Efektywne zarządzanie magazynami energii opartymi na bateriach litowo-jonowych: kluczowe aspekty techniczne i bezpieczeństwa

19.05.2025 Informacje produktowe

Dariusz Molenda

Producent: MOXA

Energetyka

Systemy Battery Energy Storage Systems (BESS) odgrywają kluczową rolę w transformacji energetycznej. Umożliwiają efektywne zarządzanie energią, integrację z OZE i stabilizację sieci. Kluczowe dla inwestorów i inżynierów OT są:

znajomość budowy systemu BESS,
kwestie bezpieczeństwa
komunikacja i integracja z systemami zarządzania.

Budowa magazynu energii: od ogniwa do kontenera

Magazyny energii składają się z kilku warstw:

Cele (Cells)

Podstawowy element magazynu energii, zazwyczaj 3,2 V / 280 Ah (lub inne warianty zależne od producenta). W trakcie pracy należy dbać o prawidłowe parametry ładowania i rozładowania.

Pakiety (Battery Modules/Packs)

Grupa połączonych szeregowo (dla podniesienia napięcia) i równolegle (dla zwiększenia pojemności) ogniw. Przykładowo jeden pakiet 16S1P składa się z 16 połączonych w szereg celi.

Regały (Racks)

Zbiór wielu pakietów, tworzących klaster baterii. W jednym regale może znajdować się nawet kilkaset ogniw, a napięcie oraz pojemność regału pozwalają zasilić odbiory przemysłowe lub dostarczyć energię do sieci.

Kontener (Container)

Na potrzeby dużych instalacji regały są montowane w większych jednostkach, wyposażonych w system chłodzenia, system przeciwpożarowy, a także szereg czujników i urządzeń do monitorowania środowiska wewnątrz kontenera. Jeden kontener potrafi zmieścić nawet kilkadziesiąt tysięcy ogniw i zgromadzić energię rzędu kilku megawatogodzin.

Na tym etapie inwestorzy i inżynierowie powinni zwracać uwagę na to, jak wybrana konfiguracja ogniw, modułów i regałów wpływa na rozmiar, koszty i wydajność całego systemu.

Zarządzanie termiczne – kluczowa kwestia w BESS

W bateriach litowo-jonowych, zwłaszcza dużej mocy (jak w przypadku BESS), nadmierne nagrzewanie się ogniw potrafi doprowadzić do niebezpiecznych sytuacji. Thermal runaway to gwałtowny wzrost temperatury wewnątrz ogniwa, który może doprowadzić do pożaru lub eksplozji. Wysoka temperatura przyspiesza reakcje chemiczne, generuje dodatkowe ciepło i może uruchomić reakcję łańcuchową w kolejnych modułach.

Zintegrowane systemy chłodzenia (HVAC, TCS – Temperature Control System) oraz monitorowania temperatury w kontenerze są niezbędne, aby zapobiegać takim incydentom. Warto wspomnieć przykład awarii z roku 2021 w jednym z dużych projektów baterii litowo-jonowy. Zdarzenie to pokazało, że ewentualny pożar w baterii musi być gaszony bardzo ostrożnie (w opisywanym przypadku trwał cztery dni) i nawet po nominalnym ugaszeniu mogą zachodzić reakcje elektrochemiczne wewnątrz ogniw.

Wielowarstwowy system zarządzania bateriami (BMS)

Aby efektywnie sterować tak rozbudowaną strukturą baterii (od celi, przez moduł i regał, aż po cały kontener), producenci wdrażają BMS (Battery Management System). W nowoczesnych instalacjach BESS BMS ma z reguły kilka warstw:

Pack BMS (BMU) na poziomie modułów, zbierający dane o napięciu, prądzie i temperaturze poszczególnych celi, a także przeprowadzający aktywne lub pasywne balansowanie.
String BMS (BCU) na poziomie regału, odpowiedzialny za monitorowanie całego pakietu, raportowanie SoC (State of Charge) i SoH (State of Health), a także funkcje zabezpieczające (przed przepięciami i przegrzaniem).
System BMS (BAU, BAMS, BMSU) w skali całego kontenera, który komunikuje się z warstwami niższymi i dostarcza dane do nadrzędnego systemu zarządzania energią (EMS). W tym miejscu występują najczęściej protokoły komunikacyjne takie jak CANbus, Modbus RTU/TCP oraz interfejsy RS-232/485 czy Ethernet.

Kluczowe zadania BMS to:

ciągły pomiar parametrów pracy baterii (napięcia, prądu, temperatury),
balansowanie ogniw,
zapobieganie stanom przeciążenia i przegrzania,
gromadzenie danych do celów diagnostycznych oraz predykcji trwałości baterii,
współpraca z systemem chłodzenia i systemami zewnętrznymi, np. alarmowymi.

System zarządzania energią (EMS) i układy pomocnicze

EMS (Energy Management System) to warstwa nadrzędna, która dba o optymalizację pracy magazynu energii w zależności od warunków sieciowych, sygnałów cenowych czy bieżącego zapotrzebowania na moc. W mniejszych instalacjach komercyjno-przemysłowych (C&I) EMS może być wbudowany w kontener (tzw. local EMS). W dużych projektach bywa instalowany oddzielnie w osobnym centrum sterowania.

Dodatkowo każdy kontener jest wyposażony w systemy wspomagające, które pełnią istotną rolę w zapewnieniu bezpieczeństwa oraz ciągłości dostaw energii:

FES (Fire Extinguishing System) – system gaśniczy działający automatycznie w przypadku wykrycia dymu lub temperatur przekraczających dopuszczalne wartości,
TCS (Temperature Control System) – system chłodzenia/ogrzewania utrzymujący właściwy zakres temperatur,
Monitoring środowiskowy – czujniki dymu, zawartości gazów, wilgotności, kamery, itp.,
HVAC – w skrajnych warunkach konieczne jest aktywne chłodzenie lub ogrzewanie pomieszczenia, w którym znajdują się regały z bateriami.

Aspekty bezpieczeństwa i wnioski dla sieci OT

Dla inżynierów teleinformatyki i systemów OT kluczowe jest zapewnienie niezawodnej komunikacji i monitoringu BESS, co oznacza:

Wytrzymała infrastruktura komunikacyjna:

Urządzenia pracujące wewnątrz kontenera (np. routery, switche Ethernet, konwertery protokołów) muszą być przystosowane do pracy w trudnych warunkach temperaturowych.

Redundancja połączeń i zasilania jest istotna, by nawet w przypadku awarii jednego elementu system zarządzania mógł nadal zbierać dane.

Cyberbezpieczeństwo:

Możliwość zdalnego dostępu do EMS i BMS powoduje, że systemy te muszą być chronione przed próbami nieautoryzowanego dostępu.

W rozwiązaniach klasy przemysłowej stosuje się szyfrowanie, zapory sieciowe (firewalle), segmentację sieci, a także mechanizmy IDS/IPS.

Analiza danych:

Z reguły w BESS generowane są tysiące danych na sekundę, odczytywanych z modułów bateryjnych i czujników w kontenerze.

Wdrożenie systemu IoT/Edge Computing pozwala przetwarzać część informacji na poziomie lokalnym (analiza w czasie rzeczywistym), a następnie wysyłać zwięzłe raporty do chmury bądź centralnego SCADA.

Integracja z siecią elektroenergetyczną:

Dobrze zaprojektowane BESS może pracować w trybie szczytowego odciążania sieci, poprawy jakości zasilania (np. kompensacji mocy biernej), a także jako zasób rezerwowy w sytuacjach awaryjnych.

Z poziomu EMS w czasie rzeczywistym zarządza się ładowaniem lub oddawaniem energii w odpowiedzi na dynamicznie zmieniające się warunki na rynku czy w zakładzie przemysłowym.

Rozwiązania OT dla kontenerowych magazynów energii

Na ostatnim zdjęciu zaprezentowano przykładową architekturę komunikacji i sterowania w kontenerowym magazynie energii (BESS), w której różne urządzenia i podsystemy współdziałają, aby zapewnić ciągłość oraz bezpieczeństwo pracy systemu. W tym ujęciu wyróżniono m.in. rozwiązania firmy Moxa, dostarczającej przemysłowe urządzenia sieciowe do komunikacji, monitorowania i sterowania w aplikacjach przemysłowych. Poniżej krótki przegląd tych elementów i ich roli w BESS:

BMS (Battery Management System)

IPC (Arm-based computers)

W warstwie BMS niezbędne są komputery zdolne do przetwarzania dużej liczby danych w czasie rzeczywistym, przy zachowaniu wysokiej niezawodności i odporności na zmienne temperatury panujące wewnątrz kontenera. Urządzenia IPC (Industrial PC) mogą pełnić funkcję węzła obliczeniowego, wspomagającego m.in. aktywne lub pasywne balansowanie ogniw, analizę danych (SoC, SoH) czy współpracę z protokołem CANbus.

Systemy pomocnicze (Auxiliary system)

Zadaniem tych rozwiązań jest m.in. utrzymanie optymalnej temperatury wewnątrz kontenera, zarządzanie klimatyzacją czy wymianą powietrza.

Serial Device Server (np. NPort 5000/6000)

Pozwala on na integrację urządzeń komunikujących się po interfejsach szeregowych (RS-232/485) z siecią IP (Ethernet). To szczególnie przydatne w przypadkach, gdzie czujniki środowiskowe lub sterowniki wymagają zdalnego dostępu i centralnej kontroli.

Ethernet Remote I/O (ioLogik)

Moduły zdalnych wejść/wyjść służą do zbierania danych z czujników temperatury, wilgotności czy dymu oraz do sterowania elementami wykonawczymi (np. wentylatorami). Dzięki temu inżynierowie OT mogą monitorować warunki w kontenerze i reagować w czasie rzeczywistym (np. włączyć dodatkowe chłodzenie lub alarm).

EMS (Energy Management System)

IPC (x86 lub Arm-based)

Komputery przemysłowe (IPC) pełnią rolę nadrzędnego kontrolera, który zarządza pracą całego BESS – wysyła komendy do BMS, odczytuje parametry z systemów pomocniczych i komunikuje się z zewnętrznymi systemami SCADA lub chmurowymi.

Warstwa sieciowa OT

Ethernet Switch (EDS Series)

Przemysłowe switche Ethernet muszą zapewniać nie tylko niezawodne połączenia w trudnych warunkach temperaturowych, ale też funkcje redundancji (np. RSTP, Turbo Ring, Turbo Chain), które w razie awarii jednego łącza automatycznie przełączą ruch na ścieżkę zapasową.

Secure Router (EDR Series)

Routery i firewalle do zabezpieczenia komunikacji w sieci OT. Odpowiednia polityka bezpieczeństwa, szyfrowanie danych, inspekcja protokołów przemysłowych to kluczowe elementy ochrony przed nieautoryzowanym dostępem.

Architektura BESS pokazana na slajdzie demonstruje, jak różne produkty Moxa – od przemysłowych komputerów IPC i modułów I/O, przez switche i routery, aż po serwery portów szeregowych – współpracują w ramach jednego, wielowarstwowego środowiska. Dzięki temu możliwe jest kompleksowe, niezawodne i bezpieczne zarządzanie magazynem energii – co z perspektywy inwestorów i inżynierów OT stanowi fundament skalowalnych i nowoczesnych systemów BESS.

Rola urządzeń Moxa w BESS

Urządzenia i rozwiązania Moxa pełnią kluczową rolę w systemach BESS, zapewniając nie tylko niezawodną łączność przemysłową, ale także bezpieczeństwo, skalowalność i długoterminową stabilność całej infrastruktury. Pozwala to efektywnie integrować i zarządzać magazynami energii, minimalizować ryzyko awarii oraz optymalizować koszty eksploatacji.

W obliczu dynamicznego rozwoju rynku BESS, kompleksowa oferta Moxa – obejmująca switche Ethernet, konwertery protokołów, routery zabezpieczające czy komputery brzegowe – pozwala elastycznie dostosowywać się do różnorodnych wymagań projektów magazynowania energii.

Dowiedz się więcej o naszych rozwiązaniach na dedykowanej stronie.

Podsumowanie: nowoczesne BESS to więcej niż tylko bateria

Magazyny energii to zaawansowane technologicznie systemy, w których zarówno inwestorzy, jak i inżynierowie sieci OT muszą rozumieć nie tylko podstawy, lecz także wielopoziomowy charakter zarządzania (od BMS po EMS), specyfikę chłodzenia i gaszenia pożarów czy zabezpieczenia przed przeciążeniem.

Architektura komunikacyjna, cyberbezpieczeństwo oraz zdolność do analizy ogromnych wolumenów danych mają niebagatelne znaczenie dla utrzymania ciągłości działania i minimalizacji ryzyka awarii.

Z uwagi na rosnące znaczenie magazynów energii w transformacji energetycznej, inwestycje w dobrze zaprojektowane i zabezpieczone BESS mogą stanowić kluczowy element strategii dla przedsiębiorstw pragnących wykorzystać potencjał odnawialnych źródeł energii i wspomóc stabilność sieci.