Kako skladištiti električnu energiju izvan mreže?

Tokom proteklih 50 godina, došlo je do kontinuiranog povećanja globalne potrošnje električne energije, sa procijenjenom potrošnjom od oko 25.300 terawatt-sati u 2021. Sa prelaskom na industriju 4.0, došlo je do povećanja potražnje za energijom u cijelom svijetu. Ove brojke se povećavaju svake godine, ne uključujući potrebe za električnom energijom industrijskih i drugih privrednih sektora. Ova industrijska promjena i velika potrošnja energije povezani su s opipljivijim efektima klimatskih promjena zbog prekomjernih emisija stakleničkih plinova. Trenutno se većina elektrana i postrojenja za proizvodnju električne energije u velikoj mjeri oslanja na izvore fosilnih goriva (naftu i plin) kako bi zadovoljili takve zahtjeve. Ovi klimatski problemi zabranjuju dodatnu proizvodnju energije korištenjem konvencionalnih metoda. Stoga je razvoj efikasnih i pouzdanih sistema za skladištenje energije postao sve važniji kako bi se osiguralo kontinuirano i pouzdano snabdijevanje energijom iz obnovljivih izvora.

Energetski sektor je odgovorio prelaskom na obnovljivu energiju ili „zelena“ rješenja. Tranzicija je potpomognuta poboljšanim tehnikama proizvodnje, što je dovelo na primjer do efikasnije proizvodnje lopatica vjetroturbina. Takođe, istraživači su uspeli da poboljšaju efikasnost fotonaponskih ćelija, što je dovelo do bolje proizvodnje energije po površini. Godine 2021. proizvodnja električne energije iz solarnih fotonaponskih (PV) izvora značajno je porasla, dostigavši rekordnih 179 TWh i predstavljajući rast od 22% u odnosu na 2020. Solarna fotonaponska tehnologija sada čini 3,6% globalne proizvodnje električne energije i trenutno je treća po veličini obnovljiva izvor energije nakon hidroelektrane i vjetra.

Međutim, ova otkrića ne rješavaju neke od inherentnih nedostataka sistema obnovljivih izvora energije, uglavnom dostupnost. Većina ovih metoda ne proizvodi energiju na zahtjev kao elektrane na ugalj i naftu. Izlasci solarne energije su, na primer, dostupni tokom dana sa varijacijama u zavisnosti od uglova sunčevog zračenja i položaja PV panela. Ne može proizvesti nikakvu energiju tokom noći, dok je njegova proizvodnja značajno smanjena tokom zimske sezone i u veoma oblačnim danima. Snaga vjetra također pati od fluktuacija u zavisnosti od brzine vjetra. Stoga, ova rješenja moraju biti povezana sa sistemima za skladištenje energije kako bi se održalo snabdijevanje energijom tokom perioda niske proizvodnje.

Šta su sistemi za skladištenje energije?

Sistemi za skladištenje energije mogu skladištiti energiju kako bi se koristili u kasnijoj fazi. U nekim slučajevima, postojat će oblik konverzije energije između uskladištene energije i dobivene energije. Najčešći primjer su električne baterije kao što su litijum-jonske baterije ili olovno-kiselinske baterije. Oni osiguravaju električnu energiju putem kemijskih reakcija između elektroda i elektrolita.

Baterije, ili BESS (battery energy storage system), predstavljaju najčešći metod skladištenja energije koji se koristi u svakodnevnim životnim aplikacijama. Postoje i drugi sistemi skladištenja, kao što su hidroelektrane koje pretvaraju potencijalnu energiju vode pohranjene u brani u električnu energiju. Voda koja pada dolje će okrenuti zamašnjak turbine koja proizvodi električnu energiju. Drugi primjer je komprimirani plin, nakon puštanja plin će okretati kotač turbine koja proizvodi snagu.

Ono što razlikuje baterije od ostalih metoda skladištenja je njihova potencijalna područja rada. Od malih uređaja i napajanja automobila do aplikacija u domaćinstvu i velikih solarnih farmi, baterije se mogu neprimjetno integrirati u bilo koju aplikaciju za skladištenje van mreže. S druge strane, hidroenergije i metode komprimovanog zraka zahtijevaju vrlo veliku i složenu infrastrukturu za skladištenje. To dovodi do vrlo visokih troškova koji zahtijevaju vrlo velike primjene da bi bili opravdani.

Slučajevi upotrebe za sisteme skladištenja van mreže.

Kao što je ranije spomenuto, sistemi za skladištenje van mreže mogu olakšati korištenje i oslanjanje na metode obnovljive energije kao što su solarna energija i energija vjetra. Ipak, postoje i druge aplikacije koje mogu imati velike koristi od takvih sistema

Gradske električne mreže imaju za cilj da obezbede pravu količinu energije na osnovu ponude i potražnje svakog grada. Potrebna snaga može varirati tokom dana. Sistemi skladištenja van mreže korišćeni su za ublažavanje fluktuacija i obezbeđivanje veće stabilnosti u slučajevima najveće potražnje. Iz druge perspektive, sistemi za skladištenje van mreže mogu biti veoma korisni za kompenzaciju za bilo koju nepredviđenu tehničku grešku u glavnoj električnoj mreži ili tokom planiranih perioda održavanja. Oni mogu zadovoljiti zahtjeve za snagom bez potrebe za traženjem alternativnih izvora energije. Na primjer, može se navesti ledena oluja u Teksasu početkom februara 2023. godine koja je ostavila bez struje oko 262 000 ljudi, dok su popravke kasnile zbog teških vremenskih uslova.

Električna vozila su još jedna primjena. Istraživači su uložili mnogo truda kako bi optimizirali proizvodnju baterija i strategije punjenja/pražnjenja kako bi produžili vijek trajanja i gustinu snage baterija. Litijum-jonske baterije bile su na čelu ove male revolucije i uveliko su se koristile u novim električnim automobilima, ali i električnim autobusima. Bolje baterije u ovom slučaju mogu dovesti do veće kilometraže, ali i smanjenog vremena punjenja uz prave tehnologije.

Drugi tehnološki napredak, poput bespilotnih letjelica i mobilnih robota, imao je veliku korist od razvoja baterija. Strategije kretanja i kontrolne strategije u velikoj meri se oslanjaju na kapacitet baterije i obezbeđenu snagu.

Šta je BESS

BESS ili baterijski sistem za skladištenje energije je sistem za skladištenje energije koji se može koristiti za skladištenje energije. Ova energija može doći iz glavne mreže ili iz obnovljivih izvora energije kao što su energija vjetra i sunčeva energija. Sastoji se od više baterija raspoređenih u različitim konfiguracijama (serijski/paralelno) i veličine prema zahtjevima. Povezani su na inverter koji se koristi za pretvaranje jednosmjerne struje u AC za korištenje. Asistem upravljanja baterijama (BMS)koristi se za praćenje stanja baterije i operacije punjenja/pražnjenja.

U poređenju sa drugim sistemima za skladištenje energije, oni su posebno fleksibilni za postavljanje/povezivanje i ne zahtevaju veoma skupu infrastrukturu, ali i dalje imaju značajnu cenu i zahtevaju redovnije održavanje u zavisnosti od upotrebe.

BESS dimenzionisanje i navike upotrebe

Ključna tačka koju treba rešiti prilikom instaliranja sistema za skladištenje energije baterije je dimenzionisanje. Koliko je baterija potrebno? U kojoj konfiguraciji? U nekim slučajevima, tip baterije može igrati ključnu ulogu na duge staze u smislu uštede troškova i efikasnosti

Ovo se radi od slučaja do slučaja jer se primjene mogu kretati od malih domaćinstava do velikih industrijskih postrojenja.

Najčešći obnovljivi izvor energije za mala domaćinstva, posebno u urbanim sredinama, je solarno korištenje fotonaponskih panela. Inženjer bi općenito uzeo u obzir prosječnu potrošnju energije u domaćinstvu i procijenio sunčevo zračenje tokom godine za određenu lokaciju. Broj baterija i njihova mrežna konfiguracija se biraju tako da odgovaraju potrebama domaćinstva tokom najnižeg solarnog napajanja u godini, a da se baterije ne isprazne u potpunosti. Ovo pretpostavlja rješenje za potpunu neovisnost električne energije od glavne mreže.

Održavanje relativno umjerenog stanja napunjenosti ili nepotpuno pražnjenje baterija je nešto što bi u početku moglo biti kontra intuitivno. Na kraju krajeva, zašto koristiti sistem za skladištenje podataka ako ne možemo da ga iskoristimo punim potencijalom? U teoriji je to moguće, ali to možda nije strategija koja maksimizira povrat ulaganja.

Jedan od glavnih nedostataka BESS-a je relativno visoka cijena baterija. Stoga je ključan odabir navike korištenja ili strategije punjenja/pražnjenja koja maksimizira vijek trajanja baterije. Na primjer, olovne baterije ne mogu se isprazniti ispod 50% kapaciteta bez nepovratnog oštećenja. Litijum-jonske baterije imaju veću gustinu energije, dug životni vek. Mogu se isprazniti i korištenjem većeg raspona, ali to dolazi po cijeni većoj cijeni. Postoji velika razlika u cijeni između različitih hemija, olovne baterije mogu biti stotine do hiljade dolara jeftinije od litijum-jonskih baterija iste veličine. Zbog toga se olovne baterije najčešće koriste u solarnim aplikacijama u zemljama trećeg svijeta i siromašnim zajednicama.

Na performanse baterije u velikoj meri utiče degradacija tokom njenog životnog veka, ona nema stabilne performanse koje se završavaju iznenadnim kvarom. Umjesto toga, kapacitet i osigurani mogu progresivno nestati. U praksi se smatra da je vijek trajanja baterije istekao kada njen kapacitet dostigne 80% prvobitnog kapaciteta. Drugim riječima, kada doživi pad kapaciteta od 20%. U praksi, to znači da se može obezbijediti manja količina energije. Ovo može uticati na periode korišćenja potpuno nezavisnih sistema i na količinu kilometraže koju EV može preći.

Još jedna stvar koju treba uzeti u obzir je sigurnost. Sa napretkom u proizvodnji i tehnologiji, novije baterije općenito su kemijski stabilnije. Međutim, usled degradacije i istorije zloupotrebe, ćelije mogu da odu u termički bijeg što može dovesti do katastrofalnih rezultata i u nekim slučajevima dovesti život potrošača u opasnost.

Zbog toga su kompanije razvile bolji softver za praćenje baterije (BMS) za kontrolu korištenja baterije, ali i za praćenje zdravstvenog stanja kako bi se osiguralo pravovremeno održavanje i izbjegle teške posljedice.

Zaključak

Mrežni sistemi za skladištenje energije pružaju sjajnu priliku za postizanje energetske nezavisnosti od glavne mreže, ali takođe obezbeđuju rezervni izvor energije tokom zastoja i perioda vršnog opterećenja. Taj razvoj bi olakšao prelazak na zelenije izvore energije, čime bi se ograničio uticaj proizvodnje energije na klimatske promjene, a da se i dalje zadovoljavaju energetski zahtjevi uz stalni rast potrošnje.

Baterijski sistemi za skladištenje energije najčešće se koriste i najlakše ih je konfigurisati za različite svakodnevne aplikacije. Njihova visoka fleksibilnost suprotstavljena je relativno visokim troškovima, što dovodi do razvoja strategija praćenja kako bi se produžio životni vijek što je više moguće. Trenutno, industrija i akademska zajednica ulažu mnogo truda da istraže i razumiju degradaciju baterija u različitim uvjetima.