バッテリーエネルギー貯蔵システム（BESS）とは
電力網は、人類がこれまでに作った中で最大の機械です。それは供給側モデルで動作します - グリッドは安定性を維持するために供給と最終負荷のバランスをとろうとする供給/供給モデルで動作します。十分でない場合、周波数および/または電圧が低下するか、電源が 茶色 または ブラックアウトします。 これらは、グリッドが 回避するために一生懸命 働く悪い瞬間です。
電力網は、次のような膨大な数の部品で構成されています。
- 水力、火力、原子力、ガス、石油、石炭、太陽光、風力、潮力、その他の電源を使用する発電機。
- 発電電圧を送電線電圧まで上げる昇圧トランス。
- 長い送電線。
- 変圧器(変電所)を降圧して、電圧を地域の送電レベルまで下げます。
- 消費者レベルの電圧(240V、110V、および400Vの三相)を供給する街路変圧器。
伝統的に 持っていない のは、需要の急増に合わせて電力を蓄える手段です。これは、BESSが装備されていないグリッドでは、生成された余分な電力をグリッドで放散する必要があることを意味します。発電機は回転し続け、需要がすでに接続されている供給、つまり「回転予備」を超えて急増した瞬間に接続できるように準備する必要があります。適切に管理されたグリッドでは、スピニングリザーブは容量の15〜30%になり、需要の急増に備えることができます。バッテリーエネルギー貯蔵システムは、需要と供給のギャップに対処し、必要なときにそれを供給するために余剰電力を貯蔵するツールです。
この記事では、BESS、さまざまなタイプ、リチウム電池の仕組み、およびその用途について説明します。
ベスの原則
バッテリーエネルギー貯蔵システム(BESS)は、グリッドを安定させ、再生可能エネルギーを統合し、一般的に電気エネルギーを貯蔵および利用する方法で起こっている革命において極めて重要になりつつあります。BESSは、充電式備蓄に電気エネルギーを貯蔵することによって動作し、後で放電してローカルまたはグリッドスケールの需要に電力を供給することができます。おそらく最も重要なことは、これらのバッテリー保持リザーブは、需要または周波数/電圧の不安定性が自動的にトリガーされるため、グリッド供給にすばやく切り替わる準備ができていることです。
Cummins Inc.のBESSの主な目標は、メーターのビハインドサポートと、メーター前グリッド運用サポートへの統合です。これは、オフグリッドとオングリッドの両方のアプリケーション、またはサイトでの再生可能エネルギーのローカル統合、または信頼性の低いグリッド接続の電力バックアップに関連しています。
これらのストレージ・システムには投資が必要ですが、圧倒的なメリットをもたらす大きなメリットがいくつかあります。これらの中で最も重要なのは、応答の速さです。バッテリーリザーブは通常、驚異的な速度でグリッド同期ACに切り替えることができます-通常は数サイクル以内
AC周波数の(毎秒50〜60サイクルまたはHz)。グリッドに供給される電力の最高価格は応答の速い供給であるため、蓄えられた電力の商品価値は通常の価格の10〜100倍になる可能性があります。
適切なバッテリー技術は、長期的に安定した埋蔵量を提供します-一般的なリチウムベースのバッテリー技術は、必要に応じて何年も高い電力レベルを保持できます。フロー電池は、ほぼ無期限に電力を保持できます。
BESSはどのように機能しますか?
エネルギー貯蔵は充電器システムから始まります。これは、「過剰な」ACグリッドまたはDC太陽光発電を取得し、セルを再充電するように条件付けます。これは、セットアップと利用可能な電流に応じて、急速充電または低速充電にすることができます。
BESSシステムは、低コストの電力をタイムシフトし、太陽光や風力などの可変電源をスムーズに統合して、タイムシフトとバッファリングによって出力をほぼ完全に活用することにより、ローカルマイクログリッドの効率を大幅に向上させることができます。
最も一般的にはリチウムタイプの1つであるバッテリーセルでは、エネルギーは電気化学ポテンシャルとして蓄えられ、グリッドが必要とするAC(交流)とは対照的に、DC電位差として供給されます。個々のセルはバッテリーパックの構成要素であり、 パック と呼ばれるパッケージ化されたセルクラスターに相互接続されて、容量、信頼性、および永続的なパフォーマンスを構築します。セルは、円筒形、角柱状、またはポーチ構造にすることができます。
円筒形は、より良い冷却循環を可能にしますが、より低い充填密度を提供します。プリズムタイプは、密に積み重ねて密度を最適化します。ポーチタイプは、より不規則な空洞に適合するために使用でき、剛性のあるエンクロージャがないと軽量になる傾向があります。
バッテリーパックはモジュールに統合されており、充電/放電管理、状態監視、および冷却のために自動的に監視されます。これらのモジュールは、パフォーマンス、安全性、信頼性のバランスをきめ細かく自動化されたレベルで調整し、個々のセルと高レベルのストレージシステム制御の間の仲介役として機能します。
複数のモジュールは、コンテナ化された電力貯蔵ソリューション内で集約および制御されます。一般にエネルギー貯蔵ユニット(ESU)またはバッテリーエネルギー貯蔵システム(BESS)と呼ばれ、これらは次のような必要なすべてのコンポーネントを収容します。
- パワーエレクトロニクス:システムに出入りするエネルギーの流れを管理し、電力網やスタンドアロンアプリケーションとのシームレスな統合を保証します。これには、インバーターと電力変換モジュールを使用してACをDCに変換してバッテリーを充電し、位相結合インバータを使用してDCに蓄積された電気化学ポテンシャルをACとしてグリッドに戻すことが含まれます。 位相結合により、ACがグリッド接続のサイクルと同相になり、最適な電力効率を実現します。
- 熱管理システム:温度を調整して、バッテリーの性能と寿命を最適化します。
- 安全メカニズム:過熱や過充電などのリスクを軽減し、システム障害に起因するまれな緊急事態に対処します。
バッテリーの充電は無料ではないことに注意してください。通常、再充電プロセスは約70〜75%効率的です。これは、グリッドから利用可能な100ユニットの余剰電力の場合、バッテリースタックが70〜75%を吸収し、後で使用可能な電力として返されることを意味します。残りは熱として失われます。
バッテリー化学と基盤技術の着実な進歩の流れは、システム設計と制御アルゴリズムの革新と組み合わされています。これは、BESSの効率、信頼性、予算の課題を高め、世界中の電力網の未来を形作るために行われます。
BESSにはどのような種類がありますか?
運用上および市販の BESS セットアップにはさまざまなタイプがあり、それぞれに特定のアプリケーション、環境、または運用上の違いに適した独自の特性があります。制御およびバッテリー管理システム(BMS)の多くの技術的詳細は異なりますが、その核となるBESSは、採用するセル/バッテリーシステムの性質によって分類されています。さまざまなタイプの BESS を以下に示します。
- リチウムベースのシステム:これらはリチウムイオンコバルト酸化物(LiCoO2)を包含する。リチウムイオンニッケルコバルトアルミニウム酸化物(NCA);リチウムイオンニッケルマンガンコバルト酸化物(NMC);リン酸鉄リチウムイオン(LiFePO4);チタン酸リチウム(LTO);およびソリッドステートリチウムイオン。これらを合わせると、エネルギー密度が高く、ディープサイクル寿命が長く、メンテナンス要件が比較的低いため、最も一般的なクラスのBESSです。これらは、BESSが遭遇するすべての動作モードで用途が広いです。
- フロー電池:外部タンクに収納された液体電解質にエネルギーを蓄えます。拡張性と長いサイクル寿命の恩恵を受け、恒久的に設置された大規模なエネルギー貯蔵アプリケーションに最適です。たとえば、バナジウムレドックスフロー電池(VRFB)は、非常に長い期間の貯蔵と電力出力の柔軟性を提供します。
- 鉛蓄電池:150年以上にわたってエネルギー貯蔵に使用されており、低コストの堅牢性で高く評価されています。これらは、現在の技術と比較してかなり低いエネルギー密度と短いサイクル寿命を提供しますが、バックアップUPS(無停電電源装置)電力システムや小規模な(通常は国内)オフグリッド設備などの特定のアプリケーションには引き続き関連します。
- ナトリウム硫黄電池:高温で動作し、溶融ナトリウムと硫黄を電力貯蔵媒体として使用します。それらは高いエネルギー密度を持つことができ、グリッド安定化や再生可能エネルギー/ジャンクパワーの統合などの大規模なアプリケーションに適しています。
- スーパーキャパシタ(またはウルトラキャパシタ):エネルギーを静電荷として蓄積し、可能な限り最高の充放電能力を提供します。それらは(現在)バッテリーよりもエネルギー密度が低いですが、マイクログリッドの短い電力変動を平滑化するための短期間のバラストなど、頻繁なサイクリングを必要とするアプリケーションに優れています。
バッテリータイプの長所と短所
BESSシステムは、検討する価値のある相対的な長所と短所を持つさまざまなタイプのバッテリーを使用できます。たとえば、リン酸鉄リチウム(LFP)バッテリーは、リチウムポリマー(LiPo)よりも長期的なディープサイクル耐久性を提供し、樹状突起の成長に耐性があるため、火災のリスクはありません。初日の容量はLiPoより少し低いですが、数百サイクル後には容量がうまく持ちこたえます。
一方、ニッケル-マンガン-コバルト(NMC)バッテリーは、LFPよりも深いサイクル寿命が短いですが、特に充電において、電力密度が向上し、寒冷地でのパフォーマンスが大幅に向上するため、運用オーバーヘッドを削減できます。
これらの理由から、NMCおよびLFPバッテリーはBESSアプリケーションでますます普及しています。
リチウム電池の仕組み
リチウム電池は 、リチウムイオン電池の正極(アノード)電極と負極(カソード)電極の間を移動するリチウムイオンを含む電気化学反応によって機能し、電解質内のイオン輸送を可能にするセパレータによって材料の動きが遮断されます。リチウム電池には通常、LiCoO2、NCA、NMC、LiFePO4、LTOなどのリチウム化合物から形成されたカソード(+ve)が含まれています。これらは、より新しい固体実施形態において典型的なままである。
陽極(-ve)は通常、炭素(グラファイトまたはグラフェン)でできています。電極に塗布されたコーティングは、電極の表面に形成され、セパレーターを貫通して短絡を引き起こす可能性のある金属糸であるデンドライトの形成に対する障壁として役立ちます。これらのコーティングには、メーカーに応じてポリマーまたはセラミックが含まれます。
電極間には通常、次のものがあります。
- 電解質: リチウム電池技術で使用される電解質には、次の3つのクラスがあります。
- 液体電解質: 有機溶媒に溶解したリチウム塩で、多くの場合、難燃性添加剤が含まれています。リチウム塩は、電荷を伝達するイオン伝導体です。有機溶媒は高いイオン運動性を提供し、添加剤は電解質の安定性、導電性、および安全性を最適化します。
- ポリマーベースのゲル電解質: それらは高いイオン伝導率を提供しますが、漏れの可能性が大幅に減少します。ポリマーマトリックスはゲル化剤として機能し、設計上、溶媒内のイオン運動性に対する障壁にはなりません。リチウム塩も同じように機能しますが、ゲルタイプのセルはバッテリーの安全性とサイクル寿命を改善します。
- 固体電解質: 安全性と安定性を向上させ、デンドライト形成に対するバリアとして機能し、バッテリーの熱的および化学的安定性を改善する液体電解質の新しい代替品。これにより、リスクを高めることなく、より高い充電および放電率が容易になります。
- セパレーター:アノードとカソードの間に物理的なギャップを強制し、充電および放電中にリチウムイオンを通過させる多孔質膜構造。セパレータは一般に高気孔率ポリエチレン(PE)で構成され、多くの場合、堅牢性を向上させるためにポリプロピレン(PP)元素を含む。
充電中、リチウムイオンは電解質を介して正極から負極に電気的に「押し出され」、負極カーボンに吸着されます。電子は充電中に外側回路のアノードからカソードに流れます。電荷電流は電子をアノードからカソードに押し出します。放電中、これらのイオンは正極に戻って電気エネルギーを放出し、電流はカソードからアノードに外部回路を流れます。このイオン運動は、電極材料内の結晶構造によって大きく支援され、充電と放電の両方で外部回路を通る電子の流れによって通電されます。
リチウム電池の電圧と容量は、電極/電解質の化学的性質と内部設計によって異なり、電圧はセルあたり3.6Vから3.7Vの範囲です。容量は、電解質の量と電極のサイズと構造に関係します。放電率は、セルとバッテリーの 多くの 詳細と内部安全システムに依存します。これらは、過充電、過放電、および熱暴走を防ぎます。
BESS内のシステム
バッテリーエネルギー貯蔵システム(BESS)は、通常、次のもので構成されます。
セル原料と構造
リチウムイオン電池は、硬質円筒形、硬質角柱(正方形または長方形の断面)、および非硬質ポーチセルの3つの基本的な形態で作られています。これらすべての原材料には、通常、次のものが含まれます。
- イオン性リチウム塩:セル内の電荷の運動性を可能にします
- 有機溶媒:電荷キャリアとして機能し、電極間に電流を流します。これは、バッテリー技術に応じて、液体、ゲル、または固体にすることができます。
- コバルト:安定性のために陰極に使用
- カソード中のニッケル、マンガン、アルミニウム:コバルト使用量の削減に使用
- グラファイト:これらは典型的なアノード構造に存在しますが、これはより高い容量と堅牢性のためにシリコンに向かって進化しています
- バインダー(通常、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリビニルアルコール(PVA)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、スチレンブタジエンゴム(SBR)):電極材料を統合して強化します
- PEおよびPPの多孔質セパレーター:電極を分離し、イオン移動を可能にします
- ケース材質 - スチール、アルミニウム、またはポリマーチューブ(円筒形および角柱型セル用)、およびパウチセル用のヒートシールポリマーフィルム:セルケーシングは電解質を密封し、化学的性質の電気的および物理的絶縁を保証します。熱絶縁が最優先されるいくつかのケースでは、セラミックケースを使用することができ、航空宇宙用途では炭素繊維などの軽量複合材料が使用されます。
その他のコンポーネント
機能している BESS コンテナシステム またはインストールは、次のもので構成されます。
- BESSコントローラー:このシステム監視は、電力割り当てを実行し、充電を管理し、運用監視と安全制御を行います。
- 構造フレームワークとエンクロージャー:バッテリーモジュールの収容と保持に使用されます。
- バッテリー管理システム:バッテリーの性能を監視および制御し、安全性と効率を確保します。
- HVAC冷却システム:コンテナ内の温度を調整し、高充電または放電期間中の過熱を防ぎ、最適な動作を可能にします。
- グリッド同期インバーター:グリッド接続やその他のアプリケーション向けに、バッテリーからのDC電力を周波数同期AC電力に変換します。
- AC-DCコンバーター(整流器):グリッドACをバッテリーに優しい充電用のDC電圧として提供します。
- 変圧器:グリッドまたはローカルシステムの要件に合わせて電圧レベルを上げたり下げたりするのに役立ちます。
- 冷却システム:BESSセットアップの多くの要素は、良好な機能のために温度制御を必要とします。
- UPS: BESS システムは、大容量の無停電電源装置 (UPS) として動作できます。
- 消火システム:火災を検出して消火し、設備を保護します。
BESS アプリケーション
BESSのインストールは、次のようなさまざまなセクターのさまざまなアプリケーションに適合します。
- グリッドの安定化と周波数調整は、ローカル(またはより広い)グリッドの需要または供給の突然の変化への迅速な応答から生じます。これにより、BESS設備は、需要の減少(または供給過剰)の期間中に余分なエネルギーを吸収し、需要の増加時に蓄えられた電力を解放することにより、周波数と電圧の安定化に貢献できます。
- 再生可能エネルギーの統合には、ピーク時の供給のバッファリングと、その結果生じる電力の円滑な可用性が必要です。BESSの設置は、太陽光発電や風力発電に典型的な、他の点では役に立たない過剰供給を保管します。再生可能エネルギーの破壊的な変動を平準化することで、供給過剰と混乱による「ジャンクパワー」の影響を取り除くことができます。これにより、供給の短時間(または長期)の崩壊を補うために熱資源に依存しないグリッドへの再生可能エネルギーのより大きな浸透が可能になります。
- ピークシェービングと負荷管理は、価格が低いオフピーク時にエネルギーを貯蔵し、価格が高いピーク時にエネルギーを放電することで電力コストを削減できる重要なBESSサービスです。このピークシェービングは、需要の高い時期にグリッドへの負担を軽減し、高価なピーク発電所の必要性を減らすのに役立ちます。分散型マイクログリッドでは、これは必要な燃料(ディーゼル)が少なくなり、発電機のストレスとメンテナンスコストが削減されることを意味します。
- マイクログリッドのサポートは、BESSがバックアップ電源、負荷分散、およびグリッドサポートサービスを提供できるという点で、ピークシェービングに似ています。これにより、マイクログリッドの信頼性と回復力が向上し、途切れることのない電力供給が保証され、再生可能および熱エネルギー資源の使用が最適化されます。
- EV充電インフラストラクチャはBESSによって大幅に強化され、より応答性の高い急速充電機能を提供し、ピーク需要を管理することでEVの展開をサポートします。既存のインフラストラクチャに過負荷をかけることなく多数のEVをグリッドに統合することは、電力ネットワークが直面する最大の課題であり、BESSはピーク需要を安全に管理する上で重要です。
- BESSは、重要な産業および商業施設に無停電電力を供給し、グリッドの停止や停電時にシームレスな運用を保証し、機敏なデマンドレスポンスを通じて電力コストを削減できます。
- BESSは家庭に設置でき、ソーラーパネルからの余剰エネルギーを貯蔵したり、供給量が多く需要の少ない時間帯に後で使用することで、メーターの後ろをより効果的/低コストにすることができます。
- BESSは、電力網へのアクセスが制限されているか利用できない遠隔地やオフグリッドの場所で信頼性の高い電力を提供できます。これらは、電気通信、遠隔監視、地方電化プロジェクトなどのアプリケーションで使用されます。
BESSがオンデマンドエネルギー貯蔵システムにとって重要な理由
BESSは、自己修復、脆弱でない電力網においてますます重要な役割を果たしています。これらは、再生可能エネルギー源の統合、エネルギー効率の向上、電圧/周波数の信頼性とシステム全体の回復力の向上に役立ちます。
BESSを慎重に適用すると、供給過剰が発生した場合にジャンクパワーと見なされる断続的な(太陽光、風力、潮汐、波力)電源に対応する際に、電力網に適用される運用制限がなくなります。スピニングリザーブ要件は、ほとんどのグリッドを15〜25%の断続的なソースに制限しています。ただし、BESSがバッファーとして機能する場合は常に、この回転リザーブをBESSシステムにすることができ、無駄なエネルギーはありません。この汎用性の高いスケーラビリティにより、BESSはより持続可能で回復力のあるエネルギーの未来への移行に不可欠です。
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