BESS: una soluzione per gestire l'energia in modo proattivo

L'espansione delle energie rinnovabili e la tendenza globale verso un consumo energetico efficiente hanno aumentato l'interesse per le soluzioni di immagazzinaggio dell'energia, in particolare i sistemi di accumulo a batteria. Questo articolo vi aiuterà a capire cosa sono questi sistemi e quali vantaggi comporta il loro utilizzo.

Che cos'è un BESS?

Un sistema di accumulo a batteria (BESS) è una soluzione complessa che fa uso di batterie ricaricabili per immagazzinare l'energia e rilasciarla in un momento successivo. I tipi di BESS sono correlati all'elettrochimica o alla batteria che impiegano: i sistemi possono essere basati su batterie agli ioni di litio, piombo-acido, nichel-cadmio, sodio-zolfo o batterie di flusso. Un sistema di immagazzinaggio dell'energia (ESS) è un termine ampio e può riferirsi a una varietà di tecnologie diverse dalle batterie, per esempio l'energia idroelettrica, i volani, l'aria compressa e altri.

Per capire che cos'è un BESS e come funziona, sarà utile guardare la sua struttura e i componenti costitutivi:

BATTERIA

L'energia elettrica fornita da diverse fonti, come il sole, il vento o le centrali elettriche, si converte in energia chimica durante il processo di carica delle batterie. L'energia rilasciata dalla batteria durante la scarica può alimentare case, veicoli, edifici commerciali e reti. Le batterie sono costituite da celle e possono essere disposte in moduli, gruppi e contenitori.

SISTEMA DI GESTIONE BATTERIA (BMS)

Un BMS provvede al funzionamento sicuro e corretto della batteria. Ogni tipo di batteria ha determinate condizioni di carica e scarica. Un BMS assicura che la batteria rimanga entro l'intervallo di corrente, tensione e temperatura richiesto. Monitorando i parametri e stimando lo stato di carica (SOC) e lo stato di salute (SOH) della batteria, un BMS ne assicura prestazioni affidabili e durature.

SISTEMA DI CONVERSIONE DI POTENZA (PCS)

Attraverso l'uso di un sistema di conversione di potenza, un BESS converte la corrente continua (c.c.) in corrente alternata (c.a.) e viceversa. La corrente alternata fluisce da una fonte di alimentazione e si converte in corrente continua durante la carica della batteria. Quando la batteria si scarica, produce corrente continua, che viene riconvertita in corrente alternata necessaria per alimentare le applicazioni BESS.

SISTEMA DI GESTIONE DELL'ENERGIA (EMS)

Un EMS è un'unità di controllo di un sistema di accumulo a batteria. Gestisce la potenza disponibile in un BESS, cioè quando, perché e in quali quantità accumulare o rilasciare l'energia. Un EMS raggruppa gli elementi di un BESS e ottimizza le sue prestazioni generali.

SISTEMI DI SICUREZZA

Può esserci una serie di sistemi di sicurezza, ognuno a carico di un compito specifico. Ad esempio, un sistema HVAC permette a un BESS di mantenere la temperatura e l'umidità desiderate sia che si usi il riscaldamento, la ventilazione o l'aria condizionata. Un sistema di protezione antincendio può rilevare il fumo e prevenire gli incendi.

Figura 1: Una tipica struttura BESS. (Immagine per gentile concessione di Integra Sources LLC)

Che cosa può fare un BESS?

Ogni anno, i sistemi di accumulo a batteria forniscono energia a migliaia di case, aziende, impianti e comunità in tutto il mondo. Sono variabili in termini di scala e capacità di accumulo/immagazzinaggio.

Ad esempio, con 13,5 kWh di capacità utilizzabile, Tesla Powerwall è un dispositivo compatto che può servire come fonte di alimentazione ininterrotta per una famiglia. Mentre con una capacità totale di 1.600 MWh, Vistra Moss Landing Energy Storage Facility - il più grande BESS del mondo - può fornire energia a 300.000 case.

Tuttavia, nonostante la differenza di dimensioni e capacità, i BESS possono svolgere funzioni simili e dover affrontare problemi simili. Consideriamo i casi in cui l'immagazzinaggio di energia a batteria può entrare in gioco.

Integrazione con le energie rinnovabili

BESS può utilizzare l'energia solare ed eolica in modo efficiente in ogni momento e a prescindere dalle condizioni meteo. Le batterie ricaricabili possono immagazzinare l'energia in eccesso generata da fonti rinnovabili intermittenti. Dopodiché, questa energia può essere distribuita secondo le esigenze degli utenti.

Se integrate con soluzioni di accumulo a batteria, le fonti di energia rinnovabile possono sostituire i combustibili fossili, offrendo energia economica e pulita a una moltitudine di applicazioni. L'integrazione rinnovabile è ampiamente adottata in:

• parchi solari ed eolici
• comunità senza allacciamenti alle utenze pubbliche e isolate (isole e aree difficili da raggiungere)
• dispositivi di immagazzinaggio dell'energia domestica accoppiati a pannelli solari (come il suddetto Powerwall)

A parte i sistemi di energia autonomi, un BESS può supportare anche soluzioni connesse alla rete elettrica pubblica e ibride per uso residenziale, commerciale e industriale.

Figura 2: I sistemi di accumulo a batteria sono ampiamente utilizzati nei parchi solari ed eolici. (Immagine per gentile concessione di Integra Sources LLC)

Arbitraggio energetico

Vi è una correlazione positiva tra la domanda di elettricità e il suo costo. Il prezzo dell'energia aumenta durante i periodi di domanda di picco e diminuisce quando la domanda scende. L'arbitraggio energetico è ciò che i consumatori possono applicare utilizzando un sistema di accumulo a batteria.

Caricando la batteria in orari non di punta, i consumatori possono acquistare energia a basso costo e immagazzinarla nel loro BESS. Poi, possono aspettare che il prezzo dell'elettricità aumenti e scaricare la batteria per utilizzare l'energia a basso costo o venderla alla rete.

Così, le famiglie e le imprese possono gestire efficacemente le risorse energetiche, riducendo i costi.

Gestione del carico

L'energia viene consumata a livelli diversi durante il giorno e secondo la stagione - ci sono orari di punta e non di punta. Un BESS permette agli utenti di gestire questi periodi, regolare il consumo energetico e risparmiare sui costi dell'elettricità.

Il livellamento dei picchi di carico è uno degli esempi d'uso più popolari di un BESS nella gestione del carico. Si tratta di ridurre il consumo energetico durante i momenti di punta. Oltre a questo, i consumatori possono ridurre le spese proprio come con l'arbitraggio energetico.

Una soluzione di accumulo a batteria può aiutare a evitare i picchi di carico su una rete elettrica e, di conseguenza, le interruzioni e altre emergenze. Scaricando l'energia immagazzinata, un BESS toglie il carico dalla rete e fornisce energia senza interruzioni.

Microrete isolata

Un BESS può aiutare le centrali elettriche e le reti elettriche a ripristinarsi rapidamente dopo le interruzioni di energia elettrica. Invece di usare un generatore diesel, i consumatori possono optare per un sistema di accumulo a batteria, una soluzione microrete isolata più economica e più verde. Un BESS può lavorare indipendentemente dalla linea di trasmissione della rete elettrica e fornire energia per il tempo richiesto, da pochi minuti a diverse ore.

Alimentazione ausiliaria

Un BESS può fornire energia alle case, alle imprese e ad altre strutture, assicurandone il funzionamento continuo. Questo è di vitale importanza per le istituzioni sanitarie e molti centri che forniscono servizi legati alla salute e alla sicurezza delle persone. A seconda della capacità di immagazzinaggio, un BESS può fornire energia di riserva per tutto il tempo necessario, anche nel caso di un grave guasto alla rete.

Controllo della frequenza e della tensione

La frequenza e la tensione possono superare i rispettivi limiti operativi se l'alimentazione non è sincronizzata alla domanda reale. Questo può comportare una perdita di energia e interruzioni della corrente elettrica. Un BESS può assicurare la stabilità di una rete elettrica o di un sistema di alimentazione attraverso la regolazione della tensione e della frequenza. A causa di un tempo di risposta breve, un sistema di accumulo a batteria diventa un'efficiente soluzione di bilanciamento della rete.

Microreti

Si tratta di piccole reti elettriche che possono fornire elettricità a edifici commerciali, impianti di produzione o quartieri quando sono collegati a una rete più grande. Le microreti autonome possono alimentare aree e comunità remote, come le isole. Se combinata con un BESS e integrata con le energie rinnovabili, una microrete può fungere da sistema di alimentazione resiliente per più utenti.

Figura 3: Una microrete può fungere da sistema di alimentazione resiliente per aree e comunità remote, come le isole. (Immagine per gentile concessione di Integra Sources LLC)

Rinvio di trasmissione e distribuzione

Le linee di trasmissione e distribuzione (T&D) sono soggette a invecchiamento e deterioramento a causa delle punte di carico e delle congestioni. Una soluzione di accumulo a batteria può risolvere questo problema assumendo il ruolo di un bene T&D. Un BESS può offrire una capacità di immagazzinaggio aggiuntiva e bilanciare i carichi, rinviando così l'aggiornamento delle linee T&D esistenti e la costruzione di nuove infrastrutture. Questo si traduce in un risparmio molto ingente.

Dove può essere utilizzato al meglio un BESS?

I BESS si basano su tecnologie accessibili, ad esempio il prezzo delle batterie agli ioni di litio è sceso di quasi il 90% negli ultimi 10 anni e continua a scendere. Le soluzioni di accumulo a batteria sono offerte con una vasta gamma di configurazioni, tra cui la capacità di immagazzinaggio e le dimensioni, in modo che possano adattarsi a molti settori e applicazioni.

Queste applicazioni possono essere suddivise in sistemi Front of the Meter (FtM) utilizzati per la fornitura di servizi di rete (l'energia consumata è misurata da un contatore elettrico) e Behind the meter (BtM) installate in loco (l'energia consumata non può essere collegata a una rete e quindi misurata da un contatore elettrico). Ecco un elenco parziale di applicazioni FtM e BtM per i BESS.

Applicazioni FtM

I sistemi di accumulo a batteria possono contribuire pesantemente al funzionamento e alla manutenzione degli impianti e delle attrezzature su scala industriale. Un BESS può offrire capacità di riserva e servizi di microrete isolata, fornire stabilità di tensione e frequenza e far risparmiare molto grazie alla manutenzione differita. Le applicazioni FtM/BESS includono:

• Reti elettriche pubbliche
• Sottostazioni
• Linee di trasmissione e distribuzione
• Centrali elettriche

Applicazioni BtM

I sistemi BtM possono fornire energia ai consumatori, aggirando una rete elettrica. Insieme alle fonti di energia rinnovabile, un BESS può sostenere incessantemente sistemi di alimentazione autonoma o microreti. I produttori possono usare l'accumulo a batteria come alimentazione ausiliaria per evitare i tempi di fermo negli impianti di produzione. Utilizzando i BESS, le aziende e le famiglie possono ridurre significativamente le tariffe per l'uso dell'elettricità grazie all'arbitraggio energetico. I sistemi di accumulo a batteria BtM si possono trovare in:

• Impianti industriali e di produzione
• Attività commerciali
• Elettrodomestici
• Veicoli elettrici
• Sistemi marini

Figura 4: Applicazioni BESS. (Immagine per gentile concessione di Integra Sources LLC)

Ha senso costruire un BESS?

La risposta veloce è sì. Per una risposta più definitiva, c'è qualche chiarimento da fare.

Senza dubbio, acquistare un BESS già pronto fa risparmiare molto tempo e, a volte, denaro. Se non vi sono requisiti speciali per il sistema, c'è solo l'imbarazzo della scelta per trovare una soluzione già pronta tra i molti prodotti sul mercato. Detto questo, prima dell'acquisto si dovrebbe tener conto di altri fattori, come:

• requisiti specifici del cliente, comprese le richieste di nicchia e le condizioni operative
• mancanza di caratteristiche desiderate o caratteristiche inutili che aggiungono solo costi al sistema
• incompletezza del sistema e mancanza di apparecchiature di supporto
• software di bassa qualità
• assenza di garanzia e manutenzione post-garanzia

Costruire un sistema di accumulo a batteria può essere noioso e richiedere molto tempo, denaro e svariate competenze. Ma questo dà l'opportunità di creare una soluzione altamente personalizzata che soddisfa pienamente tutte le esigenze dell'utente finale.

Un BESS su misura può offrire una migliore funzionalità, usabilità, sicurezza personale e sicurezza informatica. L'implementazione di algoritmi BMS avanzati permetterà agli utenti di migliorare le prestazioni della batteria ed estenderne la durata. Lo sviluppo di una soluzione personalizzata ottimizza l'assistenza tecnica e il servizio clienti e altri servizi che possono essere necessari sia come utente finale che come fornitore di BESS.

Progettare un BESS di alta qualità richiede un team di professionisti esperti in tecnologie delle batterie, elettronica di potenza, software embedded e sviluppo hardware. È essenziale organizzare e armonizzare ogni fase della creazione del prodotto, dalla progettazione alla fabbricazione fino alla certificazione. Assumere ingegneri con competenze ed esperienze rilevanti può aiutare a costruire un sistema di accumulo a batteria che anticipa le aspettative dei consumatori.

Detto questo, un prodotto personalizzato non è una soluzione miracolosa. Creare un BESS personalizzato è una questione da decidere caso per caso e per alcuni progetti, una soluzione chiavi in mano potrebbe funzionare meglio. Per saperne di più sui BESS su misura rispetto ai BESS di serie, vi rimando a un altro articolo sui sistemi di accumulo a batteria pubblicato dal blog di Integra Sources LLC. Qui, i lettori possono anche conoscere le varie tecnologie e caratteristiche delle batterie, i principali produttori di BESS, i sistemi di immagazzinaggio dell'energia alternativi e molto altro.