BESS:‏ פתרון ניהול אנרגיה באופן פרואקטיבי

התרחבות השימוש במקורות אנרגיה מתחדשים‏ ונטיה כלל-עולמית לצריכת אנרגיה יעילה הגבירו את העניין בפתרונות אחסון אנרגיה, ובמיוחד במערכות אחסון אנרגיה מבוססות סוללות. קריאת מאמר זה תעזור בהבנת מהות מערכות אלו ויתרונות השימוש בהן.

BESS: מה עומד מאחוריה?

מערכת אחסון אנרגיה מבוססת סוללות (BESS) ‏היא פתרון מורכב העושה שימוש בסוללות נטענות המאחסנות אנרגיה ומשחררות אותה במועד מאוחר יותר. סוגי BESS קשורים לאלקטרוכימיה או לסוללה בה משתמשים - המערכות יכולות להיות מבוססות על ליתיום-יון, חומצת-עופרת, ניקל-קדמיום, גופרת-נתרן וסוללות זרימה. מערכת‏ אחסון אנרגיה (ESS‏)‏ היא מונח רחב יותר ועשויה להישען על‏ מגוון טכנולוגיות שאינן סוללות, לדוגמה, כוח הידרואלקטרי, גלגלי תנופה, אוויר דחוס ואחרות.

כדי להבין מהי BESS וכיצד היא פועלת, יעזור להסתכל על המבנה ורכיבי הליבה שלה:

סוללות

אנרגיה חשמלית מסופקת ממקורות שונים, כגון סולרי, רוח או תחנות כוח, מומרת לאנרגיה כימית תוך כדי תהליך טעינת הסוללות. האנרגיה המשתחררת מהסוללות תוך כדי פריקה יכולה לספק כוח לבתים, כלי רכב, בניינים מסחריים ורשתות חשמל. סוללות עשויות מתאים ויכולות להיות מסודרות במודולים, חבילות ומכלים.

מערכת ניהול סוללות (BMS)

מערכת BMS דואגת לעבודה נכונה ובטוחה של הסוללות. לכל סוג סוללה יש תנאי טעינה ופריקה מסוימים. מערכת‏ BMS מבטיחה שהסוללות נשארות בתחומי הזרם, המתח והטמפרטורה הדרושים. על ידי ניטור הפרמטרים והערכת מצב הטעינה (SOC‏) ומצב בריאות הסוללות (SOH), מערכת BMS מבטיחה את הביצועים האמינים שלהן לאורך-זמן.

מערכת המרת כוח (PCS)

באמצעות שימוש במערכת המרת כוח,‏ מערכת BESS ממירה זרם ישר (DC) לזרם חילופין (AC) ולהיפך. AC‏ זורם ממקור כוח ומומר ל-DC‏ במהלך טעינת סוללות. במהלך פריקת סוללות, היא מייצרת DC‏, שמומרת חזרה ל-AC‏ הדרוש כדי להזין יישומי BESS.

מערכת ניהול אנרגיה (EMS)

מערכת‏ EMS‏ היא יחידת בקרה של‏ מערכת אחסון אנרגיה מבוססת סוללות. היא מנהלת את הכוח הזמין במערכת BESS — כלומר, מתי, מדוע ובאילו כמויות לאגור או לשחרר את האנרגיה. מערכת‏ EMS מרכיבה יחד את האלמנטים של BESS וממטבת את הביצועים הכוללים שלה.

מערכות אבטחה

יכולה להיות סדרה של מערכות אבטחה, כ"א אחראית על‏ משימה ספציפית. לדוגמה, מערכת חימום, אוורור ומיזוג אוויר (HVAC) מאפשרת למערכת‏ BESS לשמור על הטמפרטורה והלחות הרצויות על ידי חימום, אוורור ומיזוג אוויר. מערכת הגנה מפני אש יכולה לגלות עשן ולמנוע ארועי שריפה.

איור 1: מבנה אופייני של מערכת BESS (מקור תמונה: Integra Sources LLC)

מה יכולה לעשות מערכת‏ BESS?

בכל שנה, מערכות אחסון אנרגיה מבוססות סוללות מספקות כוח לאלפי בתים, עסקים, מפעלים וקהילות ברחבי העולם. הן שונות בסדר-גודל ובקיבולת אחסון.

לדוגמה, ה-Tesla Powerwall, בעלת קיבולת ברת-שימוש של ‏‎13.5 kWh, היא התקן קומפקטי שיכול לשמש כמקור כוח אל-פסק עבור‏ יחידת מגורים אחת. בעוד שה-Vistra Moss Landing Energy Storage Facility, מערכת BESS הגדולה בעולם בעלת קיבולת כוללת של 1,600‎ MWh, יכולה לספק אנרגיה ל-300,000 בתי מגורים.

אולם, למרות ההבדל בגודל ובקיבולת, מערכות BESS יכולות למלא פונקציות דומות ולהתמודד עם בעיות דומות. בואו נבחן את המקרים בהם אחסון אנרגיה מבוסס סוללות בא בחשבון.

שילוב אנרגיה מתחדשת

מערכת BESS יכולה להשתמש באנרגיה סולרית ורוח ביעילות בכל זמן ובכל מזג אוויר. סוללות נטענות יכולות לאחסן אנרגיה עודפת המופקת על ידי מקורות אנרגיה מתחדשים לא-רציפים. מאוחר יותר, אנרגיה זו יכולה להיות משוגרת בהתאם לצרכי המשתמשים.

כשמשולבים עם פתרונות אחסון חשמל מבוססים סוללות, מקורות אנרגיה מתחדשים יכולים להחליף דלקים פוסיליים, ובכך להציע אנרגיה זולה ונקייה עבור מגוון יישומים. שילוב מקורות מתחדשים מאומץ באופן נרחב בסביבות הבאות:

• חוות סולריות ורוח
• קהילות שאינן על רשת החשמל ומבודדות (איים ואזורים קשים להגעה אליהם)
• התקני אחסון אנרגיה ביתיים משולבים עם לוחות סולריים (כגון Powerwall)

מלבד מערכות שאינן על רשת חשמל, מערכת‏ BESS יכולה לתמוך משמעותית בפתרונות על רשת חשמל והיברידיים עבור שימוש ביתי, מסחרי ותעשייתי.

איור 2‏: מערכות אחסון אנרגיה מבוססות סוללות נמצאות בשימוש נרחב בחוות סולריות ורוח. (מקור תמונה: Integra Sources LLC)

ארביטראז' אנרגיה

קיימת קורלציה חיובית בין הדרישה לחשמל והעלות שלו. מחיר האנרגיה עולה בפרקי-זמן של דרישת-שיא ויורדת כשהדרישה יורדת. ארביטראז' אנרגיה, כאילו הסטת-זמן, היא מה שצרכנים יכולים לישם תוך שימוש במערכת אחסון חשמל מבוססת סוללות.

על ידי טעינת הסוללה בפרקי-זמן שאין דרישת-שיא, צרכנים יכולים לקנות אנרגיה זולה ולאחסן אותה במערכת BESS שלהם. אחר כך, הם יכולים להמתין עד לעלית מחיר החשמל ולפרוק את הסוללה כדי להשתמש באנרגיה זולה או למכור אותה לרשת החשמל.

בכך, בתי מגורים ועסקים יכולים לנהל ביעילות משאבי אנרגיה ולחתוך בעלויות שלהם.

ניהול עומס

אנרגיה נצרכת באופן שונה במשך היום ובהתאם לעונה, יש זמני שיא ושאינם שיא. מערכת‏ BESS מאפשרת למשתמשים לנווט בין זמנים אלה, להתאים צריכת אנרגיה ולחסוך בעלויות חשמל.

"גילוח-שיא" הוא אחד ממקרי השימוש הנפוצים ביותר במערכת BESS בניהול עומס. מדובר בהפחתת צריכת חשמל בשעות שיא. יחד עם זאת, צרכנים יכולים לחתוך בהוצאות שלהם בדיוק כמו בארביטראז' אנרגיה.

‏פתרון אחסון חשמל מבוסס סוללות יכול לעזור למנוע עומסי שיא‏ על רשת חשמל, וכתוצאה מכך, הפסקות חשמל ומצבי חירום נוספים. על ידי פריקת האנרגיה המאוחסנת, מערכת‏ BESS מסירה את העומס מרשת החשמל ומספקת כוח ללא הפסקה.

Black Start

מערכת‏ BESS יכולה לעזור לתחנות כוח ולרשתות חשמל לחזור לפעילות מהר אחרי הפסקות חשמל. במקום להשתמש ‏בגנרטור דיזל, צרכנים יכולים להתחבר למערכת אחסון חשמל מבוססת סוללות, פתרון ‏Black Start זול יותר וירוק יותר. מערכת BESS יכולה לעבוד עצמאית מקו תמסורת של רשת חשמל ולספק אנרגיה עבור הזמן הנדרש, מדקות עד שעות.

גיבוי אספקת-כוח

‏מערכת BESS יכולה לספק אנרגיה לבתים, עסקים ומתקנים אחרים, ולהבטיח את העבודה הרציפה שלהם. זה בעל חשיבות עליונה עבור מוסדות בריאות וארגונים אחרים המספקים שירותים הקשורים בבריאות וביטחון בני אדם. תלוי בקיבולת האחסון, מערכת BESS יכולה לספק כוח גיבוי למשך הזמן הדרוש, אפילו במקרה של תקלה חמורה ברשת החשמל.

בקרת תדר ומתח

תדר ומתח יכולים לחרוג מגבולות העבודה שלהם אם אספקת הכוח אינה מסונכרנת עם הדרישה האקטואלית ממנה. זה יכול להוביל לאובדן כוח ולהפסקות חשמל. מערכת BESS יכולה להבטיח את היציבות של רשת חשמל או מערכת אספקת-כוח באמצעות ייצוב מתח ותדר. הודות לזמן התגובה המהיר שלה, מערכת אחסון אנרגיה מבוססת סוללות הופכת להיות פתרון ‏מאזן רשת יעיל.

רשתות חשמל מיקרו-גריד

אלו רשתות חשמל קטנות שיכולות לספק חשמל לבניינים מסחריים, מפעלי ייצור או לשכונות כשמחוברות לרשת חשמל גדולה יותר. רשתות חשמל מיקרו-גריד אוטונומיות יכולות לספק חשמל לקהילות ואזורים מרוחקים, כגון איים. כשמאוחדת עם‏ מערכת BESS ומשולבת עם אנרגיה מתחדשת, רשת חשמל מיקרו-גריד יכולה לפעול כמערכת אספקת-כוח‏ גמישה עבור משתמשים מרובים.

איור 3‏: רשת חשמל מיקרו-גריד יכולה לפעול כמערכת אספקת-כוח‏ גמישה עבור קהילות ואזורים מרוחקים, כגון איים. (מקור תמונה: Integra Sources LLC)

דחית שדרוג תמסורת וחלוקה

קווי תמסורת וחלוקה (T&D) נוטים להתיישנות ופחת בגלל עומסי שיא וגודש תעבורה. פתרון אחסון חשמל מבוסס סוללות יכול לפתור בעיה זו על ידי אימוץ התפקיד של נכסי T&D. מערכת BESS יכולה להציע קיבולת אחסון נוספת ולאזן עומסים, ובכך לגרום לדחיית השדרוג של קווי ה-T&D הקיימים והבניה של תשתית חדשה . המשמעות של זה היא חיסכון של הרבה מאוד כסף.

היכן הכי טוב להשתמש במערכת BESS?

מערכות אגירת אנרגיה מבוססות סוללות (BESS) מסתמכות על טכנולוגיות בהישג-יד, לדוגמה, המחיר של סוללות ליתיום-יון ירד כמעט ב-%‏90‏ ב-‏10 השנים האחרונות וימשיך לרדת. פתרונות אחסון חשמל מבוססים סוללות הם בעלי תחום רחב של תצורות, כולל קיבולת אחסון וגודל, כך שהם יכולים להתאים לתעשיות ויישומים רבים.

יישומים אלה ניתנים לחלוקה למערכות בסדר-גודל של שירות ציבורי לאספקת חשמל או לפני-המודד (front-of-the-meter‏ (FTM)) (צריכת האנרגיה נמדדת על ידי מודד חשמלי) ופתרונות באתר או‏ אחרי-המודד (behind-the-meter‏ (BTM)) (לא ניתן לחבר את האנרגיה הנצרכת לרשת חשמל ולכן נמדדת על ידי מודד חשמלי). להלן רשימה של יישומי FTM BESS ו-BTM BESS (שבהחלט איננה שלמה).

יישומי לפני-המודד (Front-of-the-meter)

מערכות אחסון אנרגיה מבוססות סוללות יכולות לתרום רבות לעבודה ולתחזוקה של מתקנים וציוד בסדר-גודל של שירות ציבורי לאספקת חשמל. מערכת BESS יכולה להציע קיבולת רזרבית ושירותי Black-Start, לספק יציבות מתח ותדר ולחסוך כסף על ידי דחית תחזוקה. יישומי FTM BESS כוללים:

• רשתות אספקת חשמל
• תחנות-משנה
• קווי תמסורת וחלוקה
• תחנות כוח

יישומי אחרי-המודד (Behind-the-meter)

מערכות BTM יכולות לספק כוח לצרכנים, תוך עקיפת רשת קווי חשמל. ביחד עם מקורות אנרגיה ירוקים, מערכת BESS יכולה לתמוך ללא הפסקה במערכות אספקת-כוח עצמאיות או רשתות חשמל מיקרו-גריד. יצרנים יכולים להשתמש באחסון חשמל מבוסס סוללות עבור גיבוי אספקת-כוח כדי למנוע זמן דמימה במפעלי ייצור. על ידי שימוש במערכות BESS, חברות ומשפחות יכולות להפחית משמעותית תעריפי חשמל על ידי הסטת-זמן אנרגיה. ניתן למצוא מערכות אחסון אנרגיה מבוססות סוללות BTM בסביבות הבאות:

• מפעלים תעשייתיים וייצור
• עסקים
• משקי בית
• כלי רכב חשמליים
• מערכות ימאות

איור 4: יישומי BESS. (מקור תמונה: Integra Sources LLC)

האם הגיוני לבנות מערכת BESS?

התשובה הקצרה היא כן. התשובה הארוכה יותר דורשת מספר הבהרות.

ללא ספק, קניית מערכת BESS‏ מן-המוכן חוסכת המון זמן ולפעמים, כסף. אם אין דרישות מיוחדות מן המערכת, ניתן לבחור בפתרון‏ ישר-מן-הקופסה מבין מוצרי אחסון האנרגיה הרבים הקיימים בשוק. עם זאת, ישנן סיבות מסוימות שיכולות למנוע את הקנייה על ידי צרכן, לדוגמה:

• דרישות ספציפיות של לקוח, כולל דרישות הנישה של העסק ותנאי הפעלה
• העדר מאפיינים רצויים או מאפיינים בלתי נחוצים המעלים את מחיר המערכת
• חלקיות מערכת והעדר ציוד תומך
• תוכנה באיכות נמוכה
• העדר אחריות ותחזוקה לאחר אחריות

בניית מערכת אחסון אנרגיה מבוססת סוללות יכולה להיות‏ תהליך מעייף שדורש זמן, כסף ומומחיות. אך זה מעניק הזדמנות ליצור פתרון מותאם-במיוחד‏ העומד במלואו בכל הדרישות של‏ משתמש-סופי.

מערכת BESS‏ מותאמת-במיוחד יכולה להציע פונקציונליות, שימושיות, בטיחות ואבטחת סייבר משופרות. מימוש אלגוריתמים BMS מתקדמים יאפשר למשתמשים לשפר את הביצועים של הסוללות ולהאריך את חייהן. פיתוח פתרון מותאם-במיוחד ממטב תמיכה טכנית, שירות לקוחות ושירותים אחרים שעשויים להידרש כמשתמש סופי או כספק מערכת BESS.

כדי לתכנן מערכת BESS איכות-גבוהה‏ דרוש צוות מקצוענים הבקי היטב בטכנולוגיות סוללה, אלקטרוניקה הספקית, תוכנה משובצת ופיתוח חומרה. חיוני לארגן וליצור הרמוניה בכל שלב של יצירת המוצר, מתכנון עד אישור ויצור. גיוס מהנדסים בעלי מומחיות וניסיון רלוונטיים יכול לעזור לבנות מערכת אחסון חשמל מבוססת סוללות בשלה העונה על ציפיות הצרכן.

אף-על-פי-כן, מוצר מותאם-במיוחד אינו תרופת פלא. יש לשקול כל מקרה לגופו אם לבנות מערכת BESS מותאמת-במיוחד, ועבור פרויקטים מסוימים, פתרון מוכן-לשימוש עשוי להיות הטוב ביותר. כדי ללמוד יותר אודות מערכות BESS תפורות-לפי-מידה לעומת מוכנות מן-המדף, קרא מאמר ארוך יותר אודות מערכות אחסון אנרגיה מבוססות סוללות בעמוד הבלוג Integra Sources LLC. כאן, קוראים יכולים ללמוד גם אודות טכנולוגיות סוללה ומאפיינים שונים, יצרני מערכות BESS עיקריים, מערכות אחסון אנרגיה חליפיות ופרטים קשורים אחרים.