Introduzione
Un sistema di accumulo di energia con autonomia estesa combina una batteria primaria con una fonte di alimentazione secondaria che ricarica la batteria durante il funzionamento. Questa configurazione differisce dallo stoccaggio convenzionale perché la fonte secondaria non alimenta direttamente il carico. Si attiva invece solo quando lo stato di carica della batteria raggiunge una soglia inferiore. Injet HanCang ha implementato sistemi di accumulo di energia estesa a raggio multiplo in applicazioni industriali e in aree remote. I dati sul campo provenienti da queste installazioni forniscono prove misurabili di miglioramenti delle prestazioni. Questo articolo presenta l'architettura, i metodi di dimensionamento dei componenti e i risultati operativi delle distribuzioni nel mondo reale.
Definizione e architettura di base
Un sistema di accumulo di energia ad autonomia estesa è costituito da tre elementi principali. Il primo elemento è un banco di batterie ricaricabili, tipicamente chimico al litio ferro fosfato. Il secondo elemento è un'unità di potenza ausiliaria, solitamente un generatore diesel o gas naturale. Il terzo elemento è un controller che monitora lo stato di carica della batteria e comanda l'avvio o l'arresto dell'unità ausiliaria. L'unità ausiliaria si collega al sistema tramite un raddrizzatore che converte l'uscita CA in CC per la ricarica della batteria. Il carico trae sempre energia dalla batteria e dal percorso dell'inverter, mai direttamente dal generatore. Questa disposizione consente al generatore di funzionare a un punto di potenza ottimale fisso indipendentemente dalle variazioni di carico.
Linee guida per il dimensionamento dei componenti
Il corretto dimensionamento di un sistema di accumulo di energia con range esteso richiede l'analisi del profilo di carico previsto. Il banco batterie deve essere dimensionato per gestire il carico medio per una durata target senza il supporto del generatore. Injet HanCang utilizza una linea di base di quattro ore per la maggior parte delle applicazioni commerciali. Il generatore è dimensionato per adattarsi al carico medio, non al carico di picco. Ad esempio, un sito con un carico medio di cento kilowatt e un carico di picco di trecento kilowatt riceverebbe un generatore valutato tra cento e centoventi kilowatt. Questo rapporto di dimensionamento mantiene il generatore in funzione tra il settanta e il novanta per cento della sua capacità nominale durante il funzionamento, che è il suo intervallo più efficiente. La capacità della batteria in kilowattora viene quindi calcolata come carico medio moltiplicato per le ore di autonomia desiderate meno il contributo previsto del generatore.
Dati sulle prestazioni dalle installazioni sul campo
Un sistema di accumulo di energia con raggio d'azione esteso installato presso un impianto di telecomunicazioni nel Canada settentrionale ha fornito dodici mesi di dati operativi. Il sito aveva un carico medio di ottantacinque kilowatt e ha subito interruzioni della rete della durata di quattro-sei ore, due volte a settimana. Il banco batterie era dimensionato per cinquecento kilowattora. Il generatore ausiliario aveva una potenza nominale di cento kilowatt. Nel corso dei dodici mesi, il generatore si è avviato centoquattro volte. La durata media della corsa è stata di due ore e venti minuti. Lo stato di carica della batteria è rimasto tra il trenta e il settanta per cento per il novantatre per cento delle ore di funzionamento. Degrado della capacità della batteria misurato al 2,1% rispetto al 5,5% previsto per un sistema non esteso in condizioni di ciclo simili. Il consumo totale di carburante è stato di tremiladuecento litri, ovvero una riduzione del 60% rispetto a una soluzione con solo generatore.
Analisi economica basata sui costi reali
Il costo livellato di stoccaggio per un sistema di stoccaggio dell'energia con autonomia estesa dipende dal rapporto tra i cicli della batteria e le ore del generatore. Injet HanCang ha sviluppato un modello economico utilizzando i prezzi dei componenti a partire dal 2025. Per un sistema con una durata di scarica giornaliera di sei ore, il costo livellato per kilowattora erogato era di centoquindici dollari. Un sistema di batterie autonomo con lo stesso profilo di carico ha prodotto un costo livellato di centocinquantacinque dollari. La differenza deriva da due fattori. Innanzitutto, il sistema con autonomia estesa utilizza un banco di batterie più piccolo perché il generatore fornisce la ricarica durante eventi di scarica prolungati. In secondo luogo, la batteria subisce una minore profondità di scarica per ciclo, estendendo la sua vita utile da sette a undici anni. Il generatore aggiunge costi di manutenzione di circa ottocento dollari all'anno, inclusi nel modello.
Esempi di applicazioni per diversi settori
I sistemi di accumulo di energia con gamma estesa si adattano a tre principali categorie di applicazioni. La prima categoria riguarda le telecomunicazioni remote e i siti di monitoraggio in cui l'energia elettrica di rete non è disponibile o inaffidabile. Questi siti in genere presentano carichi bassi costanti e carichi occasionalmente elevati derivanti dalle apparecchiature di riscaldamento o raffreddamento. Il design con autonomia estesa previene l'esaurimento della batteria durante eventi di copertura nuvolosa di più giorni quando è installato anche il solare fotovoltaico. La seconda categoria riguarda le stazioni di ricarica rapida per veicoli elettrici in aree con capacità di rete limitata. La batteria gestisce la domanda di ricarica di picco e il generatore ricarica la batteria tra i veicoli. La terza categoria è il peak shaving industriale, in cui i costi della domanda sono elevati ma la capacità di connessione alla rete è limitata. Injet HanCang ha implementato sistemi in tutte e tre le categorie con tempi di attività documentati superiori al novantanove%.
Requisiti e programmi di manutenzione
Un sistema di accumulo di energia con autonomia estesa richiede la manutenzione sia della batteria che del generatore. La batteria richiede un test annuale della capacità e un bilanciamento passivo delle tensioni delle celle. Injet HanCang consiglia di sostituire la batteria quando la capacità scende al di sotto dell'ottanta per cento del valore nominale della targa. Il generatore richiede il cambio dell'olio ogni cinquecento ore di funzionamento, la sostituzione del filtro dell'aria ogni duecento ore in ambienti polverosi e il cambio del filtro del carburante ogni anno. Il software del controller dovrebbe essere aggiornato ogni diciotto mesi per incorporare algoritmi migliorati sullo stato di carica. Il costo totale annuo di manutenzione per un sistema da duecento kilowatt è di circa duemila dollari, sulla base dei dati di dodici installazioni Injet HanCang.
Limitazioni e vincoli di progettazione
I sistemi di accumulo di energia con range esteso non sono adatti a tutte le applicazioni. Il generatore aggiunge complessità e richiede lo stoccaggio del carburante, cosa che potrebbe essere vietata in alcune giurisdizioni. Il sistema produce gas di scarico e rumore durante il funzionamento del generatore, limitando le opzioni di installazione interna. Il tempo di risposta del generatore dal comando di avvio alla piena potenza è generalmente compreso tra dieci e trenta secondi. Le applicazioni che richiedono alimentazione di backup istantanea durante i primi secondi di un'interruzione necessitano di un gruppo di continuità aggiuntivo o di un buffer della batteria più grande. Injet HanCang consiglia un buffer minimo della batteria di quindici minuti a pieno carico per coprire l'avvio e la stabilizzazione del generatore.
Conclusione
Un sistema di accumulo di energia con una gamma estesa fornisce una soluzione pratica per le applicazioni che richiedono durate di scarica oltre il limite economico delle batterie autonome. I dati sul campo delle installazioni Injet HanCang mostrano una riduzione del consumo di carburante del 60% rispetto ai sistemi con solo generatore e una riduzione del 40% dei costi livellati rispetto ai sistemi con sola batteria. Il corretto dimensionamento del rapporto batteria/generatore è fondamentale. I dati presentati in questo articolo confermano che i sistemi di accumulo di energia con autonomia estesa raggiungono i benefici attesi se progettati secondo l'analisi del profilo di carico e mantenuti secondo i programmi raccomandati.