Sullo sfondo della costruzione accelerata di nuovi sistemi energetici, i sistemi di stoccaggio dell’energia, come componente fondamentale per bilanciare l’offerta e la domanda di energia e migliorare la resilienza della rete, sono progettati attorno alla conversione della forma di energia, al controllo collaborativo del sistema e al funzionamento sicuro ed economico. L’obiettivo è ottenere uno stoccaggio flessibile e un rilascio preciso di energia elettrica attraverso un’architettura scientifica. L’obiettivo principale della progettazione non è solo soddisfare i requisiti di potenza e capacità di scenari specifici, ma anche raggiungere un equilibrio ottimale tra sicurezza, efficienza, durata ed economia.
La progettazione dei sistemi di accumulo dell'energia inizia con la selezione della logica alla base dei meccanismi di conversione dell'energia. L'accumulo di energia elettrochimica si basa sulla reazione reversibile "elettrochimica-elettrochimica", ottenendo l'accumulo di energia attraverso la reazione redox dei materiali degli elettrodi positivi e negativi: durante la carica, l'energia elettrica spinge i portatori di carica (come gli ioni di litio) a migrare e incorporarsi nell'elettrodo negativo, convertendoli in energia chimica; durante la scarica, i portatori di carica ritornano all'elettrodo positivo e l'energia chimica viene riconvertita in energia elettrica. L’immagazzinamento fisico dell’energia si basa sulla conversione di forme di energia macroscopiche. Ad esempio, l’accumulo idroelettrico con pompaggio utilizza l’elettricità per azionare una pompa per aumentare l’energia potenziale dell’acqua e, durante la produzione di energia, l’acqua che cade aziona una turbina per convertire l’energia potenziale in energia elettrica. Lo stoccaggio dell'aria compressa utilizza l'elettricità per comprimere il gas e immagazzinare l'energia della pressione; quando rilascia energia, il gas ad alta-pressione si espande e aziona un generatore. Diversi meccanismi di conversione determinano la velocità di risposta del sistema, la densità di energia e gli scenari applicabili. La progettazione deve innanzitutto ancorare il percorso tecnologico in base ai requisiti.
La progettazione dell'architettura del sistema enfatizza il coordinamento e la gestione gerarchica di più moduli. Un sistema di accumulo dell’energia completo è costituito da unità di accumulo dell’energia, un sistema di conversione dell’energia (PCS), un sistema di gestione della batteria (BMS), un sistema di gestione dell’energia (EMS) e sistemi ausiliari (controllo della temperatura, protezione antincendio, monitoraggio). L'unità di accumulo dell'energia è il nucleo dell'accumulo di energia e i suoi metodi di connessione in serie e in parallelo devono essere ottimizzati in base ai requisiti di tensione, capacità e ridondanza target. Il PCS (Power Control System) è responsabile della conversione CA/CC e della regolazione dell'alimentazione e la sua topologia (ad esempio due-livelli o tre-livelli) deve corrispondere al livello di alimentazione e ai requisiti di efficienza del sistema. Il BMS (sistema di gestione della batteria), che funge da "terminazioni nervose", deve ottenere un monitoraggio in tempo reale-e un controllo bilanciato della tensione, della temperatura e della resistenza interna delle singole celle per prevenire guasti a cascata causati da sovraccarico localizzato e scaricamento eccessivo. L'EMS (Electric Power Management System) è il "cervello", che ottimizza dinamicamente le strategie di carica e scarica e coordina le azioni di ciascun modulo in base al carico della rete, alla produzione di energia rinnovabile e ai segnali del prezzo dell'elettricità. I sistemi ausiliari forniscono protezione ambientale per le funzioni principali di cui sopra; ad esempio, il sistema di controllo della temperatura mantiene le celle in funzione entro un intervallo di temperatura adeguato (tipicamente 25 gradi ±5 gradi) e il sistema di protezione antincendio costruisce una linea di difesa di allarme tempestivo e di soppressione contro gli incendi.
La progettazione deve integrare profondamente le caratteristiche e i vincoli dello scenario. Lo stoccaggio di energia lato rete- enfatizza la risposta rapida e le capacità di regolazione su larga-scala, richiedendo prestazioni dinamiche migliorate del sistema di generazione di energia (PCS) e compatibilità con la rete-del sistema di stoccaggio di energia (EMS). Lo stoccaggio di energia lato fonte di alimentazione- deve adattarsi alle fluttuazioni della produzione di energia rinnovabile, ottimizzando la tolleranza del BMS alla carica e alla scarica intermittente. Lo stoccaggio energetico lato utente- dà priorità all'economia e all'utilizzo dello spazio, bilanciando la configurazione della capacità e i costi di installazione e può utilizzare l'integrazione modulare per risparmiare spazio. Inoltre, il progetto deve riservare interfacce di espansione per accogliere futuri aggiornamenti di capacità o iterazioni tecnologiche.
La sicurezza e l’efficienza economica sono cruciali durante l’intero ciclo di vita. Dal punto di vista della sicurezza, è necessario costruire un sistema di difesa a più-strati attraverso la progettazione dell'isolamento elettrico, la protezione da sovratensione e sovracorrente e meccanismi di allarme precoce di instabilità termica. Da un punto di vista economico, per aumentare i vantaggi del ciclo di vita sono necessari una migliore efficienza di conversione energetica (ad esempio, efficienza PCS maggiore o uguale al 95%), una durata del ciclo estesa (ad esempio, conteggio dei cicli di progettazione maggiore o uguale a 6000 volte) e un consumo energetico ridotto del sistema ausiliario.
In sintesi, il principio di progettazione dei sistemi di accumulo dell'energia è un processo di integrazione tecnologica basato su meccanismi di conversione dell'energia, incentrato sulla collaborazione multi-modulo, guidato dall'adattamento dello scenario e vincolato dalla sicurezza e dall'economia. La sua essenza è quella di trasformare unità discrete di accumulo dell’energia in un sistema di regolazione energetica percepibile, controllabile e ottimizzabile attraverso un’architettura scientifica, fornendo un supporto chiave ai nuovi sistemi energetici per far fronte all’elevata percentuale di accesso alle energie rinnovabili.
