Application note. CalBatt NomoStor per i sistemi di accumulo di energia

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1 1. Panoramica Application note CalBatt NomoStor per i sistemi di accumulo di energia Gli Energy Management Systems () sono dispositivi atti al controllo dei flussi di energia dalle sorgenti di produzione ai carichi e da/verso il sistema di accumulo. Le strategie di gestione tradizionali applicate dagli convenzionali mirano solitamente ad impostare la potenza di carica/scarica del sistema di accumulo ricavandola come semplice risultato della differenza istantanea tra la potenza disponibile dalla sorgente e quella richiesta dai carichi, facendo si che il sistema di accumulo operi in punti di lavoro casuali. Questo approccio "alla cieca" trascura completamente il fatto che l'efficienza e la vita utile del sistema di accumulo sono fortemente influenzati dai profili di potenza di carica/ scarica scelti. Di conseguenza, le strategie di gestione dell'energia convenzionali solitamente portano ad una efficienza reale notevolmente inferiore alla massima efficienza ottenibile dal sistema di accumulo durante il funzionamento ottimale. Ad esempio, risultati sperimentali hanno dimostrato che un sistema di accumulo con un'efficienza massima dell 85% (dotato di batterie di alta qualità e di un inverter con un'efficienza massima di oltre il 95%) può avere una efficienza reale di circa il 70% quando viene gestito da tradizionali. L approccio innovativo di CalBatt ha lo scopo di cambiare il paradigma di gestione dell'energia, introducendo il concetto innovativo di considerare la potenza di carica/ scarica della batteria come un grado di libertà nel definire la migliore strategia di gestione dell'energia (Fig. 1). 1 kwh 0,70 kwh tradizionale Carica Scarica 0,30 kwh Spreco FV Carico Carica Scarica 1 kwh 0,85 kwh con NomoStor Carica Scarica 0,15 kwh Spreco FV Carico Carica Scarica Fig. 1: esempio concettuale che mostra la differenza tra l approccio convenzionale e l approccio innovativo CalBatt per la gestione del sistema di accumulo 1

2 Infatti, in diverse situazioni reali, la potenza di carica/scarica della batteria può essere perfettamente "regolata" al fine di ottenere sempre la migliore pianificazione per l'utilizzo dell accumulo durante il giorno, per garantire la massima efficienza e durata del sistema di accumulo. Questo può consentire un aumento dell efficienza reale dell accumulo fino al 15%, come dimostrato da test sperimentali. Ovviamente, se si considera la potenza di carica/scarica della batteria come un grado di libertà, si pone una domanda fondamentale: "qual è il miglior valore di potenza di carica/scarica da utilizzare in ogni istante di tempo?" Questa risposta è praticamente impossibile da ottenere solo da misure effettuate dai sensori disponibili nel sistema (misuratori di potenza, tensione, corrente, sensori di temperatura, ecc). Perfino i comuni battery monitor esistenti (sia come dispositivi stand-alone o integrati nel Battery Management System (BMS)) sono inutili a questo scopo, perché sono solo in grado di stimare lo stato di carica della batteria e la durata residua. Per risolvere questo problema abbiamo progettato NomoStor, l'innovativo controller dell accumulo basato sulla tecnologia CalBatt brevettata e premiata a livello internazionale. Si tratta di uno strumento di supporto dalle decisioni, posto in comunicazione con l' attraverso un bus di comunicazione dedicato (Fig. 2) e capace di suggerire all il modo più corretto di selezionare la potenza di carica/scarica in ogni istante di tempo. NomoStor è progettato per essere una soluzione estremamente flessibile, che può essere sia incorporata direttamente dal costruttore del sistema di accumulo all interno dell inverter sotto forma di scheda elettronica di espansione, sia usata come dispositivo indipendente da integrare con gli altri dispositivi del sistema. E' fondamentale sottolineare che NomoStor non è assolutamente inteso come sostitutivo dei BMS esistenti. Infatti, i BMS sono normalmente usati per il monitoraggio di tensione, corrente e temperatura di singole celle (o piccoli gruppi di celle) della batteria, per indicare all inverter i valori massimi di potenza di carica/scarica da rispettare per garantire la sicurezza delle condizioni operative della batteria e per eseguire l equalizzazione quando necessario. Invece, NomoStor ha lo scopo di monitorare e controllare l'efficienza complessiva del sistema (tenendo conto sia dell efficienza del convertitore di potenza che della batteria), suggerendo all i migliori valori istantanei da utilizzare per la potenza di carica/scarica, rispettando sempre i valori massimi fissati dal BMS. FV Misuratore Misuratore Flussi di energia Sistema di accumulo Inverter Batteria Carichi Rete Controller inverter BMS Com bus Fig. 2: schema a blocchi che mostra la connessione di CalBatt NomoStor con l del sistema di accumulo 2

3 2. Modalità operative di CalBatt NomoStor NomoStor ha tre modalità operative: Modalità 1: DynAnalysis Modalità 2: MaxEff Modalità 3: WhatEff Queste tre modalità operative si basano sullo scambio di parametri tra NomoStor e l secondo un protocollo di comunicazione specifico. L'elenco dei parametri scambiati tra NomoStor e l, così come i dettagli sul protocollo di comunicazione (standard, velocità di trasmissione, ecc) sono disponibili su richiesta Modalità DynAnalysis Nella modalità DynAnalysis, NomoStor implementa il metodo CalBatt per l'analisi dinamica e la caratterizzazione delle prestazioni di efficienza del sistema di accumulo. L'implementazione del metodo richiede che NomoStor riceva dall i dati relativi ad alcuni parametri operativi rilevanti del sistema di accumulo (tra cui, ad esempio, la tensione della batteria, la corrente ecc.). In questa modalità di funzionamento, NomoStor non restituisce alcun output all (Fig. 3a) Modalità MaxEff L'analisi dinamica effettuata in modalità DynAnalysis permette a NomoStor di predire l efficienza di carica / scarica del sistema di accumulo in ogni possibile condizione operativa, tenendo conto dell'evoluzione delle caratteristiche del sistema di accumulo (soprattutto lo stato di carica della batteria) durante il funzionamento dell'impianto. Queste capacità di previsione uniche permettono a NomoStor di identificare la migliore potenza di carica/scarica per garantire la massimizzazione dell'efficienza. Quando NomoStor funziona in modalità MaxEff, comunica all il valore corretto di potenza di carica/scarica da impostare in ogni istante di tempo per ottenere la massima efficienza, unitamente ad una previsione sul tempo richiesto per completare il processo di carica/scarica (vale la pena sottolineare che il migliore valore di potenza di carica/scarica non è un numero fisso, ma varia istante per istante durante il processo di carica/scarica seguendo la complessa evoluzione dei parametri del sistema di accumulo). DynAnalysis MaxEff Parametri operativi Migliore potenza di carica/scarica a) b) Fig. 3: schemi concettuali delle modalità operative DynAnalysis (Fig. 3a) e MaxEff (Fig. 3b) 3

4 2.3. Modalità WhatEff In alcuni casi, massimizzare l'efficienza dell accumulo può non essere l'unico obiettivo della strategia di gestione dell'energia. Ad esempio, a volte potrebbe essere opportuno identificare profili di carica/scarica sub-ottimi in termini di efficienza, al fine di rispettare eventuali vincoli in termini di tempo di carica/scarica. In questi casi, la migliore strategia di gestione dell'energia è ovviamente quella che permette di ottenere il massimo rendimento rispettando tutti gli altri vincoli. Ciò non può essere ottenuto dall senza conoscere l'impatto della potenza di carica/scarica sull'efficienza del sistema. Per risolvere questo problema, NomoStor è stato progettato per implementare una funzionalità molto utile lavorando nella modalità operativa WhatEff, in cui (Fig. 4): L' invia a NomoStor un valore di test della potenza di carica/scarica; NomoStor calcola e trasmette all i valori previsti di efficienza e tempo di carica/scarica corrispondenti al valore di test selezionato per la potenza di carica/scarica, al fine di consentire all' di decidere la migliore pianificazione dei processi di carica/scarica rispettando i vincoli definiti dall'applicazione. WhatEff Valore di test della potenza di carica/scarica Efficienza e tempo di carica/scarica legati al valore di test della potenza di carica/scarica charging/discharging power 3. Esempio di applicazione Fig. 4: schema concettuale della modalità operativa WhatEff Le funzionalità offerte da CalBatt NomoStor sono evidenziate di seguito per una situazione tipica in cui un sistema di accumulo (con un rendimento massimo dell 85%) viene utilizzato in un impianto FV connesso alla rete come quello di Fig. 2. I due profili in Fig. 5a sono assunti per la potenza disponibile per la carica durante le ore di produzione FV (colore verde) e per la richiesta di carico da soddisfare dal sistema di accumulo in assenza di produzione (colore blu). La Fig. 5b riporta un esempio concettuale di una tipica strategia di gestione eseguita da un convenzionale, secondo la quale: la carica della batteria viene eseguita appena possibile, utilizzando l'intera potenza disponibile fino alla fine del processo (che avviene a batteria completamente carica); la scarica della batteria viene eseguita per soddisfare l'intera domanda di carico fino alla fine del processo (normalmente raggiunta quando lo stato di carica della batteria raggiunge un determinato livello minimo). 4

5 a) b) Potenza disponibile per la carica Carico Gestione tradizionale. Efficienza dell'accumulo: 70% Potenza disponibile per la carica Carico Carica tradizionale Scarica tradizionale Gestione MaxEff. Efficienza dell'accumulo: 85% In questo caso, l'efficienza dell accumulo è 70%, vale a dire inferiore del 15% rispetto a quella massima ottenibile dal sistema. La Fig. 5c riporta invece cosa accade quando l sfrutta le informazioni fornite dal NomoStor nella modalità operativa MaxEff, al fine di garantire la massima efficienza (85%) effettuando profili di carica/scarica perfettamente su misura. A questo scopo: la carica della batteria non viene eseguita dall appena possibile utilizzando l'intera potenza disponibile, ma fissando il valore di potenza di carica ottimale suggerito da NomoStor in ogni istante di tempo; la scarica della batteria viene eseguita impostando la potenza di scarica ottimale suggerito da NomoStor, soddisfacendo così la richiesta di carico in ogni istante di tempo utilizzando un mix di potenza proveniente dalla batteria e dalla rete. Infine, la Fig. 5d mostra l'ulteriore opportunità offerta da NomoStor nella modalità operativa WhatEff. In questo caso, l' può sfruttare le utili previsioni fornite da NomoStor per settare profili sub-ottimi di carica/scarica per soddisfare altri vincoli (ad esempio in termini di tempi di carica/scarica) senza sacrificare eccessivamente la efficienza del sistema, che è 80 % in questo caso. c) Potenza disponibile per la carica Carico Carica MaxEff Scarica MaxEff Gestione WhatEff. Efficienza dell'accumulo: 80% d) Potenza disponibile per la carica Carico Carica WhatEff Carica MaxEff Scarica WhatEff Scarica MaxEff Fig. 5. Esempio di applicazione di NomoStor: 5a) profili tipici della potenza disponibile per la carica e dei carichi; 5b) gestione dell accumulo tradizionale; 5c) gestione dell accumulo secondo la modalità MaxEff di NomoStor; 5d) gestione dell accumulo secondo la modalità WhatEff di NomoStor 5