Kuinka varastoida sähköä verkosta?

Viimeisten 50 vuoden aikana maailmanlaajuinen sähkönkulutus on kasvanut jatkuvasti, ja sen arvioidaan olevan noin 25 300 terawattituntia vuonna 2021. Teollisuus 4.0:aan siirtymisen myötä energian kysyntä kasvaa kaikkialla maailmassa. Nämä luvut kasvavat joka vuosi, lukuun ottamatta teollisuuden ja muiden talouden alojen tehotarpeita. Tämä teollinen muutos ja korkea virrankulutus liittyvät liiallisten kasvihuonekaasupäästöjen aiheuttamiin ilmastonmuutosvaikutuksiin. Tällä hetkellä useimmat voimalaitokset ja laitokset ovat vahvasti riippuvaisia fossiilisten polttoaineiden lähteistä (öljystä ja kaasusta) vastatakseen näihin tarpeisiin. Nämä ilmastohuolet kieltävät lisäenergian tuotannon perinteisin menetelmin. Näin ollen tehokkaiden ja luotettavien energian varastointijärjestelmien kehittämisestä on tullut yhä tärkeämpää jatkuvan ja luotettavan uusiutuvista lähteistä peräisin olevan energian saannin varmistamiseksi.

Energia-ala on vastannut siirtymällä kohti uusiutuvaa energiaa tai "vihreitä" ratkaisuja. Siirtymistä ovat auttaneet parantuneet valmistustekniikat, jotka ovat johtaneet esimerkiksi tuuliturbiinien siipien tehokkaampaan valmistukseen. Tutkijat ovat myös pystyneet parantamaan aurinkokennojen tehokkuutta, mikä on johtanut parempaan energiantuotantoon käyttöaluetta kohti. Vuonna 2021 sähköntuotanto aurinkosähköistä (PV) lisääntyi merkittävästi saavuttaen ennätysmäärän 179 TWh, mikä merkitsee 22 prosentin kasvua vuoteen 2020 verrattuna. Aurinkosähköteknologian osuus maailmanlaajuisesta sähköntuotannosta on nyt 3,6 prosenttia ja se on tällä hetkellä kolmanneksi suurin uusiutuva energia. energialähde vesivoiman ja tuulivoiman jälkeen.

Nämä läpimurrot eivät kuitenkaan ratkaise joitakin uusiutuvan energian järjestelmien luontaisia haittoja, pääasiassa saatavuutta. Suurin osa näistä menetelmistä ei tuota energiaa kysyntään kuten hiili- ja öljyvoimalaitokset. Aurinkoenergiatehoja on saatavilla esimerkiksi koko päivän ajan vaihtelevin auringon säteilykulmista ja aurinkopaneelien sijainnista riippuen. Se ei pysty tuottamaan energiaa yöllä, kun taas sen tuotanto vähenee merkittävästi talvikaudella ja erittäin pilvisinä päivinä. Tuulivoima kärsii myös tuulen nopeuden vaihteluista. Siksi nämä ratkaisut on yhdistettävä energian varastointijärjestelmiin energiansaannin ylläpitämiseksi alhaisen tehon aikana.

Mitä ovat energian varastointijärjestelmät?

Energian varastointijärjestelmät voivat varastoida energiaa myöhempää käyttöä varten. Joissakin tapauksissa energian muunnos tapahtuu varastoidun ja toimitetun energian välillä. Yleisin esimerkki on sähköakut, kuten litiumioniakut tai lyijyakut. Ne tuottavat sähköenergiaa elektrodien ja elektrolyytin välisten kemiallisten reaktioiden kautta.

Akut tai BESS (battery energy storage system) edustavat yleisintä energian varastointimenetelmää, jota käytetään jokapäiväisessä elämässä. On olemassa muitakin varastointijärjestelmiä, kuten vesivoimalaitoksia, jotka muuttavat patoon varastoidun veden potentiaalisen energian sähköenergiaksi. Alas putoava vesi kääntää sähköenergiaa tuottavan turbiinin vauhtipyörää. Toinen esimerkki on painekaasu, vapautuessaan kaasu kääntää tehoa tuottavan turbiinin pyörää.

Se, mikä erottaa akut muista varastointimenetelmistä, ovat niiden mahdolliset toiminta-alueet. Pienistä laitteista ja autojen virtalähteistä kotitaloussovelluksiin ja suuriin aurinkotiloihin, akut voidaan integroida saumattomasti mihin tahansa verkon ulkopuoliseen tallennussovellukseen. Toisaalta vesivoima- ja paineilmamenetelmät vaativat erittäin suuria ja monimutkaisia infrastruktuureja varastointiin. Tämä johtaa erittäin korkeisiin kustannuksiin, jotka edellyttävät erittäin suuria sovelluksia, jotta se olisi perusteltua.

Käyttökotelot off-grid varastointijärjestelmille.

Kuten aiemmin mainittiin, verkon ulkopuoliset varastointijärjestelmät voivat helpottaa uusiutuvien energialähteiden, kuten aurinko- ja tuulivoiman, käyttöä ja luottamista. Siitä huolimatta on olemassa muita sovelluksia, jotka voivat hyötyä suuresti tällaisista järjestelmistä

Kaupungin sähköverkot pyrkivät tarjoamaan oikean määrän sähköä kunkin kaupungin kysynnän ja tarjonnan mukaan. Tarvittava teho voi vaihdella päivän aikana. Verkon ulkopuolisia varastointijärjestelmiä on käytetty vaimentamaan vaihteluita ja lisäämään vakautta huippukysynnän tapauksissa. Toisesta näkökulmasta katsottuna verkon ulkopuoliset varastojärjestelmät voivat olla erittäin hyödyllisiä kompensoimaan odottamattomia teknisiä vikoja pääsähköverkossa tai määräaikaishuoltojaksojen aikana. Ne voivat täyttää tehovaatimukset ilman vaihtoehtoisten energialähteiden etsimistä. Voidaan mainita esimerkiksi Texasin jäämyrsky helmikuun 2023 alussa, jolloin noin 262 000 ihmistä jäi ilman sähköä, kun taas korjaukset viivästyivät vaikeiden sääolosuhteiden vuoksi.

Sähköajoneuvot ovat toinen sovellus. Tutkijat ovat tehneet paljon työtä optimoidakseen akkujen valmistusta ja lataus-/purkausstrategioita akkujen käyttöiän ja tehotiheyden pidentämiseksi. Litiumioniakut ovat olleet tämän pienen vallankumouksen eturintamassa, ja niitä on käytetty laajalti uusissa sähköautoissa, mutta myös sähköbusseissa. Paremmat akut voivat tässä tapauksessa johtaa suurempaan kilometrimäärään, mutta myös lyhentää latausaikoja oikeilla tekniikoilla.

Muut tekniset edistysaskeleet, kuten UAV:t ja mobiilirobotit, ovat hyötyneet suuresti akkukehityksestä. Siellä liikestrategiat ja ohjausstrategiat riippuvat suuresti akun kapasiteetista ja tehosta.

Mikä on BESS

BESS eli akkuenergian varastointijärjestelmä on energian varastointijärjestelmä, jota voidaan käyttää energian varastointiin. Tämä energia voi tulla kantaverkosta tai uusiutuvista energialähteistä, kuten tuuli- ja aurinkoenergiasta. Se koostuu useista akuista, jotka on järjestetty eri kokoonpanoihin (sarja/rinnakkais) ja mitoitettu vaatimusten mukaan. Ne on kytketty invertteriin, jota käytetään muuntamaan tasavirta AC-virraksi käyttöä varten. Aakunhallintajärjestelmä (BMS)käytetään akun tilan ja lataus-/purkaustoiminnan seuraamiseen.

Verrattuna muihin energian varastointijärjestelmiin ne ovat erityisen joustavia sijoitettavaksi/liitettäviksi eivätkä vaadi kovin kallista infrastruktuuria, mutta ne ovat silti huomattavia kustannuksia ja vaativat säännöllisempää huoltoa käytön perusteella.

BESSin koko- ja käyttötavat

Tärkeä asia, johon on puututtava akun energian varastointijärjestelmää asennettaessa, on mitoitus. Kuinka monta paristoa tarvitaan? Missä kokoonpanossa? Joissakin tapauksissa akun tyypillä voi olla pitkällä aikavälillä ratkaiseva merkitys kustannussäästöjen ja tehokkuuden kannalta

Tämä tehdään tapauskohtaisesti, koska käyttökohteet voivat vaihdella pienistä kotitalouksista suuriin teollisuuslaitoksiin.

Pienten kotitalouksien yleisin uusiutuva energialähde, erityisesti kaupunkialueilla, on aurinkopaneeleilla toimiva aurinko. Insinööri ottaa yleensä huomioon kotitalouden keskimääräisen virrankulutuksen ja arvioi auringon säteilyn koko vuoden tietyssä paikassa. Akkujen määrä ja niiden verkkokokoonpano valitaan vastaamaan kotitalouksien tarpeita vuoden alhaisimman aurinkosähkön aikana ilman, että paristot tyhjenevät kokonaan. Tämä olettaa, että ratkaisu on täysin riippumaton pääverkosta.

Suhteellisen kohtuullisen latauksen pitäminen tai akkujen tyhjentämättä jättäminen voi olla aluksi intuitiivista. Loppujen lopuksi miksi käyttää tallennusjärjestelmää, jos emme voi hyödyntää sen täyttä potentiaalia? Teoriassa se on mahdollista, mutta se ei ehkä ole strategia, joka maksimoi sijoitetun pääoman tuoton.

Yksi BESSin suurimmista haitoista on akkujen suhteellisen korkea hinta. Siksi on tärkeää valita käyttötapa tai lataus-/purkausstrategia, joka maksimoi akun käyttöiän. Esimerkiksi lyijyakkuja ei voida purkaa alle 50 %:n kapasiteetilla ilman, että ne kärsivät peruuttamattomista vaurioista. Litiumioniakuilla on korkeampi energiatiheys ja pitkä käyttöikä. Ne voidaan myös purkaa käyttämällä suurempia alueita, mutta tämä maksaa kohonneen hinnan. Eri kemikaalien kustannuksissa on suuri ero, lyijyakut voivat olla satoja tai tuhansia dollareita halvempia kuin samankokoiset litiumioniakut. Tästä syystä lyijyakkuja käytetään eniten aurinkosovelluksissa kolmannen maailman maissa ja köyhissä yhteisöissä.

Akun suorituskykyyn vaikuttaa voimakkaasti sen käyttöiän aikana tapahtuva heikkeneminen, sillä ei ole tasaista suorituskykyä, joka päättyy äkilliseen vikaan. Sen sijaan kapasiteetti ja tarjottu voivat haalistua asteittain. Käytännössä akun käyttöiän katsotaan kuluneen loppuun, kun sen kapasiteetti on saavuttanut 80 % alkuperäisestä kapasiteetistaan. Toisin sanoen, kun sen kapasiteetti heikkenee 20 %. Käytännössä tämä tarkoittaa, että energiaa voidaan tarjota pienemmällä määrällä. Tämä voi vaikuttaa täysin itsenäisten järjestelmien käyttöaikoihin ja sähköauton ajokilometreihin.

Toinen huomioitava asia on turvallisuus. Valmistuksen ja tekniikan kehityksen myötä viimeaikaiset akut ovat yleensä olleet kemiallisesti vakaampia. Hajoamisen ja väärinkäyttöhistorian vuoksi solut voivat kuitenkin joutua lämpökarkaamaan, mikä voi johtaa katastrofaalisiin tuloksiin ja joissakin tapauksissa saattaa kuluttajien hengen vaaraan.

Tästä syystä yritykset ovat kehittäneet parempia akunvalvontaohjelmistoja (BMS) akun käytön hallintaan, mutta myös terveydentilan seurantaan, jotta huolto voidaan suorittaa oikea-aikaisesti ja välttää pahentuneet seuraukset.

Johtopäätös

Verkko-energian varastointijärjestelmät tarjoavat erinomaisen mahdollisuuden saavuttaa tehoriippumattomuus kantaverkosta, mutta tarjoavat myös varavirtalähteen seisokkien ja huippukuormitusjaksojen aikana. Siellä kehitys helpottaisi siirtymistä vihreämpiin energialähteisiin, mikä rajoittaisi energiantuotannon vaikutusta ilmastonmuutokseen, samalla kun energiatarpeet täyttyisivät jatkuvan kulutuksen kasvun myötä.

Akkuenergian varastointijärjestelmät ovat yleisimmin käytettyjä ja helpoimmin konfiguroitavia erilaisiin päivittäisiin sovelluksiin. Niiden suurta joustavuutta vastustaa suhteellisen korkeat kustannukset, mikä johtaa seurantastrategioiden kehittämiseen niiden eliniän pidentämiseksi mahdollisimman paljon. Tällä hetkellä teollisuus ja tiedemaailma tekevät paljon vaivaa tutkiakseen ja ymmärtääkseen akun heikkenemistä eri olosuhteissa.