Systeemrendement en hulpstroomverbruik van container BESS-systemen

Analyse rapport energieketen en hulpverbruik van een enkele laad-/ontlaadcyclus van het container-energieopslagsysteem

Dit rapport analyseert de energieketen van een volledige cyclus SOC 0% → 95% → 0% voor het D-Ocean-5016D container-energieopslagsysteem (12 clusters × 418 kWh, Hi-Charge 314 Ah cellen 1P416S). Het systeem gebruikt een Envicool EMW600HCNC3E luchtgekoelde chillereenheid (CE-gecertificeerd / C5-M corrosiebescherming); de hulpapparatuur wordt direct gevoed vanaf het hoofdcircuit + UPS + verdeelkast (DC 24 V / 48 V).

• Kern-RTE (25°C ideale condities) = 88,48% (inclusief step-up transformator 0,99² × PCS 0,98² × batterij-DC RTE 0,94)
• Elektrisch hulpsysteem (14 items volgens de feitelijke elektrische projectengineering, zie paragraaf 1.1): 7,25 kW continu vast vermogen, verbruik per cyclus 13,0 – 14,7 kWh
• Systeem netto RTE-bereik bij 0,5P vollast: 85,88% – 87,97% (van maximaal vermogen tot vloeistofkoeling uit)
• Vloeistofkoeling zelfcirculatie 0,74 kW, verbruik per cyclus ca. 1,5 kWh; nominale koeling 27,8 kW, verbruik per cyclus ca. 57,5 kWh
• 88,5% netto RTE is in dit model niet haalbaar (maximum 87,97%); 87% netto RTE-regeldoel: koelinschakelduur ≤ 48,3%
• Continu hulptotaalvermogen container 7,25 kW, piek (inclusief maximaal vloeistofkoelingvermogen) 37,25 kW

1. Systeemparameters

1.1 Architectuur elektrisch hulpsysteem

Belastinglijst van de feitelijke elektrische projectengineering voor D-Ocean-5016D (afkomstig van het engineering-verdeelplan):

Architectuurtoelichting:

• De HV-box SMPS levert 24 V DC voor de contactoren / besturing / verwarming van het gehele cluster; de AC-DC van 350 W is de hoofdvoeding, de DC-DC van 200 W wordt alleen geactiveerd bij AC-uitval.
• De verdeelkast-SMPS levert de 24 V/48 V bus op containerniveau (geen UPS-back-up) en voedt de belastingen van het hoofdcircuit.
• De 6 AC-ontvochtigers GCH-8120S (werkelijk vermogen 130 W) worden vanaf het hoofdcircuit gevoed en draaien continu.
• De BMS-voedingen van de 12 clusters (60 W/cluster) worden door de UPS geback-upt, zodat de BMS bij stroomuitval nog functioneert en alarmen kan rapporteren.
• De brandmeldcentrale van 200 W wordt door de UPS geback-upt (continue bewaking); de explosieveilige afvoerventilator van 240 W wordt alleen bij alarm via UPS-back-up gestart (transiënt ca. 3 seconden).
• Voor de onderhouds- en reservecontactdozen wordt een piekreservering van 1 kW aangehouden; deze zijn niet opgenomen in de continue hulpverbruikberekening voor RTE.
• Het bovenstaande elektrische hulpsysteem omvat niet het hoofdcircuit van de nood-waterbrandbestrijding (brandpompen, sprinkler, etc.). Indien een project feitelijk over een nood-watersysteem beschikt, dient dit conform EN 12845 te worden aangevuld (typisch 5 - 10 kW inclusief brandpomp), en moet de marge van de hoofdcircuitonderbreker van de container worden geverifieerd.

2. Bedrading en aansluitingen

Deze sectie behandelt geen externe bedrading; de nadruk ligt op de aanbevolen energiemeetpunten:

• Netzijde-meting: bidirectionele meter aan de uitgaande kant van de netschakelaar, als bron voor $E_{\text{grid\_in}}$ / $E_{\text{grid\_out}}$.
• PCS AC-zijde-meting: bidirectionele meter, om de efficiëntie van de PCS zelf te verifiëren.
• Batterij DC-zijde: BMS DC-bus-sampling, voor de berekening van het DC-retourrendement van de batterij.
• Hulpcircuits: voor de chillereenheid, BMS/EMS en de voedingscircuits van de ontvochtigers wordt aanbevolen deze apart te meten, zodat het hulpverbruik kan worden herleid.

3. Specificaties chillereenheid (EMW600HCNC3E)

3.1 Werkingsmodus-besturingslogica (BMS actief, referentie Envicool platform algemene besturing)

Opmerking: De gedetailleerde besturingslogica-tabel is niet openbaar in de EMW600HCNC3E-specificatie. Bovenstaande temperatuurdrempels zijn algemene referentiewaarden voor het Envicool-platform; voor feitelijke projecten geldt de BMS-integratiespecificatie van de D-Ocean-5016D als uitgangspunt.

3.2 BMS-stroomuitval-beveiligingslogica (BMS inactief)

3.3 Modusprioriteit

Koelen > Verwarmen > Zelfcirculatie; geforceerde beveiligingscondities (3.2) kunnen bovenstaande prioriteit overrulen en direct naar zelfcirculatie gaan.

4. Communicatie

Dit rapport behandelt geen externe communicatieprotocollen, maar beveelt aan de volgende interfaces en meetpunten uniform toe te passen bij data-acquisitie ter plaatse, zodat de EMS de RTE kan berekenen:

• BMS → EMS: 12 clusters DC-spanning/-stroom, SOC, SOH, hoogste/laagste celspanning en -temperatuur.
• PCS → EMS: AC-zijde spanning/stroom/vermogen, laad-/ontlaadstatus, foutwoorden, efficiëntiecurve.
• Chillereenheid → EMS: uitlaattemperatuur, start-stop van pomp/ventilator/compressor, huidige modus (cooling/heating/self-circulating), foutwoorden.
• Hulpcircuit-meters → EMS: totaalmeter hoofdcircuit-hulpcircuits (voor berekening totaal hulpverbruik), UPS-uitgang deelmeters, DC-zijde BMS/EMS, ontvochtiger-circuit.

5. Bedieningsstappen en rekenbasis

5.1 Referentie-energieketen

• Batterij DC-retourrendement 94%, symmetrisch gesplitst als 96,96% × 96,96%
• PCS laad-/ontlaadefficiëntie beide 98,0%
• Step-up transformator-efficiëntie (omhoog + omlaag) 0,99 × 0,99 = 0,9801 (tweerichting)
• DoD = 95%

$$E_{\text{usable}} = 5016 \times 95\% = 4765{,}2 \text{ kWh}$$

$$E_{\text{grid\_in\_basic}} = \frac{E_{\text{usable}}}{\eta_{\text{TR}} \times \eta_{\text{PCS}} \times \eta_{\text{DC\_ch}}} = \frac{4765{,}2}{0{,}99 \times 0{,}98 \times 0{,}9696} = 5065{,}7 \text{ kWh}$$

$$E_{\text{AC\_gross}} = E_{\text{usable}} \times \eta_{\text{DC\_dis}} \times \eta_{\text{PCS}} \times \eta_{\text{TR}} = 4765{,}2 \times 0{,}9696 \times 0{,}98 \times 0{,}99 = 4482{,}0 \text{ kWh}$$

Theoretische efficiëntie van het systeem zonder vloeistofkoeling en vaste hulpverbruik (kern PCS + batterij + step-up transformator, 25°C ideale condities):

$$\eta_{\text{core}} = \eta_{\text{TR}} \times \eta_{\text{PCS}} \times \eta_{\text{DC\_RT}} \times \eta_{\text{PCS}} \times \eta_{\text{TR}} = 0{,}99 \times 0{,}98 \times 0{,}94 \times 0{,}98 \times 0{,}99 = 88{,}48\%$$

5.2 Energieketen per cyclus

• Laadpad: net → step-up transformator (×99,0%) → PCS (×98,0%) → batterij DC (×96,96%) → opslag 4765,2 kWh.
• Ontlaadpad: batterij DC (×96,96%) → PCS (×98,0%) → step-up transformator (×99,0%) → AC bruto-uitvoer 4482,0 kWh.
• Vloeistofkoeling en hulpverbruik worden als variabele aftakking weergegeven: hulpverbruik wordt opgeteld bij de laadzijde en afgetrokken van de PCS bruto-uitvoer aan de ontlaadzijde.

5.3 Algemene formule

Stel koelinschakelduur $\delta$ (zelfcirculatie-inschakelduur $1-\delta$), berekend bij 0,5P continu bedrijfsvermogen $P_{\text{rated}} = 2500 \text{ kW}$:

• Laadduur $T_{\text{ch}} = E_{\text{grid\_in\_basic}} / P_{\text{rated}} = 5065{,}7 / 2500 \approx 2{,}026 \text{ h}$
• Ontlaadduur $T_{\text{dis}} = E_{\text{AC\_gross}} / P_{\text{rated}} = 4482{,}0 / 2500 \approx 1{,}793 \text{ h}$

Vast hulpvermogen $P_{\text{aux\_fixed}} = 7{,}25 \text{ kW}$ (feitelijke elektrische projectengineering-belastinglijst, zie paragraaf 1.1).

$$P_{\text{liq\_avg}} = P_{\text{liq,idle}} + (P_{\text{liq,cool}} - P_{\text{liq,idle}}) \cdot \delta = 0{,}74 + 27{,}06\,\delta \quad \text{(kW)}$$

$$E_{\text{grid\_in}} = E_{\text{grid\_in\_basic}} + T_{\text{ch}} \cdot \left( P_{\text{liq\_avg}} + P_{\text{aux\_fixed}} \right) = 5065{,}7 + 2{,}026 \cdot \left( P_{\text{liq\_avg}} + 7{,}25 \right) \quad \text{(kWh)}$$

$$E_{\text{grid\_out}} = E_{\text{AC\_gross}} - T_{\text{dis}} \cdot \left( P_{\text{liq\_avg}} + P_{\text{aux\_fixed}} \right) = 4482{,}0 - 1{,}793 \cdot \left( P_{\text{liq\_avg}} + 7{,}25 \right) \quad \text{(kWh)}$$

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

Gesloten vorm na substitutie (na eliminatie van de tussen variabele $P_{\text{liq\_avg}}$):

$$E_{\text{grid\_in}}(\delta) = 5065{,}7 + 2{,}026 \cdot (0{,}74 + 27{,}06\,\delta + 7{,}25) = 5081{,}89 + 54{,}82\,\delta \quad \text{(kWh)}$$

$$E_{\text{grid\_out}}(\delta) = 4482{,}0 - 1{,}793 \cdot (0{,}74 + 27{,}06\,\delta + 7{,}25) = 4467{,}67 - 48{,}51\,\delta \quad \text{(kWh)}$$

$$\eta_{\text{RTE\_net}}(\delta) = \frac{4467{,}67 - 48{,}51\,\delta}{5081{,}89 + 54{,}82\,\delta}$$

5.4 Scenario's hulpverbruik

Vast hulpverbruik volgens de feitelijke elektrische projectengineering in paragraaf 1.1: 12 clusters HV-box 4,2 kW + verdeelkast 0,6 kW + 6 ontvochtigers 0,78 kW + industriële airco 0,24 kW + noodverlichting/koeling/scherm 0,15 kW + 12 clusters BMS-voeding 0,72 kW + brandmeldcentrale 0,20 kW + videobewaking 0,24 kW + 24V hulpvoeding 0,12 kW, totaal $P_{\text{aux\_fixed}} = 7{,}25 \text{ kW}$. De chillereenheid is in 8 typische statussen gemodelleerd:

Opmerking: De $P_{\text{liq}}$ bij 25%/50%/75% koeling in de scenariotabel is een lineaire interpolatie op basis van het nominale koelingsvermogen van 27,8 kW (exclusief zelfcirculatie-basis 0,74 kW), en wijkt daarmee licht af van de formule $P_{\text{liq\_avg}} = 0{,}74 + 27{,}06 \cdot \delta$ in paragraaf 5.3; voor strikte uniformiteit wordt aanbevolen de formule uit paragraaf 5.3 met expliciete inschakelduur als invoer te gebruiken.

AC-uitval-grensgeval: wanneer alle 12 clusters HV-boxen overschakelen naar de DC-DC 200 W reserve, wordt het vaste hulpvermogen $12 \times 200 + 0{,}6 + 0{,}78 + 0{,}24 + 0{,}15 + 0{,}72 + 0{,}20 + 0{,}24 + 0{,}12 = 5{,}25 \text{ kW}$, met een RTE die iets hoger is dan deze tabel (bij uitgeschakelde vloeistofkoeling ca. 88,7%); dit is echter een noodbedrijfssituatie, en het normale RTE-protocol is gebaseerd op de AC-modus.

Brandalarm-transiënt: wanneer de H₂-detector of rook-/temperatuursensor wordt geactiveerd, gaat de brandmeldcentrale in alarmstatus, de explosieveilige afvoerventilator (240 W) start, en het transiënte hulpvermogen springt met ca. 240 W (ca. 3 seconden); de invloed op de RTE-statistiek is verwaarloosbaar.

5.5 Conclusies en aanbevelingen

• Kern-RTE (25°C meest ideale condities) = 88,48% (step-up transformator 0,99² × PCS 0,98² × batterij DC RTE 0,94). Deze waarde is het theoretische maximum, geldig bij een omgevingstemperatuur van 25°C, optimale batterij-bedrijfstemperatuur, geen hulpverbruik, geen stand-by, SoH=100%, een extreem ideale werkconditie.
• Na opname van het vaste hulpvermogen van 7,25 kW (feitelijke elektrische projectengineering-belastinglijst), bedraagt de netto RTE bij uitgeschakelde vloeistofkoeling 87,97%; bij zelfcirculatie 87,89%; bij 50% koelinschakelduur 86,99%; bij nominale koeling 86,04%.
• 88,5% netto RTE is in dit model niet haalbaar: zelfs bij volledig uitgeschakelde vloeistofkoeling + 25°C ideale condities + 7,25 kW vast hulpvermogen, kan de netto RTE slechts 87,97% bereiken; de theoretische kern-bovengrens van 88,48% vereist gelijktijdige eliminatie van al het hulpverbruik (niet haalbaar).
• 87% netto RTE-regeldoel: afgeleid uit $\eta_{\text{RTE\_net}} \geq 0{,}87$:

  $$\frac{4467{,}67 - 48{,}51\,\delta}{5081{,}89 + 54{,}82\,\delta} \geq 0{,}87$$

  $$4467{,}67 - 48{,}51\,\delta \geq 4421{,}24 + 47{,}69\,\delta \;\Rightarrow\; 46{,}43 \geq 96{,}20\,\delta \;\Rightarrow\; \delta \leq 0{,}483$$

D.w.z. koelinschakelduur moet ≤ 48,3% zijn (komt overeen met de ondergrens van het 50%-koelscenario), het gemiddeld vermogen van de vloeistofkoeling per cyclus moet ≤ 13,81 kW zijn.

• Typisch bedrijfsbereik (25°C ideaal): netto RTE 86,5% – 88,0% (over 25% - 75% koeling), AC-uitvoer per cyclus 4432 – 4457 kWh. In de feitelijke praktijk ligt de RTE doorgaans onder dit bereik door omgevingstemperatuur, batterij-temperatuurstijging, hulpverbruikfluctuaties etc.
• Het totale vermogen van het elektrische hulpsysteem van 7,25 kW is een van de belangrijkste RTE-belastingen: vast verbruik per cyclus 13,0 – 14,7 kWh, wat meer dan een orde van grootte is dan de zelfcirculatie-vloeistofkoeling (1,5 kWh). Optimalisatie van de SMPS-efficiëntie van de 12 clusters HV-boxen (350 W → 280 W) kan ca. 0,4 procentpunt RTE terugwinnen.
• Vloeistofkoeling blijft de dominante RTE-factor: vloeistofkoelingverbruik per cyclus 1,5 kWh (zelfcirculatie) – 57,5 kWh (nominale koeling); vast hulpverbruik ca. 13 kWh, de RTE-verliesbijdrage van vloeistofkoeling + vast hulpverbruik is ca. 75% / 25%.
• De 6 ontvochtigers verbruiken significant: 0,78 kW, zijnde 10,8% van het totale hulpverbruik, verbruik per cyclus 1,58 kWh. Aanbevolen wordt de noodzaak van ontvochtiging te evalueren (op basis van omgevingsvochtsensoren), bedrijf op aanvraag kan ca. 0,2 procentpunt RTE terugwinnen.
• Aanbevolen wordt in het technisch protocol expliciet vast te leggen: RTE-meetpunt (aanbevolen bidirectionele meter aan netzijde), of vloeistofkoeling/brandbestrijding/stand-by/contactdozen zijn inbegrepen, testtemperatuurbereik (referentie 25°C), SOC-venster (0-95%), wijze van hulpverbruikmeting (aanbevolen SMPS-circuit + brandmeldcentrale + 12 clusters BMS afzonderlijk te meten, ten behoeve van herleiding volgens de architectuur van paragraaf 1.1).

5.6 Belastingverificatie hoofdcircuitonderbreker container

Op basis van het totale continue/piekvermogen volgens de tabel in paragraaf 1.1:

6. Aandachtspunten

1. De energieketen in dit rapport is gebaseerd op de aanname van symmetrische laad-/ontlaadefficiëntie, bij 0,5P-bedrijf. Indien de efficiëntie van de feitelijke PCS bij verschillende SOC/vermogensbereiken sterk afwijkt, dient per segment te worden gefit.
2. Kern-RTE 88,48% is het theoretische maximum onder de meest ideale condities van 25°C, corresponderend met de serie-efficiëntie van step-up transformator 0,99², batterij DC RT 0,94 en PCS 0,98². In de praktijk neemt de RTE itemsgewijs af door batterij-temperatuurstijging (>25°C), lijnverliezen, SoH-veroudering (<100%) etc.
3. De inschakelduur van koeling/verwarming van de chillereenheid verschilt significant per omgevingstemperatuur; de RTE dient binnen het protocollaire temperatuurbereik te worden berekend.
4. Naarmate de batterij veroudert, neemt het DC-retourrendement af; de RTE-berekening dient tegelijkertijd een SOH-correctiefactor te introduceren.
5. Indien de ontvochtigers op aanvraag starten/stoppen in plaats van continu op 120 W, dient in de formule de vaste term te worden vervangen door de werkelijke inschakelduur.
6. Alle vermogen-/energie waarden zijn statistieken per cyclus en mogen niet direct worden geëxtrapoleerd naar dagelijkse/maandelijkse data.
7. Bij @25°C 0,5P is het gemeten vloeistofkoeling-vermogen van de container ca. 23 kW + 7,25 kW vast ≈ 30,5 kW totaal vermogen.
8. Het brandbestrijdingssysteem omvat het continue bewaking verbruik van 200 W van de brandmeldcentrale; de explosieveilige afvoerventilator van 240 W wordt alleen bij alarm gestart en is niet opgenomen in de RTE-statistiek; het hoofdcircuit van de nood-waterbrandbestrijding (brandpompen, sprinkler etc.) is niet opgenomen. Indien een project dit feitelijk configureert, dient dit te worden aangevuld (typisch 5 - 10 kW), en moet de totale belastingcapaciteit van de hoofdcircuitonderbreker D100A worden geverifieerd of een aparte tak worden toegevoegd.
9. De 6 AC-ontvochtigers (780 W) draaien continu en zijn 10,8% van het totale hulpverbruik. Aanbevolen wordt het starten/stoppen te baseren op omgevingsvochtsensordata; bedrijf op aanvraag kan ca. 0,2 procentpunt RTE terugwinnen.
10. Onderhouds- en reservecontactdozen (elk 1 kW) zijn als piekreservering aangehouden en niet opgenomen in het RTE continue-hulpverbruikmodel, maar bij feitelijk gebruik ter plaatse dienen deze afzonderlijk te worden gemeten om verstoring van de RTE-protocolafstemming te voorkomen.

Bijlage A Symbooldefinities

A.1 Systeemparameters

A.2 Efficiëntie en referentie-energie

A.3 Tijd en hulpvermogen

A.4 Chillereenheid

A.5 Energie en systeem-niveau RTE

A.6 Symbool naamgevingsconventies

• Subscript in / out duidt energie dat het net in/uit stroomt.
• Subscript ch / dis duidt het laad-/ontlaadproces.
• Subscript aux duidt het hulpsysteem, subscript liq duidt vloeistofkoeling.
• Subscript idle / cool / heat / max duidt de bedrijfsstand van de vloeistofkoeling.
• Subscript max / min (kale subscript) duidt de hoogste/laagste celspanning-/temperatuur (geen vermogensstand).
• Griekse letter $\eta$ staat voor efficiëntie, $\delta$ staat voor inschakelduur (let op onderscheid met DoD), $\Delta$ staat voor verschil.