Bezpieczeństwo wielkoskalowych magazynów energii

Wprowadzenie

W bieżącym 2024 r. na świecie zbudowane zostaną systemy bateryjne magazynów energii elektrycznej o łącznej mocy 60 GW (w 2023 r. zbudowano 40 GW). To rynek, który niezwykle intensywnie się rozwija. Do końca dekady wzrost średniorocznie wyniesie ok. 21%. To oznacza, że w 2030 r. zostanie zainstalowanych ponad 130 GW magazynów energii, a skumulowana moc przekroczy 800 GW. W polskim systemie elektroenergetycznym mamy ok. 1,4 GW magazynów energii. Potrzeby są kilkukrotnie większe i rynek ten w naszym kraju prawdopodobnie będzie się bardzo dynamicznie rozwijał [1][5].

Bardzo dużo na runku polskim w tym zakresie zmieni się po wdrożeniu programu wsparcia dla przedsiębiorców pn. „Magazyny energii elektrycznej i związana z nimi infrastruktura dla poprawy stabilności polskiej sieci elektroenergetycznej”. Budżet programu wyniesie do 4 mld zł, w tym dotacje do 3,6 mld zł i pożyczki do blisko 400 mln zł [2][3][4].

O szczegółach wsparcia za wiele jeszcze nie wiadomo. Będzie to ujęte w stosownym rozporządzeniu Ministra Klimatu i Środowiska. Zakończono jednak konsultacje społeczne w tym zakresie. Jednym z istotnych elementów konsultacji było zaktualizowanie zapisów dotyczących standardów unijnych w zakresie bezpieczeństwa, ochrony ppoż. oraz homologacji urządzeń magazynujących energię. Problemem jest fakt, że obecnie nie ma jeszcze przepisów wykonawczych i metody certyfikacji oraz homologacji magazynów jako całości zgodnie z dyrektywą CER lub NIS2. Przepisy są w trakcie wdrażania od października 2024, a całkowicie mają obowiązywać od 2026r [4].

Na pewno zatem będziemy obserwowali na naszym rynku dużo oferentów magazynów energii. Tak działo się przy wszystkich dużych programach wsparcia i jest to przecież zrozumiałe. Biorąc to wszystko pod uwagę pojawiają się zatem pytania właśnie o bezpieczeństwo w zakresie eksploatacji magazynów. Bezpieczne magazyny tzn. jakie? Jak weryfikować wielkoskalowe magazyny energii pod względem ich bezpieczeństwa dla użytkownika? Na co patrzeć?

Dlaczego bezpieczeństwo magazynów energii jest ważne?

Zgodności z zapisami dyrektywy NIS2 oraz unijnych certyfikatów IEC 62619, IEC 62485, IEC 61000-6-2, certyfikatu EC, a także odbiory NC RfG są kluczowe, ponieważ zapewniają one bezpieczeństwo, zgodność z przepisami UE, ochronę przed zagrożeniami cybernetycznymi i zakłóceniami elektromagnetycznymi, a także zwiększają zaufanie klientów i naszych partnerów. Dlaczego jako dostawców magazynów energii w przemyśle należy wybierać tylko firmy, które mają doświadczenie, własne oprogramowanie i wsparcie serwisowe.

Warto tutaj odnotować, że nie chodzi tylko o wybór układu bezpieczeństwa na etapie inwestycji. Po zainstalowaniu BESS w danej lokalizacji (instalacja OZE, firma itp.) inwestor musi nadal monitorować normy bezpieczeństwa, wykonywać rutynowe prace konserwacyjne i testowe oraz dokumentować jego działanie. Te bieżące kroki nie tylko utrzymują bezpieczeństwo operacyjne, ale także uwzględniają zgodność np. z przepisami pożarowymi.

Electric Power Research Institute (EPRI) w USA prowadzi bazę danych o awariach BESS – tzw. BESS Failure Event Database. Prace tej instytucji uważane są za pierwsze publicznie dostępne analizy awarii systemów magazynowania energii w systemach BESS. EPRI opiera się w dużej mierze na bazie danych incydentów awarii BESS i analizuje przyczyny źródłowe szeregu zdarzeń wprowadzonych do bazy [6][8].

Oczywiście w miarę przybywania danych opracowywane dane i rekomendacje będą coraz bardziej miarodajne. Jednak już na tym etapie można wyciągać pewne wnioski.

<p class="has-large-font-size">Bezpieczeństwo wielkoskalowych magazynów energii</p> 1

Rysunek 1. Wskaźnik awaryjności BESS wg Electric Power Research Institute (EPRI)[5][6]

Wg prezentowanych danych wskaźnik awarii spadł o 97% między 2018 a 2023 rokiem. Wykres w badaniu pokazuje, że liczba awarii spadła z około 9,2 na GW systemów magazynowania energii akumulatorowej (BESS) wdrożonych w 2018 roku do około 0,2 w 2023 roku [8].

W ciągu ostatnich czterech lat średnio 10 takich awarii miało miejsce rocznie, mimo że globalne wdrożenia baterii wzrosły 20-krotnie. Magazynowanie w skali sieciowej podlega w USA dużej rodzinie kodów i norm, takich jak NFPA 855 i UL 9540. Narzucają one odstępy i odległości separacji, tłumienie ognia i odpowietrzanie lub kontrolę wybuchu dla BESS, wśród innych wymagań mających na celu zmniejszenie ryzyka. W dłuższej perspektywie, w miarę jak instalacje BESS będą stawać się coraz powszechniejsze z racji skali, będzie więcej zdarzeń, ale procentowo będą one nieliczne i rzadkie. Ale wskaźnik zdarzeń związanych z bezpieczeństwem będzie spadał jako procent wykorzystanych gigawatogodzin [7][8][9].

Raport w postaci przedstawionych danych podważają powszechne założenie, że to pojedyncze ogniwo akumulatora litowo-jonowego jest główną przyczyną awarii. Wg raportu to awarie systemów BOS i awarie systemów kontrolnych BESS były głównymi przyczynami awarii, przy czym pojedynczej komórce akumulatora przypisywano stosunkowo niewielką liczbę awarii [5].

<p class="has-large-font-size">Bezpieczeństwo wielkoskalowych magazynów energii</p> 3

Rysunek 2. Wskaźnik awaryjności BESS wg Electric Power Research Institute – element systemów BESS, które ulegały awarii (EPRI)[5][6]

Poprawa jakości i bezpieczeństwa systemów magazynowania energii wynika z konkurencji na rynku. Kwestie bezpieczeństwa magazynów energii różnią się jednak cały czas w zależności od producentów, przede wszystkim, jeśli chodzi o ochronę przeciwpożarową. O ile standardem obecnie na rynku jest wykorzystywanie ogniw LiFePO4 oraz w większości przypadków kontenerów bateryjnych chłodzonych cieczą, to same zabezpieczenia przeciwpożarowe urządzeń nie będą sprawą zawsze oczywistą. Większość producentów na rynku stosuje standardowo czujniki CO + H oraz butle gaśnicze w kontenerze. Szereg producentów stosuje już standardowo dodatkowo między innymi [9][11][12]:

aerozol gaśniczy na poziomie modułu bateryjnego, który w wyniku podwyższonej temperatury, zacznie gasić moduł ograniczając ryzyko rozprzestrzeniania się ognia;
zawór ochronny, który dzięki rozszczelnieniu pod wpływem wysokiego ciśnienia, zredukuje ryzyko wybuchu modułu;
zawór umożliwiający wprowadzenie wody przez straż pożarną bezpośrednio do kontenera.

<p class="has-large-font-size">Bezpieczeństwo wielkoskalowych magazynów energii</p> 5

Rysunek 3. Przykład przemysłowego systemu magazynowania energii firmy V-TAC [14]

Bezpieczeństwo użytkowania gwarantowane jest również poprzez spełnienie wymogów związanych z kompatybilnością elektromagnetyczną urządzeń. Urządzenia spełniają normę IEC 61000-6-2/4.

<p class="has-large-font-size">Bezpieczeństwo wielkoskalowych magazynów energii</p> 7

<p class="has-large-font-size">Bezpieczeństwo wielkoskalowych magazynów energii</p> 9

Rysunek 2. Aerozol gaśniczy na poziomie modułu bateryjnego, który w wyniku podwyższonej temperatury, zacznie gasić moduł ograniczając ryzyko rozprzestrzeniania się ognia [14]

<p class="has-large-font-size">Bezpieczeństwo wielkoskalowych magazynów energii</p> 11

Rysunek 2. Idea działania systemu gaszenia opartego o tzw. wtrysk bezpośredni [16][17]

<p class="has-large-font-size">Bezpieczeństwo wielkoskalowych magazynów energii</p> 13

Rysunek 2. Przykład zastosowania systemu gaśniczego w aerozolu skondensowanym Stat-X [16]

Przykład systemów zapewniających bezpieczeństwo układowi BESS

Układy BESS są wyposażane w nadrzędny moduł BMS (Battery Management System). To kluczowy element zarządzający pracą całego systemu magazynowania energii. System został starannie zaprojektowany, aby zapewnić bezpieczeństwo pracy i łatwość obsługi. Dzięki modułowi BMS monitorowany jest stan każdego ogniwa, a użytkownicy mogą mieć pewność, że wszelkie nieprawidłowości zostaną natychmiast wykryte i zasygnalizowane.

Przykład kluczowych funkcji i komponentów modułu BMS [14]:

Wyłącznik bezpieczeństwa: Służy do natychmiastowego odłączenia całego obwodu w sytuacjach awaryjnych, zapewniając pełną kontrolę nad pracą systemu.
Stycznik elektromagnetyczny: Odpowiada za sterowanie przepływem energii w obwodzie, gwarantując stabilność i bezpieczeństwo działania.
BCU (Battery Control Unit): Urządzenie sterujące, odpowiedzialne za inteligentne zarządzanie pracą baterii oraz monitorowanie kluczowych parametrów.
Złącza wejściowe i wyjściowe: Umożliwiają łatwe podłączenie przewodów zasilających do systemu, zapewniając bezpieczną integrację.
Bezpieczniki: Chronią system przed przeciążeniami i zwarciami, natychmiastowo odcinając obwód w sytuacjach awaryjnych.

<p class="has-large-font-size">Bezpieczeństwo wielkoskalowych magazynów energii</p> 15

Rysunek 3. Elementy składowe kontenerowego magazynu energii: ogniwo – moduł stojak (rack) kontener [14]

Przekaźniki dwuobwodowe: Automatycznie odcinają obwody dodatni i ujemny w przypadku wykrycia problemu przez system BMS, zapewniając natychmiastową izolację w sytuacjach awaryjnych.
Rozłącznik manualny: Umożliwia ręczne odłączenie przekaźników podczas konserwacji, gwarantując bezpieczne przeprowadzenie prac serwisowych.
Bezpieczniki nadprądowe: Zapewniają natychmiastowe przerwanie obwodu w przypadku przepływu nadmiernego prądu, chroniąc system przed uszkodzeniem.

Obok układu BMS w układzie BESS funkcjonuje System Monitorowania i Zarządzania Energią EMS (Energy Management System). To kompleksowy system zarządzania energią, który w czasie rzeczywistym śledzi wszystkie parametry systemu, optymalizuje procesy ładowania i rozładowywania baterii oraz zapewnia bezpieczną i efektywną pracę całej instalacji. Dzięki integracji z systemem alarmowym i przeciwpożarowym zapewnia pełną kontrolę i bezpieczeństwo.

Firma V-TAC w swoich systemach oferuje tzw. EnergyNaviSmart. To zaawansowany system zarządzania energią, który integruje różnorodne źródła energii, takie jak sieć energetyczna, odnawialne źródła energii (np. panele fotowoltaiczne), oraz magazyny energii. Jego głównym celem jest optymalizacja zużycia energii, minimalizacja kosztów oraz zwiększenie efektywności energetycznej w sposób zrównoważony i ekologiczny [14].

System ten jest przeznaczony zarówno dla właścicieli domów, firm, jak i instalacji przemysłowych, którzy chcą uzyskać większą kontrolę nad zużyciem energii, zmniejszyć rachunki za prąd oraz zwiększyć niezawodność zasilania. Dzięki EnergyNaviSmart, możliwe jest monitorowanie i zarządzanie przepływem energii w czasie rzeczywistym, co pozwala na maksymalne wykorzystanie dostępnych zasobów energetycznych.

Wprowadzenie EnergyNaviSmart pozwala na pełną automatyzację procesów związanych z dystrybucją energii, a także dostosowanie jej zużycia do dynamicznie zmieniających się warunków, takich jak ceny energii czy aktualna dostępność energii odnawialnej. Najważniejsze funkcjonalności systemu EnergyNaviSmart z zakresu bezpieczeństwa dotyczą monitorowania tzw. „stanu zdrowia systemu” (SOH – State of Health) i poziomu naładowania (SOC – State of Charge). System generuje alarmy dotyczące niskiego poziomu energii, przeciążenia czy problemów technicznych. Zapewnia także funkcje bezpieczeństwa, takie jak wykrywanie awarii, przepięć, czy błędów komunikacyjnych [14].

EnergyNaviSmart oferuje szereg dodatkowych funkcjonalności, takich jak optymalizacja zużycia energii w czasie rzeczywistym oraz możliwość dostosowywania pracy systemu do preferencji użytkownika. System umożliwia zarządzanie i sterowanie przepływem energii między różnymi źródłami, takimi jak PV, magazyny energii i agregaty prądotwórcze, oraz dynamiczne ograniczanie mocy w zależności od parametrów sieci i stanu urządzeń.

Dzięki zaawansowanym funkcjom raportowania użytkownicy mają dostęp do szczegółowych danych dotyczących zużycia i produkcji energii, bilansu energetycznego oraz stanu technicznego systemu. System wspiera funkcje takie jak harmonogramowanie ładowania i rozładowania, tryby pracy zero import/export, zarządzanie mocą bierną, kompensacja mocy biernej, czy ograniczanie mocy PV w sytuacjach przeciążeniowych. EnergyNaviSmart integruje również funkcje monitorowania i sterowania stacjami ładowania pojazdów elektrycznych, co pozwala na optymalne wykorzystanie energii z PV lub magazynów w zależności od dynamicznie zmieniających się warunków.

Wbudowane funkcje ochrony, takie jak zabezpieczenia przeciążeniowe, redundancja zasilania, monitoring w czasie rzeczywistym i procedury awaryjne, gwarantują niezawodność i bezpieczeństwo systemu. System dba również o cyberbezpieczeństwo poprzez zaawansowane mechanizmy ochrony przed nieautoryzowanym dostępem i atakami. Dzięki integracji z rynkiem energii i prognozami pogody EnergyNaviSmart pozwala na jeszcze lepsze zarządzanie energią, zapewniając optymalizację kosztów i zwiększając efektywność energetyczną całego systemu [14].

Podsumowanie

Analiza incydentów awarii pokazuje, że chociaż wady produkcyjne ogniw stosowanych w BESS przyczyniają się do niektórych awarii, operatorzy muszą zwracać równą uwagę na potencjalne błędy podczas projektowania, integracji i przede wszystkim obsługi jednostek BESS. Wielu awariom BESS można zapobiec dzięki lepszemu zapewnieniu jakości i monitorowaniu baterii.

Wskazaliśmy w niniejszym artykule, że zakres funkcji bezpieczeństwa w systemach magazynowania energii szybko się rozwijają. Warto tutaj wskazać na systemy zarządzania magazynami w tym pomiarami temperatur, które są kluczowe w zapobieganiu przegrzaniu, jednej z głównych przyczyn awarii baterii, a w skrajnych przypadkach pożarów. Zarówno w przypadku systemów domowych , jak i komercyjnych należy zwrócić uwagę na zaawansowane funkcje, takie jak zapobieganie niekontrolowanemu wzrostowi temperatury oraz automatyczne rozłączanie w przypadku awarii system.

Kwestie bezpieczeństwa w BESS są wielowarstwowe. Oprócz funkcji bezpieczeństwa na miejscu, systemy te muszą również być zgodne z szerszymi kryteriami stabilizacji sieci. Na przykład, czy system może skutecznie działać jako część usług sieciowych, aby utrzymać poziomy częstotliwości i napięcia bez narażania bezpieczeństwa.

Wybór dostawcy systemu magazynowania energii to inwestycja, która będzie miała długoterminowe konsekwencje. Inwestor potrzebuje niezawodnego partnera, który sprosta potrzebom pod względem jakości produktu, wsparcia posprzedażowego i opłacalności. Przy wyborze dostawcy należy wziąć pod uwagę kilka czynników. Należą do nich między innymi: wiedza techniczna, obsługa klienta, zasięg geograficzny i stabilność finansowa. W przypadku bardziej rozległych projektów, takich jak C&I i systemy na skalę przemysłową, konieczne może być również rozważenie możliwości, takich jak dostosowywanie i szybka skalowalność. Renomowany dostawca często ma certyfikaty potwierdzające jego wiarygodność. Niezależnie od tego, czy są to certyfikaty ISO, czy inne branżowe akredytacje, są to dobre wskaźniki jakości i niezawodności.

Autor: Dr inż. Adam Mroziński

Wykorzystane źródła