През последните 50 години е имало непрекъснато нарастване на потреблението на електроенергия в световен мащаб, с приблизително потребление от около 25 300 тераватчаса през 2021 г. С прехода към индустрия 4.0 има увеличение на търсенето на енергия в целия свят. Тези числа се увеличават всяка година, без да се включват енергийните изисквания на промишлените и други икономически сектори. Тази индустриална промяна и високата консумация на енергия са съчетани с по-осезаеми ефекти от изменението на климата поради прекомерни емисии на парникови газове. Понастоящем повечето централи и съоръжения за производство на електроенергия разчитат в голяма степен на източници на изкопаеми горива (нефт и газ), за да отговорят на тези изисквания. Тези опасения за климата забраняват генерирането на допълнителна енергия с помощта на конвенционални методи. По този начин разработването на ефективни и надеждни системи за съхранение на енергия става все по-важно за осигуряване на непрекъснато и надеждно снабдяване с енергия от възобновяеми източници.
Енергийният сектор отговори, като се насочи към възобновяема енергия или „зелени“ решения. Преходът беше подпомогнат от подобрени производствени техники, водещи например до по-ефективно производство на лопатки на вятърни турбини. Освен това изследователите са успели да подобрят ефективността на фотоволтаичните клетки, което води до по-добро генериране на енергия за всяка област на използване. През 2021 г. производството на електроенергия от слънчеви фотоволтаични (PV) източници се увеличи значително, достигайки рекордните 179 TWh и представляващо ръст от 22% в сравнение с 2020 г. Слънчевата фотоволтаична технология сега представлява 3,6% от световното производство на електроенергия и в момента е третата по големина възобновяема енергия енергиен източник след хидроенергията и вятъра.
Въпреки това, тези пробиви не решават някои от присъщите недостатъци на системите за възобновяема енергия, главно наличността. Повечето от тези методи не произвеждат енергия при поискване като електроцентрали на въглища и петрол. Изходите на слънчева енергия са например налични през целия ден с вариации в зависимост от ъглите на слънчево излъчване и разположението на фотоволтаичните панели. Той не може да произвежда никаква енергия през нощта, докато мощността му е значително намалена през зимния сезон и в много облачни дни. Вятърната енергия също страда от колебания в зависимост от скоростта на вятъра. Следователно, тези решения трябва да бъдат съчетани със системи за съхранение на енергия, за да се поддържа енергийното снабдяване по време на периоди с ниска мощност.
Какво представляват системите за съхранение на енергия?
Системите за съхранение на енергия могат да съхраняват енергия, за да се използват на по-късен етап. В някои случаи ще има форма на преобразуване на енергия между съхранената енергия и предоставената енергия. Най-често срещаният пример са електрически батерии като литиево-йонни батерии или оловно-киселинни батерии. Те осигуряват електрическа енергия чрез химични реакции между електродите и електролита.
Батериите или BESS (система за съхранение на енергия от батерии) представляват най-разпространения метод за съхранение на енергия, използван в ежедневните приложения. Съществуват и други системи за съхранение, като водноелектрически централи, които преобразуват потенциалната енергия на водата, съхранявана в язовир, в електрическа енергия. Водата, падаща надолу, ще завърти маховика на турбина, която произвежда електрическа енергия. Друг пример е сгъстеният газ, при освобождаване газът ще завърти колелото на турбината, произвеждайки енергия.
Това, което отличава батериите от другите методи за съхранение, са техните потенциални области на действие. От малки устройства и автомобилно захранване до домакински приложения и големи соларни ферми, батериите могат да бъдат интегрирани безпроблемно към всяко приложение за съхранение извън мрежата. От друга страна, методите за хидроенергия и сгъстен въздух изискват много големи и сложни инфраструктури за съхранение. Това води до много високи разходи, които изискват много големи приложения, за да бъдат оправдани.
Случаи на използване на системи за съхранение извън мрежата.
Както бе споменато по-рано, системите за съхранение извън мрежата могат да улеснят използването и разчитането на методи за възобновяема енергия като слънчева и вятърна енергия. Въпреки това има други приложения, които могат да се възползват значително от такива системи
Градските електрически мрежи имат за цел да осигурят точното количество енергия въз основа на търсенето и предлагането на всеки град. Необходимата мощност може да варира през деня. Системите за съхранение извън мрежата са използвани за намаляване на колебанията и осигуряване на повече стабилност в случаи на пиково търсене. От друга гледна точка, системите за съхранение извън мрежата могат да бъдат много полезни за компенсиране на всяка непредвидена техническа повреда в главната електрическа мрежа или по време на планирани периоди на поддръжка. Те могат да отговорят на изискванията за мощност, без да се налага да търсят алтернативни източници на енергия. Може да се цитира например ледената буря в Тексас в началото на февруари 2023 г., която остави приблизително 262 000 души без електричество, докато ремонтите бяха забавени поради трудните метеорологични условия.
Електрическите превозни средства са друго приложение. Изследователите са положили много усилия за оптимизиране на производството на батерии и стратегиите за зареждане/разреждане, за да удължат живота и плътността на мощността на батериите. Литиево-йонните батерии са в челните редици на тази малка революция и се използват широко в нови електрически автомобили, но също и в електрически автобуси. По-добрите батерии в този случай могат да доведат до по-голям пробег, но и до намалено време за зареждане с правилните технологии.
Други технологични постижения, като UAV и мобилни роботи, са се възползвали значително от развитието на батериите. Там стратегиите за движение и стратегиите за управление разчитат в голяма степен на капацитета на батерията и осигурената мощност.
Какво е BESS
BESS или система за съхранение на енергия от батерии е система за съхранение на енергия, която може да се използва за съхраняване на енергия. Тази енергия може да идва от главната мрежа или от възобновяеми енергийни източници като вятърна енергия и слънчева енергия. Състои се от множество батерии, подредени в различни конфигурации (серия/паралел) и оразмерени според изискванията. Те са свързани към инвертор, който се използва за преобразуване на постояннотоковото захранване в променливотоково за употреба. Система за управление на батерията (BMS) се използва за наблюдение на състоянието на батерията и операцията по зареждане/разреждане.
В сравнение с други системи за съхранение на енергия, те са особено гъвкави за поставяне/свързване и не изискват много скъпа инфраструктура, но все пак имат значителна цена и изискват по-редовна поддръжка в зависимост от употребата.
BESS оразмеряване и навици за използване
Решаващ момент, който трябва да имате предвид при инсталирането на система за съхранение на енергия от батерии, е оразмеряването. Колко батерии са необходими? В каква конфигурация? В някои случаи типът батерия може да играе решаваща роля в дългосрочен план по отношение на спестяване на разходи и ефективност
Това се прави за всеки отделен случай, тъй като приложенията могат да варират от малки домакинства до големи промишлени предприятия.
Най-разпространеният възобновяем източник на енергия за малките домакинства, особено в градските райони, е слънчевата енергия, използваща фотоволтаични панели. Като цяло инженерът ще вземе предвид средната консумация на енергия на домакинството и ще оцени слънчевото излъчване през годината за конкретното местоположение. Броят на батериите и тяхната конфигурация на мрежата са избрани така, че да отговарят на нуждите на домакинството по време на най-ниското слънчево захранване за годината, като същевременно не изтощават напълно батериите. Това предполага решение за пълна енергийна независимост от главната мрежа.
Поддържането на сравнително умерено ниво на зареждане или непълното разреждане на батериите е нещо, което в началото може да е контраинтуитивно. В края на краищата, защо да използваме система за съхранение, ако не можем да извлечем пълния й потенциал? На теория е възможно, но може да не е стратегията, която максимизира възвръщаемостта на инвестицията.
Един от основните недостатъци на BESS е сравнително високата цена на батериите. Следователно, изборът на навик за използване или стратегия за зареждане/разреждане, която увеличава максимално живота на батерията, е от съществено значение. Например, оловно-кисели батерии не могат да бъдат разредени под 50% капацитет, без да претърпят необратими повреди. Литиево-йонните батерии имат по-висока енергийна плътност, дълъг живот на цикъла. Те също така могат да бъдат разредени с помощта на по-големи диапазони, но това идва с цената на повишена цена. Има голяма разлика в цената между различните химикали, оловно-киселинните батерии могат да бъдат със стотици до хиляди долари по-евтини от литиево-йонна батерия със същия размер. Ето защо оловно-киселинните батерии са най-използваните в слънчевите приложения в страните от третия свят и бедните общности.
Работата на батерията е силно повлияна от влошаване по време на нейния живот, тя няма стабилна работа, която завършва с внезапна повреда. Вместо това капацитетът и осигуреният капацитет могат постепенно да изчезнат. На практика животът на батерията се счита за изчерпан, когато нейният капацитет достигне 80% от първоначалния си капацитет. С други думи, когато претърпи 20% избледняване на капацитета. На практика това означава, че може да се осигури по-малко количество енергия. Това може да повлияе на периодите на използване за напълно независими системи и на количеството пробег, който едно EV може да измине.
Друг момент, който трябва да имате предвид, е безопасността. С напредъка в производството и технологиите, последните батерии като цяло са по-стабилни химически. Въпреки това поради история на влошаване и злоупотреба, клетките могат да излязат в термично бягане, което може да доведе до катастрофални резултати и в някои случаи да изложи на опасност живота на потребителите.
Ето защо компаниите са разработили по-добър софтуер за наблюдение на батерията (BMS), за да контролират използването на батерията, но също така да наблюдават здравословното състояние, за да осигурят навременна поддръжка и да избегнат утежнени последствия.
Заключение
От мрежовите системи за съхранение на енергия предоставят страхотна възможност за постигане на енергийна независимост от основната мрежа, но също така осигуряват резервен източник на енергия по време на прекъсвания и периоди на пиково натоварване. Там развитието би улеснило преминаването към по-екологични енергийни източници, като по този начин би ограничило въздействието на производството на енергия върху изменението на климата, като същевременно отговаря на енергийните изисквания с постоянно нарастване на потреблението.
Системите за съхранение на енергия от батерии са най-често използваните и най-лесните за конфигуриране за различни ежедневни приложения. Тяхната висока гъвкавост се противопоставя на сравнително високата цена, което води до разработването на стратегии за мониторинг за удължаване на съответния живот колкото е възможно повече. В момента индустрията и академичните среди полагат много усилия, за да проучат и разберат разграждането на батерията при различни условия.
