I sistemi di accumulo dell’energia a batteria (BESS) sono le risorse più flessibili nel moderno sistema energetico. Sono costituiti dal rack batteria, dal sistema di conversione dell'alimentazione e dalla piattaforma di controllo. A differenza dell'acqua pompata o dell'aria compressa, BESS può rispondere ai segnali della rete entro 100 millisecondi. Questa velocità li rende preziosi per la regolazione della frequenza primaria. Si prevede che la capacità globale di BESS installata per i servizi di rete supererà i 300 gigawattora entro la fine del 2027. Il rapido tempo di risposta di BESS fornisce un contenimento della frequenza più rapido e accurato rispetto alle riserve rotanti convenzionali.
Gli operatori di rete mantengono la frequenza a 60 hertz o 50 hertz bilanciando generazione e carico in tempo reale. Quando si verifica un disturbo, la frequenza devia e BESS può iniettare o assorbire energia istantaneamente. Il ricavo per la regolazione della frequenza è basato sulla capacità offerta e sul punteggio prestazionale dell'asset. In alcuni mercati un BESS ad alte prestazioni può fruttare un pagamento di capacità da 10 a 15 dollari per megawattora di capacità offerta. Il punteggio prestazionale viene calcolato in base alla correlazione tra il segnale di risposta e la potenza effettiva. Le unità BESS in genere ottengono punteggi superiori a 0,95 su una scala da 0 a 1.
Il sistema di conversione dell'energia (PCS) è l'interfaccia tra la corrente continua della batteria e la corrente alternata della rete. Il PCS deve gestire il flusso di potenza bidirezionale e mantenere la qualità della forma d'onda di uscita. La distorsione armonica totale è un parametro chiave e la maggior parte dei codici di rete richiede che sia inferiore al 3%. L'efficienza del PCS è fondamentale per l'efficienza complessiva del viaggio di andata e ritorno del BESS. Gli attuali progetti PCS raggiungono efficienze dal 98 al 99% a pieno carico. Il metodo di raffreddamento del PCS è generalmente ad aria forzata o a liquido, a seconda della densità di potenza e delle condizioni ambientali.
Il litio-ferro-fosfato è la sostanza chimica dominante per il BESS grazie al suo lungo ciclo di vita e alla stabilità termica. La durata del ciclo delle celle LFP con una profondità di scarica dell'80% è generalmente compresa tra 6.000 e 8.000 cicli. Questa prestazione è superiore alla chimica del nichel-manganese-cobalto, che è più densa di energia ma ha un ciclo di vita più breve e costi più elevati. La scelta della cella influisce direttamente sull'intervallo di temperatura operativa e sulla necessità di raffreddamento. Le celle LFP possono funzionare a temperature più elevate, ma il tasso di degradazione aumenta comunque con la temperatura. Pertanto, è necessario un robusto sistema di gestione termica, indipendentemente dalla chimica.
L'architettura di controllo di un BESS comprende il sistema di gestione della batteria, il sistema di gestione dell'energia e il controllore dell'impianto. Il sistema di gestione della batteria monitora la tensione e la temperatura di ciascuna cella per garantire un funzionamento sicuro. Il sistema di gestione dell'energia gestisce i comandi di dispacciamento e ottimizza lo stato di carica. Il controllore dell'impianto comunica con il gestore della rete utilizzando protocolli come IEC 61850 o DNP3. La latenza del collegamento di comunicazione è fondamentale per la regolazione della frequenza e i ritardi devono essere mantenuti al di sotto dei 50 millisecondi. Per garantire l'affidabilità vengono spesso installati percorsi di comunicazione ridondanti.
INJET HanCang offre un sistema di conversione dell'energia e di gestione dell'energia completamente integrato per i sistemi di accumulo dell'energia a batteria. La nostra piattaforma include un controller ad alta velocità che esegue comandi di invio dal gestore della rete con una latenza inferiore a 30 millisecondi. Il sistema di gestione dell'energia di INJET HanCang comprende moduli di previsione che prevedono lo stato di carica e il carico di raffreddamento richiesto. Questa integrazione riduce i requisiti hardware esterni e semplifica il processo di messa in servizio. Le nostre unità PCS sono disponibili con potenze nominali da 1 megawatt a 5 megawatt in un unico involucro.
La strategia operativa di un BESS può essere adattata per rallentare la degradazione delle cellule. Per la regolazione della frequenza, il segnale di potenza richiesto può essere livellato per ridurre le fluttuazioni ad alta frequenza che causano un invecchiamento accelerato. Il sistema di gestione della batteria calcola la resistenza interna delle celle per stimare lo stato di invecchiamento. Regolando la velocità di carica e scarica in base alla resistenza interna, l'operatore può prolungare la vita utile della batteria. Questa strategia è nota come controllo sensibile al degrado e ha dimostrato di aumentare dell'8% l'energia totale erogata nel corso della vita utile.
La fattibilità economica di un BESS dedicato alla regolazione della frequenza dipende dalla struttura del mercato e dal panorama competitivo. Il costo di capitale per un sistema da 20 megawatt con durata di 1 ora è di circa 6-7 milioni di dollari. Il costo annuale di funzionamento e manutenzione è in genere pari all'1,5% del costo di capitale. Il ricavo derivante dalla regolazione della frequenza è variabile e dipende dal prezzo in tempo reale del servizio. Nei mercati con un’elevata penetrazione delle rinnovabili, il prezzo della regolamentazione può arrivare a superare i 20 dollari per megawattora. Un BESS ben progettato può raggiungere un periodo di ammortamento compreso tra 5 e 7 anni in base ai dati storici sui prezzi.
I dati sul campo provenienti dalle installazioni BESS nel Regno Unito mostrano che il tempo di risposta medio è di 85 millisecondi. La disponibilità di questi sistemi è superiore al 98% su base annua. L'efficienza del sistema dall'ingresso CA all'uscita CA è misurata tra l'86 e l'88% per un ciclo completo. Il tasso di degradazione delle celle nelle applicazioni di regolazione della frequenza è inferiore rispetto all'arbitraggio energetico perché la profondità di scarica è inferiore. La profondità media di scarica per un BESS regolamentare è compresa tra il 20 e il 40%, il che prolunga notevolmente la durata del ciclo.
L’impatto ambientale del BESS è principalmente associato all’estrazione di litio, ferro e fosfato. Il processo di produzione rappresenta circa il 40% dell’impronta di carbonio totale del sistema. Il riciclaggio delle celle delle batterie sta diventando sempre più comune e il tasso di recupero del litio è attualmente superiore al 70% negli impianti avanzati. L’uso del BESS per la regolazione della frequenza riduce la necessità di impianti di picco del gas naturale, riducendo così le emissioni complessive della rete. L’effetto netto è una riduzione delle emissioni di anidride carbonica da 300 a 400 chilogrammi per megawattora di energia rinnovabile integrata.
I sistemi di accumulo dell’energia tramite batterie rappresentano la soluzione più efficace per la regolazione della frequenza nelle reti ad alta penetrazione rinnovabile. La velocità di risposta, la precisione dell’erogazione di potenza e la scalabilità della tecnologia li rendono indispensabili. INJET HanCang fornisce i sistemi critici di conversione e controllo della potenza che consentono a BESS di funzionare in modo affidabile e redditizio in queste applicazioni esigenti.