Hvordan opbevarer man elektricitet uden for nettet?

I løbet af de seneste 50 år har der været en kontinuerlig stigning i det globale elforbrug med et anslået forbrug på omkring 25.300 terawatt-timer i år 2021. Med overgangen til industri 4.0 er der en stigning i energibehovet i hele verden. Disse tal stiger hvert år, ikke medregnet strømbehovet i industrielle og andre økonomiske sektorer. Dette industrielle skift og høje strømforbrug er forbundet med mere håndgribelige klimaændringseffekter på grund af overdreven udledning af drivhusgasser. I øjeblikket er de fleste kraftværker og anlæg stærkt afhængige af fossile brændstoffer (olie og gas) for at imødekomme sådanne krav. Disse klimaproblemer forbyder yderligere energiproduktion ved hjælp af konventionelle metoder. Udviklingen af effektive og pålidelige energilagringssystemer er således blevet stadig vigtigere for at sikre en kontinuerlig og pålidelig forsyning af energi fra vedvarende kilder.

Energisektoren har reageret ved at skifte mod vedvarende energi eller "grønne" løsninger. Omstillingen er blevet hjulpet af forbedrede fremstillingsteknikker, hvilket f.eks. har ført til mere effektiv fremstilling af vindmøllevinger. Forskere har også været i stand til at forbedre effektiviteten af fotovoltaiske celler, hvilket fører til bedre energiproduktion pr. brugsområde. I 2021 steg elektricitetsproduktionen fra solceller (PV) betydeligt og nåede op på en rekord på 179 TWh og repræsenterer en vækst på 22 % i forhold til 2020. Solcelleteknologi tegner sig nu for 3,6 % af den globale elproduktion og er i øjeblikket den tredjestørste vedvarende energi. energikilde efter vandkraft og vind.

Disse gennembrud løser dog ikke nogle af de iboende ulemper ved vedvarende energisystemer, primært tilgængeligheden. De fleste af disse metoder producerer ikke energi efter behov som kul- og oliekraftværker. Solenergi-output er for eksempel tilgængelige hele dagen med variationer afhængigt af solbestrålingsvinkler og PV-panelets placering. Den kan ikke producere energi i løbet af natten, mens dens produktion er betydeligt reduceret i vintersæsonen og på meget overskyede dage. Vindkraft lider også under udsving afhængigt af vindhastigheden. Derfor skal disse løsninger kobles med energilagringssystemer for at opretholde energiforsyningen i perioder med lav output.

Hvad er energilagringssystemer?

Energilagringssystemer kan lagre energi for at blive brugt på et senere tidspunkt. I nogle tilfælde vil der være en form for energiomdannelse mellem lagret energi og tilført energi. Det mest almindelige eksempel er elektriske batterier såsom lithium-ion-batterier eller bly-syre-batterier. De giver elektrisk energi ved hjælp af kemiske reaktioner mellem elektroderne og elektrolytten.

Batterier, eller BESS (battery energy storage system), repræsenterer den mest almindelige energilagringsmetode, der bruges i daglige applikationer. Der findes andre lagringssystem, såsom vandkraftværker, der omdanner den potentielle energi af vand, der er lagret i en dæmning, til elektrisk energi. Vandet, der falder ned, vil dreje svinghjulet på en turbine, der producerer elektrisk energi. Et andet eksempel er komprimeret gas, ved frigivelse vil gassen dreje turbinens hjul, der producerer strøm.

Det, der adskiller batterier fra de andre opbevaringsmetoder, er deres potentielle driftsområder. Fra små enheder og strømforsyning til biler til husholdningsapplikationer og store solfarme kan batterier integreres problemfrit til enhver lagringsapplikation uden for nettet. På den anden side kræver vandkraft og trykluftmetoder meget store og komplekse infrastrukturer til opbevaring. Dette medfører meget høje omkostninger, der kræver meget store ansøgninger, for at det kan retfærdiggøres.

Brugskasser til lagersystemer uden for nettet.

Som tidligere nævnt kan lagersystemer uden for nettet lette brugen og afhængigheden af vedvarende energimetoder såsom sol- og vindkraft. Ikke desto mindre er der andre applikationer, der kan have stor gavn af sådanne systemer

Byens elnet sigter mod at levere den rigtige mængde strøm baseret på udbud og efterspørgsel i hver by. Den nødvendige effekt kan svinge i løbet af dagen. Off-grid lagersystemer er blevet brugt til at dæmpe udsving og give mere stabilitet i tilfælde af spidsbelastning. Fra et andet perspektiv kan lagersystemer uden for nettet være yderst fordelagtige til at kompensere for enhver uforudset teknisk fejl i hovednettet eller under planlagte vedligeholdelsesperioder. De kan opfylde strømkravene uden at skulle søge efter alternative energikilder. Man kan for eksempel nævne Texas-isstormen i begyndelsen af februar 2023, der efterlod cirka 262.000 mennesker uden strøm, mens reparationer blev forsinket på grund af de vanskelige vejrforhold.

Elbiler er en anden applikation. Forskere har ydet en stor indsats for at optimere batteriproduktion og opladnings-/afladningsstrategier for at forlænge batteriernes levetid og effekttæthed. Lithium-ion-batterier har været på forkant med denne lille revolution og er blevet brugt flittigt i nye elbiler, men også i elbusser. Bedre batterier i dette tilfælde kan føre til et større kilometertal, men også reducerede opladningstider med de rigtige teknologier.

Andre teknologiske fremskridt som UAV'er og mobile robotter har haft stor gavn af batteriudvikling. Der er bevægelsesstrategier og kontrolstrategier afhængige af batterikapaciteten og den leverede strøm.

Hvad er en BESS

BESS eller batteri energilagringssystem er et energilagringssystem, der kan bruges til at lagre energi. Denne energi kan komme fra hovednettet eller fra vedvarende energikilder som vindenergi og solenergi. Den er sammensat af flere batterier arrangeret i forskellige konfigurationer (serier/parallelle) og størrelse baseret på kravene. De er forbundet til en inverter, der bruges til at konvertere jævnstrøm til vekselstrøm til brug. ENbatteristyringssystem (BMS)bruges til at overvåge batteriets tilstand og opladning/afladning.

Sammenlignet med andre energilagringssystemer er de særligt fleksible at placere/tilslutte og kræver ikke en meget dyr infrastruktur, men de har stadig en betydelig pris og kræver mere regelmæssig vedligeholdelse baseret på forbruget.

BESS størrelse og brugsvaner

Et afgørende punkt at tage fat på, når du installerer et batterienergilagringssystem, er dimensionering. Hvor mange batterier er der brug for? I hvilken konfiguration? I nogle tilfælde kan batteritypen spille en afgørende rolle på lang sigt med hensyn til omkostningsbesparelser og effektivitet

Dette gøres fra sag til sag, da applikationer kan variere fra små husholdninger til store industrianlæg.

Den mest almindelige vedvarende energikilde for små husholdninger, især i byområder, er solenergi ved hjælp af solcellepaneler. Ingeniøren ville generelt overveje husstandens gennemsnitlige strømforbrug og vurdere solindstrålingen over året for det specifikke sted. Antallet af batterier og deres netkonfiguration er valgt for at matche husstandens behov under årets laveste solenergiforsyning, mens batterierne ikke drænes helt. Dette forudsætter en løsning, der er fuldstændig uafhængig af strømforsyningen fra hovednettet.

At holde en relativt moderat opladningstilstand eller ikke helt aflade batterierne er noget, der kan være kontraintuitivt i starten. Når alt kommer til alt, hvorfor bruge et lagersystem, hvis vi ikke kan udvinde det fulde potentiale? I teorien er det muligt, men det er måske ikke strategien, der maksimerer investeringsafkastet.

En af de største ulemper ved BESS er de relativt høje omkostninger ved batterier. Derfor er det vigtigt at vælge en brugsvane eller en opladnings-/afladningsstrategi, der maksimerer batteriets levetid. For eksempel kan blybatterier ikke aflades under 50 % kapacitet uden at lide af uoprettelig skade. Lithium-ion-batterier har højere energitæthed, lang levetid. De kan også aflades ved brug af større intervaller, men det koster en højere pris. Der er stor forskel i omkostningerne mellem forskellige kemier, blybatterier kan være hundreder til tusindvis af dollars billigere end et lithium-ion-batteri af samme størrelse. Det er grunden til, at blybatterier er de mest brugte i solenergiapplikationer i tredjeverdenslande og fattige samfund.

Batteriets ydeevne er stærkt påvirket af nedbrydning i løbet af dets levetid, det har ikke en stabil ydeevne, der ender med pludselige fejl. I stedet kan kapaciteten og den leverede falme gradvist. I praksis anses en batterilevetid for at være løbet tør, når dens kapacitet når 80 % af dens oprindelige kapacitet. Med andre ord, når den oplever en kapacitetsfade på 20 %. I praksis betyder det, at der kan tilføres en mindre mængde energi. Dette kan påvirke brugsperioderne for fuldt uafhængige systemer og mængden af kilometer, en elbil kan dække.

Et andet punkt at overveje er sikkerheden. Med fremskridt inden for fremstilling og teknologi har de seneste batterier generelt været mere stabile kemisk. Men på grund af nedbrydning og misbrugshistorie kan celler gå i termisk løb, hvilket kan føre til katastrofale resultater og i nogle tilfælde bringe forbrugernes liv i fare.

Det er grunden til, at virksomheder har udviklet bedre batteriovervågningssoftware (BMS) til at kontrollere batteriforbruget, men også overvåge sundhedstilstanden for at yde rettidig vedligeholdelse og undgå forværrede konsekvenser.

Konklusion

Af nettet giver energilagringssystemer en stor mulighed for at opnå strømuafhængighed fra hovednettet, men giver også en backup-strømkilde under nedetider og spidsbelastningsperioder. Udviklingen her vil lette skiftet mod grønnere energikilder og dermed begrænse energiproduktionens indvirkning på klimaændringerne, samtidig med at energikravene opfyldes med konstant vækst i forbruget.

Batterienergilagringssystemer er de mest almindeligt anvendte og de nemmeste at konfigurere til forskellige daglige applikationer. Deres høje fleksibilitet modvirkes af en relativt høj omkostning, hvilket fører til udvikling af overvågningsstrategier for at forlænge den respektive levetid så meget som muligt. I øjeblikket gør industrien og den akademiske verden en stor indsats for at undersøge og forstå batterinedbrydning under forskellige forhold.