Kuidas salvestada elektrit võrgust väljas?

Viimase 50 aasta jooksul on ülemaailmne elektritarbimine pidevalt kasvanud, hinnanguliselt umbes 25 300 teravatt-tundi aastal 2021. Tööstus 4.0-le üleminekuga suureneb energianõudlus kogu maailmas. Need arvud kasvavad iga aastaga, arvestamata tööstus- ja muude majandussektorite energiavajadust. See tööstuslik nihe ja suur energiatarbimine on seotud liigsete kasvuhoonegaaside heitkoguste tõttu käegakatsutavamate kliimamuutuste mõjudega. Praegu toetuvad enamik elektrijaamu ja rajatisi selliste nõudmiste rahuldamiseks suurel määral fossiilkütuste allikatele (nafta ja gaas). Need kliimaprobleemid keelavad täiendava energiatootmise tavapäraste meetodite abil. Seega on tõhusate ja töökindlate energiasalvestussüsteemide väljatöötamine muutunud järjest olulisemaks, et tagada pidev ja usaldusväärne taastuvatest allikatest toodetud energiavarustus.

Energeetikasektor on sellele reageerinud taastuvenergia või roheliste lahenduste suunas liikumisega. Üleminekule on kaasa aidanud täiustatud tootmistehnikad, mis on viinud näiteks tuuleturbiinide labade tõhusama tootmiseni. Samuti on teadlased suutnud parandada fotogalvaaniliste elementide tõhusust, mille tulemuseks on parem energiatootmine kasutusala kohta. 2021. aastal kasvas märkimisväärselt elektritootmine fotogalvaanilistest päikeseenergiaallikatest, jõudes rekordilise 179 TWh-ni, mis tähendab 22% kasvu võrreldes 2020. aastaga. Päikeseenergia tehnoloogia moodustab praegu 3,6% ülemaailmsest elektritootmisest ja on praegu suuruselt kolmas taastuvenergia. energiaallikas pärast hüdroenergiat ja tuult.

Kuid need läbimurded ei lahenda mõningaid taastuvenergiasüsteemidele omaseid puudusi, peamiselt kättesaadavust. Enamik neist meetoditest ei tooda energiat nõudmisel nagu söe- ja naftaelektrijaamad. Päikeseenergia väljundid on saadaval näiteks kogu päeva jooksul, sõltuvalt päikesekiirguse nurkadest ja PV-paneeli asukohast. See ei suuda öösel energiat toota, samas kui selle toodang väheneb oluliselt talvehooajal ja väga pilvistel päevadel. Tuuleenergia kannatab ka tuule kiirusest sõltuvate kõikumiste all. Seetõttu tuleb need lahendused ühendada energiasalvestussüsteemidega, et säilitada energiavarustus madala võimsusega perioodidel.

Mis on energiasalvestussüsteemid?

Energiasalvestussüsteemid võivad salvestada energiat, et seda hiljem kasutada. Mõnel juhul toimub salvestatud energia ja tarnitud energia vahel energia muundamine. Kõige tavalisem näide on elektriakud, nagu liitium-ioonakud või pliiakud. Need annavad elektrienergiat elektroodide ja elektrolüüdi vaheliste keemiliste reaktsioonide kaudu.

Patareid või BESS (aku energiasalvestussüsteem) on kõige levinum energia salvestamise meetod, mida kasutatakse igapäevaelus. Olemas on ka muid salvestussüsteeme, näiteks hüdroelektrijaamad, mis muundavad tammis hoitava vee potentsiaalse energia elektrienergiaks. Alla langev vesi pöörab elektrienergiat tootva turbiini hooratast. Teine näide on surugaas, mille vabanemisel pöörab gaas võimsust tootva turbiini ratta.

Akusid teistest ladustamismeetoditest eristab nende potentsiaalsed tööpiirkonnad. Alates väikestest seadmetest ja autode toiteallikast kuni majapidamisrakenduste ja suurte päikeseenergiafarmideni saab akusid sujuvalt integreerida mis tahes võrguvälise salvestusrakendusega. Teisest küljest nõuavad hüdroenergia ja suruõhu meetodid ladustamiseks väga suuri ja keerukaid infrastruktuure. See toob kaasa väga suured kulud, mis nõuavad väga suuri rakendusi, et see oleks õigustatud.

Kasutusvõimalused võrguväliste salvestussüsteemide jaoks.

Nagu varem mainitud, võivad võrguvälised salvestussüsteemid hõlbustada taastuvenergia meetodite (nt päikese- ja tuuleenergia) kasutamist ja nendele tuginemist. Sellegipoolest on ka teisi rakendusi, mis võivad sellistest süsteemidest palju kasu saada

Linna elektrivõrkude eesmärk on tagada iga linna pakkumise ja nõudluse põhjal õige kogus võimsust. Vajalik võimsus võib päeva jooksul kõikuda. Võrguväliseid salvestussüsteeme on kasutatud kõikumiste summutamiseks ja suurema stabiilsuse tagamiseks tippnõudluse korral. Teisest küljest võivad võrguvälised salvestussüsteemid olla väga kasulikud, et kompenseerida mis tahes ettenägematut tehnilist riket peavõrgus või plaanipäraste hooldusperioodide ajal. Nad suudavad täita võimsusnõudeid ilma alternatiivseid energiaallikaid otsimata. Näiteks võib tuua 2023. aasta veebruari alguses Texase jäätormi, mis jättis elektrita ligikaudu 262 000 inimest, samas kui remont viibis keeruliste ilmastikutingimuste tõttu.

Elektrisõidukid on teine rakendus. Teadlased on teinud palju pingutusi, et optimeerida akude tootmist ja laadimis-/tühjenemisstrateegiaid, et pikendada akude eluiga ja võimsustihedust. Liitiumioonakud on olnud selle väikese revolutsiooni esirinnas ja neid on laialdaselt kasutatud uutes elektriautodes, aga ka elektribussides. Sel juhul võivad paremad akud õigete tehnoloogiatega kaasa tuua suurema läbisõidu, aga ka lühema laadimisaja.

Muud tehnoloogilised edusammud, nagu UAV-d ja mobiilsed robotid, on aku arendamisest palju kasu saanud. Seal sõltuvad liikumisstrateegiad ja juhtimisstrateegiad suuresti aku mahutavusest ja pakutavast võimsusest.

Mis on BESS

BESS ehk aku energiasalvestussüsteem on energiasalvestussüsteem, mida saab kasutada energia salvestamiseks. See energia võib pärineda põhivõrgust või taastuvatest energiaallikatest, nagu tuuleenergia ja päikeseenergia. See koosneb mitmest akust, mis on paigutatud erinevatesse konfiguratsioonidesse (seeria/paralleel) ja mille suurus on vastavalt nõuetele. Need on ühendatud inverteriga, mida kasutatakse alalisvoolu muundamiseks vahelduvvooluks kasutamiseks. Aakuhaldussüsteem (BMS)kasutatakse aku seisukorra ja laadimise/tühjenemise toimingu jälgimiseks.

Võrreldes teiste energiasalvestussüsteemidega on need paigutamisel/ühendamisel eriti paindlikud ega nõua ülikallist infrastruktuuri, kuid on siiski märkimisväärsete kuludega ja nõuavad kasutusest lähtuvalt regulaarset hooldust.

BESSi suurus ja kasutusharjumused

Oluline punkt, millega aku energiasalvestussüsteemi paigaldamisel tegeleda, on suuruse määramine. Mitu patareid on vaja? Millises konfiguratsioonis? Mõnel juhul võib aku tüüp mängida kulude kokkuhoiu ja tõhususe seisukohalt pikas perspektiivis otsustavat rolli

Seda tehakse iga juhtumi puhul eraldi, kuna rakendused võivad ulatuda väikestest majapidamistest kuni suurte tööstusettevõteteni.

Kõige levinum taastuvenergiaallikas väikemajapidamiste jaoks, eriti linnapiirkondades, on fotogalvaanilisi paneele kasutav päikeseenergia. Insener võtab üldiselt arvesse leibkonna keskmist energiatarbimist ja hindab konkreetse asukoha päikesekiirgust aastaringselt. Patareide arv ja nende võrgukonfiguratsioon valitakse nii, et need vastaksid majapidamise vajadustele aasta madalaima päikeseenergia pakkumise ajal, kuid ei tühjenda akusid täielikult. See eeldab lahenduse täielikku sõltumatust põhivõrgust.

Suhteliselt mõõduka laetuse hoidmine või akude mittetühjenemine võib alguses olla intuitiivne. Miks kasutada salvestussüsteemi, kui me ei saa selle täit potentsiaali ära kasutada? Teoreetiliselt on see võimalik, kuid see ei pruugi olla strateegia, mis maksimeerib investeeringutasuvust.

Üks BESSi peamisi puudusi on akude suhteliselt kõrge hind. Seetõttu on oluline valida kasutusharjumus või laadimis-/tühjendamisstrateegia, mis maksimeerib aku eluiga. Näiteks ei saa pliiakusid tühjendada alla 50% võimsusega, ilma et need saaksid pöördumatuid kahjustusi. Liitium-ioonakudel on suurem energiatihedus ja pikk kasutusiga. Neid saab tühjendada ka suuremate vahemike abil, kuid see toob kaasa kõrgema hinna. Erinevate keemiatoodete maksumus on väga erinev, pliiakud võivad olla sadu kuni tuhandeid dollareid odavamad kui sama suurusega liitiumioonakud. Seetõttu kasutatakse pliiakusid päikeseenergia rakendustes enim kolmanda maailma riikides ja vaestes kogukondades.

Aku jõudlust mõjutab tugevalt selle eluea jooksul halvenemine, see ei tööta ühtlaselt, mis lõppeks äkilise rikkega. Selle asemel võivad võimsus ja pakkumine järk-järgult väheneda. Praktikas loetakse aku eluiga lõppenuks, kui selle mahutavus jõuab 80%-ni algsest mahust. Teisisõnu, kui selle maht väheneb 20% võrra. Praktikas tähendab see väiksemat energiahulka. See võib mõjutada täielikult sõltumatute süsteemide kasutusperioode ja elektrisõiduki läbisõitu.

Teine punkt, mida tuleb arvestada, on ohutus. Tootmise ja tehnoloogia arenguga on hiljutised akud üldiselt keemiliselt stabiilsemad. Kuid lagunemise ja kuritarvitamise ajaloo tõttu võivad rakud kuumeneda, mis võib viia katastroofiliste tagajärgedeni ja mõnel juhul seada ohtu tarbijate elu.

Seetõttu on ettevõtted välja töötanud parema aku jälgimise tarkvara (BMS), et kontrollida aku kasutamist, kuid jälgida ka tervislikku seisundit, et tagada õigeaegne hooldus ja vältida raskendavaid tagajärgi.

Järeldus

Võrgu-energiasalvestussüsteemid annavad suurepärase võimaluse saavutada voolu sõltumatus põhivõrgust, kuid pakuvad ka varutoiteallikat seisaku- ja tippkoormuse perioodidel. Sealne areng hõlbustaks üleminekut rohelisematele energiaallikatele, piirates seega energiatootmise mõju kliimamuutustele, täites samal ajal energiavajaduse pideva tarbimise kasvuga.

Akuenergia salvestamise süsteemid on kõige sagedamini kasutatavad ja kõige hõlpsamini konfigureeritavad erinevate igapäevaste rakenduste jaoks. Nende suurt paindlikkust tasakaalustab suhteliselt kõrge hind, mis viib seirestrateegiate väljatöötamiseni, et pikendada vastavat eluiga nii palju kui võimalik. Praegu teevad tööstus ja akadeemilised ringkonnad palju jõupingutusi, et uurida ja mõista aku lagunemist erinevates tingimustes.