Stocarea energiei prin baterii: de la baterie la gestionarea energiei

Dacă proiectezi un sistem de stocare a energiei, este important să înțelegi întregul lanț, nu doar capacitatea. Stocarea energiei cu ajutorul bateriilor este un sistem coordonat, în care bateria este doar unul dintre componente. Mai întâi vom analiza cum funcționează procesul și de ce o baterie nu este suficientă de una singură. Apoi vom discuta despre elementul de bază al sistemului de stocare a energiei solare, adică bateria, și despre sistemul electronic de monitorizare care o protejează.

Vom aborda modul în care invertorul sau PCS-ul transformă curentul continuu în curent alternativ și invers. Vă vom arăta ce măsoară contorul inteligent la punctul de racordare la rețea. EMS este sistemul de control care decide când și cât să încarce sau să descarce sistemul. Vom analiza, de asemenea, prin ce canale (RS485, Modbus, CAN, Ethernet) comunică între ele dispozitivele.

Urmează apoi colaborarea dintre panoul solar și sistemul de stocare, modurile de funcționare caracteristice și modul de funcționare al EMS în practică. Vă arătăm când sistemul de control depășește obiectivul de creștere a autoconsumului și în ce constă diferența dintre un sistem rezidențial și unul industrial. În final, puteți citi criteriile de selecție și opinia profesională a SOLARKIT.

Cum funcționează stocarea energiei cu baterii?

Dacă vrei să afli cum funcționează stocarea energiei cu baterii, cel mai simplu este să urmărești traseul energiei de la acoperiș până la priză. Panourile solare produc curent continuu (DC), pe care invertorul îl transformă în curent alternativ (AC) utilizabil în gospodărie. Energia produsă este utilizată mai întâi de consumatorii proprii ai locuinței. Dacă producția depășește consumul momentan, surplusul nu este injectat în rețea, ci încarcă bateria. Când bateria este încărcată complet, surplusul suplimentar este injectat de sistem în rețea, dacă acest lucru este permis.

Seara, pe vreme înnorată sau în cazul unei întreruperi de curent (dacă sistemul este adaptat și pentru funcționare în regim insular), procesul se inversează. Bateria se descarcă, iar invertorul transformă din nou curentul continuu stocat în curent alternativ. Această conversie este efectuată automat de sistem, fără intervenție umană. Dacă energia stocată se epuizează, iar panourile solare nu produc energie, rețeaua preia alimentarea.

Esența stocării cu baterii a energiei solare constă, așadar, în decalajul temporal: surplusul de energie din timpul zilei este utilizat atunci când panourile solare nu mai produc energie. Acest lucru este important deoarece multe gospodării consumă cel mai mult dimineața și seara devreme, când panourile solare furnizează foarte puțină energie. Este important de precizat: bateria în sine nu produce energie, ci doar o stochează și o eliberează.

De ce nu este suficientă doar bateria?

O baterie de stocare a energiei stochează energia doar sub formă chimică. Nu poate decide când să se încarce, când să se descarce și cât curent să furnizeze, iar curentul continuu nu îl transformă într-o formă utilizabilă pentru gospodărie; pentru aceasta este nevoie de un invertor sau un PCS.

În plus, celulele litiu-ion sunt sensibile. Supraîncărcarea, descărcarea profundă, curentul prea mare sau funcționarea în afara intervalului de temperatură admisibil pot duce la supraîncălzire, ceea ce poate provoca chiar și un incendiu. Pentru a preveni acest lucru, există sistemul BMS, care monitorizează continuu starea de încărcare și starea de sănătate a bateriei și, în caz de pericol, deconectează bateria sau reduce curentul de încărcare și de descărcare. Diferențele de tensiune dintre celule sunt gestionate prin echilibrare, deoarece, în absența acesteia, cea mai slabă celulă ar limita capacitatea întregului pachet de baterii. Aceste riscuri țin, în parte, și de chimia celulelor. De aceea, acumulatorii pe care îi comercializăm sunt fabricați cu celule de litiu-fier-fosfat (LFP, LiFePO4), care au o stabilitate termică mai bună decât celulele NMC cu densitate energetică mai mare. Vom discuta acest aspect în detaliu în capitolul următor. 

Cu toate acestea, chiar dacă celula este sigură, sistemul trebuie să știe ce se întâmplă în interiorul carcasei și la punctul de conectare la rețea. Pentru aceasta este nevoie de măsurători, iar pentru luarea deciziilor este necesar un sistem de control de nivel superior, un BMS. Vei putea citi detalii despre acestea în capitolele următoare.

Baza sistemului de stocare a energiei solare: bateria

Inima oricărui sistem de stocare a energiei solare este bateria, de aceea capacitățile sistemului sunt determinate în mare măsură de chimia celulelor pe care se bazează. În cazul sistemelor de stocare pentru uz casnic, litiu-fier-fosfat (LFP, LiFePO4) este astăzi una dintre cele mai frecvente alegeri. În comparație cu celulele NMC (nichel-mangan-cobalt), structura sa cristalină este mai stabilă, fiind mai puțin predispusă să elibereze oxigen la temperaturi ridicate, ceea ce îi conferă o rezervă mai mare de stabilitate termică. Avantajul NMC este densitatea energetică mai mare, ceea ce contează acolo unde spațiul sau greutatea reprezintă un punct slab.

O altă caracteristică importantă este durata de viață a ciclurilor: aceasta indică numărul de cicluri complete de încărcare-descărcare după care capacitatea scade la 70% din valoarea inițială. Pe baza datelor furnizate de producători și de industrie, o celulă LFP are, de obicei, o capacitate de 6.000–8.000, dar poate ajunge chiar și la 10.000 de cicluri, în timp ce valoarea celulelor NMC este, în general, mai mică. Calculând un ciclu pe zi, aceasta poate însemna o durată de funcționare de peste un deceniu; cu toate acestea, durata de viață reală este influențată și de gradul de descărcare (DoD) și de temperatură. În fișa tehnică, merită să se acorde atenție capacității utile, deoarece aceasta poate fi mai mică decât cea nominală: producătorii permit, de obicei, un grad de descărcare de 80–95%.

Nivelul de tensiune al bateriei de stocare a energiei este, de asemenea, un factor determinant. Pe piața rezidențială există două categorii principale: sistemele de joasă tensiune, de obicei cu o tensiune nominală de 51,2 V, precum și bateriile de înaltă tensiune, care pot ajunge până la 800 V. Variantele de joasă tensiune pot fi extinse prin conectare în paralel și oferă o capacitate mare la un preț avantajos, în timp ce cele de înaltă tensiune sunt mai potrivite pentru sistemele cu consum mare de energie și putere mare. Intervalul de tensiune al bateriei și al invertorului trebuie să coincidă; este recomandat să verificați acest aspect înainte de cumpărare.

Comunicarea dintre acumulator și invertor – cum se transformă energia?

Bateria stochează curent continuu, în timp ce aparatele casnice și rețeaua electrică funcționează cu curent alternativ; de aceea, între cele două este întotdeauna necesară o unitate de conversie. Acesta este traseul energiei. La fel de important este însă și traseul informației: fără comunicarea dintre baterie și invertor, invertorul nu ar ști ce intensitate de curent poate prelua sau furniza bateriei. Prin urmare, în cazul sistemelor cu litiu, cele două dispozitive sunt conectate printr-un cablu de comunicație, prin intermediul căruia sistemul de gestionare a bateriei (BMS) transmite starea de încărcare și limitele admise de încărcare și descărcare. Dacă această conexiune funcționează fără erori, cele două dispozitive funcționează ca o singură unitate coordonată.

Funcționarea sistemului cu baterii și monitorizarea continuă

Funcționarea sistemului cu baterii se bazează pe o comunicare în buclă închisă (closed-loop). În acest caz, BMS-ul și invertorul se află într-o legătură bidirecțională, iar BMS-ul transmite în mod continuu invertorului starea de încărcare (SOC), tensiunea, temperatura, precum și curentul admisibil de încărcare și descărcare. Dacă bateria se apropie de încărcarea completă, BMS poate reduce curentul de încărcare pentru a evita supraîncărcarea și pentru a permite echilibrarea celulelor. Dacă temperatura iese din intervalul de siguranță, încărcarea sau descărcarea se încetinește, iar dacă este necesar, se oprește.

În schimb, în sistemul cu buclă deschisă (open-loop), invertorul funcționează pe baza unor parametri prestabiliți și nu se adaptează în timp real la starea bateriei. Acest lucru poate duce la o încărcare mai puțin eficientă, la supraîncărcare sau la descărcare profundă și, în cele din urmă, la o durată de viață mai scurtă. Conform experienței producătorilor, controlul în buclă închisă poate reduce timpul de reîncărcare, pe lângă creșterea duratei de viață.

Monitorizarea bateriei reprezintă partea vizibilă a acestei legături. Într-un sistem cu buclă închisă, nivelul de încărcare provine din măsurătorile BMS, nu dintr-o valoare estimată pe baza tensiunii. Datele primite de la BMS sunt afișate pe ecranul invertoarelor sau pe platforma cloud a producătorului, astfel încât poți monitoriza de la distanță nivelul de încărcare și starea bateriei.

Care este diferența dintre un invertor hibrid și un PCS?

Invertorul hibrid combină într-un singur dispozitiv funcțiile unui invertor fotovoltaic și ale unui invertor de baterie: primește curentul continuu de la panourile solare prin intrările MPPT, încarcă și descarcă bateria, apoi furnizează curent alternativ către locuință sau rețea. Este o soluție frecventă în cazul sistemelor rezidențiale, în special la instalările noi, deoarece un singur dispozitiv gestionează atât panourile solare, cât și acumulatorul.

PCS (Power Conversion System) este un convertor bidirecțional pentru sistemele de stocare comerciale și industriale, care transformă energia între acumulator și rețea sau consumatori, în sincronizare cu rețeaua. Din punct de vedere funcțional, însă, și invertorul conține un PCS: de fapt, este o combinație între un convertor (PCS), unul sau mai multe module MPPT și, în multe cazuri, un modul de comutare (STS). Prin urmare, invertorul îndeplinește și sarcinile legate de conformitatea cu rețeaua, reglarea frecvenței și a tensiunii, precum și de protecție. Diferența constă mai degrabă în amploare și structură: unitățile PCS sunt adesea modulare, astfel încât mai multe unități pot fi conectate între ele pentru a atinge puterea dorită, iar încărcarea și descărcarea sunt controlate de un EMS separat; la scară industrială, acestea pot oferi și funcții suplimentare.

Prin urmare, granița nu este clară: există și unități PCS echipate cu intrare MPPT, iar invertoarele hibride sunt, de asemenea, convertizoare bidirecționale. Cele două noțiuni sunt adesea utilizate în mod interschimbabil în domeniu, de aceea merită să comparați funcțiile concrete din fișa tehnică. Simplificând: într-o locuință familială se utilizează de obicei un invertor hibrid, iar la scară industrială, în sistem se instalează un PCS și un EMS independente.

Contorul inteligent: ce se întâmplă în rețea?

Bateria și invertorul, luate separat, văd doar propriul circuit electric. Pentru ca sistemul să poată lua o decizie corectă, trebuie să știe cât curent intră din rețea și cât se întoarce înapoi în rețea. Această sarcină este îndeplinită de contorul inteligent, adică de contorul instalat la punctul de racordare la rețea și conectat la invertor, care funcționează adesea cu un transformator de curent (CT). Acesta nu este același lucru cu contorul de facturare al furnizorului de energie electrică. Sistemul de gestionare a energiei își bazează deciziile pe datele furnizate de acest dispozitiv. Fără măsurare, sistemul de control ar funcționa „la întâmplare”.

Ce măsoară contorul inteligent?

Contorul inteligent efectuează o măsurare bidirecțională: înregistrează separat energia preluată din rețea și cea realimentată în rețea. În plus, măsoară și valori instantanee, cum ar fi tensiunea, intensitatea curentului, puterea, frecvența și factorul de putere, și le transmite de obicei către invertor prin linia RS485, folosind protocolul Modbus-RTU.

Transmiterea datelor este rapidă: în cazul unor soluții ale producătorilor, contorul transmite către EMS o valoare medie a puterii la fiecare secundă, iar acesta trimite la rândul său un semnal de referință nou către invertor. Astfel, sistemul poate reacționa în mai puțin de o secundă dacă, de exemplu, reîntoarcerea energiei atinge limita permisă. Aceasta constituie baza limitării reînapoiării în rețea (export limitation) și a funcționării cu alimentare zero, care în anumite locuri este chiar impusă de normele rețelei.

Amplasarea contorului este la fel de importantă. Acesta trebuie să fie situat între rețea și toți consumatorii din locuință, precum și alți producători, deoarece numai astfel se poate observa fluxul energetic total al locuinței. Diferența dintre consumul și producția instantanee indică dacă în acel moment se consumă sau se alimentează în rețea. Dacă contorul este amplasat într-un loc necorespunzător, de exemplu pe partea consumatorilor, sistemul funcționează pe baza unor date eronate.

De ce este importantă orientarea corectă a contorului?

Transformatorul de curent (CT) este sensibil la direcție: săgeata de pe acesta indică direcția curentului considerat pozitiv. Dacă este montat invers, sistemul percepe consumul ca fiind alimentare în rețea, iar alimentarea în rețea ca fiind consum. În acest caz, sistemul de control al acumulatorului face exact opusul a ceea ce ar trebui: permite surplusului de energie solară să se întoarcă în rețea în loc să încarce acumulatorul sau, seara, nu descarcă acumulatorul, în timp ce locuința consumă energie din rețea. În cazul unui sistem setat pe alimentare zero, defecțiunea poate însemna și faptul că, deși limitarea pare activă, sistemul alimentează de fapt rețeaua fără restricții.

Direcția corectă poate varia în funcție de producător: în unele cazuri, săgeata trebuie să indice spre rețea, iar în alte soluții, spre invertor. De aceea, instrucțiunile specifice de instalare sunt întotdeauna cele care fac autoritate. Anumite invertoare pot inversa direcția de măsurare prin intermediul software-ului, iar unele aplicații ale producătorilor ajută la depistarea erorilor prin intermediul funcției de verificare CT.

EMS – „creierul” sistemului de stocare a energiei

Dacă BMS este protectorul bateriei, atunci EMS (Energy Management System) este creierul întregului sistem de stocare. Acest sistem de control de nivel superior decide când, de ce și câtă energie trebuie stocată sau furnizată de sistem. Sistemul EMS comunică direct cu invertorul și cu BMS, ia în considerare datele privind rețeaua, panourile solare și consumatorii, apoi elaborează strategia de funcționare pe baza acestora. În cazul sistemelor rezidențiale, acesta este adesea integrat în software-ul bateriei sau al invertorului, dar există și dispozitive autonome de gestionare a energiei. Rezultatul final este același: un centru care vede întregul sistem ca un tot unitar.

Semnificația termenilor EMS și BMS

Pe scurt, EMS și BMS înseamnă: BMS (Battery Management System) este sistemul de gestionare a bateriilor, iar EMS (Energy Management System) este sistemul de control care gestionează gestionarea energiei. Cele două acronime sunt similare, însă funcțiile lor se desfășoară la niveluri diferite.

Sistemul BMS funcționează la nivelul bateriei. Monitorizează tensiunea, curentul și temperatura celulelor, estimează starea de încărcare și starea de sănătate a bateriei, echilibrează celulele și îndeplinește funcții de protecție. În cazul bateriilor de mare capacitate, acesta poate fi structurat pe mai multe niveluri: BMS-urile proprii ale modulelor raportează către un BMS principal (master).

EMS-ul, pe de altă parte, gândește la nivel de sistem. Nu se ocupă de celulele individuale, ci de modul în care energia trebuie distribuită între baterie, panourile solare, rețea și consumatori, ținând cont de limitele rețelei, de exemplu în scopul creșterii autoconsumului, al decalării sarcinii sau al reducerii vârfurilor de consum.

Cele două sisteme colaborează: deciziile EMS sunt limitate de pragurile stabilite de BMS. Dacă, potrivit BMS, bateria este prea rece sau deja încărcată la maxim, EMS nu poate solicita încărcarea, siguranța având prioritate. Într-un sistem bine integrat, această împărțire a sarcinilor este imperceptibilă: EMS planifică, iar BMS supraveghează.

Ce date utilizează sistemul EMS?

Sistemul EMS este atât de bun pe cât sunt de precise datele cu care lucrează. Cele mai importante surse ale sale pot fi clasificate în patru grupe.

Prima este măsurarea în timp real: datele de rețea ale contorului inteligent, valorile de producție ale invertorului, precum și nivelul de încărcare și valorile limită primite de la BMS. A doua este prognoza: sistemele avansate estimează producția preconizată a panourilor solare pe baza locației instalației și a datelor meteorologice, cu până la 48 de ore în avans. Al treilea este modelul de consum: sistemul EMS învață obiceiurile recurente ale gospodăriei pe baza măsurătorilor anterioare; unii producători necesită pentru aceasta un profil de sarcină de cel puțin două săptămâni. Al patrulea este tariful: taxa de alimentare, prețul energiei electrice, iar în cazul tarifelor dinamice, prețul care variază în funcție de perioadă.

Funcționarea sistemului de management al energiei reprezintă, în esență, un ciclu continuu de planificare: pe baza datelor se elaborează un program care indică când să se încarce, când să se descarce și câtă rezervă să se păstreze. Bateria execută aceste operațiuni, BMS raportează nivelul actual de încărcare, iar EMS replanifică pe baza acestor informații.

De aceea se poate întâmpla ca bateria să nu se încarce imediat nici măcar când este soare. Acest lucru este intenționat: conform previziunilor, bateria se va încărca complet mai târziu, iar sistemul evită astfel necesitatea de a reduce producția panourilor solare din cauza limitării reîncărcării și prelungește durata de viață a bateriei.

Cum comunică între ele componentele sistemului de control al stocării energiei?

Din capitolele anterioare reiese că într-un sistem de stocare colaborează mai multe dispozitive independente: bateria, invertorul, contorul și EMS. Controlul sistemului de stocare a energiei funcționează fiabil numai dacă acestea vorbesc aceeași limbă. În practică, s-au impus câteva soluții de comunicare consacrate: linia serială RS485 cu protocolul Modbus, magistrala CAN, precum și conexiunea Ethernet și cea la internet. Fiecare dintre acestea are rolul său, iar într-un sistem funcționează adesea mai multe simultan. În continuare, le prezentăm pe scurt, dintr-o perspectivă practică.

RS485 și Modbus

RS485 este un standard fizic: acesta definește modul în care semnalele circulă pe o pereche de fire răsucite. Modbus este, la rândul său, protocolul care stabilește modul în care dispozitivele interoghează și răspund. Modbus-ul serial funcționează pe principiul master-slave: un dispozitiv central interoghează, celelalte răspund doar atunci când sunt interpelate și nu comunică între ele.

La RS485 se pot conecta mai multe dispozitive pe un singur bus, iar la viteze de transfer reduse suportă o lungime a cablului de până la 1200 de metri. În cazul sistemelor de stocare a energiei, o utilizare frecventă este conectarea contorului inteligent, dar mulți producători oferă conexiunea RS485 și pentru comunicarea dintre baterie și invertor.

La conectare, trebuie să se acorde atenție mai multor detalii: alocarea corectă a pinilor A și B, terminarea magistralei, viteza de transfer a datelor și adresele Modbus ale dispozitivelor. Dacă oricare dintre aceste elemente este incorect, comunicarea poate fi întreruptă sau poate să nu se stabilească deloc.

Comunicația CAN

Busul CAN (Controller Area Network) a fost inițial dezvoltat de Bosch pentru industria auto, iar astăzi este utilizat pe scară largă și în automatizarea industrială, precum și în sistemele de stocare cu baterii. Spre deosebire de Modbus RS485, aici nu există un dispozitiv central obligatoriu: CAN este un sistem cu mai mulți masteri și difuzare de mesaje, în care fiecare nod poate transmite date dacă magistrala este liberă, iar coliziunile sunt rezolvate prin arbitraj cu prioritate bit cu bit. Transmisia diferențială a semnalului filtrează bine zgomotul electric, iar detectarea erorilor face parte din protocol.

În cazul sistemelor de stocare destinate consumatorilor casnici, schimbul de date între sistemul BMS și invertor se realizează adesea prin CAN, cu ajutorul unui cablu cu conector RJ45. Pe același bus pot comunica între ele și modulele de acumulatori conectate în paralel. Cablu arată la exterior ca un cablu de rețea, însă dispunerea pinilor poate varia de la un producător la altul, de aceea trebuie utilizată întotdeauna dispunerea specificată de producător.

Ethernet și conexiunea la cloud

Al treilea strat este reprezentat de conexiunea la rețea. Multe invertoare se conectează la rețeaua locală și la internet prin port LAN, Wi-Fi sau printr-un modul separat de colectare a datelor (dongle). La anumite modele, prin portul Ethernet este disponibil și Modbus TCP, astfel încât un sistem EMS extern sau o aplicație de control pentru casă inteligentă poate citi direct datele privind măsurarea, producția și bateriile.

Conexiunea la cloud alimentează platforma de monitorizare a producătorului: de aici poți accesa datele sistemului de pe telefonul mobil, iar instalatorul poate efectua diagnosticări de la distanță, poate face reglaje și poate chiar efectua actualizări de firmware. Tarifele dinamice și optimizarea bazată pe prognoza meteo necesită, de asemenea, o conexiune la internet.

Este important de știut că reglementările locale, adică limitările privind încărcarea, descărcarea și realimentarea, funcționează de obicei și fără internet. În cazul pierderii conexiunii, sistemul continuă să funcționeze, doar că datele nu sunt transmise în cloud până când conexiunea nu este restabilită.

Ce se întâmplă în cazul unei erori de comunicare?

Consecințele erorilor de comunicare depind de tipul conexiunii care se întrerupe.

Dacă se pierde conexiunea dintre BMS și invertor, invertorul nu știe în ce stare se află bateria, așa că, din motive de siguranță, limitează sau oprește încărcarea și descărcarea și afișează un cod de eroare, de exemplu mesajul „BMS Lost” sau „BMS communication fault”. În acest caz, bateria este, de obicei, intactă, cauza erorii fiind adesea un cablu de comunicație slăbit sau deteriorat. Se poate întâmpla, de asemenea, ca BMS-ul însuși să se oprească din motive de protecție, de exemplu din cauza unui supracurent sau a supraîncălzirii, ceea ce apare, de asemenea, ca o eroare de comunicație către invertor.

Dacă conexiunea contorului inteligent se întrerupe, un sistem bine proiectat trece într-o stare de siguranță: limitează puterea la valoarea limită de realimentare setată.

Funcționarea sistemului cu baterii este astfel concepută încât, în cazul lipsei de date, siguranța să primeze, nu randamentul.

De ce este importantă monitorizarea bateriei?

Monitorizarea bateriei nu este doar o funcție de confort. Există trei motive pentru care merită să verificați periodic datele.

Primul este detectarea timpurie a defectelor. Alertele BMS semnalează, de exemplu, dacă celulele devin dezechilibrate, dacă temperatura iese din intervalul de siguranță sau dacă apare o supratensiune. Acestea nu trebuie ignorate, deoarece pot duce la deteriorarea bateriei sau la riscuri de siguranță.

Al doilea aspect este monitorizarea îmbătrânirii. Starea de sănătate (SOH) arată cum se modifică capacitatea de-a lungul anilor, astfel încât se poate constata la timp dacă degradarea este mai rapidă decât se aștepta.

Al treilea aspect îl reprezintă garanția și serviciile de asistență. Unii instalatori condiționează garanția de performanță de disponibilitatea online a sistemului, iar accesul la distanță permite o depanare mai rapidă.

În cazul apariției unui cod de eroare, este recomandabil să lăsați instalatorului sarcina de a interveni, în special în ceea ce privește actualizarea firmware-ului.

Cum funcționează împreună panoul solar și bateria de stocare a energiei?

Un aspect cheie al colaborării dintre panoul solar și acumulator este locul în care se întâlnesc cele două circuite. Acest lucru determină randamentul, scalabilitatea și, de asemenea, ce echipamente sunt necesare în sistem. Există două configurații de bază.

În sistemul cu conectare DC, panourile solare și acumulatorul sunt conectate la același invertor hibrid, la partea comună de curent continuu a acestuia. Curentul continuu al panourilor solare încarcă direct acumulatorul și este transformat în curent alternativ doar pentru consumatori sau pentru rețea. Este capabil să stocheze și energia tăiată (clipping) provenită de la un parc fotovoltaic supradimensionat. Atunci când se încarcă de la panouri solare, se atinge de obicei un randament al ciclului de 95–98 la sută, motiv pentru care aceasta este, în general, alegerea rațională în cazul unei noi instalări.

Într-un sistem conectat la rețeaua de curent alternativ (AC), panourile solare funcționează cu propriul invertor, iar bateria este conectată la partea de curent alternativ printr-un invertor separat pentru baterie. Astfel, energia stocată este transformată de până la trei ori, de aceea randamentul este, de obicei, de 90–94%. În schimb, sistemul fotovoltaic existent rămâne intact, ceea ce face ca aceasta să fie soluția evidentă în cazul unei extinderi ulterioare. Cele două invertoare funcționează independent unul de celălalt, astfel încât, dacă unul se defectează, celălalt poate continua să funcționeze.

Diferența se referă însă doar la energia stocată: energia care ajunge direct de la panourile solare la consumatori trece, în ambele cazuri, printr-o singură conversie. În cazul încărcării de la rețea, avantajul de randament al conectării la curent continuu (DC) se pierde. Prin urmare, la proiectarea unui sistem de stocare cu baterii pentru panouri solare, ceea ce contează este cantitatea de energie care trece efectiv prin baterie.

Dacă te gândești care configurație se potrivește sistemului tău, abordăm dilema dintre stocarea de energie cu conectare la rețea de curent alternativ (AC) sau de curent continuu (DC) în articolul nostru detaliat, care conține și criterii de decizie.

Ce moduri de funcționare sunt disponibile într-un sistem modern?

Într-un sistem modern, controlul sistemului de stocare a energiei nu funcționează după o singură logică fixă. Producătorii oferă mai multe moduri de funcționare, dintre care se poate alege în funcție de tarifele locale și de nevoile utilizatorilor. Denumirile diferă de la un producător la altul, însă logica din spatele acestora este similară.

Optimizarea autoconsumului (Self-use): ordinea de prioritate este consumatorii, bateria, rețeaua. Panoul solar alimentează mai întâi locuința, surplusul încarcă bateria, iar doar ceea ce rămâne după aceea este injectat în rețea. Această opțiune este avantajoasă acolo unde tariful de alimentare este scăzut, iar prețul de achiziție este ridicat.

Prioritate de alimentare (Feed-in first): după alimentarea locuinței, surplusul de energie solară este dirijat în primul rând în rețea, nu în baterie. Această opțiune poate fi utilă dacă tariful de alimentare este mai mare decât prețul energiei electrice achiziționate.

Modul de rezervă (Backup): sistemul menține bateria la un nivel de încărcare mai ridicat, pentru a asigura alimentarea consumatorilor critici în cazul unei întreruperi de curent (în cazul sistemelor cu ieșire de rezervă). Este recomandat în zonele în care întreruperile de rețea sunt frecvente.

Încărcare și descărcare programate (Force time use, Time of use): utilizatorul poate specifica când sistemul să se încarce de la rețea și când să descarce bateria. În cazul tarifelor care aplică prețuri diferite în funcție de perioada zilei, energia stocată în perioadele mai ieftine poate fi utilizată în orele mai scumpe.

Anumite sisteme oferă și alte moduri, cum ar fi reducerea consumului în orele de vârf (peak shaving) sau funcționarea cu generator. În modurile de autoconsum și de rezervă, se poate seta de obicei un nivel minim de încărcare (Min SOC), sub care bateria nu se descarcă.

Alegerea modului adecvat este, așadar, în primul rând o chestiune legată de tarife: același hardware, cu setări diferite, poate genera economii complet diferite.

Funcționarea sistemului EMS în practică

Pentru a face acest lucru mai concret, să urmărim o zi într-o casă familială imaginară, unde funcționează panouri solare, baterie, pompă de căldură și stație de încărcare pentru mașini electrice. Exemplul are caracter ilustrativ, comportamentul concret diferă în funcție de producător și de setări.

În seara precedentă, sistemul EMS observă din prognoză că a doua zi se așteaptă vreme însorită. Prin urmare, nu încarcă bateria noaptea de la rețea și, dimineața, o descarcă până la nivelul minim de încărcare pentru a acoperi consumul de dimineață, până când panourile solare încep să funcționeze.

În prima parte a zilei, producția depășește deja necesarul locuinței. În acest moment, sistemul EMS poate comuta pompa de căldură în modul de funcționare sporit prin intermediul conectorului SG Ready, astfel încât surplusul este stocat sub formă de căldură în rezervorul de apă caldă sau în rezervorul tampon. Dacă nu există o pompă de căldură, se poate controla, de exemplu, o rezistență de încălzire printr-un circuit de releu.

La prânz, în momentul de vârf al producției, bateria se încarcă, iar mașina electrică se încarcă, de asemenea, cu energie solară. Anumite sisteme de gestionare a energiei încarcă mașina în mod prioritar din surplusul de energie, iar nivelul minim de încărcare poate fi setat astfel încât să existe întotdeauna o autonomie suficientă. Sistemul distribuie surplusul de energie astfel încât, din cauza limitei de realimentare, să nu fie necesară reducerea producției panourilor solare.

Seara, bateria preia alimentarea locuinței. Sistemul de gestionare a energiei (EMS) nu lasă nivelul de încărcare să scadă sub pragul minim setat, astfel încât să rămână o rezervă și pe timpul nopții, iar sistemul de gestionare a bateriei (BMS) monitorizează continuu celulele.

Funcționarea sistemului de gestionare a energiei este, așadar, o combinație între ordinea priorităților și previziuni: obiectivul este ca cât mai multă energie produsă propriu să fie valorificată, la momentul cel mai favorabil și cu pierderi minime.

Când depășește sistemul de gestionare a energiei simplul consum propriu?

Creșterea autoconsumului este sarcina de bază, dar un sistem avansat de gestionare a energiei este capabil de mult mai mult. În acest caz, nu mai este vorba doar de locul în care se utilizează energia produsă propriu, ci și de momentul, prețul și condițiile de rețea.

În cazul tarifelor dinamice, sistemul EMS încarcă bateria pe baza previziunilor de preț atunci când energia electrică este ieftină și o utilizează atunci când este scumpă. Acest proces se numește arbitraj energetic. Pentru aceasta, sistemul trebuie să ia în considerare simultan producția preconizată, consumul și starea bateriei.

În cazul reducerii vârfurilor de sarcină (peak shaving), obiectivul este reducerea vârfurilor de putere preluate din rețea. În cazul în care tariful este legat de puterea maximă solicitată, bateria se descarcă în perioadele de vârf, reducând astfel taxa de putere. Acest lucru contează în special acolo unde taxa de putere reprezintă o parte semnificativă a facturii.

Respectarea normelor de rețea face, de asemenea, parte din gestionarea energiei: sistemul menține limita de realimentare și, pe anumite piețe, poate limita consumul sau alimentarea la semnalul operatorului de rețea.

Cel mai înalt nivel îl reprezintă centrala electrică virtuală (VPP). În acest caz, numeroase unități de stocare dispersate geografic sunt coordonate de un software central, astfel încât acestea să se comporte ca o singură centrală electrică controlabilă. Aceste sisteme pot participa atât la reglarea frecvenței, cât și la reglarea cererii, iar o parte din venituri revine proprietarilor.

Care dintre aceste opțiuni este disponibilă depinde de contextul pieței locale și de cadrul de reglementare. Prin urmare, la alegerea sistemului de gestionare a energiei, merită să se țină cont și de oportunitățile viitoare.

Care este diferența dintre stocarea cu baterii a energiei solare pentru uz casnic și cea pentru uz industrial?

Principiul de bază este același în ambele cazuri: baterie, BMS, invertor și sistem de control. Diferența constă în amploare, structură și obiective.

În cazul sistemelor rezidențiale, capacitatea variază de obicei de la câteva kWh la câteva zeci de kWh; adesea, o capacitate utilă de 5–10 kWh este suficientă pentru a acoperi consumul mediu de seară și de noapte. Conversia este realizată, de obicei, de un singur invertor, iar controlul este integrat în software-ul invertorului sau al sistemului de stocare. Obiectivul principal este creșterea autoconsumului și, dacă este necesar, asigurarea unei alimentări de rezervă. Există și variante modulare, care pot fi instalate în exterior și sunt echipate cu sistem de încălzire; astfel de soluții le găsești, de exemplu, printre sistemele de stocare a energiei EcoFlow.

La scară industrială și comercială, capacitatea poate varia de la câteva sute de kWh până la megawați-oră. Sistemele sunt disponibile în variante de tip dulap sau container, sistemele de gestionare a bateriilor (BMS) ale modulelor sunt organizate într-o ierarhie pe mai multe niveluri, conversia este realizată de unități PCS modulare, iar controlul este asigurat de un sistem EMS sau SCADA separat. Este frecventă și configurația „all-in-one”, în care convertorul, bateria și sistemul de gestionare termică sunt integrate într-un dulap preconfigurat. Gestionarea termică joacă un rol esențial; pe lângă răcirea cu aer, se extinde tot mai mult răcirea cu lichid, iar sistemele de protecție împotriva incendiilor și de detectare a fumului fac, de asemenea, parte din echipament.

Și obiectivele sunt diferite. Într-o locație industrială, pe lângă autoconsum, reducerea vârfurilor de sarcină, decalarea sarcinii și serviciile de rețea joacă, de asemenea, un rol important, de aceea dimensionarea pornește de la profilul de sarcină al locației. În ceea ce privește racordarea la rețea, cerințele de siguranță și de calitate a energiei electrice sunt, de asemenea, mai stricte.

Sistemul de stocare cu panouri solare și baterii se bazează, așadar, pe aceleași elemente de bază, însă la scară industrială, proiectarea, siguranța și modelul de afaceri au o pondere mult mai mare.

Pe ce criterii merită să alegem un sistem de stocare a energiei?

Din cele menționate până acum, este deja evident din ce constă un sistem de stocare a energiei: baterie cu BMS, convertor, contor și EMS. Prin urmare, la alegere nu este suficient să te bazezi pe un singur indicator, cum ar fi kWh. Merită să analizezi împreună trei grupuri de criterii: capacitatea și puterea, compatibilitatea dintre elemente, precum și capacitățile de control. Înainte de a lua o decizie, este recomandat să-ți colectezi propriile date privind consumul, deoarece fără acestea dimensionarea rămâne doar o estimare.

Capacitate și putere

Capacitatea (kWh) indică cantitatea de energie pe care o poate stoca bateria, iar puterea (kW) indică sarcina pe care o poate alimenta simultan. Cele două nu sunt același lucru: un sistem cu capacitate mare, dar cu putere redusă, va rezista mult timp, însă poate fi insuficient atunci când se conectează un consumator mai mare.

Capacitatea este determinată în primul rând de consumul de seară și de noapte, nu de consumul total zilnic. Calculează întotdeauna pe baza capacității utile, nu a celei nominale. În ceea ce privește puterea, merită să iei în considerare atât puterea continuă, cât și puterea de vârf de scurtă durată, precum și faptul dacă sistemul este limitat de invertor sau de bateria de stocare a energiei. Dacă se dorește și o alimentare de rezervă, trebuie analizat cu atenție care dintre consumatoare trebuie să funcționeze în cazul unei întreruperi de curent.

Extensibilitatea este, de asemenea, importantă. În cazul unui sistem modular, capacitatea poate fi mărită ulterior cu module suplimentare; o astfel de soluție o găsiți, de exemplu, printre acumulatorii de energie FoxEss . Condițiile de extindere sunt însă întotdeauna stabilite de specificațiile producătorului.

C-rate și compatibilitate

C-rate indică viteza cu care bateria poate fi încărcată sau descărcată în raport cu capacitatea sa. În cazul unui C-rate de 1C, bateria se poate încărca sau descărca complet într-o oră, iar în cazul unui C-rate de 0,5C, în două ore. În practică, acest lucru determină puterea: o baterie de 10 kWh, care poate fi încărcată la 0,5C, poate furniza în mod continuu aproximativ 5 kW. Celulele LFP suportă de obicei bine o sarcină continuă de 0,5C și una de scurtă durată de 1C. C-rate-ul de încărcare și de descărcare poate diferi, acest lucru fiind specificat separat în fișa tehnică.

Compatibilitatea este la fel de importantă. Intervalul de tensiune al bateriei trebuie să corespundă cu cel al invertorului, iar protocolul de comunicare dintre baterie și invertor (CAN sau RS485) trebuie să fie identic. Bateriile de înaltă tensiune și cele de joasă tensiune nu sunt interschimbabile, chiar și în cazul în care au aceeași capacitate în kWh. Consultați întotdeauna lista de compatibilitate actualizată și aprobată de producător, la nivel de model și de firmware. O combinație neaprobată poate funcționa, dar poate duce la mesaje de eroare, performanță limitată sau probleme legate de garanție.

Funcțiile sistemului EMS

Capacitățile sistemului EMS determină cât de mult puteți valorifica echipamentul. Merită să verificați dacă sistemul de control acceptă încărcarea bazată pe prognoze și tarifele dinamice, dacă poate gestiona limita de realimentare în rețea și dacă dispune de o funcție de reducere a sarcinii de vârf. Dacă ai acasă o pompă de căldură sau un încărcător pentru mașini electrice, este important ca sistemul EMS să le poată controla și pe acestea, de exemplu prin intermediul unei conexiuni SG Ready sau EEBUS.

O interfață deschisă, cum ar fi Modbus TCP, îți permite să o conectezi ulterior și la sisteme externe. Verifică, de asemenea, cum este aplicația producătorului, dacă există actualizări de la distanță și ce protecție de securitate cibernetică oferă producătorul. Acest aspect este important, deoarece, de obicei, achiziționați un sistem de stocare cu o durată de viață de zeci de ani, iar software-ul poate fi actualizat pe parcursul acestei perioade. În cele din urmă, asigurați-vă că sistemul de control local funcționează și fără conexiune la internet.

Opinia SOLARKIT privind stocarea energiei cu baterii

În calitate de distribuitor en gros de panouri solare și partener care oferă asistență tehnică, observăm că succesul stocării energiei cu baterii rareori depinde de baterie. Depinde mult mai mult de gradul de coordonare dintre componentele sistemului și de faptul dacă proiectarea se bazează pe date reale de consum. Deciziile greșite rezultă de obicei din lipsa unei evaluări prealabile, nu din lipsa de cunoștințe tehnice. Prin urmare, în continuare nu recomandăm un produs concret, ci o abordare.

Din ce constă, în mod ideal, un sistem de stocare a energiei?

Dacă ne întrebi din ce constă, în mod ideal, un sistem de stocare a energiei, răspunsul nostru cuprinde cinci elemente: o baterie pe bază de LFP, cu o capacitate utilă dimensionată pentru consumul tău de seară; un BMS fiabil, cu comunicație în buclă închisă; un invertor compatibil cu intervalul de tensiune și cu lista de compatibilitate a producătorului; un contor inteligent instalat corect la punctul de racordare la rețea; precum și un sistem EMS care poate fi adaptat la tarifele locale.

În ceea ce privește arhitectura, concluzia noastră este simplă: pentru un sistem nou, conectare DC, iar pentru un invertor existent și funcțional, conectare AC. Excepția este cazul în care vechiul invertor trebuie oricum înlocuit.

La fel de important este ceea ce nu este necesar: supradimensionarea inutilă. Un acumulator prea mare în raport cu panourile solare îmbunătățește rareori în mod proporțional autonomia energetică, dar afectează negativ rentabilitatea.

Înainte de a oferi sau de a solicita o ofertă, merită să notați tipul și anul de fabricație al invertorului existent, valorile de tensiune și curent ale stringurilor, puterea de conectare și limita de alimentare, necesarul de alimentare de rezervă, precum și profilul de sarcină de seară.

Care este diferența dintre BMS și EMS pentru baterii?

Dacă ar trebui să rezumăm într-o singură propoziție esența diferenței dintre BMS și EMS pentru baterii: BMS este responsabil pentru siguranța și durata de viață a bateriei, iar EMS se asigură că energia este utilizată cât mai eficient posibil. BMS monitorizează continuu, în timp real, celulele, în timp ce EMS planifică cu până la 48 de ore în avans.

Prin urmare, în practică, defecțiunile acestora se manifestă în mod diferit. O alertă BMS sau o eroare de comunicare necesită atenție imediată, deoarece sistemul poate limita sau opri încărcarea și descărcarea din motive de siguranță. În schimb, un EMS configurat incorect reprezintă, de obicei, o problemă economică, nu una de siguranță: bateria nu se încarcă și nu se descarcă atunci când ar fi cel mai avantajos.

Prin urmare, la cumpărare merită să verificați separat ambele aspecte: în cazul BMS, funcțiile de protecție, echilibrarea celulelor și comunicația în buclă închisă; în cazul EMS, modurile de funcționare, previziunile și posibilitatea de extindere. Stocarea energiei cu baterii funcționează bine doar atunci când cele două sisteme lucrează împreună, în mod coordonat.

Întrebări frecvente

Cum funcționează, pe scurt, stocarea energiei cu baterii?

În timpul zilei, panoul solar alimentează mai întâi consumatorii din locuință, surplusul încărcând bateria, iar energia ajunge în rețea doar atunci când bateria este încărcată complet. Seara sau pe timp înnorat, bateria se descarcă, iar invertorul transformă curentul continuu stocat în curent alternativ. Astfel, stocarea energiei în baterie transferă energia solară acumulată în timpul zilei pentru a fi utilizată seara și noaptea.

Ce înseamnă EMS și BMS?

Semnificația termenilor EMS și BMS: BMS (Battery Management System) este sistemul de gestionare a bateriei, care monitorizează și protejează tensiunea, curentul și temperatura celulelor. EMS (Energy Management System) gestionează consumul de energie al întregului sistem: decide când sistemul trebuie să se încarce, să se descarce sau să alimenteze rețeaua. Diferența dintre BMS și EMS se referă, așadar, la nivel: BMS protejează bateria, iar EMS optimizează întregul sistem.

De ce nu se încarcă bateria imediat când strălucește soarele?

În cazul încărcării bazate pe prognoză, acest lucru este intenționat. Pe baza prognozei meteo, EMS știe că bateria se va încărca complet mai târziu, de aceea nu o încarcă complet dimineața. Astfel se evită situația în care, din cauza limitei de realimentare, panourile solare trebuie oprite la prânz, iar durata de viață a bateriei este prelungită. Dacă fenomenul persistă chiar și fără funcția de prognoză, merită să verificați sensul de conectare al contorului.

Ce se întâmplă dacă se întrerupe comunicarea între baterie și invertor?

În acest caz, invertorul nu cunoaște starea bateriei, așa că, din motive de siguranță, limitează sau oprește încărcarea și descărcarea și afișează un cod de eroare. De obicei, bateria este intactă, iar cauza erorii este adesea un cablu de comunicație slăbit sau deteriorat. Dacă eroarea persistă chiar și după repornire, contactează instalatorul și nu actualiza firmware-ul pe cont propriu.

Funcționează sistemul de stocare a energiei fără conexiune la internet?

Da, în cazul majorității sistemelor. Controlul local, adică încărcarea, descărcarea și limitarea reîncărcării, funcționează chiar și fără internet. În cazul pierderii conexiunii, sunt afectate doar funcțiile bazate pe cloud: monitorizarea prin telefonul mobil, diagnosticarea de la distanță, precum și optimizarea bazată pe prognozele meteorologice și de preț. Datele sunt, de obicei, încărcate după restabilirea conexiunii. Unii instalatori condiționează garanția de performanță de disponibilitatea online, așa că merită să verificați acest aspect în contract.