BESS: Proaktiivinen energianhallintaratkaisu

Uusiutuvien energialähteiden yleistyminen ja maailmanlaajuinen suuntaus tehokkaaseen energiankulutukseen ovat lisänneet kiinnostusta energian varastointiratkaisuja kohtaan ja erityisesti energian varastointijärjestelmiä kohtaan. Tämän artikkelin lukeminen auttaa ymmärtämään, mistä näissä järjestelmissä on kyse ja mitä hyötyä niiden käytöstä on.

BESS: mitä se tarkoittaa?

Akkupohjainen energian varastointijärjestelmä (BESS, Battery Energy Storage System) on kompleksinen ratkaisu, jossa ladattavia akkuja käytetään energian varastointiin ja sen vapauttamiseen myöhemmin. BESS-tyypit vastaavat niissä käytettävää sähkökemiaa tai akkutyyppiä - järjestelmät voivat perustua litiumioniakkuihin, lyijyakkuihin, nikkeli-kadmiumakkuihin, natrium-rikkiakkuihin ja virtausakkuihin. Energian varastointijärjestelmä (ESS) on laajempi termi, ja se voi perustua moniin muihin teknologioihin kuin akkuihin, esimerkiksi vesivoimaan, vauhtipyöriin, paineilmaan ja niin edelleen.

Jotta voisi ymmärtää mikä BESS on ja miten se toimii, on hyödyllistä tarkastella sen rakennetta ja keskeisiä elementtejä:

AKKU

Eri lähteistä, esimerkiksi auringosta, tuulesta tai voimalaitoksista saatava sähköenergia muuttuu akun latausprosessin aikana kemialliseksi energiaksi. Akun purkautumisessa vapautuva energia voi tuottaa virtaa koteihin, ajoneuvoihin, liikerakennuksiin ja sähköverkkoihin. Akut koostuvat kennoista ja ne voidaan järjestää erilaisiksi moduuleiksi, pakkauksiksi ja säiliöiksi.

AKUN HALLINTAJÄRJESTELMÄ (BMS, Battery Management System)

BMS huolehtii akun turvallisesta ja asianmukaisesta toiminnasta. Jokaisella akkutyypillä on omat lataus- ja purkuvaatimuksensa. BMS varmistaa, että akku pysyy vaadittujen virta-, jännite- ja lämpötila-alueiden sisällä. BMS valvoo akun parametreja ja arvioi sen lataustilaa (SOC, State-Of-Charge) ja toimintakuntoa (SOH, State-Of-Health) sekä tällä tavoin varmistaa akun luotettavan ja pitkäaikaisen toiminnan.

TEHOMUUNNOSJÄRJESTELMÄ (PCS, Power Conversion System)

BESS muuntaa tehomuunnosjärjestelmän avulla tasavirran (DC, Direct Current) vaihtovirraksi (AC, Alternating Current) ja päinvastoin. Virtalähde syöttää vaihtovirtaa, mikä muutetaan tasavirraksi akkua ladattaessa. Kun akkua puretaan, se tuottaa tasavirtaa. Tämä muunnetaan takaisin vaihtovirraksi, jota tarvitaan virransyöttöön BESS-sovelluksissa.

ENERGIAN HALLINTAJÄRJESTELMÄ (EMS, Energy Management System)

EMS on akkupohjaisen energian varastointijärjestelmän ohjausyksikkö. Se hallinnoi BESS-järjestelmän tehoa eli sitä, milloin, miksi ja kuinka paljon energiaa varastoidaan tai vapautetaan. EMS yhdistää BESS-järjestelmän osat ja optimoi sen kokonaissuorituskyvyn.

TURVAJÄRJESTELMÄT

Turvajärjestelmiä voi olla useita, ja kukin vastaa tietystä tehtävästä. Esimerkiksi LVI-järjestelmän avulla BESS voi ylläpitää haluttua lämpötilaa ja kosteutta lämmityksen, ilmanvaihdon ja ilmastoinnin avulla. Palontorjuntajärjestelmä voi havaita savun ja ehkäistä tulipaloja.

Kuva 1: Tyypillinen BESS-rakenne. (Kuvan lähde: Integra Sources LLC)

Mitä BESS voi tehdä?

Joka vuosi akkupohjaiset energian varastointijärjestelmät toimittavat sähköä tuhansille kodeille, yrityksille, tehtaille ja yhteisöille maailmanlaajuisesti. Niiden mittakaava ja varastointikapasiteetti vaihtelevat.

Esimerkiksi Tesla Powerwall on kompakti ratkaisu, jonka kapasiteetti on 13,5 kWh, ja jota voidaan käyttää yksittäisen kotitalouden varavirtalähteenä. Vistra Moss Landing Energy Storage Facilityon maailman suurin BESS. Sen kapasiteetti on 1 600 MWh ja se voi toimittaa sähköä 300 000 kotitalouteen.

Koko- ja kapasiteettieroista huolimatta BESS-järjestelmillä voidaan kuitenkin täyttää samankaltaisia tehtäviä ja ratkaista samankaltaisia ongelmia. Tarkastellaanpa tilanteita, joissa energiaa voidaan varastoida akkuihin.

Uusiutuvan energian integrointi

BESS voi hyödyntää aurinko- ja tuulivoimaa tehokkaasti kaikkina aikoina ja kaikissa sääolosuhteissa. Ladattavat akut voivat varastoida uusiutuvien energialähteiden tuottaman ylimääräisen energian. Tätä energiaa voidaan myöhemmin jakaa käyttäjien tarpeiden mukaan.

Kun uusiutuvat energialähteet yhdistetään akkuja käyttäviin varastointiratkaisuihin, ne voivat korvata fossiiliset polttoaineet ja tarjota halpaa ja puhdasta energiaa erilaisiin sovelluksiin. Uusiutuvien energialähteiden integrointi on otettu laajalti käyttöön seuraavilla osa-alueilla:

• aurinko- ja tuulivoimalat
• verkon ulkopuoliset ja eristyksissä olevat yhteisöt (saaret ja vaikeasti saavutettavat alueet)
• aurinkopaneeleihin yhdistetyt energian varastointilaitteet kotitalouksissa (kuten Powerwall).

Verkon ulkopuolisten järjestelmien lisäksi BESS voi merkittävästi tukea verkkoon kytkettyjä ja hybridiratkaisuja asuin-, liike- ja teollisuuskäytössä.

Kuva 2: Akkupohjaisia varastointijärjestelmiä käytetään laajalti aurinko- ja tuulivoimaloissa.. (Kuvan lähde: Integra Sources LLC)

Energia-arbitraasi

Sähkön kysynnän ja hinnan välillä on positiivinen korrelaatio. Energian hinta nousee kysyntähuippujen aikana ja laskee kysynnän laskiessa. Kuluttajat voivat käyttää akkupohjaista varastointijärjestelmää energia-arbitraasiin, jota voidaan ajatella ajansiirtona.

Lataamalla akkua matalan kulutuksen aikaan kuluttajat voivat ostaa halpaa energiaa ja varastoida sen BESS-järjestelmäänsä. Sitten he voivat odottaa, että sähkön hinta nousee, ja alkaa purkamaan akkua, jolloin he voivat joko käyttää edullista energiaa tai myydä sitä verkkoon.

Näin kotitaloudet ja yritykset voivat hallita energiavaroja tehokkaasti ja laskea kustannuksiaan.

Kuormanhallinta

Energiaa kulutetaan eri tavoin eri vuorokauden aikoina ja vuodenajan mukaan. Käyttö jakaantuu kulutushuippujaksoihin ja matalan kulutuksen jaksoihin. BESS-järjestelmän avulla käyttäjät voivat hyödyntää näitä ajanjaksoja, säätää energiankulutusta ja säästää sähkökustannuksissa.

Kulutuksen vähentäminen kulutushuippujaksojen aikana on yksi suosituimmista BESS-käyttötapauksista kuormanhallinnassa. Kyse on virrankulutuksen vähentämisestä kulutushuippujen aikana. Tämän lisäksi kuluttajat voivat leikata kulujaan aivan kuten energia-arbitraasin avulla.

Akkupohjainen varastointiratkaisu voi auttaa välttämään sähköverkon kuormitushuippuja ja siten sähkökatkoksia ja muita hätätilanteita. Purkamalla varastoitua energiaa BESS irrottaa kuorman verkosta ja toimittaa sähköä keskeytyksettä.

Itsenäinen käynnistys

BESS voi auttaa voimalaitoksia ja sähköverkkoja palautumaan nopeasti sähkökatkosten jälkeen. Dieselgeneraattorin sijasta kuluttajat voivat käyttää akkupohjaista varastojärjestelmää, joka on edullisempi ja ympäristöystävällisempi itsenäinen käynnistysratkaisu. BESS voi toimia sähköverkon siirtolinjasta riippumatta ja toimittaa energiaa tarvittavan ajan, minuuteista tunteihin.

Varavirtalähde

BESS voi toimittaa energiaa koteihin, yrityksiin ja muihin laitoksiin ja varmistaa niiden jatkuvan toiminnan. Tämä on erittäin tärkeää terveydenhuoltolaitoksille ja muille organisaatioille, jotka tarjoavat ihmisten terveyteen ja turvallisuuteen liittyviä palveluja. Varastointikapasiteetista riippuen BESS voi toimittaa varavoimaa niin kauan kuin on tarpeen myös vakavan verkkohäiriön sattuessa.

Taajuuden ja jännitteen säätö

Taajuus ja jännite voivat ylittää niille asetetut toimintarajat, ellei virtalähdettä ole synkronoitu todellisen kysynnän kanssa. Tämä voi johtaa sähkökatkoihin. BESS voi varmistaa sähköverkon tai -järjestelmän stabiiliuden säätämällä jännitettä ja taajuutta. Nopean vasteaikansa ansiosta akkupohjainen energian varastointijärjestelmä toimii tehokkaana ratkaisuna verkon tasapainottamiseen.

Mikroverkot

Nämä ovat pieniä sähköverkkoja, jotka voivat toimittaa sähköä kaupallisiin rakennuksiin, tuotantolaitoksiin tai naapurustoihin, kun ne kytketään suurempaan verkkoon. Autonomiset mikroverkot voivat tuottaa sähköä syrjäisille alueille ja yhteisöille, esimerkkinä saaret. Kun mikroverkko yhdistetään BESS-järjestelmään ja integroidaan uusiutuvaan energiaan, se voi toimia joustavana sähköjärjestelmänä useille käyttäjille.

Kuva 3: Mikroverkko voi toimia joustavana sähköjärjestelmänä syrjäisille alueille ja yhteisöille, esimerkkinä saaret. (Kuvan lähde: Integra Sources LLC)

Siirron ja jakelun lykkääminen

Siirto- ja jakelujohdot (T&D) ovat alttiita vanhenemiselle ja kulumiselle huippukuormituksen ja ruuhkien vuoksi. Akkupohjainen varastointiratkaisu voi ratkaista tämän ongelman toimimalla T&D-roolissa. BESS voi tarjota lisävarastointikapasiteettia ja tasata kuormia, jolloin nykyisten T&D-johtojen päivittämistä ja uuden infrastruktuurin rakentamista voidaan lykätä. Tämä tarkoittaa merkittävää rahallista säästöä.

Missä BESS-järjestelmää voidaan parhaiten käyttää?

BESS luottaa edullisiin teknologioihin, esimerkiksi litiumioni-akkujen hinta on tippunut lähes 90 % viimeisten 10 vuoden aikana ja laskee yhä edelleen. Akkupohjaisissa varastoratkaisuissa käytetään laajaa valikoimaa erilaisia konfiguraatioita. Näihin kuuluvat mm. varastointikapasiteetti ja koko, joten ne sopivat monille toimialoille ja erilaisiin sovelluksiin.

Nämä sovellukset voidaan jakaa seuraaviin luokkiin: sijainti ennen mittaria (FTM) tai laitostason järjestelmät (käytetty energia mitataan sähkömittarissa) sekä sijainti mittarin takana (BTM) tai paikalliset ratkaisut (kulutettua energiaa ei voida kytkeä verkkoon eikä sitä näinollen voida mitata sähkömittarissa). Tässä esitetään lista FTM- ja BTM-BESS-sovelluksia (lista on kaukana täydellisestä).

Sijainti ennen mittaria

Akkupohjaisilla energian varastointijärjestelmillä voidaan vaikuttaa merkittävästi laitostason tilojen ja laitteiden toimintaan ja kunnossapitoon. BESS voi tarjota varakapasiteettia ja mahdollistaa itsenäisen käynnistyksen, vakauttaa jännitettä ja taajuutta sekä säästää rahaa lykätyn huollon ansiosta. FTM BESS -sovelluksiin kuuluvat:

• sähköverkot
• sähköasemat
• siirto- ja jakelujohdot
• voimalaitokset.

Sijainti mittarin takana

BTM-järjestelmät voivat toimittaa sähköä kuluttajille sähköverkon ohi. Vihreiden energialähteiden lisäksi BESS voi tukea itsenäisiä sähköjärjestelmiä ja mikroverkkoja taukoamatta. Valmistajat voivat käyttää akkuvarastoja varavoimanlähteenä välttääkseen tuotantolaitosten seisokit. Käyttämällä BESS-järjestelmiä yritykset ja perheet voivat vähentää sähkölaskua merkittävästi energiakulutuksen ajallisen siirtämisen ansiosta. BTM-tyyppisiä akkupohjaisia energian varastointijärjestelmiä löytyy seuraavista kohteista: 

• teollisuus- ja tuotantolaitokset
• yritykset
• kotitaloudet
• sähköajoneuvot
• merenkulkualan järjestelmät.

Kuva 4: BESS-sovellukset. (Kuvan lähde: Integra Sources LLC)

Onko järkevää rakentaa BESS-järjestelmä?

Lyhyt vastaus on kyllä. Pidempi vastaus kaipaa selvennystä.

Valmiin BESS-järjestelmän ostaminen säästää epäilemättä paljon aikaa ja joskus myös rahaa. Jos järjestelmälle ei aseteta erityisvaatimuksia, markkinoilla olevista lukuisista energiavarastointituotteista voidaan valita valmis ratkaisu. On kuitenkin syitä, jotka voivat estää kuluttajaa ostamasta valista ratkaisua, esimerkiksi:

• erityiset asiakasvaatimukset, mukaan lukien kapean liiketoiminta-alueen vaatimukset ja toimintaolosuhteet
• haluttujen ominaisuuksien puuttuminen tai tarpeettomat ominaisuudet, jotka lisäävät järjestelmän kustannuksia
• järjestelmän epätäydellisyys ja tukilaitteiden puute
• heikkolaatuiset ohjelmistot
• takuun puuttuminen ja takuun jälkeinen huolto.

Akkupohjainen energian varastointijärjestelmän rakentaminen voi olla työläs prosessi, joka vaatii aikaa, rahaa ja asiantuntemusta. Tämä antaa kuitenkin mahdollisuuden luoda pitkälle räätälöity ratkaisu, joka täyttää kaikki loppukäyttäjän vaatimukset.

Räätälöity BESS voi tarjota parempia toimintoja, käytettävyyttä, turvallisuutta ja kyberturvallisuutta. Kehittyneiden BMS-algoritmien ansiosta käyttäjät voivat parantaa akun suorituskykyä ja pidentää sen käyttöikää. Räätälöidyn ratkaisun kehittäminen optimoi teknisen tuen, asiakaspalvelun ja muut palvelut, joita loppukäyttäjä tai BESS-toimittaja voi tarvita.

Laadukkaan BESS-järjestelmän suunnittelu edellyttää akkuteknologiaan, tehoelektroniikkaan, sulautettuihin ohjelmistoihin ja laitteistokehitykseen perehtyneitä ammattilaisia. On olennaisen tärkeää organisoida ja harmonisoida tuotekehityksen jokainen vaihe suunnittelusta sertifiointiin ja valmistukseen. Sopivan asiantuntemuksen ja kokemuksen omaavien insinöörien palkkaaminen voi auttaa rakentamaan täysimittaisen akkuvarastojärjestelmän, joka ennakoi kuluttajien odotuksia.

Kaikesta huolimatta räätälöity tuote ei ole hopealuoti. Räätälöidyn BESS-järjestelmän valmistamista on harkittava tapauskohtaisesti, ja joissakin hankkeissa avaimet käteen -valmisratkaisu on paras ratkaisu. Katso lisätietoja räätälöidyistä ja valmiista BESS-järjestelmistä lukemalla kattavampi artikkeli akkupohjaisista energian varastointijärjestelmistä Integra Sources LLC:n blogisivulta. Artikkelissa lukijat voivat myös tutustua erilaisiin akkuteknologioihin ja niiden ominaisuuksiin, tärkeimpiin BESS-valmistajiin, vaihtoehtoisiin energian varastointijärjestelmiin ja muihin asiaan liittyviin yksityiskohtiin.