에너지 전환 시대, BESS 성능을 최적화 하는 시뮬레이션 전략 - CADians System(캐디언스시스템)
세계가 보다 지속 가능한 에너지 환경으로 전환함에 따라, 배터리 에너지 저장 시스템(BESS)은 재생 에너지원의 통합을 가능하게 하고 그리드 회복력을 개선하는 데 중요한 구성 요소로 떠올랐습니다.
바로 이 부분에서 시스템 시뮬레이션이 중요한 역할을 합니다. 엔지니어는 고급 시뮬레이션 도구와 기술을 활용하여 BESS 과제를 정면으로 해결하고, 성능을 최적화하고, 신뢰성을 향상시키며, 에너지 저장 분야의 혁신을 주도할 수 있습니다.
시스템 시뮬레이션을 통해 엔지니어는 광범위한 시나리오를 탐색하고, 다양한 설계 구성을 테스트하고, 실제 세계에 구현하기 전에 솔루션을 검증할 수 있습니다. 궁극적으로 보다 효율적이고 비용 효과적이며 안정적인 BESS 배포가 가능해집니다.
시스템 시뮬레이션이 어떻게 디지털 혁신을 추진하여 BESS 과제를 모두 해결하는지 살펴보겠습니다.
배터리 에너지 저장 시스템은 에너지 산업의 핵심입니다.
배터리 에너지 저장 시스템(BESS)은 태양광 및 풍력과 같은 재생 에너지원에서 생성된 잉여 에너지를 저장하고 수요 급증 시 방출하는 데 중추적인 역할을 합니다. 그러나 BESS의 설계, 최적화 및 운영은 다양한 시스템 구성 요소 간의 복잡한 상호 작용에 대한 포괄적인 이해를 요구하는 수많은 엔지니어링 과제를 안고 있습니다.
Simcenter System Simulation 포트폴리오의 일부인 Simcenter Amesim은 일반적으로 {재생 에너지 + 배터리 + 열 + HVAC + 제어 + 전력 전자 + 그리드}와 같은 다양한 하위 시스템을 결합하는 시스템 통합에 사용됩니다.
Simcenter Amesim을 사용하면 다음과 같은 모든 과제를 해결할 수 있습니다.
BESS 시스템 설계, 크기 조정(컨테이너 수, 배터리) 및 검증
미리 정의된 라이브러리에서 사용 가능한 모든 구성 요소
부하와 소비의 균형을 맞추기 위한 제어, "EMS"(에너지 관리 시스템)
태양광 발전이나 풍력 터빈과 같은 재생 에너지
SoC(충전 상태), 온도, SoH(건강 상태), 노후화된 배터리
컨테이너용 HVAC/에어컨 시스템 성능 최적화
그리드/마이크로그리드, 전력 변환기, 인버터에 대한 연결
주거, 전기 자동차 등의 에너지 소비량
거래 전략 및 균형 메커니즘(BM)/에너지 믹스 및 에너지 가격
미래 예측/예보(날씨, 에너지 가격, 균형)
규정 및 인증 준수
안전성 평가: 배터리 열 폭주, 전류 피크, 퓨즈, 전기 아크, 화재, 폭발
2차 배터리(수명이 다한 EV 배터리 재활용)를 통한 지속 가능성 및 재활용
사용자는 미리 정의된 구성 요소를 드래그 앤 드롭하여(코딩 없이) 조립하여 완전한 시스템을 구축할 수 있습니다. 실행 속도는 매우 빠르지만 
, CPU 시간은 하루/주/연도 전체를 계산하는 데 불과 몇 초/분밖에 걸리지 않습니다. 경제성이나 안전성도 고려했습니다.
꼭 알아두어야 할 중요한 사항
배터리 에너지 저장 시스템(BESS)은 피크 시간대와 비피크 시간대의 부하를 균형 있게 조절할 수 있습니다. 전력 수요는 요일, 시간대, 그리고 계절에 따라 변동합니다.
따라서 전력 수요가 최대치에 달할 때 가격은 가장 비싼 수준에 도달합니다. 반대로, 전력 수요가 낮은 비수기에는 표준 요금이 적용됩니다.
피크 쉐이빙은 배터리 에너지 저장 시스템을 사용하는 사용자가 비수요 시간대에 전력을 저장하고, 피크 시간대에 방전하여 전기 비용을 줄이는 것을 가능하게 합니다.
BESS가 실제로 어떻게 구현되는지 살펴보겠습니다. 사용자는 셀부터 팩, 컨테이너까지 설계를 관리해야 하며, 재생 에너지원과 에너지 소비자를 위한 전력망 측면도 관리해야 합니다.
실제로 컨테이너는 유연하고 확장 가능한 에너지 저장을 위해 배터리를 운송 컨테이너에 보관하는 모듈식 휴대용 솔루션입니다. 이러한 장치는 다양한 위치에 쉽게 배치할 수 있어 임시 또는 원격 전력 수요에 이상적입니다.
이 용기에는 리튬 이온 배터리가 가득 들어 있습니다. 이러한 리튬 이온 배터리는 작고 가벼우며 높은 용량과 에너지 밀도를 가지고 있어 유지 보수가 거의 필요 없고 수명이 깁니다. 또한 급속 충전이 가능하고 자가 방전율이 낮습니다. 단점으로는 비용, 인화성, 극한 온도에 대한 내성 부족, 과충전 및 과방전 등이 있습니다.
에너지 관리 시스템(EMS)은 BESS 및 관련 시스템의 에너지 흐름을 제어하고 모니터링합니다. EMS는 전체 시스템 성능을 관리하고 최적화하는 데 사용되는 데이터를 수집하고 분석하여 BMS(배터리 관리 시스템), 인버터 및 기타 구성 요소를 조정합니다.
마지막으로, 지역별 전력망 시스템을 관리하고 제어하여 재생에너지를 포함한 다양한 에너지원의 에너지 분배를 최적화하는 마이크로그리드 소프트웨어가 있습니다. 실시간 분석 및 자동 제어를 지원하여 안정성과 성능을 유지합니다.
시스템 시뮬레이션은 다양한 설계 요구 사항을 해결하는 데 매우 적합합니다. 몇 가지 기술적 측면과 주요 도구 기능을 살펴보며 좀 더 자세히 살펴보겠습니다.
Simcenter Amesim이 BESS에 적합한 이유
에너지 시장의 새로운 요구에 따라 BESS는 새로운 유연한 운영 패턴에 따라 작동하면서도 더욱 효율적이고 안정적이어야 합니다.
사용자는 BESS를 디지털 방식으로 탐색하여 값비싼 테스트 시간을 단축하고 설계 초기 단계에서 제품에 대한 확신을 얻어야 합니다. 동시에, 경쟁력을 유지하기 위해서는 BESS의 제조 및 운영 비용이 더 저렴해져야 합니다.
실제로 BESS 시스템은 여러 기능과 하위 시스템으로 구분할 수 있습니다. 다행히 Simcenter Amesim은 각 기능을 개별적으로 처리하고, 두 번째 단계로 이를 모두 결합하여 다양한 시나리오에 대한 완전한 동적 거동을 조사할 수 있는 모든 기능을 제공합니다.
실제로 해결해야 할 과제는 매우 많습니다. HVAC 또는 액체/공기 냉각 시스템을 포함한 일반적인 크기 조정이나 열 관리부터, 장기간에 걸친 배터리의 노화 및 SoH(상태) 분석, 전력망/마이크로그리드 연결, 전력 전자 장치, 또는 차수 감소 모델(RM)과 신경망을 활용한 인공지능(AI)까지, 다양한 과제가 존재합니다.
마지막으로, 시스템 시뮬레이션은 제품 개발 프로세스 전반에 걸쳐 모델과 데이터를 재사용하여 연속성을 보장합니다. 회사 내 여러 부서 간의 상호 운용성과 원활한 소통을 보장합니다. 시스템 시뮬레이션은 엔지니어링 문제를 해결하는 디지털 트윈의 공장과 같습니다!
BESS 분석에 필요한 모든 기능
실제로 저희는 Simcenter Amesim을 통해 배터리 및 전기 시스템을 성공적으로 구현해 온 지 수년이 되었습니다. 처음에는 자동차 산업의 전기 자동차를 대상으로 했습니다. 현재 에너지 산업에서는 유사한 유형의 배터리를 재생 에너지에 재사용하는 추세가 지속되고 있습니다.
따라서 검증된 기술을 이러한 새로운 유형의 BESS 애플리케이션에 맞게 적용할 수 있습니다. 핵심은 시스템을 이러한 새로운 요구 사항(승용차의 [kWh] 대신 [MWh] 또는 [GWh] 용량)에 맞춰 확장하고, 다양한 BESS 콘텐츠(랙, 컨테이너, 전체 시스템 등)를 나타내도록 디지털 트윈을 패키징하는 것입니다.
저희는 처음부터 시작하는 것이 아니라, 즉시 사용 가능한 템플릿으로 구성된 기존 데이터베이스를 기반으로 작업을 진행합니다. 집중 매개변수 모델을 사용한 이산화 열 네트워크를 포함한 시스템 시뮬레이션을 통해 100% 완료하거나, 1D/3D 결합(일반적으로 상세 유체 및 열 분석에는 3D CFD 사용), 차수 감소 모델(ROM), 또는 신경망을 활용한 인공지능(AI)을 활용하여 더욱 심도 있는 분석을 수행합니다. 이를 통해 사용자는 몇 초의 CPU 시간 안에 긴 시나리오를 매우 빠르게 분석할 수 있습니다.
사용자는 주요 안전 문제인 배터리 열 폭주를 조사할 수도 있습니다. 시스템 시뮬레이션을 통해 배터리 모듈 내부에서 열 확산을 돕거나 방지하는 셀 열 거동의 영향을 쉽게 평가할 수 있습니다.
HVAC(냉방) 또는 액체/공기 냉각을 이용한 컨테이너 냉각과 버스바의 영향 또한 가능합니다. 사용자는 Simcenter STAR-CCM+가 Simcenter Amesim에 직접 통합된 "eCFD"("임베디드 CFD")를 사용하여 Simcenter Amesim 내에서 3D CFD 계산을 직접 결합하여 컨테이너의 3D 환경(입구 및 출구 위치, 컨테이너 지붕에 대한 태양 복사의 영향 등) 내에서 1D 서브시스템과 제어를 결합한 3D 유선, 속도 프로파일 및 온도 구배를 얻을 수 있습니다. 이를 통해 고정밀 3D CFD 모델의 모든 세부 정보를 얻는 동시에 시스템 시뮬레이션 설명의 장점을 유지하면서 빠른 CPU 시간을 확보할 수 있습니다.
마지막으로, BESS 컨테이너의 랙, 모듈, 구획 구성은 Simcenter Amesim for Virtual Commissioning을 통해 수년간 데이터 센터 냉각 시스템에 적용되어 온 방식과 유사합니다. Simcenter Amesim for Virtual Commissioning은 시스템 시뮬레이션과 PLC를 고유한 프레임워크 내에 통합하여 구현합니다. 이를 통해 제어 로직과 시나리오를 사전에 테스트하여 관련 하드웨어 장치에 맞게 맞춤 설정된 소프트웨어를 사용하여 현장에 구현했을 때 성공적인 결과를 얻을 수 있습니다. 이를 통해 처음부터 최적의 운영 결과를 얻을 수 있습니다!
완벽한 시스템 통합
녹색 수소 생산 과 마찬가지로 , 사용자는 풍력 터빈, 태양광 패널 등을 통해 수개월에 걸쳐 생산되는 실제 시나리오에서 BESS의 성능을 몇 초 안에 예측할 수 있습니다. 최종적으로 녹색 에너지가 생산되어 BESS에 저장되고, 최적의 필요 시점에 전력망에 공급되어 주택(건물, 주택)이나 플랜트/공장에서 사용됩니다. 이를 통해 탄소 발자국을 크게 줄일 수 있습니다.
여기에 제시된 모델은 기상 조건과 시스템 현지화에 따라 시스템 성능을 예측합니다. 1년(12개월) 동안 몇 분 만에 실행되는 빠른 시뮬레이션을 통해 여러 아키텍처 또는 구성 요소 크기를 평가하여 가장 효율적이고 수익성 있는 설계를 선택할 수 있습니다. 정말 값진 성과입니다!
입력 측면에서는 태양광 패널과 같은 간헐적인 재생 에너지원을 정확하게 예측할 수 있습니다. 따라서 누구나 자신의 고유한 운영 조건을 시뮬레이션하여 시스템 작동 방식을 파악할 수 있습니다. 태양광 패널의 크기 조정은 태양 전지판 수, 셀 수, 그리고 단일 셀 면적을 통해 가능합니다. 현재 위치 도시 
나 GPS 위치 
, 날씨(흐림 여부) , 지면 반사 계수 또는 탁도 계수를 입력할 수 있습니다. 그러면 하루 또는 몇 달 동안 
생산된 에너지를 확인할 수 있으므로 모든 계절에 대한 결과를 알 수 있습니다 .
출력 측면에서는 전력 전자 장치(인버터, AC/DC 컨버터 등) 및 마이크로그리드까지 "순수" 전기 측면을 더욱 자세히 살펴볼 수 있습니다. 월별 전력 구성을 확인할 수 있습니다. 예를 들어, 12월(겨울)과 6월(여름)의 전력 구성을 비교해 볼 수 있습니다. 마지막으로 전력 부하와 호환되는지, 그리고 모든 전력이 그리드에 제대로 공급되는지 확인할 수 있습니다.
BESS를 통해 귀사의 지속 가능성 측면에서 좋은 성과를 달성하는 데 시스템 시뮬레이션이 완벽하고 적합하다고 말씀드리고 싶습니다.
훌륭한 결과를 도출하는 이러한 모든 역량에 모두가 깊은 인상을 받았습니다. 하지만 "설계 시뮬레이션"을 통한 제품 엔지니어링 프로세스에서만 시스템 시뮬레이션 기능을 활용하여 BESS 목표를 달성할 수 있는 것은 아닙니다. "운영 시뮬레이션"을 통해 하드웨어 장치와 가까운 현장에서 실질적인 이점을 직접 얻을 수도 있습니다.
요약
요약하자면, 제품 개발에 BESS를 도입하려면 전략적 접근 방식, 초기 단계 고려 사항, 그리고 복잡성을 탐색하고 BESS를 경쟁 우위로 활용하기 위한 물리 기반 디지털 트윈과 같은 고급 도구가 필요합니다.
디지털화 덕분에 시스템 시뮬레이션은 확실히 BESS 여정에서 성공하는 데 도움이 됩니다.
Simcenter Amesim에 대해 자세히 알아보세요
Simcenter Amesim 은 시스템 시뮬레이션 엔지니어가 메카트로닉스 시스템의 성능을 가상으로 평가하고 최적화할 수 있도록 하는 선도적인 통합형 확장 가능 시스템 시뮬레이션 플랫폼입니다.
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