Německý expert: Jak správně navrhovat FV bateriové systémy

Na výše uvedené otázky odpovídá přední světový expert na bateriové a FV systémy- Dr. Matthias Vetter, vedoucí oddělení akumulace energie v německém renomovaném institutu Frauhnhofer ISE. Ve své přednášce se Dr. Vetter na konferenci Smart Energy Forum v Praze dne 6. listopadu zaměří na bezpečnost systémů akumulace energie pro FV aplikace.

SN: Můžete prosím krátce představit hlavní oblasti výzkumu bateriových článků v institutu Frauenhofer ISE v oddělení akumulace energie, které vedete?

Náš výzkum a vývoj v oblasti bateriových článků se zaměřuje v současnosti na křemíkové anody a na možnosti aplikace pevného elektrolytu v bateriích. Obě tyto oblasti našeho výzkumu spojuje snaha o zvýšení energetické hustoty baterií, a tím také dosažení delšího dojezdu elektromobilů oproti současným lithium-iontovým bateriím, které jsou dostupné na trhu.

V oblasti stacionárních aplikací zkoumáme alternativní technologie pro ukládání energie, jako jsou například redoxní průtokové baterie nebo baterie na bázi vody, tj. sodíkové či zinkové baterie. Tyto technologie mají zajímavé vlastnosti, navzdory tomu že nabízejí nižší energetickou hustotu, než tradiční Li-Ion baterie, což ale není pro stacionární systémy akumulace energie rozhodující kritérium.

SN: V současnosti na trhu akumulace energie dominuje trend využití vysokonapěťových baterií. Jaké jsou hlavní výhody baterií tohoto typu?

Baterie s vysokým napětím umožňují vyšší zpětnou účinnost, zejména to platí tehdy, pokud se vyžadují vyšší výkony bateriových systémů. Vysoké napětí znamená nižší hodnotu proudu, což přispívá ke snížení ztrát uvnitř bateriových systémů a umožňuje použití menších sběrnicových vodičů, což vede ke snížení nákladů.

Dále jsou baterie s vysokým napětím vhodnější pro beztransformátorové střídače, kde mohou být propojeny přímo s meziobvodem těchto střídačů. V případě požadavků na vyšší flexibilitu návrhu celého systému, lze systém doplnit o vysoce účinné DC-DC konvertory.

Beztrasnformátorové střídače poskytují vyšší účinnost také v případě částečného zatížení, což je důležité zejména v akumulačních aplikacích, jelikož se používají především na nižších výkonových úrovních. Nominální výkon je obvykle využit typicky pouze několikrát za rok, s výjimkou bateriových systémů, které jsou určeny k poskytování podpůrných služeb v kategorii primární regulace.

SN: Můžete prosím objasnit, jak opatření v oblasti zajištění kvality přispívají k omezení celkových nákladů na akumulaci energie (LCOS), což pak umožňuje tzv. “bankovatelnost” (tj. akceptaci financování ze strany bank) těchto systémů?

Koncept zabezpečení kvality, který jsme vyvinuli v institutu Fraunhofer ISE, se skládá z několika opatření, které umožňují snížení rizika a umožňují realizaci “bankovatelných” a pojistitelných projektů v oblasti akumulace energie:

• Analýza profilu zatížení
  V mnoha případech bateriový systém skladování energie v kombinaci s fotovoltaickým systémem umožňuje vysokou vlastní spotřebu vyrobené energie a také vysokou míru energetické soběstačnosti. Ale z pohledu optimálně nastaveného designu systému, a to jak po technické, ale i po ekonomické stránce, je nezbytně nutné prozkoumat profil zátěže, včetně denních a sezónních výkyvů. Pokud je to nutné, pak také provádíme přímo v terénu měření za účelem verifikace poskytnutých údajů. Tato analýza také zahrnuje posouzení potenciálu tzv. “demand-side managementu” (tj. řízení poptávky po spotřebě energie). Často se stává, že v daném projektu navrhneme rovněž alternativní řešení místo akumulace.

• Návrh velikosti systémů a výběr komponentů
  Díky naším rozsáhlým zkušenostem a expertíze, a také díky nejmodernějším simulačním nástrojům jsme schopni navrhnout optimální design FV bateriového systémů s ohledem na výrobu, uskladnění a také na komponenty řízení celého systému. Dále doporučujeme naším klientům výběr vhodné bateriové technologie a další komponenty pro systém dodávek elektřiny, který musí vzít v potaz jejich specifický uživatelský profil a také zátěžové křivky.

• Charakteristika bateriových systémů a dodatečné prvky systému
  V našich laboratořích v rámci institutu Fraunhofer ISE také nabízíme možnost testování bateriových článků, modulů a celkového systému. Tyto testy zahrnují elektrické a termické charakteristiky. Společně s partnery jsme schopni provést rovněž „zkoušky při nesprávném použití“.

  Tyto analýzy zahrnují i otázku bezpečnosti- s ohledem na úroveň jednotlivých komponentů a také na úroveň celého systému, včetně zabezpečení funkčnosti a také spolehlivosti. V tomto ohledu musí být posouzeny provozní podmínky a rovněž chování komponentů během jejich stárnutí, a taký výkonnost systému. Pokud se jedná o výkonnost, pak zde analyzujeme účinnost na úrovni jednotlivých komponentů a také na úrovni celého systému, a rovněž celkovou účinnost. Pod pojmem “účinnost” je míněno to, do jaké míry jsou uspokojeny potřeby a požadavky zákazníků v oblasti akumulace energie.

• Testování systému
  Za účelem zajištění, že FV bateriový systém splňuje nejmodernější nároky na kvalitu a poskytuje požadované služby, nabízíme komplexní prověření celého energetického systému přímo v poli, což také zahrnuje test spuštění do ostrého provozu.

• Monitorování kvality
  Nezávislý test bezpečnosti FV bateriového systému a jeho komponentů je velmi důležitý pro výrobce, EPC společnosti (stavebně-realizátorské firmy), banky a také pro investory. V této oblasti poskytujeme individuální, spolehlivé a přesné monitorovací řešení pro FV a bateriové systémy, které trvají po dobu několika týdnů až několik let. Naši experti poskytují vysoce kvalitní analýzy provozních stavů všech komponentů FV bateriového systému. To umožňuje brzkou detekci abnormálních stavů měřených veličin během provozu, a tím dochází ke garantování výnosů projektu.

SN: Domníváte se, že je na blízku nějaká nová “převratná technologie”, která dokáže nahradit tradiční lithiové baterie v blízké budoucnosti?

Během posledních několika let došlo k prudkému poklesu cen Li-Ion bateriových systémů. Ale v současnosti, kdy výrobci musí stále více kapacit alokovat pro uspokojení potřeb zákazníků z oblasti elektromobility, poskytovatelé řešení z oblasti stacionárních bateriových systémů mají problém s nedostatkem Li-Ion článků. Proto také vůbec nemusí profitovat z poklesu cen těchto komponentů.

Na druhou stranu tato tržní situace umožňuje nástup velmi zajímavých alternativních bateriových technologií pro stacionární aplikace. Těmito technologiemi mám na mysli, redoxní-průtokové – a nejen vanadiové - ale také technologie s jiným typem nadějných elektrolytů. Jedná se například o sodíkovo-iontové nebo zinkové baterie. Jak jsme zmínil dříve, v institutu Fraunhofer ISE se aktivně zabýváme výzkumem těchto nadějných technologií.

Pokud se zajímáte o problematiku akumulace energie, pak se můžete osobně setkat s Dr. Matthiasem Vetterem z institutu Fraunhofer ISE v Praze. Ve své přednášce se Dr. Vetter na konferenci Smart Energy Forum v Praze dne 6. listopadu zaměří na bezpečnost systémů akumulace energie pro FV aplikace.