Systeemrendement en hulpstroomverbruik van C&I energieopslagsystemen

Analyse van de energiestroom en het auxiliair verbruik van één laad-/ontlaadcyclus van een industriële en commerciële energieopslagkast

Dit rapport analyseert de energiestroom van één volledige SOC-cyclus van 125 kW / 261 kWh industriële en commerciële energieopslagkast, DOD 0% → 95% → 0%. De nominale AC-AC RTE van het systeem bedraagt 88,5%; bovenop de PCS-efficiëntie en de DC-round-trip-efficiëntie van de batterij moet het auxiliair verbruik van de vloeistofkoelunit, BMS/EMS en ontvochtiger verder worden afgetrokken.

• Kern-RTE (PCS + batterij, zonder auxiliair): 88,95%
• Elektriciteitsverbruik van de vloeistofkoeling per cyclus bij nominale koelduty cycle: ongeveer 5,8 – 8,1 kWh (van 50% duty cycle tot het maximale vermogensbereik)
• Overeenkomstig netto RTE-bereik van het systeem: 85,15% – 87,48% (van 25% koeling tot nominale koeling, dekt gangbare bedrijfsomstandigheden op locatie)

1. Systeemparameters

2. Bedrading en aansluitpunten

Deze sectie behandelt geen externe bedrading, maar licht de energiemeetpunten toe. Aanbevolen wordt als volgt:

• Meting aan netzijde: bidirectionele meter aan de uitgaande kant van de netschakelaar in de kast, als bron voor de $E_{\text{grid\_in}}$ / $E_{\text{grid\_out}}$ statistieken.
• Meting aan AC-zijde PCS: bidirectionele meter aan de AC-uitgang van de PCS, om de eigen PCS-efficiëntie te verifiëren.
• DC-zijde batterij: DC-busspanningsmeting van de BMS, om de DC round-trip-efficiëntie van de batterij te berekenen.

3. Specificaties vloeistofkoelunit

De unit maakt gebruik van een frequentiegeregelde compressor + frequentiegeregelde circulatiepomp. Hoofdstuursignaal is de temperatuur van individuele cellen ($T_{\max}$ / $T_{\min}$), instelsignaal is de uitgaande vloeistoftemperatuur ($T_{\text{outlet}}$, configureerbaar via de BMS).

3.1 Werkingsmodus-besturingslogica (BMS actief)

Opmerking: $T_{\max}$ / $T_{\min}$ zijn de hoogste/laagste individuele celtemperaturen in de DC-kast; $\Delta T$ is het temperatuurverschil tussen inkomende en uitgaande vloeistof.

3.2 BMS-stroomuitval-beveiligingslogica (BMS inactief)

Bij stroomuitval blijft bovenstaande koel-/verwarmingslogica behouden, en worden twee aanvullende verplichte zelfcirculatiebeveiligingen toegevoegd:

3.3 Modusprioriteit

Koeling > Verwarming > Zelfcirculatie; zelfcirculatie kan direct worden overschreven door de verplichte voorwaarden (3.2).

4. Communicatie

Dit rapport behandelt geen externe communicatieprotocollen, maar beveelt aan om op locatie de volgende interfaces en datapunten uniform te verzamelen, zodat de bovenliggende EMS de RTE kan berekenen:

• BMS → EMS: DC-spanning/-stroom batterij, SOC, SOH, individuele celtemperaturen.
• PCS → EMS: spanning/stroom/vermogen aan AC-zijde, laad-/ontlaadstatus, foutcodes.
• Vloeistofkoelunit → EMS: uitgaande vloeistoftemperatuur, start/stop compressor/waterpomp, huidige modus (koeling/verwarming/zelfcirculatie).

5. Bedieningsstappen en rekenbasis

5.1 Referentie-energiestroom

• DC round-trip-efficiëntie batterij 94%, symmetrisch gesplitst als 96,95% × 96,95%
• PCS laad-/ontlaadefficiëntie beide 97,3%
• DoD = 95%

$$E_{\text{usable}} = 261 \times 95\% = 247,95 \text{ kWh}$$

$$E_{\text{grid\_in\_basic}} = \frac{E_{\text{usable}}}{\eta_{\text{DC-AC}} \times \eta_{\text{AC-AC}}} = \frac{247,95}{0{,}973 \times 0{,}9695} = 262{,}84 \text{ kWh}$$

$$E_{\text{AC\_gross}} = E_{\text{usable}} \times \eta_{\text{AC-AC}} \times \eta_{\text{DC-AC}} = 247{,}95 \times 0{,}9695 \times 0{,}973 = 233{,}91 \text{ kWh}$$

Theoretische systeemefficiëntie zonder vloeistofkoeling en vaste auxiliair verbruik (PCS + batterijkern):

$$\eta_{\text{core}} = \eta_{\text{DC-AC}} \times \eta_{\text{bat\_RT}} \times \eta_{\text{AC-AC}} = 0{,}973 \times 0{,}94 \times 0{,}973 = 88{,}95\%$$

5.2 Energiestroom van één cyclus

• Laadpad: net → PCS (×97,3%) → DC batterij (×96,95%) → opslag 247,95 kWh.
• Ontlaadpad: DC batterij (×96,95%) → PCS (×97,3%) → AC bruto-uitgang 233,91 kWh.
• Vloeistofkoeling en auxiliair verbruik worden als variabele aftakking weergegeven: aan de laadzijde wordt het auxiliair verbruik opgeteld, aan de ontlaadzijde wordt het afgetrokken van de PCS bruto-uitgang.

5.3 Algemene formules

Laat $\delta$ de koelduty cycle zijn (zelfcirculatie-duty cycle $1-\delta$), bij één cyclus op vol vermogen is de laadduur $T_{\text{ch}} = E_{\text{grid\_in\_basic}} / P_{\text{rated}} = 2{,}103 \text{ h}$, de ontlaadduur $T_{\text{dis}} = E_{\text{AC\_gross}} / P_{\text{rated}} = 1{,}871 \text{ h}$.

$$P_{\text{liq\_avg}} = P_{\text{liq,idle}} + k_{\text{cool}} \cdot \delta = 0{,}25 + 2{,}25\delta \quad \text{(kW)}$$

$$E_{\text{grid\_in}} = E_{\text{grid\_in\_basic}} + T_{\text{ch}} \cdot \left( P_{\text{liq\_avg}} + P_{\text{aux\_fixed}} \right) = 262{,}84 + 2{,}103 \cdot \left( P_{\text{liq\_avg}} + 0{,}26 \right) \quad \text{(kWh)}$$

$$E_{\text{grid\_out}} = E_{\text{AC\_gross}} - T_{\text{dis}} \cdot \left( P_{\text{liq\_avg}} + P_{\text{aux\_fixed}} \right) = 233{,}91 - 1{,}871 \cdot \left( P_{\text{liq\_avg}} + 0{,}26 \right) \quad \text{(kWh)}$$

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

Gesloten vorm na substitutie (de tussenliggende variabele $P_{\text{liq\_avg}}$ geëlimineerd):

$$E_{\text{grid\_in}}(\delta) = 262{,}84 + 2{,}103 \cdot (0{,}25 + 2{,}25\delta + 0{,}26) = 263{,}91 + 4{,}732\,\delta \quad \text{(kWh)}$$

$$E_{\text{grid\_out}}(\delta) = 233{,}91 - 1{,}871 \cdot (0{,}25 + 2{,}25\delta + 0{,}26) = 232{,}96 - 4{,}210\,\delta \quad \text{(kWh)}$$

$$\eta_{\text{RTE\_net}}(\delta) = \frac{232{,}96 - 4{,}210\,\delta}{263{,}91 + 4{,}732\,\delta}$$

5.4 Scenario's voor auxiliair verbruik

Vast auxiliair verbruik: BMS + EMS = 200 W, ontvochtiger = 60 W (continu bedrijf), totaal $P_{\text{aux\_fixed}} = 260 \text{ W}$. De vloeistofkoelunit is gemodelleerd volgens 8 typische toestanden:

[1] Zelfcirculatie-trigger: start bij verschil tussen inkomende en uitgaande vloeistof $\Delta T \geq 4\,°C$, stop bij $\Delta T \leq 2\,°C$. Wanneer de batterij in rust is en het temperatuurverschil klein is, is de vloeistofkoeling feitelijk "uit" (0 kW); tijdens laden/ontladen of temperatuurstijging schakelt deze over op "zelfcirculatie" (0,25 kW). Bij BMS-stroomuitval wordt, indien uitgaande temperatuur $T_{\text{outlet}} \geq 38\,°C$ of $\leq 8\,°C$, gedurende 120 s verplicht zelfcirculatie geactiveerd.

5.5 Conclusies en aanbevelingen

• Kern-RTE 88,95%; na toevoeging van 260 W vast auxiliair verbruik bedraagt de netto RTE circa 88,6%; bij zelfcirculatie van de vloeistofkoeling daalt deze tot 88,27%; bij 50% koelduty cycle is dit 86,70%.
• Om de nominale systeem-RTE van 88,5% te garanderen, volgt uit $\eta_{\text{RTE\_net}} \geq 0{,}885$ terugrekenend:

  $$P_{\text{liq\_avg}} + P_{\text{aux\_fixed}} \leq 0{,}348 \text{ kW} \;\Rightarrow\; P_{\text{liq\_avg}} \leq 0{,}088 \text{ kW}$$

  dat wil zeggen: het gecombineerde gemiddelde vermogen per cyclus van vloeistofkoeling + vast auxiliair moet ≤ 0,35 kW zijn (waarbij de vloeistofkoelunit zelf ≤ 0,09 kW, in principe in de uit- of bijna-zelfcirculatierange).
• Voetnoot over zelfcirculatie: volgens de besturingslogica in sectie 3.1 wordt zelfcirculatie uitsluitend geactiveerd bij $\Delta T \geq 4\,°C$ en is dus niet continu. Bij een stilstaande batterij met klein temperatuurverschil is dit feitelijk "vloeistofkoeling uit" (0 kW) en kan de RTE 88,62% bereiken; bij laden/ontladen met temperatuurstijging schakelt deze over op zelfcirculatie (0,25 kW) en is de RTE circa 88,27%. De hierboven genoemde stuurwaarde van ≤ 0,09 kW geldt niet tijdens de door BMS-stroomuitval afgedwongen zelfcirculatie (120 s grensbeveiliging).

6. Aandachtspunten

1. De energiestroom in dit rapport is gebaseerd op de aanname van symmetrische laad-/ontlaadefficiëntie. Indien de PCS op locatie in verschillende SOC-/vermogensbereiken sterk afwijkende efficiënties vertoont, moet een segmentgewijze heranalyse worden uitgevoerd.
2. De duty cycle van koeling/verwarming van de vloeistofkoelunit varieert aanzienlijk bij verschillende omgevingstemperaturen; de RTE moet worden berekend binnen het overeengekomen temperatuurbereik.
3. Indien de ontvochtiger vraaggestuurd in-/uitschakelt in plaats van continu 60 W te draaien, moet de vaste term in de formule worden vervangen door de werkelijke duty cycle.
4. Na veroudering van de batterij daalt de DC round-trip-efficiëntie; bij de RTE-berekening moet tegelijkertijd een SOH-correctiefactor worden geïntroduceerd.
5. Alle vermogens-/energiewaarden zijn statistieken voor één cyclus en mogen niet rechtstreeks worden geëxtrapoleerd naar dagelijkse/maandelijkse gegevens.

Bijlage A Symbooldefinities

A.1 Systeemparameters

A.2 Efficiëntie en referentie-energie

A.3 Tijd en auxiliair vermogen

A.4 Vloeistofkoelunit

A.5 Energie en systeem-RTE

A.6 Symboolnaamgevingsconventies

• Subscript in / out geeft energie die het net in/uit stroomt aan.
• Subscript ch / dis geeft het laad-/ontlaadproces aan.
• Subscript aux verwijst naar het auxiliair systeem, subscript liq naar de vloeistofkoeling.
• Subscript idle / cool / heat / max geeft de bedrijfsstand van de vloeistofkoeling aan.
• Kale subscript max / min geeft de hoogste/laagste individuele celtemperatuur aan (geen vermogensstand).
• Griekse letter $\eta$ staat voor efficiëntie, $\delta$ voor duty cycle (let op het onderscheid met DoD), $\Delta$ voor verschil.