Il whitepaper di Cummins condivide i concetti chiave alla base del BESS

Con il passaggio del panorama energetico globale alle energie rinnovabili, i sistemi di accumulo di energia a batteria (BESS) si stanno affermando in diversi settori. Nei cantieri e nelle applicazioni commerciali e industriali, offrono energia pulita e priva di emissioni, evitando al contempo un altro tipo di emissioni: il rumore.

"I sistemi di accumulo di energia a batteria (BESS) si sono affermati come una tecnologia fondamentale nella moderna gestione dell'energia, offrendo una soluzione alla natura intermittente delle fonti energetiche rinnovabili e migliorando la stabilità della rete", ha affermato Hassan Obeid, responsabile tecnico vendite globale per le soluzioni per le nuove energie di Cummins. Ha scritto un nuovo white paper intitolato "Sistemi di accumulo di energia a batteria: comprendere i concetti chiave e le applicazioni". In esso, Obeid ha spiegato cosa sono i BESS, come funzionano e come possono essere applicati efficacemente.

Gerarchia dei componenti

Sebbene un BESS possa assomigliare a una semplice scatola, Obeid ha affermato che al suo interno sono integrati numerosi componenti in modo complesso per garantire un funzionamento sicuro ed efficiente.

Immagine: malp tramite Adobe Stock

"Ogni componente svolge un ruolo fondamentale per la funzionalità e le prestazioni complessive del sistema", ha affermato. "Comprendere questi componenti chiave è essenziale per comprendere il funzionamento del BESS e i diversi vantaggi che offrono".

Come ci si aspetterebbe, ogni BESS contiene celle di batteria. Queste costituiscono le unità fondamentali di energia per il sistema.

"Le celle vengono raggruppate in moduli per una più facile gestione e gestione", ha affermato Obeid. "Più moduli vengono poi assemblati in rack per una configurazione più strutturata ed efficiente."

Come molti veicoli elettrici, anche i sistemi BESS sono dotati di sistemi di gestione della batteria (BMS). Obeid ha affermato che è il BMS a gestire ogni livello della gerarchia dei componenti.

A livello di cella della batteria, ad esempio, ha affermato che il BMS svolge diverse funzioni, tra cui il monitoraggio della tensione e della temperatura, nonché il bilanciamento di carica e scarica. Il BMS stima anche lo stato di carica (SoC), che Obeid ha definito "l'equivalente di un indicatore di carica per una batteria". Il SoC indica la quantità di energia disponibile nella batteria in un dato momento, espressa in percentuale rispetto alla sua capacità totale, ha spiegato. Il BMS monitora anche lo stato di salute (SoH) delle batterie, che è una misura della loro capacità di durata.

Salendo di livello gerarchico fino ai moduli batteria, il BMS monitora lo stato di ciascun modulo, ha spiegato Obeid. Questo include la gestione termica per garantire che i sistemi di riscaldamento e raffreddamento mantengano le temperature entro un intervallo ottimale. Gestisce anche eventuali guasti. Infine, facilita la comunicazione tra le celle e il livello rack.

A livello di rack, Obeid ha individuato diverse responsabilità chiave per il BMS. Ad esempio, gestisce l'integrazione di sistema e la gestione del carico, e gestisce l'energia per ottimizzarne l'accumulo e l'utilizzo. A questo livello, il BMS è anche responsabile dell'implementazione dei protocolli di sicurezza, inclusi gli arresti di emergenza. Infine, ha osservato che il BMS gestisce la comunicazione con i sistemi esterni al BESS, come quelli utilizzati da un impianto o dalla rete elettrica.

Altri componenti BESS identificati da Obeid includono i sistemi di conversione di potenza (PCS), che trasformano l'energia CC della batteria in energia CA tramite inverter e raddrizzatori. Eseguono la conversione in senso inverso durante la carica.

Esiste anche un sistema di controllo BESS, che "funge da hub centrale che integra il BESS con altre parti del sistema", ha affermato Obeid. Queste includono la rete, la microrete o altre risorse energetiche distribuite.

Alcuni BESS possono anche includere un gruppo di continuità (UPS). "Questa aggiunta fornisce alimentazione di backup per mantenere le funzioni critiche e consente al sistema di riavviarsi in modo indipendente", ha affermato Obeid.

Capacità e limitazioni

Come per qualsiasi tipo di apparecchiatura, è importante essere in grado di comprendere i limiti di un BESS e avere i mezzi per determinare come si comporta nel tempo.

Un sistema di accumulo di energia a batteria (BESS) costituito da diversi moduli di batterie al litio affiancati. (Immagine: malp tramite Adobe Stock)

A tal fine, Obeid ha affermato che ogni BESS ha una capacità energetica e una potenza nominali.

Ha definito la capacità di potenza nominale la capacità di scarica istantanea totale possibile del BESS o la massima velocità di scarica da uno stato completamente carico. È espressa in kW o MW.

In confronto, la capacità energetica "è la quantità massima di energia immagazzinata o consumata in kWh o MWh", ha affermato Obeid.

Ha aggiunto che è fondamentale comprendere la differenza tra kW/MW e kWh/MWh. "Conoscere la differenza è essenziale per valutare accuratamente il fabbisogno energetico, la capacità del sistema, il dimensionamento, le applicazioni e i costi operativi", ha affermato Obeid. "Aiuta anche a prendere decisioni consapevoli su consumo energetico, efficienza e sostenibilità".

Utilizzando kW e kWh come esempi, Obeid ha affermato che kW è un'unità di potenza, mentre kWh è un'unità di energia.

Di kW, ha affermato, "indica la velocità con cui l'energia viene utilizzata in un dato momento", aggiungendo che un sistema da 10 kW può erogare 10 kW di potenza istantaneamente. Si riferisce alla velocità del flusso di energia in entrata o in uscita da un BESS.

"Il kilowattora (kWh) è un'unità di misura dell'energia", ha spiegato Obeid, "che rappresenta la quantità totale di energia consumata o generata nel tempo. Indica il consumo o la produzione cumulativa di energia". Ad esempio, ha affermato che un sistema da 10 kW in funzione per un'ora consumerà o genererà 10 kWh di energia.

Capire il C-Rate

Un aspetto del BESS è noto come C-rate, descritto anche come durata di conservazione e velocità di carica/scarica.

"Il C-rate misura la velocità con cui una batteria si scarica rispetto alla sua capacità massima", ha spiegato Obeid. "È definito come il reciproco del tempo (in ore) necessario per scaricare completamente la batteria."

A titolo di esempio, Obeid ha affermato che un BESS con un C-rate di 1C sarà completamente caricato o scaricato in un'ora, perché 1/1 – il reciproco di 1 – è uguale a 1. Tuttavia, un C-rate di 0,5C significa una velocità di carica/scarica di 2 ore, perché 1/0,5 è uguale a 2.

Ha affermato che la gestione del C-rate garantisce il funzionamento sicuro del BESS e una vita utile più lunga.

"Le batterie con un basso C-rate impiegano più tempo a caricarsi", ha affermato Obeid, "ma possono fornire energia per un periodo prolungato. Al contrario, le batterie con un C-rate elevato possono erogare rapidamente una corrente elevata, rendendole adatte ad applicazioni ad alta potenza e breve durata, come la regolazione della frequenza di rete. Tuttavia, non possono mantenere questa potenza in uscita per un periodo di tempo pari a quello delle batterie con un C-rate inferiore".

A titolo di esempio, Obeid ha affermato che una batteria con un valore C pari a 5C può fornire cinque volte la sua potenza nominale, ma solo per 12 minuti (1/5 di 60 minuti è 12 minuti).

I BESS con C-rate inferiori sono spesso utilizzati nelle applicazioni energetiche, poiché forniscono un'alimentazione energetica costante e prolungata. Le applicazioni di potenza, al contrario, spesso richiedono C-rate più elevate – 1C o superiori – perché possono fornire picchi di potenza rapidi.

Obeid ha aggiunto che, sebbene il C-rate possa essere ridotto, non può superare la capacità nominale del BESS.

"Ad esempio, se un sistema è valutato a 1C, può essere caricato o scaricato a valori C inferiori, come 0,5C o 0,25C", ha affermato, "ma non può essere utilizzato a valori C superiori, come 2C o 3C.

Il BESS favorisce la decarbonizzazione delle gru a torre e dei cantieri. Noto come Enertainer, combinazione di "energia" e "contenitore", il BESS immagazzina energia sufficiente a soddisfare i picchi energetici richiesti da un massimo di tre gru a torre.

Un altro appaltatore del Regno Unito adotta BESS per gru a torre e cantieri edili. Bowmer & Kirkland ha adottato BESS come soluzione di alimentazione preferita per le gru e ha scoperto che è sufficiente un solo BESS per alimentare in modo efficace un intero cantiere.