Za posledních 50 let neustále rostla celosvětová spotřeba elektřiny s odhadovanou spotřebou kolem 25 300 terawatthodin v roce 2021. S přechodem na průmysl 4.0 dochází po celém světě ke zvýšení energetické náročnosti. Tato čísla se každým rokem zvyšují, bez zahrnutí energetických požadavků průmyslových a jiných ekonomických sektorů. Tento průmyslový posun a vysoká spotřeba energie jsou spojeny s hmatatelnějšími dopady změny klimatu v důsledku nadměrných emisí skleníkových plynů. V současné době se většina elektráren a zařízení při splnění těchto požadavků silně spoléhá na zdroje fosilních paliv (ropa a plyn). Tyto klimatické obavy zakazují další výrobu energie pomocí konvenčních metod. Vývoj účinných a spolehlivých systémů skladování energie je tedy stále důležitější pro zajištění nepřetržité a spolehlivé dodávky energie z obnovitelných zdrojů.
Energetický sektor reagoval posunem k obnovitelným zdrojům energie nebo „zeleným“ řešením. Přechodu napomohly vylepšené výrobní techniky, které vedly například k efektivnější výrobě lopatek větrných turbín. Výzkumníci také dokázali zlepšit účinnost fotovoltaických článků, což vede k lepší výrobě energie na oblast použití. V roce 2021 výrazně vzrostla výroba elektřiny ze solárních fotovoltaických (PV) zdrojů, dosáhla rekordních 179 TWh a představuje nárůst o 22 % ve srovnání s rokem 2020. Solární FV technologie nyní tvoří 3,6 % celosvětové výroby elektřiny a je v současnosti třetí největší obnovitelný zdroj energie zdroj energie po vodní a větrné energii.
Tyto průlomy však neřeší některé inherentní nevýhody systémů obnovitelné energie, zejména dostupnost. Většina těchto metod nevyrábí energii na vyžádání jako uhelné a ropné elektrárny. Výstupy solární energie jsou například dostupné po celý den s variacemi v závislosti na úhlech slunečního záření a umístění FV panelů. V noci nemůže vyrábět žádnou energii, zatímco v zimním období a ve velmi zatažených dnech je její výkon výrazně snížen. Síla větru také trpí kolísáním v závislosti na rychlosti větru. Proto je třeba tato řešení propojit se systémy skladování energie, aby se udržela dodávka energie během období nízkého výkonu.
Co jsou systémy skladování energie?
Systémy pro skladování energie mohou ukládat energii, aby mohla být použita v pozdější fázi. V některých případech dojde k určité formě přeměny energie mezi uloženou energií a poskytnutou energií. Nejběžnějším příkladem jsou elektrické baterie, jako jsou lithium-iontové baterie nebo olověné baterie. Poskytují elektrickou energii prostřednictvím chemických reakcí mezi elektrodami a elektrolytem.
Baterie, neboli BESS (battery energy storage system), představují nejběžnější způsob skladování energie používaný v každodenních aplikacích. Existují další akumulační systémy, jako jsou vodní elektrárny, které přeměňují potenciální energii vody uložené v přehradě na elektrickou energii. Padající voda roztáčí setrvačník turbíny, která vyrábí elektrickou energii. Dalším příkladem je stlačený plyn, po uvolnění plyn otočí kolo turbíny produkující energii.
To, co odlišuje baterie od ostatních způsobů skladování, jsou jejich potenciální oblasti použití. Od malých zařízení a automobilového napájení až po domácí aplikace a velké solární farmy lze baterie bez problémů integrovat do jakékoli aplikace pro ukládání dat mimo síť. Na druhou stranu, vodní energie a metody stlačeného vzduchu vyžadují velmi rozsáhlé a složité infrastruktury pro skladování. To vede k velmi vysokým nákladům, které vyžadují velmi rozsáhlé aplikace, aby byly oprávněné.
Případy použití pro systémy skladování mimo síť.
Jak již bylo zmíněno, úložné systémy mimo síť mohou usnadnit používání a spoléhání se na metody obnovitelné energie, jako je solární a větrná energie. Nicméně existují další aplikace, které mohou z těchto systémů velmi těžit
Městské elektrické sítě mají za cíl poskytovat správné množství energie na základě nabídky a poptávky každého města. Potřebný výkon může během dne kolísat. Pro zmírnění výkyvů a zajištění větší stability v případech špičkové poptávky byly použity systémy skladování mimo síť. Z jiného pohledu mohou být systémy skladování mimo síť velmi přínosné pro kompenzaci jakékoli nepředvídané technické poruchy v hlavní energetické síti nebo během období plánované údržby. Mohou splnit požadavky na napájení, aniž by museli hledat alternativní zdroje energie. Jako příklad lze uvést texaskou ledovou bouři na začátku února 2023, která nechala bez proudu přibližně 262 000 lidí, přičemž opravy byly kvůli obtížným povětrnostním podmínkám zpožděny.
Elektromobily jsou další aplikací. Výzkumníci vynaložili velké úsilí na optimalizaci výroby baterií a strategií nabíjení/vybíjení, aby se prodloužila životnost a hustota energie baterií. Lithium-iontové baterie stály v popředí této malé revoluce a byly hojně využívány v nových elektromobilech, ale také elektrických autobusech. Lepší baterie v tomto případě mohou vést k většímu kilometrovému výkonu, ale také ke zkrácení doby nabíjení pomocí správných technologií.
Další technologický pokrok, jako jsou UAV a mobilní roboti, výrazně těží z vývoje baterií. Strategie pohybu a řídicí strategie se zde do značné míry spoléhají na kapacitu baterie a dodávaný výkon.
Co je BESS
BESS neboli bateriový systém skladování energie je systém skladování energie, který lze použít k ukládání energie. Tato energie může pocházet z hlavní sítě nebo z obnovitelných zdrojů energie, jako je větrná energie a solární energie. Skládá se z několika baterií uspořádaných v různých konfiguracích (sériových/paralelních) a dimenzovaných podle požadavků. Jsou připojeny k invertoru, který se používá k přeměně stejnosměrného proudu na střídavý pro použití. Asystém správy baterie (BMS)se používá ke sledování stavu baterie a provozu nabíjení/vybíjení.
Ve srovnání s jinými systémy pro ukládání energie jsou zvláště flexibilní při umístění/připojení a nevyžadují vysoce nákladnou infrastrukturu, ale přesto mají značné náklady a vyžadují pravidelnější údržbu v závislosti na použití.
BESS dimenzování a zvyky používání
Zásadním bodem, který je třeba řešit při instalaci bateriového systému pro ukládání energie, je dimenzování. Kolik baterií je potřeba? V jaké konfiguraci? V některých případech může typ baterie hrát z dlouhodobého hlediska zásadní roli z hlediska úspory nákladů a účinnosti
To se provádí případ od případu, protože aplikace mohou sahat od malých domácností až po velké průmyslové závody.
Nejčastějším obnovitelným zdrojem energie pro malé domácnosti, zejména v městských oblastech, je solární energie využívající fotovoltaické panely. Technik by obecně zvážil průměrnou spotřebu energie domácnosti a posoudil sluneční záření v průběhu roku pro konkrétní místo. Počet baterií a jejich konfigurace sítě je zvolena tak, aby odpovídala požadavkům domácnosti během nejnižšího solárního napájení v roce, aniž by se baterie zcela vybily. To předpokládá řešení, které má úplnou energetickou nezávislost na hlavní síti.
Udržování relativně mírného stavu nabití nebo úplného nevybití baterií je něco, co může být zpočátku kontraintuitivní. Koneckonců, proč používat úložný systém, když z něj nemůžeme vytěžit plný potenciál? Teoreticky je to možné, ale nemusí to být strategie, která maximalizuje návratnost investice.
Jednou z hlavních nevýhod BESS je poměrně vysoká cena baterií. Proto je zásadní zvolit způsob používání nebo strategii nabíjení/vybíjení, která maximalizuje životnost baterie. Například olověné baterie nelze vybít pod 50 % kapacity, aniž by došlo k nevratnému poškození. Lithium-iontové baterie mají vyšší hustotu energie, dlouhou životnost. Lze je také vybíjet pomocí větších rozsahů, ale to je spojeno se zvýšenou cenou. Mezi různými chemikáliemi jsou velké rozdíly v ceně, olověné baterie mohou být o stovky až tisíce dolarů levnější než lithium-iontová baterie stejné velikosti. To je důvod, proč jsou olověné baterie nejpoužívanější v solárních aplikacích v zemích 3. světa a chudých komunitách.
Výkon baterie je během své životnosti silně ovlivněn degradací, nemá stabilní výkon, který končí náhlým selháním. Místo toho může kapacita a poskytovaná kapacita postupně slábnout. V praxi se životnost baterie považuje za vybitou, když její kapacita dosáhne 80 % původní kapacity. Jinými slovy, když dojde k poklesu kapacity o 20 %. V praxi to znamená, že lze poskytnout menší množství energie. To může ovlivnit doby používání u plně nezávislých systémů a množství ujetých kilometrů, které může EV pokrýt.
Dalším bodem, který je třeba zvážit, je bezpečnost. S pokrokem ve výrobě a technologii jsou nejnovější baterie obecně chemicky stabilnější. Nicméně kvůli historii degradace a zneužívání mohou buňky přejít do tepelného úniku, což může vést ke katastrofickým výsledkům a v některých případech ohrozit život spotřebitelů.
To je důvod, proč společnosti vyvinuly lepší software pro monitorování baterií (BMS) pro kontrolu používání baterií, ale také pro sledování zdravotního stavu, aby byla zajištěna včasná údržba a zabránilo se zhoršeným následkům.
Závěr
Systémy skladování energie ze sítě poskytují skvělou příležitost k dosažení energetické nezávislosti na hlavní síti, ale také poskytují záložní zdroj energie během odstávek a období špičkového zatížení. Tam by rozvoj usnadnil posun k ekologičtějším zdrojům energie, čímž by se omezil dopad výroby energie na změnu klimatu a zároveň by byly splněny energetické požadavky s neustálým růstem spotřeby.
Systémy pro ukládání energie z baterií jsou nejběžněji používané a nejsnáze se konfigurují pro různé každodenní aplikace. Jejich vysoká flexibilita je kompenzována relativně vysokými náklady, což vede k vývoji monitorovacích strategií s cílem co nejvíce prodloužit příslušnou životnost. V současné době průmysl a akademická sféra vynakládají velké úsilí na zkoumání a pochopení degradace baterií za různých podmínek.
Související článek:
Přizpůsobená energetická řešení – revoluční přístupy k přístupu k energii
Maximalizace obnovitelné energie: Role bateriového úložiště energie
Pokrok v technologii baterií pro námořní systémy skladování energie
