пазара да доминират стандартизираните модулни конструкции. Нараства важността на рециклираните батерии и кръговите модели с оглед на все по-отчетливия глобален стремеж към устойчивост. По отношение на гъвкавостта, анализаторите считат, че все по-голяма популярност в индустрията ще добиват хибридните ESS системи, комбиниращи батерийни модули, водород и термално съхранение.