Τα τελευταία 50 χρόνια, παρατηρείται συνεχής αύξηση της παγκόσμιας κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας, με εκτιμώμενη χρήση περίπου 25.300 τεραβατώρες το έτος 2021. Με τη μετάβαση προς τη βιομηχανία 4.0, υπάρχει αύξηση στις ενεργειακές απαιτήσεις σε όλο τον κόσμο. Αυτοί οι αριθμοί αυξάνονται κάθε χρόνο, χωρίς να συμπεριλαμβάνονται οι απαιτήσεις σε ενέργεια των βιομηχανικών και άλλων οικονομικών τομέων. Αυτή η βιομηχανική αλλαγή και η υψηλή κατανάλωση ενέργειας συνδυάζονται με πιο απτές επιπτώσεις στην κλιματική αλλαγή λόγω των υπερβολικών εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου. Επί του παρόντος, οι περισσότερες μονάδες και εγκαταστάσεις παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας βασίζονται σε μεγάλο βαθμό σε πηγές ορυκτών καυσίμων (πετρέλαιο και φυσικό αέριο) για την κάλυψη τέτοιων απαιτήσεων. Αυτές οι κλιματικές ανησυχίες απαγορεύουν την πρόσθετη παραγωγή ενέργειας με τη χρήση συμβατικών μεθόδων. Έτσι, η ανάπτυξη αποδοτικών και αξιόπιστων συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας έχει γίνει ολοένα και πιο σημαντική για τη διασφάλιση της συνεχούς και αξιόπιστης παροχής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές.
Ο ενεργειακός τομέας έχει ανταποκριθεί με στροφή προς ανανεώσιμες πηγές ενέργειας ή «πράσινες» λύσεις. Η μετάβαση έχει βοηθηθεί από βελτιωμένες τεχνικές κατασκευής, που οδηγούν για παράδειγμα σε πιο αποτελεσματική κατασκευή πτερυγίων ανεμογεννητριών. Επίσης, οι ερευνητές μπόρεσαν να βελτιώσουν την απόδοση των φωτοβολταϊκών στοιχείων, οδηγώντας σε καλύτερη παραγωγή ενέργειας ανά περιοχή χρήσης. Το 2021, η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ηλιακές φωτοβολταϊκές πηγές (PV) αυξήθηκε σημαντικά, φτάνοντας το ρεκόρ των 179 TWh και αντιπροσωπεύει αύξηση 22% σε σύγκριση με το 2020. Η ηλιακή φωτοβολταϊκή τεχνολογία αντιπροσωπεύει πλέον το 3,6% της παγκόσμιας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και είναι σήμερα η τρίτη μεγαλύτερη ανανεώσιμη πηγή ενέργειας πηγή ενέργειας μετά την υδροηλεκτρική ενέργεια και τον άνεμο.
Ωστόσο, αυτές οι ανακαλύψεις δεν επιλύουν ορισμένα από τα εγγενή μειονεκτήματα των συστημάτων ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, κυρίως τη διαθεσιμότητα. Οι περισσότερες από αυτές τις μεθόδους δεν παράγουν ενέργεια κατόπιν ζήτησης ως εργοστάσια παραγωγής ενέργειας με άνθρακα και πετρέλαιο. Οι έξοδοι ηλιακής ενέργειας είναι για παράδειγμα διαθέσιμες καθ' όλη τη διάρκεια της ημέρας με διακυμάνσεις ανάλογα με τις γωνίες ακτινοβολίας του ήλιου και τη θέση του φωτοβολταϊκού πίνακα. Δεν μπορεί να παράγει ενέργεια κατά τη διάρκεια της νύχτας ενώ η παραγωγή του μειώνεται σημαντικά κατά τη χειμερινή περίοδο και τις πολύ συννεφιασμένες μέρες. Η αιολική ενέργεια υποφέρει επίσης από διακυμάνσεις ανάλογα με την ταχύτητα του ανέμου. Επομένως, αυτές οι λύσεις πρέπει να συνδυαστούν με συστήματα αποθήκευσης ενέργειας προκειμένου να διατηρηθεί ο ενεργειακός εφοδιασμός σε περιόδους χαμηλής απόδοσης.
Τι είναι τα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας;
Τα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας μπορούν να αποθηκεύσουν ενέργεια προκειμένου να χρησιμοποιηθεί σε μεταγενέστερο στάδιο. Σε ορισμένες περιπτώσεις, θα υπάρξει μια μορφή μετατροπής ενέργειας μεταξύ της αποθηκευμένης ενέργειας και της παρεχόμενης ενέργειας. Το πιο συνηθισμένο παράδειγμα είναι οι ηλεκτρικές μπαταρίες, όπως οι μπαταρίες ιόντων λιθίου ή οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος. Παρέχουν ηλεκτρική ενέργεια μέσω χημικών αντιδράσεων μεταξύ των ηλεκτροδίων και του ηλεκτρολύτη.
Οι μπαταρίες, ή BESS (σύστημα αποθήκευσης ενέργειας μπαταρίας), αντιπροσωπεύουν την πιο κοινή μέθοδο αποθήκευσης ενέργειας που χρησιμοποιείται σε καθημερινές εφαρμογές. Υπάρχουν και άλλα συστήματα αποθήκευσης, όπως οι υδροηλεκτρικοί σταθμοί που μετατρέπουν τη δυναμική ενέργεια του νερού που αποθηκεύεται σε ένα φράγμα σε ηλεκτρική ενέργεια. Το νερό που πέφτει θα γυρίσει τον σφόνδυλο μιας τουρμπίνας που παράγει ηλεκτρική ενέργεια. Ένα άλλο παράδειγμα είναι το συμπιεσμένο αέριο, με την απελευθέρωση το αέριο θα γυρίσει τον τροχό του στροβίλου που παράγει ισχύ.
Αυτό που διαχωρίζει τις μπαταρίες από τις άλλες μεθόδους αποθήκευσης είναι οι πιθανοί τομείς λειτουργίας τους. Από μικρές συσκευές και τροφοδοσία αυτοκινήτου μέχρι οικιακές εφαρμογές και μεγάλες ηλιακές φάρμες, οι μπαταρίες μπορούν να ενσωματωθούν απρόσκοπτα σε οποιαδήποτε εφαρμογή αποθήκευσης εκτός δικτύου. Από την άλλη πλευρά, οι μέθοδοι υδροηλεκτρικής ενέργειας και πεπιεσμένου αέρα απαιτούν πολύ μεγάλες και πολύπλοκες υποδομές για αποθήκευση. Αυτό οδηγεί σε πολύ υψηλό κόστος που απαιτεί πολύ μεγάλες εφαρμογές για να δικαιολογηθεί.
Χρησιμοποιήστε θήκες για συστήματα αποθήκευσης εκτός δικτύου.
Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, τα συστήματα αποθήκευσης εκτός δικτύου μπορούν να διευκολύνουν τη χρήση και την εξάρτηση από μεθόδους ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, όπως η ηλιακή και η αιολική ενέργεια. Ωστόσο, υπάρχουν και άλλες εφαρμογές που μπορούν να ωφεληθούν πολύ από τέτοια συστήματα
Τα δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας πόλεων στοχεύουν να παρέχουν τη σωστή ποσότητα ενέργειας με βάση την προσφορά και τη ζήτηση κάθε πόλης. Η απαιτούμενη ισχύς μπορεί να κυμαίνεται κατά τη διάρκεια της ημέρας. Τα συστήματα αποθήκευσης εκτός δικτύου έχουν χρησιμοποιηθεί για την άμβλυνση των διακυμάνσεων και την παροχή μεγαλύτερης σταθερότητας σε περιπτώσεις αιχμής ζήτησης. Από μια διαφορετική οπτική γωνία, τα συστήματα αποθήκευσης εκτός δικτύου μπορεί να είναι εξαιρετικά ωφέλιμα για την αντιστάθμιση τυχόν απρόβλεπτων τεχνικών βλαβών στο κύριο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας ή κατά τη διάρκεια προγραμματισμένων περιόδων συντήρησης. Μπορούν να ικανοποιήσουν τις απαιτήσεις ισχύος χωρίς να χρειάζεται να αναζητήσουν εναλλακτικές πηγές ενέργειας. Μπορούμε να αναφέρουμε για παράδειγμα την παγοθύελλα του Τέξας στις αρχές Φεβρουαρίου 2023 που άφησε περίπου 262.000 ανθρώπους χωρίς ρεύμα, ενώ οι επισκευές καθυστέρησαν λόγω των δύσκολων καιρικών συνθηκών.
Τα ηλεκτρικά οχήματα είναι μια άλλη εφαρμογή. Οι ερευνητές έχουν καταβάλει μεγάλη προσπάθεια για να βελτιστοποιήσουν τις στρατηγικές κατασκευής και φόρτισης/εκφόρτισης μπαταριών, προκειμένου να επεκτείνουν τη διάρκεια ζωής και την πυκνότητα ισχύος των μπαταριών. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου ήταν στην πρώτη γραμμή αυτής της μικρής επανάστασης και έχουν χρησιμοποιηθεί εκτενώς σε νέα ηλεκτρικά αυτοκίνητα αλλά και ηλεκτρικά λεωφορεία. Οι καλύτερες μπαταρίες σε αυτή την περίπτωση μπορούν να οδηγήσουν σε μεγαλύτερα χιλιόμετρα αλλά και μειωμένους χρόνους φόρτισης με τις κατάλληλες τεχνολογίες.
Άλλες τεχνολογικές εξελίξεις, όπως τα UAV και τα κινητά ρομπότ, έχουν ωφεληθεί πολύ από την ανάπτυξη μπαταριών. Εκεί, οι στρατηγικές κίνησης και οι στρατηγικές ελέγχου βασίζονται σε μεγάλο βαθμό στη χωρητικότητα και την ισχύ της μπαταρίας που παρέχεται.
Τι είναι BESS
Το BESS ή σύστημα αποθήκευσης ενέργειας μπαταρίας είναι ένα σύστημα αποθήκευσης ενέργειας που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αποθήκευση ενέργειας. Αυτή η ενέργεια μπορεί να προέρχεται από το κύριο δίκτυο ή από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας όπως η αιολική και η ηλιακή ενέργεια. Αποτελείται από πολλαπλές μπαταρίες διατεταγμένες σε διαφορετικές διαμορφώσεις (σειρά/παράλληλες) και έχουν μέγεθος με βάση τις απαιτήσεις. Συνδέονται σε έναν μετατροπέα που χρησιμοποιείται για τη μετατροπή της τροφοδοσίας συνεχούς ρεύματος σε εναλλασσόμενο ρεύμα για χρήση. Ένα σύστημα διαχείρισης μπαταρίας (BMS) χρησιμοποιείται για την παρακολούθηση της κατάστασης της μπαταρίας και της λειτουργίας φόρτισης/εκφόρτισης.
Σε σύγκριση με άλλα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας, είναι ιδιαίτερα ευέλικτα στην τοποθέτηση/σύνδεση και δεν απαιτούν πολύ ακριβή υποδομή, αλλά εξακολουθούν να έχουν σημαντικό κόστος και απαιτούν πιο τακτική συντήρηση με βάση τη χρήση.
BESS συνήθειες μεγέθους και χρήσης
Ένα κρίσιμο σημείο που πρέπει να προσέξετε κατά την εγκατάσταση ενός συστήματος αποθήκευσης ενέργειας μπαταρίας είναι το μέγεθος. Πόσες μπαταρίες χρειάζονται; Σε ποια διαμόρφωση; Σε ορισμένες περιπτώσεις, ο τύπος της μπαταρίας μπορεί να παίξει καθοριστικό ρόλο μακροπρόθεσμα όσον αφορά την εξοικονόμηση κόστους και την απόδοση
Αυτό γίνεται κατά περίπτωση καθώς οι εφαρμογές μπορεί να κυμαίνονται από μικρά νοικοκυριά έως μεγάλες βιομηχανικές εγκαταστάσεις.
Η πιο κοινή ανανεώσιμη πηγή ενέργειας για μικρά νοικοκυριά, ειδικά σε αστικές περιοχές, είναι η ηλιακή ενέργεια που χρησιμοποιεί φωτοβολταϊκά πάνελ. Ο μηχανικός θα εξετάσει γενικά τη μέση κατανάλωση ενέργειας του νοικοκυριού και θα εκτιμήσει την ηλιακή ακτινοβολία καθ' όλη τη διάρκεια του έτους για τη συγκεκριμένη τοποθεσία. Ο αριθμός των μπαταριών και η διαμόρφωση του δικτύου τους επιλέγεται για να ανταποκρίνεται στις απαιτήσεις του νοικοκυριού κατά τη διάρκεια της χαμηλότερης παροχής ηλιακής ενέργειας του έτους, ενώ δεν εξαντλούνται πλήρως οι μπαταρίες. Αυτό προϋποθέτει μια λύση για πλήρη ανεξαρτησία ισχύος από το κύριο δίκτυο.
Η διατήρηση μιας σχετικά μέτριας κατάστασης φόρτισης ή η μη πλήρης αποφόρτιση των μπαταριών είναι κάτι που θα μπορούσε να είναι αντίθετο στην αρχή. Τελικά, γιατί να χρησιμοποιήσουμε ένα σύστημα αποθήκευσης εάν δεν μπορούμε να το εξαγάγουμε πλήρως; Θεωρητικά είναι δυνατό, αλλά μπορεί να μην είναι η στρατηγική που μεγιστοποιεί την απόδοση της επένδυσης.
Ένα από τα κύρια μειονεκτήματα του BESS είναι το σχετικά υψηλό κόστος των μπαταριών. Επομένως, η επιλογή μιας συνήθειας χρήσης ή μιας στρατηγικής φόρτισης/εκφόρτισης που μεγιστοποιεί τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας είναι απαραίτητη. Για παράδειγμα, οι μπαταρίες μολύβδου οξέος δεν μπορούν να αποφορτιστούν κάτω από το 50% χωρητικότητας χωρίς να υποστούν μη αναστρέψιμη ζημιά. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα, μεγάλη διάρκεια ζωής. Μπορούν επίσης να εκφορτιστούν χρησιμοποιώντας μεγαλύτερες σειρές, αλλά αυτό έχει κόστος αυξημένης τιμής. Υπάρχει μεγάλη απόκλιση στο κόστος μεταξύ διαφορετικών χημικών στοιχείων, οι μπαταρίες μολύβδου οξέος μπορεί να είναι εκατοντάδες έως χιλιάδες δολάρια φθηνότερες από μια μπαταρία ιόντων λιθίου του ίδιου μεγέθους. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι μπαταρίες μολύβδου οξέος είναι οι πιο χρησιμοποιούμενες σε ηλιακές εφαρμογές σε χώρες του τρίτου κόσμου και φτωχές κοινότητες.
Η απόδοση της μπαταρίας επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από την υποβάθμιση κατά τη διάρκεια ζωής της, δεν έχει σταθερή απόδοση που τελειώνει με ξαφνική αστοχία. Αντίθετα, η χωρητικότητα και η παρεχόμενη μπορεί να εξασθενίσει σταδιακά. Στην πράξη, η διάρκεια ζωής μιας μπαταρίας θεωρείται ότι έχει εξαντληθεί όταν η χωρητικότητά της φτάσει το 80% της αρχικής της χωρητικότητας. Με άλλα λόγια, όταν βιώνει ένα ξεθώριασμα χωρητικότητας 20%. Στην πράξη, αυτό σημαίνει ότι μπορεί να παρασχεθεί χαμηλότερη ποσότητα ενέργειας. Αυτό μπορεί να επηρεάσει τις περιόδους χρήσης για πλήρως ανεξάρτητα συστήματα και την ποσότητα χιλιομέτρων που μπορεί να καλύψει ένα EV.
Ένα άλλο σημείο που πρέπει να λάβετε υπόψη είναι η ασφάλεια. Με την πρόοδο στην κατασκευή και την τεχνολογία, οι πρόσφατες μπαταρίες είναι γενικά πιο σταθερές χημικά. Ωστόσο, λόγω του ιστορικού υποβάθμισης και κατάχρησης, οι κυψέλες μπορεί να οδηγηθούν σε θερμική διαφυγή, γεγονός που μπορεί να οδηγήσει σε καταστροφικά αποτελέσματα και σε ορισμένες περιπτώσεις να θέσει τη ζωή των καταναλωτών σε κίνδυνο.
Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι εταιρείες έχουν αναπτύξει καλύτερο λογισμικό παρακολούθησης μπαταρίας (BMS) για τον έλεγχο της χρήσης της μπαταρίας αλλά και για την παρακολούθηση της κατάστασης της υγείας, προκειμένου να παρέχουν έγκαιρη συντήρηση και να αποφεύγουν επιβαρυντικές συνέπειες.
Σύναψη
Από το δίκτυο, τα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας παρέχουν μια μεγάλη ευκαιρία για την επίτευξη ανεξαρτησίας ισχύος από το κύριο δίκτυο, αλλά επίσης παρέχουν μια εφεδρική πηγή ενέργειας κατά τη διάρκεια διακοπών και περιόδων αιχμής φορτίου. Εκεί η ανάπτυξη θα διευκόλυνε τη στροφή προς πιο πράσινες πηγές ενέργειας, περιορίζοντας έτσι τον αντίκτυπο της παραγωγής ενέργειας στην κλιματική αλλαγή, ενώ παράλληλα θα πληρούσε τις ενεργειακές απαιτήσεις με συνεχή αύξηση της κατανάλωσης.
Τα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας μπαταριών είναι τα πιο συχνά χρησιμοποιούμενα και τα πιο εύκολα στη διαμόρφωση για διαφορετικές καθημερινές εφαρμογές. Η υψηλή ευελιξία τους αντισταθμίζεται από το σχετικά υψηλό κόστος, που οδηγεί στην ανάπτυξη στρατηγικών παρακολούθησης για την όσο το δυνατόν μεγαλύτερη παράταση της αντίστοιχης διάρκειας ζωής. Επί του παρόντος, η βιομηχανία και ο ακαδημαϊκός κόσμος καταβάλλουν μεγάλη προσπάθεια για να διερευνήσουν και να κατανοήσουν την υποβάθμιση της μπαταρίας υπό διαφορετικές συνθήκες.
