Упродовж дня людина постійно стикається з акумуляторними батареями: у смартфоні, електромобілі, павербанку, зарядній станції та багатьох інших пристроях. За останні роки вартість літієвих акумуляторів суттєво знизилася, а технології їх виробництва та керування значно розвинулися. Це дозволило масштабувати системи накопичення енергії від невеликої батареї у смартфоні до промислових установок потужністю в сотні кіловат і навіть мегавати.

Такі системи отримали назву УЗЕ — установки зберігання енергії, або BESS (Battery Energy Storage System). Сьогодні вони дедалі активніше застосовуються в енергетиці та промисловості: для резервного живлення, роботи з відновлюваними джерелами енергії, згладжування піків споживання, балансування навантаження та оптимізації витрат на електроенергію.

У цій статті розглянемо, що являє собою УЗЕ, з яких компонентів вона складається, які типи та режими роботи таких систем існують, а головне — яку практичну користь і економічну вигоду вони можуть дати українським підприємствам.

Що таке УЗЕ та які вони бувають?

УЗЕ — це комплекс обладнання, призначений для накопичення електричної енергії, її зберігання та подальшого використання.

Найчастіше як накопичувач у сучасних УЗЕ використовуються літій-залізо-фосфатні акумулятори (LiFePO₄, LFP). Рідше застосовуються інші типи літій-іонних акумуляторів. Також поступово розвиваються та набирають популярності системи на основі натрій-іонних акумуляторів, які в перспективі можуть зайняти окрему нішу в стаціонарному зберіганні енергії.

Водночас можливості УЗЕ визначаються не лише ємністю та хімічним складом акумуляторів. Значною мірою функціональність усієї установки залежить від інвертора (PCS — Power Conversion System) та локальної системи керування енергією (EMS — Energy Management System). Саме вони визначають, як установка взаємодіє з електромережею, навантаженням, генераторами та іншими джерелами енергії.

Якщо дещо спростити класифікацію, за принципом взаємодії з електромережею УЗЕ можна поділити на три основні типи: On-Grid, Off-Grid (Grid-Forming) та гібридні системи, здатні працювати як паралельно з мережею, так і автономно.

ON-GRID

On-Grid, або мережеві УЗЕ, призначені для роботи паралельно із зовнішньою електромережею. Інвертор такої установки синхронізується з мережею та не формує власну автономну мережу. У разі зникнення зовнішнього живлення установка відключається та не може самостійно продовжувати живлення споживачів.

Основне призначення таких УЗЕ — не резервне електропостачання, а оптимізація споживання та зменшення витрат на електроенергію.

Зазвичай On-Grid УЗЕ підтримують такі режими роботи:

• Peak Shaving — компенсація короткочасних піків споживання;
• Schedule Following — підтримання заданого графіка споживання з мережі;
• Time-of-Use — заряджання та розряджання за часовим графіком залежно від вартості електроенергії;

Частина сучасних установок також обладнується MPPT-входами, що дозволяє безпосередньо підключати сонячні панелі без встановлення окремого мережевого інвертора.

Peak Shaving — компенсація піків потужності

Розглянемо підприємство, якому доступна потужність 300 кВт. Підприємство планує встановити додаткове обладнання потужністю 100 кВт, однак одночасна робота цього обладнання з іншими споживачами може призводити до перевищення доступної потужності.

Якщо додаткове обладнання працює не постійно, а періодично, УЗЕ може компенсувати пікову частину навантаження. Наприклад, при споживанні підприємством 380 кВт мережа продовжує забезпечувати 300 кВт, а решту 80 кВт протягом пікового періоду віддає BESS. Після зниження навантаження установка знову заряджається.

У деяких випадках таке рішення може бути економічно вигіднішим, ніж збільшення дозволеної потужності приєднання, реконструкція вводу або модернізація трансформаторної підстанції.

Компенсація небалансів та дотримання графіка споживання

Для підприємств, які працюють на ринку електроенергії за погодинними графіками, фактичне споживання може відрізнятися від прогнозованого. Такі відхилення створюють небаланси та можуть призводити до додаткових витрат.

УЗЕ дозволяє частково компенсувати ці відхилення. Якщо фактичне споживання перевищує заплановане, BESS розряджається та зменшує відбір потужності з мережі. Якщо споживання нижче запланованого — установка, за наявності відповідної можливості, заряджається.

Таким чином, з точки зору зовнішньої мережі підприємство може значно точніше дотримуватися заданого графіка споживання та зменшувати фінансові наслідки небалансів.

Time-of-Use — перенесення споживання між ціновими періодами

Ще один сценарій — заряджання УЗЕ в години низької вартості електроенергії та її використання в години високої вартості.

Наприклад, установка заряджається вночі або в інші години низьких цін, а під час ранкового чи вечірнього піку розряджається, зменшуючи обсяг електроенергії, яку підприємству необхідно купувати з мережі.

Чим більша різниця між ціною електроенергії в години заряджання та розряджання, тим більший потенційний економічний ефект. При розрахунку окупності необхідно також враховувати ККД повного циклу заряду-розряду, деградацію акумуляторів та їхній ресурс.

Накопичення надлишкової генерації СЕС

УЗЕ також може суттєво підвищити ефективність використання власної сонячної електростанції.

Максимальна генерація СЕС припадає переважно на денні години, коли власне споживання підприємства може бути недостатнім для використання всієї виробленої енергії. Крім того, саме в години високої сонячної генерації ринкова ціна електроенергії часто є нижчою.

Замість обмеження генерації або передачі надлишкової електроенергії в мережу BESS може накопичити її та використати пізніше — наприклад, під час вечірнього піку споживання, коли СЕС уже практично не генерує, а вартість електроенергії може бути значно вищою.

Таким чином, УЗЕ дозволяє перенести сонячну генерацію в часі, збільшити частку власного споживання енергії СЕС та зменшити залежність підприємства від погодинних коливань ринкової ціни електроенергії.

OFF-GRID

Чисті Off-Grid BESS зустрічаються відносно рідко, оскільки системи, які постійно працюють повністю автономно від зовнішньої мережі, потрібні далеко не в кожному проєкті. Значно поширенішими є гібридні УЗЕ, які залежно від ситуації можуть працювати як у режимі On-Grid, так і в режимі Off-Grid.

У режимі Off-Grid УЗЕ не синхронізується із зовнішньою мережею, а самостійно формує напругу та частоту. Тобто BESS фактично створює локальну електромережу, до якої підключаються споживачі.

При цьому функціональні можливості різних моделей можуть суттєво відрізнятися. Одні УЗЕ здатні лише формувати напругу та частоту для автономного живлення навантаження, тоді як більш функціональні системи можуть також створювати опорну мережу для генераторних установок, забезпечуючи можливість їх синхронізації та подальшої паралельної роботи.

Автономне живлення споживачів

Найпростіший сценарій Off-Grid роботи — використання BESS як автономного джерела живлення.

Після зникнення зовнішньої мережі УЗЕ формує власну трифазну або однофазну мережу та живить підключених споживачів від акумуляторних батарей.

Якщо установка обладнана MPPT-входами та до неї підключені сонячні панелі, автономність системи можна додатково збільшити за рахунок сонячної генерації. У денний час СЕС може одночасно живити навантаження та заряджати акумулятори, зменшуючи швидкість їх розряду або навіть повністю відновлюючи запас енергії.

Важливо враховувати, що далеко не всі Off-Grid інвертори допускають паралельну роботу з іншими джерелами напруги. Частина моделей може працювати лише автономно, тоді як деякі підтримують паралельне підключення кількох аналогічних інверторів за умови правильної конфігурації, синхронізації та налаштування системи.

Можливість такої роботи необхідно обов'язково уточнювати в документації або безпосередньо у виробника обладнання.

Формування мережі для генераторних установок

Значно цікавішим є клас УЗЕ, які можуть працювати не лише як автономне джерело живлення, а і як grid-forming система для генераторів.

У такому режимі BESS першою формує стабільну локальну мережу із заданими параметрами напруги та частоти. Після цього генераторна або когенераційна установка може синхронізуватися з цією мережею та працювати з нею паралельно.

Особливо актуальним такий підхід є для підприємств із власними когенераційними установками. BESS у цьому випадку виконує роль формуючого джерела мережі, приймає на себе різкі зміни навантаження, а когенераційна установка забезпечує основну тривалу генерацію.

Це дозволяє побудувати систему, в якій підприємство може тривалий час працювати автономно, використовуючи когенерацію як основне джерело енергії, а BESS — як швидкодійний буфер та елемент стабілізації локальної мережі.

Детальніше принцип роботи такої системи та її застосування з когенераційними установками я розглядав в окремій статті.

ГІБРИДНІ УЗЕ

Як уже було зазначено, гібридні УЗЕ можуть працювати як у режимі On-Grid, так і в режимі Off-Grid. Проте конкретний функціонал та принцип переходу між цими режимами суттєво відрізняються залежно від конструкції та можливостей конкретної моделі BESS.

Частина гібридних УЗЕ має окремий GRID-вхід та LOAD-вихід. У такій конфігурації зовнішня мережа підключається до входу установки, а критично важливі споживачі — до її виходу. У разі зникнення зовнішньої мережі BESS переходить в автономний режим та продовжує живити підключене навантаження від акумуляторів. Фактично така система може виконувати функцію потужного ДБЖ (UPS). Однак подібну архітектуру не завжди можливо або доцільно масштабувати для безперебійного живлення всього підприємства, особливо при потужностях у сотні кіловат або мегавати.

Інший тип УЗЕ має один двонаправлений силовий AC-порт, який підключається безпосередньо до шин підприємства або підстанції. Через одні й ті самі силові клеми установка може працювати як у режимі Grid-Following, синхронізуючись із зовнішньою мережею, так і в режимі Grid-Forming, самостійно формуючи локальну мережу. Однак сама наявність Off-Grid режиму ще не означає автоматичного безперебійного переходу в нього. У найпростішій конфігурації при зникненні зовнішньої мережі BESS припиняє роботу. Після цього необхідно фізично відокремити електромережу підприємства від зовнішньої мережі та перевести УЗЕ в Off-Grid режим. Це принципово важливо: BESS не може почати формувати напругу на шинах, які залишаються з'єднаними із зовнішньою мережею.

Деякі моделі BESS підтримують роботу із зовнішньою STS (Static Transfer Switch) — швидкодійною системою перемикання джерел живлення. У разі зникнення зовнішньої мережі STS за дуже короткий час відокремлює локальну мережу підприємства від зовнішньої, після чого BESS переходить у режим Grid-Forming та продовжує підтримувати напругу і частоту на внутрішніх шинах.

За правильно спроєктованої системи та достатньої швидкодії обладнання перерва живлення може бути настільки короткою, що більшість споживачів підприємства її не помітить. Таким чином, BESS уже може виконувати функцію безперебійного джерела живлення не для окремої групи критичних споживачів, а для значної частини або навіть усього підприємства.

Особливо цікавою така конфігурація стає при спільній роботі BESS із когенераційною установкою. Під час нормальної роботи підприємство та КГУ можуть працювати паралельно із зовнішньою мережею. У разі її зникнення STS відокремлює підприємство від зовнішньої енергосистеми, BESS переходить у Grid-Forming та формує локальну мережу, а когенераційна установка продовжує працювати вже в утвореному «острові». При правильно реалізованій системі керування когенераційну установку при цьому не обов'язково навіть зупиняти та повторно запускати — відбувається безшовний перехід від паралельної роботи з мережею до автономної роботи підприємства. Після відновлення зовнішнього живлення система може виконати зворотну синхронізацію та повернути підприємство до паралельної роботи з енергосистемою.

Таке рішення є відносно дорогим та потребує грамотного проєктування силової частини, релейного захисту, автоматики й алгоритмів керування. Водночас воно дозволяє підприємству практично не помічати короткочасних та тривалих відключень електроенергії, а за наявності когенерації — використовувати відносно дешеву газову генерацію як основне джерело енергії під час автономної роботи.

Форм-фактори

УЗЕ можуть мати кілька основних форм-факторів залежно від потужності, ємності та способу компонування обладнання:

• Компонентне виконання — система збирається з окремо підібраних компонентів: акумуляторних модулів або кластерів, інверторів, BMS, комутаційного та захисного обладнання. Такі системи не обов’язково мають єдиний корпус — окремі компоненти можуть встановлюватися в різних шафах або безпосередньо в приміщенні.
• Шафне виконання (Cabinet) — готова установка у вигляді однієї шафи, всередині якої розміщені акумуляторні модулі, BMS, інвертор, комутаційне та захисне обладнання, система охолодження або кондиціонування, а також система пожежогасіння. Фактично це готове комплексне рішення, яке потребує мінімальної кількості зовнішнього обладнання.
• Модульне шафне виконання — система складається з декількох спеціалізованих шаф. Наприклад, акумуляторні кластери розміщуються в окремих батарейних шафах, а інвертори та інше силове обладнання — в окремих шафах. Такий підхід спрощує масштабування системи та дозволяє гнучкіше підбирати її потужність і ємність.
• Контейнерне виконання — обладнання розміщується в спеціалізованому контейнері. Усередині можуть знаходитися акумуляторні кластери, інвертори, BMS, системи охолодження, пожежогасіння, комутаційне та інше допоміжне обладнання. У деяких рішеннях до складу контейнерної системи також входить силовий трансформатор. Такий формат переважно застосовується для УЗЕ великої потужності та ємності.

Для промислових підприємств одним із найпоширеніших варіантів сьогодні є шафне виконання BESS. Такі установки постачаються як готові заводські модулі та розраховані на встановлення просто неба.

Корпус має відповідний ступінь захисту від пилу та вологи, а всередині вже знаходяться акумуляторні модулі, BMS, система охолодження, пожежогасіння, комутаційне обладнання, а в All-in-One рішеннях — також PCS, EMS та інше допоміжне обладнання.

Типова потужність однієї промислової шафи знаходиться приблизно в діапазоні 100–125 кВт, а ємність — 200–300 кВт·год. Одним із дуже поширених сучасних типорозмірів є 125 кВт / 261 кВт·год, хоча зустрічаються як менші, так і значно більші системи. Наприклад, окремі батарейні шафи можуть мати ємність понад 350 кВт·год.

Важливо, що шафне виконання не обмежує систему потужністю однієї шафи. Більшість промислових рішень передбачає паралельне об'єднання декількох модулів, тому з типових шаф можна побудувати систему потужністю в сотні кіловат або декілька мегават. Наприклад, вісім установок по 125 кВт утворюють BESS потужністю близько 1 МВт, а сумарна ємність при використанні шаф по 261 кВт·год становитиме трохи більше 2 МВт·год.

Фізично така шафа вже є досить серйозним обладнанням. Типова установка ємністю близько 250–260 кВт·год має висоту приблизно 2–2,5 м та масу понад 2 тонни. Тому її не можна просто поставити біля стіни підприємства як звичайну електричну шафу — необхідна підготовлена бетонна основа, можливість під'їзду вантажної техніки та крана, а також достатній простір для обслуговування, вентиляції та роботи системи охолодження.

При виборі місця встановлення також необхідно враховувати допустимий температурний діапазон, висоту над рівнем моря, вимоги до відстаней між установками та будівлями, пожежної безпеки й можливості прокладання силових кабелів. Конкретні вимоги можуть суттєво відрізнятися залежно від виробника, тому остаточне розміщення BESS необхідно виконувати відповідно до документації конкретної моделі.

Для більших потужностей застосовуються контейнерні BESS. Це вже установки, в яких десятки батарейних модулів або кластерів компонуються всередині спеціалізованого контейнера разом із системами охолодження, BMS, пожежогасіння та іншою периферією.

Типовий сучасний 20-футовий контейнер може вміщувати приблизно 2–5 МВт·год енергії. Наприклад, існують 20-футові системи ємністю близько 2,2 МВт·год, а сучасні високощільні рішення вже перевищують 5 МВт·год в одному контейнері.

Контейнерні установки зазвичай використовуються на великих промислових підприємствах, електростанціях, підстанціях, енергетичних хабах та у великих СЕС і ВЕС. При цьому потужність самого об'єкта може набиратися з декількох контейнерів — таким чином будуються BESS потужністю в десятки та навіть сотні мегават.

Окремо варто розрізняти потужність та ємність УЗЕ. Наприклад, позначення 125 кВт / 261 кВт·год означає, що установка може віддавати або приймати потужність приблизно 125 кВт та зберігати близько 261 кВт·год енергії. Теоретично при постійному навантаженні 125 кВт такого запасу вистачить приблизно на дві години роботи. Саме тому при підборі BESS необхідно окремо визначати, яка підприємству потрібна потужність у кіловатах і який необхідний запас енергії в кіловат-годинах.

Висновок

УЗЕ вже давно перестали бути екзотикою або рішенням виключно для великих енергетичних компаній. Сьогодні BESS може бути корисною і для звичайного промислового підприємства: для компенсації піків споживання, роботи за погодинними тарифами, інтеграції із СЕС, зменшення небалансів, резервного живлення або навіть повноцінної автономної роботи разом із когенераційною чи генераторною установкою.

При цьому універсального рішення не існує. Одна й та сама батарея може бути майже марною або дуже вигідною залежно від того, який інвертор, EMS, алгоритми керування та силова схема використовуються разом із нею. Саме тому при виборі УЗЕ важливо дивитися не лише на ємність у кВт·год, а й на потужність, підтримувані режими роботи, можливість Grid-Forming, роботу з генераторами, СЕС, STS та зовнішніми системами автоматизації.

Якщо зовсім спростити конструкцію УЗЕ, то попри всю серйозність термінів BESS, EMS, PCS і Grid-Forming, по суті це все ще велика шафа з дуже великою кількістю батарейок усередині. Просто навколо цих батарейок є ще кілька тонн силової електроніки, автоматики, захистів, охолодження, пожежогасіння та програмної логіки, які й перетворюють звичайний акумулятор на повноцінний енергетичний інструмент для підприємства.

І саме в цьому головна перевага BESS: це не просто запас електроенергії, а гнучкий елемент енергосистеми, який можна використовувати для економії, резервування, стабілізації та побудови автономного живлення.