Účinnost systému a vlastní spotřeba kontejnerového BESS

Analýza energetického řetězce jednoho cyklu nabití–vybití a pomocné spotřeby kontejnerového systému úložiště

Tato zpráva se zabývá kontejnerovým systémem úložiště D-Ocean-5016D (12 clusterů × 418 kWh, články Hihtium 314 Ah 1P416S) a analyzuje energetický řetězec jednoho úplného cyklu SOC 0 % → 95 % → 0 %. Systém využívá chladicí jednotku Envicool EMW600HCNC3E s chlazením vzduchem/vodou (certifikace CE / antikorozní ochrana C5-M), pomocná zařízení jsou napájena přímo z hlavního obvodu + UPS + rozváděčového panelu (DC 24 V / 48 V).

• Jádrová RTE (ideální podmínky 25 °C) = 88,48 % (včetně zvyšovacího transformátoru 0,99² × PCS 0,98² × DC RTE baterie 0,94)
• Systém pomocných zařízení (14 položek v rámci skutečného elektrotechnického návrhu projektu, podrobně viz kapitola 1.1): 7,25 kW trvalý nepřetržitý provoz, spotřeba na jeden cyklus 13,0 – 14,7 kWh
• Rozsah čisté RTE systému při 0,5P na plný výkon: 85,88 % – 87,97 % (od maximálního výkonu po vypnutí kapalinového chlazení)
• Vlastní cirkulace kapalinového chlazení 0,74 kW, spotřeba na jeden cyklus cca 1,5 kWh; jmenovité chlazení 27,8 kW, spotřeba na jeden cyklus cca 57,5 kWh
• Čistá RTE 88,5 % je v tomto modelu nedosažitelná (maximálně 87,97 %); cílová čistá RTE 87 %: pracovní cyklus chlazení ≤ 48,3 %
• Trvalý celkový pomocný výkon kontejneru 7,25 kW, špičkový (včetně maximálního výkonu kapalinového chlazení) 37,25 kW

1. Parametry systému

1.1 Architektura systému pomocných zařízení

Seznam zátěží podle skutečného elektrotechnického návrhu projektu D-Ocean-5016D (z projektové schématu rozvodů):

Popis architektury:

• SMPS vysokonapěťového boxu dodává 24 V DC pro napájení stykačů/řízení/vytápění celého clusteru; AC-DC 350 W je hlavní napájení, DC-DC 200 W se aktivuje pouze při výpadku AC.
• SMPS rozváděče napájí 24 V/48 V sběrnice kontejneru (bez zálohy UPS) a napájí zátěže hlavního obvodu.
• 6 AC odvlhčovačů GCH-8120S (skutečný výkon 130 W) je napájeno z hlavního obvodu, trvalý provoz.
• Napájení 12 clusterů BMS (60 W/cluster) je zálohováno UPS, aby BMS zůstalo funkční i při výpadku napájení a mohlo hlásit alarmy.
• Ústředna EPS 200 W je zálohována UPS (trvalé monitorování); nevýbušný odtahový ventilátor 240 W se spouští z UPS pouze při alarmu (přechodový jev cca 3 sekundy).
• Servisní a náhradní zásuvky jsou rezervovány pro špičku 1 kW, nezahrnují se do trvalé pomocné spotřeby RTE.
• Výše uvedený systém pomocných zařízení nezahrnuje hlavní vodní EPS okruh (požární čerpadla, sprinklery atd.). Pokud je v projektu skutečně takový systém konfigurován, je třeba jej doplnit podle EN 12845 (typicky 5 – 10 kW včetně požárních čerpadel) a ověřit rezervu hlavního jističe kontejneru.

2. Zapojení a svorky

Tato část se netýká externího zapojení, zaměřuje se na body měření energie a doporučuje následující:

• Měření na straně sítě: obousměrný elektroměr na výstupu síťového spínače, jako zdroj statistik pro $E_{\text{grid\_in}}$ / $E_{\text{grid\_out}}$.
• Měření na AC straně PCS: obousměrný elektroměr pro kontrolu vlastní účinnosti PCS.
• DC strana baterie: snímání DC sběrnice BMS pro výpočet DC účinnosti baterie tam i zpět.
• Pomocné větve: kapalinová chladicí jednotka, BMS/EMS, napájecí obvod odvlhčovačů by měly být měřeny samostatně, aby bylo možné sledovat původ pomocné spotřeby.

3. Specifikace kapalinové chladicí jednotky (EMW600HCNC3E)

3.1 Řídicí logika provozních režimů (BMS active, reference pro platformu Envicool)

Poznámka: Specifikační list EMW600HCNC3E neuvádí podrobnou tabulku řídicí logiky; výše uvedené teplotní prahy jsou obecné referenční hodnoty platformy Envicool, skutečný projekt se musí řídit specifikacemi BMS integrace D-Ocean-5016D.

3.2 Ochranná logika při ztrátě napájení BMS (BMS inactive)

3.3 Priorita režimů

Chlazení > topení > vlastní cirkulace; podmínky vynucené ochrany (3.2) mohou přepsat výše uvedenou prioritu a přímo přepnout do vlastní cirkulace.

4. Komunikace

Tato zpráva se netýká externích komunikačních protokolů, ale doporučuje sjednotit následující rozhraní a datové body při sběru dat na místě pro výpočet RTE v nadřazeném EMS:

• BMS → EMS: DC napětí/proud 12 clusterů, SOC, SOH, maximální/minimální teplota jednotlivých článků.
• PCS → EMS: AC napětí/proud/výkon, stav nabíjení/vybíjení, chybové slovo, křivka účinnosti.
• Kapalinová chladicí jednotka → EMS: teplota výstupní kapaliny, spuštění/zastavení kompresoru/čerpadla/ventilátoru, aktuální režim (chlazení/topení/vlastní cirkulace), chybové slovo.
• Elektroměry pomocných větví → EMS: souhrnný elektroměr pomocné větve hlavního obvodu (pro výpočet celkové pomocné spotřeby), dílčí elektroměry výstupu UPS, DC strana BMS/EMS, větev odvlhčovačů.

5. Provozní kroky a výpočetní základ

5.1 Základní energetický řetězec

• DC účinnost baterie tam i zpět 94 %, symetricky rozdělena na 96,96 % × 96,96 %
• Účinnost PCS při nabíjení i vybíjení 98,0 %
• Účinnost zvyšovacího transformátoru (zvyšování + snižování) 0,99 × 0,99 = 0,9801 (obousměrně)
• DoD = 95 %

$$E_{\text{usable}} = 5016 \times 95\% = 4765.2 \text{ kWh}$$

$$E_{\text{grid\_in\_basic}} = \frac{E_{\text{usable}}}{\eta_{\text{TR}} \times \eta_{\text{PCS}} \times \eta_{\text{DC\_ch}}} = \frac{4765.2}{0.99 \times 0.98 \times 0.9696} = 5065.7 \text{ kWh}$$

$$E_{\text{AC\_gross}} = E_{\text{usable}} \times \eta_{\text{DC\_dis}} \times \eta_{\text{PCS}} \times \eta_{\text{TR}} = 4765.2 \times 0.9696 \times 0.98 \times 0.99 = 4482.0 \text{ kWh}$$

Teoretická účinnost systému bez zahrnutí kapalinového chlazení a fixní pomocné spotřeby (jádro PCS + baterie + zvyšovací transformátor, ideální podmínky 25 °C):

$$\eta_{\text{core}} = \eta_{\text{TR}} \times \eta_{\text{PCS}} \times \eta_{\text{DC\_RT}} \times \eta_{\text{PCS}} \times \eta_{\text{TR}} = 0.99 \times 0.98 \times 0.94 \times 0.98 \times 0.99 = 88{,}48\%$$

5.2 Energetický řetězec jednoho cyklu

• Nabíjecí cesta: síť → zvyšovací transformátor (×99,0 %) → PCS (×98,0 %) → DC baterie (×96,96 %) → uloženo 4765,2 kWh.
• Vybíjecí cesta: DC baterie (×96,96 %) → PCS (×98,0 %) → zvyšovací transformátor (×99,0 %) → AC hrubý výstup 4482,0 kWh.
• Kapalinové chlazení a pomocná spotřeba jsou znázorněny jako plovoucí větve: na straně nabíjení se přičítá pomocná spotřeba, na straně vybíjení se pomocná spotřeba odečítá od hrubého výstupu PCS.

5.3 Obecné vzorce

Nechť pracovní cyklus chlazení je $\delta$ (pracovní cyklus vlastní cirkulace $1-\delta$), výpočet pro trvalý provozní výkon 0,5P $P_{\text{rated}} = 2500 \text{ kW}$:

• Doba nabíjení $T_{\text{ch}} = E_{\text{grid\_in\_basic}} / P_{\text{rated}} = 5065.7 / 2500 \approx 2.026 \text{ h}$
• Doba vybíjení $T_{\text{dis}} = E_{\text{AC\_gross}} / P_{\text{rated}} = 4482.0 / 2500 \approx 1.793 \text{ h}$

Fixní pomocný výkon $P_{\text{aux\_fixed}} = 7.25 \text{ kW}$ (seznam skutečného elektrotechnického návrhu projektu, viz kapitola 1.1).

$$P_{\text{liq\_avg}} = P_{\text{liq,idle}} + (P_{\text{liq,cool}} - P_{\text{liq,idle}}) \cdot \delta = 0.74 + 27.06\,\delta \quad \text{(kW)}$$

$$E_{\text{grid\_in}} = E_{\text{grid\_in\_basic}} + T_{\text{ch}} \cdot \left( P_{\text{liq\_avg}} + P_{\text{aux\_fixed}} \right) = 5065.7 + 2.026 \cdot \left( P_{\text{liq\_avg}} + 7.25 \right) \quad \text{(kWh)}$$

$$E_{\text{grid\_out}} = E_{\text{AC\_gross}} - T_{\text{dis}} \cdot \left( P_{\text{liq\_avg}} + P_{\text{aux\_fixed}} \right) = 4482.0 - 1.793 \cdot \left( P_{\text{liq\_avg}} + 7.25 \right) \quad \text{(kWh)}$$

$$\eta_{\text{RTE\_net}} = \frac{E_{\text{grid\_out}}}{E_{\text{grid\_in}}}$$

Uzavřený tvar po dosazení (s vyloučením meziproměnné $P_{\text{liq\_avg}}$):

$$E_{\text{grid\_in}}(\delta) = 5065.7 + 2.026 \cdot (0.74 + 27.06\,\delta + 7.25) = 5081.89 + 54.82\,\delta \quad \text{(kWh)}$$

$$E_{\text{grid\_out}}(\delta) = 4482.0 - 1.793 \cdot (0.74 + 27.06\,\delta + 7.25) = 4467.67 - 48.51\,\delta \quad \text{(kWh)}$$

$$\eta_{\text{RTE\_net}}(\delta) = \frac{4467.67 - 48.51\,\delta}{5081.89 + 54.82\,\delta}$$

5.4 Scénáře pomocné spotřeby

Fixní pomocná spotřeba podle skutečného elektrotechnického návrhu v kapitole 1.1: 12 clusterů vysokonapěťových boxů 4,2 kW + rozváděč 0,6 kW + 6 odvlhčovačů 0,78 kW + průmyslová klimatizace 0,24 kW + nouzové osvětlení/chlazení/displej 0,15 kW + 12 clusterů BMS napájení 0,72 kW + ústředna EPS 0,20 kW + kamerový systém 0,24 kW + 24 V pomocné 0,12 kW, celkem $P_{\text{aux\_fixed}} = 7.25 \text{ kW}$. Kapalinová chladicí jednotka modelována v 8 typických stavech:

Poznámka: $P_{\text{liq}}$ pro 25%/50%/75% chlazení v tabulce scénářů je lineární interpolace podle jmenovitého chladicího výkonu 27,8 kW (bez zahrnutí základu vlastní cirkulace 0,74 kW) a mírně se liší od vzorce $P_{\text{liq\_avg}} = 0.74 + 27.06 \cdot \delta$ v kapitole 5.3; pokud je vyžadována přísná jednotnost, doporučuje se jako vstup použít vzorec z kapitoly 5.3 + explicitní pracovní cyklus.

Hraniční případ výpadku AC: Když se všech 12 vysokonapěťových boxů clusterů přepne na zálohu DC-DC 200 W, fixní pomocné zařízení se změní na $12 \times 200 + 0.6 + 0.78 + 0.24 + 0.15 + 0.72 + 0.20 + 0.24 + 0.12 = 5.25 \text{ kW}$, odpovídajá RTE je mírně vyšší než v této tabulce (při vypnutém kapalinovém chlazení cca 88,7 %); jedná se však o nouzový režim, běžný protokol RTE vychází z režimu AC.

Přechodový jev při požárním alarmu: Když se spustí detektor H₂ nebo kouřový/teplotní hlásič, ústředna EPS přejde do stavu alarmu a spustí se nevýbušný odtahový ventilátor (240 W), přechodový pomocný výkon skočí o ~240 W (cca 3 sekundy), vliv na statistiku RTE je zanedbatelný.

5.5 Závěry a doporučení

• Jádrová RTE (nejideálnější podmínky 25 °C) = 88,48 % (zvyšovací transformátor 0,99² × PCS 0,98² × DC RTE baterie 0,94). Tato hodnota je teoretickým maximem, odpovídá extrémně ideálnímu pracovnímu bodu při teplotě okolí 25 °C, optimální pracovní teplotě baterie, bez pomocné spotřeby, bez pohotovostního režimu a SoH=100 %.
• Po zahrnutí 7,25 kW fixní pomocné spotřeby (seznam skutečného elektrotechnického návrhu projektu) je čistá RTE při vypnutém kapalinovém chlazení 87,97 %; při vlastní cirkulaci 87,89 %; při 50% pracovním cyklu chlazení 86,99 %; při jmenovitém chlazení 86,04 %.
• Čistá RTE 88,5 % je v tomto modelu nedosažitelná: i při úplném vypnutí kapalinového chlazení + ideálních podmínkách 25 °C + 7,25 kW fixní pomocné spotřebě dosáhne čistá RTE pouze 87,97 %; teoretické jádrové maximum 88,48 % vyžaduje současné vyloučení veškeré pomocné spotřeby (nereálné).

• Cílová čistá RTE 87 %: zpětným výpočtem z $\eta_{\text{RTE\_net}} \geq 0.87$:

  $$\frac{4467.67 - 48.51\,\delta}{5081.89 + 54.82\,\delta} \geq 0.87$$

  $$4467.67 - 48.51\,\delta \geq 4421.24 + 47.69\,\delta \;\Rightarrow\; 46.43 \geq 96.20\,\delta \;\Rightarrow\; \delta \leq 0.483$$

  tedy pracovní cyklus chlazení musí být ≤ 48,3 % (cca odpovídá spodní hranici scénáře 50% chlazení), průměrný výkon kapalinového chlazení za cyklus musí být ≤ 13,81 kW.

• Typický provozní rozsah (ideálně 25 °C): čistá RTE 86,5 % – 88,0 % (pokrývá 25 % – 75 % chlazení), výstup na AC straně za cyklus 4432 – 4457 kWh. Skutečné podmínky na místě vlivem teploty okolí, oteplení baterie, kolísání pomocných zařízení atd. způsobí, že RTE je obvykle nižší než tento rozsah.

• Celkový výkon systému pomocných zařízení 7,25 kW je jednou z hlavních zátěží RTE: fixní spotřeba za jeden cyklus 13,0 – 14,7 kWh, již o řád převyšuje vlastní cirkulaci kapalinového chlazení (1,5 kWh). Optimalizace účinnosti SMPS 12 vysokonapěťových boxů clusterů (350 W → 280 W) může získat zpět cca 0,4 procentního bodu RTE.
• Kapalinové chlazení zůstává dominantní položkou RTE: spotřeba kapalinového chlazení za jeden cyklus 1,5 kWh (vlastní cirkulace) – 57,5 kWh (jmenovité chlazení); fixní pomocná spotřeba v řádu 13 kWh, poměr ztrát RTE mezi kapalinovým chlazením a fixní pomocnou spotřebou je přibližně 75 % / 25 %.
• 6 odvlhčovačů má významnou spotřebu: 0,78 kW, tj. 10,8 % celkové pomocné spotřeby, spotřeba za jeden cyklus 1,58 kWh. Doporučuje se vyhodnotit nutnost odvlhčování (rozhodovat o zapnutí/vypnutí podle dat čidla vlhkosti okolí), provoz na vyžádání může získat zpět cca 0,2 procentního bodu RTE.
• V technickém protokolu je třeba jasně stanovit: měřicí bod RTE (doporučuje se obousměrný elektroměr na straně sítě), zda zahrnuje kapalinové chlazení / EPS / pohotovostní režim / zásuvky, teplotní rozsah zkoušky (základ 25 °C), SOC okno (0–95 %), způsob měření pomocné spotřeby (doporučuje se samostatné měření větve SMPS + ústředna EPS + 12 clusterů BMS pro snadnou sledovatelnost podle architektury v 1.1).

5.6 Kontrola zátěže hlavního jističe kontejneru

Podle statistiky trvalého/špičkového celkového výkonu v tabulce kapitoly 1.1:

6. Poznámky

1. Energetický řetězec v této zprávě vychází z předpokladu symetrické účinnosti nabíjení a vybíjení při pracovním bodě 0,5P. Pokud má skutečný PCS velké odchylky účinnosti v různých segmentech SOC/výkonu, je třeba přepracovat fit po segmentech.
2. Jádrová RTE 88,48 % je teoretické maximum za nejideálnějších podmínek 25 °C, odpovídá sériové účinnosti zvyšovacího transformátoru 0,99², DC RT baterie 0,94 a PCS 0,98². Na místě se vlivem oteplení baterie (>25 °C), ztrát ve vedení, degradace SoH (<100 %) atd. RTE postupně snižuje.
3. Pracovní cyklus chlazení/topení kapalinové chladicí jednotky se při různých teplotách okolí výrazně liší, RTE by měla být počítána v rámci teplotního rozsahu protokolu.
4. Po stárnutí baterie DC účinnost tam i zpět klesá, výpočet RTE by měl současně zahrnovat korekční součinitel SOH.
5. Pokud odvlhčovače pracují na vyžádání místo trvalého provozu 120 W, je třeba ve vzorci nahradit fixní položku skutečným pracovním cyklem.
6. Všechny hodnoty výkonu/energie jsou statistikami jednoho cyklu a nelze je přímo extrapolovat na denní/měsíční data.
7. Kontejner při 0,5P a 25 °C má naměřený výkon kapalinového chlazení cca 23 kW + fixní 7,25 kW ≈ celkový výkon 30,5 kW.
8. Do systému EPS je zahrnuta trvalá monitorovací spotřeba ústředny EPS 200 W; nevýbušný odtahový ventilátor 240 W se spouští pouze při alarmu a není zahrnut do statistiky RTE; hlavní vodní EPS okruh (požární čerpadla, sprinklery atd.) není zahrnut, pokud je v projektu skutečně nakonfigurován, je třeba jej doplnit (typicky 5 – 10 kW) a ověřit celkovou zatížitelnost hlavního jističe D100A nebo přidat samostatnou větev.
9. 6 AC odvlhčovačů (780 W) pracuje trvale, tj. 10,8 % celkové pomocné spotřeby. Doporučuje se rozhodovat o zapnutí/vypnutí podle dat čidla vlhkosti okolí, provoz na vyžádání může získat zpět cca 0,2 procentního bodu RTE.
10. Servisní a náhradní zásuvky (každá 1 kW) jsou rezervovány pro špičku a nejsou zahrnuty do modelu trvalé pomocné spotřeby RTE, ale při použití na místě by měly být měřeny samostatně, aby nedošlo k ovlivnění vyúčtování RTE protokolu.

Příloha A Definice symbolů

A.1 Parametry systému

A.2 Účinnost a základní energie

A.3 Čas a pomocný výkon

A.4 Kapalinová chladicí jednotka

A.5 Energie a systémová RTE

A.6 Konvence pojmenování symbolů

• Dolní index in / out označuje energii proudící do/ze sítě.
• Dolní index ch / dis označuje proces nabíjení / vybíjení.
• Dolní index aux označuje pomocný systém, dolní index liq označuje kapalinové chlazení.
• Dolní index idle / cool / heat / max označuje provozní stupeň kapalinového chlazení.
• Dolní index max / min (holý index) označuje maximální/minimální teplotu jednoho článku baterie (ne výkonový stupeň).
• Řecké písmeno $\eta$ označuje účinnost, $\delta$ označuje pracovní cyklus (pozor na odlišení od DoD), $\Delta$ označuje rozdíl.