Introduzione
L'accumulo di energia a range esteso si riferisce a qualsiasi configurazione di stoccaggio in cui un dispositivo di conversione dell'energia secondaria rifornisce il supporto di stoccaggio primario durante i cicli di scarica. Questa definizione include i sistemi di generatori di batterie e le combinazioni di celle a combustibile di batterie. La differenza fondamentale rispetto allo storage ibrido è che il dispositivo secondario funziona in modo intermittente in base allo stato di carica dello storage anziché in modo continuo. Injet HanCang ha condotto un'analisi comparativa delle prestazioni dello stoccaggio di energia a range esteso in cinque diversi siti di distribuzione. Questo articolo presenta il quadro tecnico, i parametri di efficienza e i risultati specifici dell'applicazione da questi benchmark.
Quadro tecnico per l'immagazzinamento di energia a range esteso
Il quadro tecnico per lo stoccaggio dell’energia ad autonomia estesa si basa su tre principi. Il primo principio è che lo stoccaggio primario gestisce tutti i transitori di carico e le fluttuazioni di breve durata. Il secondo principio è che il range extender funziona solo al livello di potenza più efficiente. Il terzo principio è che il range extender si avvia e si arresta in base alle soglie dello stato di carica, non all'entità del carico. Questi principi distinguono lo stoccaggio a range esteso dai sistemi ibridi paralleli in cui entrambe le fonti possono alimentare il carico simultaneamente. Injet HanCang utilizza un controller con bande di isteresi dello stato di carica programmabili. La banda inferiore è generalmente impostata al 30% dello stato di carica per l'avvio del generatore. La fascia superiore è fissata al settanta per cento per l'arresto del generatore. Questa fascia di isteresi di quaranta punti percentuali impedisce un rapido ciclo di accensione/spegnimento.
Metodologia di misurazione dell'efficienza
Misurare l’efficienza nello stoccaggio energetico a range esteso richiede di tenere conto di molteplici percorsi energetici. Il parametro di efficienza primaria è l'efficienza dal combustibile all'elettricità quando il range extender è attivo. Questa metrica viene calcolata come l'energia elettrica fornita al carico divisa per il contenuto di energia chimica del carburante consumato. Un secondo parametro è l’efficienza di andata e ritorno quando la batteria viene caricata dalla rete. Una terza metrica è la perdita in standby, che misura la potenza consumata dal controller e dal sistema di gestione della batteria quando il sistema è inattivo. Injet HanCang ha misurato questi parametri su una flotta di dodici sistemi. L’efficienza dal combustibile all’elettricità è stata in media del 33% in tutti i sistemi. L'efficienza della rete di andata e ritorno è stata in media dell'89%. La perdita in standby è stata in media pari allo virgola due per cento della potenza nominale del sistema all'ora.
Criteri di selezione dei componenti
La scelta dei componenti per l'accumulo di energia con autonomia estesa influisce sia sulle prestazioni che sulla longevità. La chimica della batteria dovrebbe presentare un buon ciclo di vita durante il funzionamento in stato di carica parziale. Injet HanCang seleziona le celle al litio ferro fosfato perché tollerano il funzionamento tra il venti e l'ottanta per cento dello stato di carica con un invecchiamento accelerato minimo. Il generatore dovrebbe essere in grado di funzionare a velocità variabile per abbinare la potenza di carica ottimale della batteria. I generatori a velocità fissa che funzionano a un numero di giri costante hanno un'efficienza inferiore a carichi parziali. Il raddrizzatore che collega il generatore al bus CC dovrebbe avere un'efficienza superiore al novantacinque% alla potenza operativa prevista. Injet HanCang utilizza raddrizzatori a base di carburo di silicio per sistemi superiori a cento kilowatt.
Dati operativi da un'applicazione mineraria
Un sistema di stoccaggio dell'energia a raggio esteso installato in un sito minerario off-grid nell'Australia occidentale ha fornito dati operativi dettagliati per un periodo di diciotto mesi. Il sito aveva un carico medio di duecentocinquanta kilowatt e un carico di picco di settecento kilowatt. Il banco di batterie era dimensionato per mille kilowattora. Il generatore aveva una potenza nominale di duecentocinquanta kilowatt. Il sistema ha registrato trecentoventi avvii del generatore durante il periodo. La durata media della corsa è stata di tre ore. La batteria ha completato centoquaranta cicli completi equivalenti. Degrado della capacità misurato al tre virgola due per cento. Il generatore consumava dodicimila litri di gasolio. Una soluzione basata esclusivamente sul generatore in funzione nello stesso sito avrebbe consumato circa trentacinquemila litri sulla base dei dati storici. Il risparmio di carburante del 66% è il risultato diretto dell'architettura di autonomia estesa.
Prestazioni termiche in funzionamento continuo
I sistemi di accumulo di energia con range esteso possono funzionare per periodi prolungati senza connessione alla rete. La gestione termica diventa fondamentale durante tali eventi. Injet HanCang ha misurato le prestazioni termiche durante un test di funzionamento continuo di settantadue ore. Il test ha utilizzato un sistema da duecento kilowatt con raffreddamento a liquido per la batteria e raffreddamento ad aria forzata per il vano generatore. La temperatura ambiente durante il test variava da ventotto a trentasei gradi Celsius. La temperatura delle celle della batteria è rimasta tra i ventisei e i trentaquattro gradi. La differenza di temperatura massima tra due celle qualsiasi era di tre gradi. La temperatura del vano generatore ha raggiunto il picco di cinquantaquattro gradi, che rientra nel limite specificato dal produttore di sessantacinque gradi. Il sistema di raffreddamento a liquido ha consumato in media tre virgola cinque kilowatt, pari allo virgola otto per cento della produttività media del sistema.
Confronto delle prestazioni degli algoritmi di controllo
L'algoritmo di controllo che determina quando avviare e arrestare il range extender influisce in modo significativo sull'efficienza del sistema. Injet HanCang ha confrontato tre algoritmi di controllo sulla stessa piattaforma hardware per periodi di tre mesi. Il primo algoritmo utilizzava semplici soglie dello stato di carica senza previsione. Il secondo algoritmo ha aggiunto l'analisi dell'andamento del carico utilizzando una media mobile delle ultime sei ore. Il terzo algoritmo utilizzava una memoria del profilo di carico di sette giorni per prevedere il fabbisogno energetico futuro. Il semplice algoritmo di soglia ha prodotto una media di quattro avviamenti del generatore al giorno con una durata media di funzionamento di un'ora. L'algoritmo dell'andamento del carico riduce gli avviamenti a tre al giorno con una durata media di esecuzione di un'ora e tre. L'algoritmo predittivo riduce gli avviamenti a due al giorno con una durata media di due ore. Il consumo totale di carburante è stato il più basso per l'algoritmo predittivo, consumando l'85% del carburante utilizzato dall'algoritmo di soglia semplice.
Statistiche sull'affidabilità da più distribuzioni
Injet HanCang ha compilato dati sull'affidabilità di ventidue sistemi di accumulo di energia estesa a gamma implementati tra il 2022 e il 2025. Le ore di funzionamento totali su tutti i sistemi hanno superato le centocinquantamila ore. Il tempo medio tra i guasti per l'intero sistema è stato di quattromiladuecento ore. La modalità di guasto più comune era il guasto della batteria di avviamento del generatore, che rappresentava il 43% di tutti i problemi segnalati. La seconda modalità di guasto più comune è stata la contaminazione del carburante, pari al 22%. I guasti legati alla batteria hanno rappresentato il 12%. I problemi relativi al controller e al software hanno rappresentato il 18%. Il restante 5% riguardava questioni varie. Queste statistiche indicano che l'affidabilità del sottosistema del generatore è il fattore principale della disponibilità complessiva del sistema.
Confronto economico con tecnologie alternative
L'accumulo di energia con autonomia estesa occupa una nicchia economica specifica tra le batterie autonome e i sistemi di solo generatore. Injet HanCang ha effettuato un confronto economico per un sito con un fabbisogno energetico giornaliero di mille kilowattora e una potenza di picco di trecento kilowatt. Il confronto ha considerato un orizzonte operativo di dieci anni. Lo stoccaggio autonomo della batteria richiedeva un banco di batterie da duemila kilowattora per fornire la piena energia giornaliera senza ricarica. Il costo iniziale è stato di quattrocentomila dollari, con la sostituzione al settimo anno che aggiungeva duecentoventimila dollari. Il solo stoccaggio del generatore richiedeva un generatore da trecento kilowatt con stoccaggio del carburante. Il costo iniziale era di settantamila dollari, ma il costo annuale del carburante era di quarantamila dollari per un totale di dieci anni di quattrocentosettantamila dollari. Lo stoccaggio a portata estesa utilizzava una batteria da mille kilowattora e un generatore da centocinquanta kilowatt. Il costo iniziale era di duecentocinquantamila dollari più settantamila per il generatore, per un totale di trecentoventimila dollari. Il costo annuale del carburante era di diecimila dollari per un totale di centomila dollari in dieci anni. Il costo totale in dieci anni per lo stoccaggio a distanza estesa è stato di quattrocentoventimila dollari, rispetto ai seicentoventimila per la batteria autonoma e ai cinquecentoquarantamila per il solo generatore.
Conclusione
L'accumulo di energia esteso offre vantaggi misurabili in termini economici e prestazionali per applicazioni con durate di scarica giornaliere comprese tra quattro e dieci ore. I dati sull’efficienza derivanti dalle implementazioni di Injet HanCang mostrano un’efficienza dal combustibile all’elettricità del 33% e un’efficienza della rete di andata e ritorno dell’89%. I dati operativi di un sito minerario hanno dimostrato un risparmio di carburante del 66% rispetto al funzionamento con solo generatore. Le statistiche sull'affidabilità mostrano un tempo medio tra i guasti di quattromiladuecento ore, con la batteria di avviamento del generatore come modalità di guasto principale. Il confronto economico conferma che lo stoccaggio a distanza estesa presenta il costo totale decennale più basso per il profilo di carico modellato.