Tijekom proteklih 50 godina došlo je do kontinuiranog porasta globalne potrošnje električne energije, s procijenjenom upotrebom od oko 25.300 teravat-sati u 2021. godini. S prijelazom na industriju 4.0, dolazi do povećanja potražnje za energijom u cijelom svijetu. Ti se brojevi povećavaju svake godine, ne uključujući potrebe za električnom energijom industrijskih i drugih gospodarskih sektora. Ovaj industrijski pomak i velika potrošnja energije povezani su s opipljivijim učincima klimatskih promjena zbog prekomjernih emisija stakleničkih plinova. Trenutno se većina postrojenja i postrojenja za proizvodnju električne energije uvelike oslanjaju na izvore fosilnih goriva (naftu i plin) kako bi zadovoljili takve zahtjeve. Ovi klimatski problemi zabranjuju dodatnu proizvodnju energije konvencionalnim metodama. Stoga je razvoj učinkovitih i pouzdanih sustava za pohranu energije postao sve važniji kako bi se osigurala kontinuirana i pouzdana opskrba energijom iz obnovljivih izvora.

Energetski sektor je odgovorio prelaskom na obnovljivu energiju ili "zelena" rješenja. Prijelaz je potpomognut poboljšanim proizvodnim tehnikama, što je dovelo na primjer do učinkovitije proizvodnje lopatica vjetroturbina. Također, istraživači su uspjeli poboljšati učinkovitost fotonaponskih ćelija, što je dovelo do bolje proizvodnje energije po području uporabe. U 2021. proizvodnja električne energije iz solarnih fotonaponskih (PV) izvora značajno je porasla, dosegnuvši rekordnih 179 TWh i predstavlja rast od 22% u usporedbi s 2020. Solarna PV tehnologija sada čini 3,6% globalne proizvodnje električne energije i trenutno je treći najveći obnovljivi izvor energije izvor energije nakon hidroenergije i vjetra.

Međutim, ova otkrića ne rješavaju neke od inherentnih nedostataka sustava obnovljive energije, uglavnom dostupnost. Većina ovih metoda ne proizvodi energiju na zahtjev kao elektrane na ugljen ili naftu. Izlazi solarne energije dostupni su, primjerice, tijekom cijelog dana s varijacijama ovisno o kutovima sunčevog zračenja i položaju PV panela. Ne može proizvoditi nikakvu energiju tijekom noći, dok je njegova proizvodnja značajno smanjena tijekom zimske sezone i za vrlo oblačnih dana. Snaga vjetra također trpi zbog fluktuacija ovisno o brzini vjetra. Stoga ova rješenja moraju biti povezana sa sustavima za pohranu energije kako bi se održala opskrba energijom tijekom razdoblja niske proizvodnje.

Što su sustavi za pohranu energije?

Sustavi za pohranu energije mogu pohraniti energiju kako bi se koristila u kasnijoj fazi. U nekim slučajevima, postojat će oblik pretvorbe energije između pohranjene i isporučene energije. Najčešći primjer su električne baterije kao što su litij-ionske baterije ili olovne baterije. Oni daju električnu energiju putem kemijskih reakcija između elektroda i elektrolita.

Baterije, ili BESS (battery energy storage system), predstavljaju najčešći način skladištenja energije koji se koristi u svakodnevnim životnim aplikacijama. Postoje i drugi sustavi skladištenja kao što su hidroelektrane koje potencijalnu energiju vode pohranjene u brani pretvaraju u električnu energiju. Voda koja pada okretat će zamašnjak turbine koja proizvodi električnu energiju. Drugi primjer je komprimirani plin, nakon ispuštanja plin će okretati kotač turbine proizvodeći snagu.

Ono po čemu se baterije razlikuju od ostalih metoda skladištenja jesu njihova potencijalna područja djelovanja. Od malih uređaja i napajanja za automobile do aplikacija u kućanstvu i velikih solarnih farmi, baterije se mogu neprimjetno integrirati u bilo koju aplikaciju za pohranu izvan mreže. S druge strane, metode hidroenergije i komprimiranog zraka zahtijevaju vrlo veliku i složenu infrastrukturu za skladištenje. To dovodi do vrlo visokih troškova koji zahtijevaju vrlo velike primjene da bi se to opravdalo.

Slučajevi korištenja za izvanmrežne sustave pohrane.

Kao što je ranije spomenuto, izvanmrežni sustavi skladištenja mogu olakšati korištenje i oslanjanje na metode obnovljive energije kao što su solarna energija i energija vjetra. Unatoč tome, postoje druge aplikacije koje mogu imati velike koristi od takvih sustava

Gradske električne mreže imaju za cilj osigurati pravu količinu energije na temelju ponude i potražnje svakog grada. Potrebna snaga može varirati tijekom dana. Izvanmrežni sustavi skladištenja korišteni su za ublažavanje fluktuacija i pružanje veće stabilnosti u slučajevima vršne potražnje. Iz druge perspektive, sustavi za pohranu izvan mreže mogu biti vrlo korisni za kompenzaciju bilo koje nepredviđene tehničke greške u glavnoj električnoj mreži ili tijekom planiranih razdoblja održavanja. Mogu zadovoljiti zahtjeve za napajanjem bez traženja alternativnih izvora energije. Za primjer se može navesti teksaška ledena oluja početkom veljače 2023. koja je ostavila približno 262 000 ljudi bez struje, dok su popravci odgođeni zbog teških vremenskih uvjeta.

Električna vozila su još jedna primjena. Istraživači su uložili mnogo truda kako bi optimizirali proizvodnju baterija i strategije punjenja/pražnjenja kako bi produljili životni vijek i gustoću snage baterija. Litij-ionske baterije bile su na čelu ove male revolucije i intenzivno se koriste u novim električnim automobilima, ali i električnim autobusima. Bolje baterije u ovom slučaju mogu dovesti do veće kilometraže, ali i smanjenog vremena punjenja s pravim tehnologijama.

Drugi tehnološki napredak poput UAV-ova i mobilnih robota uvelike je profitirao od razvoja baterija. Tamo se strategije kretanja i strategije upravljanja uvelike oslanjaju na kapacitet baterije i isporučenu snagu.

Što je BESS

BESS ili baterijski sustav za pohranu energije je sustav za pohranu energije koji se može koristiti za skladištenje energije. Ta energija može dolaziti iz glavne mreže ili iz obnovljivih izvora energije kao što su energija vjetra i solarna energija. Sastoji se od više baterija raspoređenih u različitim konfiguracijama (serijski/paralelno) i veličine na temelju zahtjeva. Spojeni su na pretvarač koji se koristi za pretvaranje istosmjerne struje u izmjeničnu struju za korištenje. Sustav upravljanja baterijom (BMS) koristi se za praćenje stanja baterije i operacije punjenja/pražnjenja.

U usporedbi s drugim sustavima za pohranu energije, posebno su fleksibilni za postavljanje/spajanje i ne zahtijevaju vrlo skupu infrastrukturu, ali ipak imaju znatnu cijenu i zahtijevaju redovitije održavanje ovisno o korištenju.

BESS veličine i navike korištenja

Dimenzioniranje je ključna točka koju treba riješiti prilikom postavljanja sustava za pohranu baterije. Koliko je baterija potrebno? U kojoj konfiguraciji? U nekim slučajevima, vrsta baterije dugoročno može igrati ključnu ulogu u smislu uštede troškova i učinkovitosti

To se radi od slučaja do slučaja jer primjene mogu varirati od malih kućanstava do velikih industrijskih postrojenja.

Najčešći obnovljivi izvor energije za mala kućanstva, posebno u urbanim sredinama, je solarna energija pomoću fotonaponskih panela. Inženjer bi općenito uzeo u obzir prosječnu potrošnju energije u kućanstvu i procijenio sunčevo zračenje tijekom godine za određenu lokaciju. Broj baterija i njihova mrežna konfiguracija odabrani su tako da odgovaraju zahtjevima kućanstva tijekom najniže solarne energije u godini, a pritom se baterije ne isprazne u potpunosti. Ovo podrazumijeva rješenje za potpunu neovisnost o energiji od glavne mreže.

Održavanje relativno umjerenog stanja napunjenosti ili nepotpuno pražnjenje baterija je nešto što bi u početku moglo biti kontra intuitivno. Uostalom, zašto koristiti sustav za pohranu ako ne možemo iskoristiti njegov puni potencijal? U teoriji je moguće, ali to možda nije strategija koja maksimizira povrat ulaganja.

Jedan od glavnih nedostataka BESS-a je relativno visoka cijena baterija. Stoga je ključno odabrati naviku korištenja ili strategiju punjenja/pražnjenja koja maksimalno produljuje životni vijek baterije. Na primjer, olovne baterije s kiselinom ne mogu se isprazniti ispod 50% kapaciteta bez nepopravljivih oštećenja. Litij-ionske baterije imaju veću gustoću energije, dug životni vijek. Također se mogu isprazniti koristeći veće domete, ali to dolazi po cijeni veće cijene. Postoji velika razlika u cijeni između različitih kemikalija, olovne baterije mogu biti stotine do tisuće dolara jeftinije od litij-ionske baterije iste veličine. Zbog toga se olovne baterije najviše koriste u solarnim aplikacijama u zemljama trećeg svijeta i siromašnim zajednicama.

Na rad baterije uvelike utječe degradacija tijekom životnog vijeka, nema stabilne performanse koje završavaju iznenadnim kvarom. Umjesto toga, kapacitet i pruženi mogu progresivno nestati. U praksi se smatra da je životni vijek baterije istekao kada njezin kapacitet dosegne 80% izvornog kapaciteta. Drugim riječima, kada doživi pad kapaciteta od 20%. U praksi to znači da se može osigurati manja količina energije. To može utjecati na razdoblja korištenja za potpuno neovisne sustave i količinu kilometraže koju EV može prijeći.

Još jedna točka koju treba uzeti u obzir je sigurnost. S napretkom u proizvodnji i tehnologiji, novije baterije općenito su kemijski stabilnije. Međutim, zbog povijesti degradacije i zlouporabe, stanice mogu otići u toplinski bijeg što može dovesti do katastrofalnih rezultata i u nekim slučajevima dovesti živote potrošača u opasnost.

Zbog toga su tvrtke razvile bolji softver za praćenje baterije (BMS) kako bi kontrolirale potrošnju baterije, ali i pratile zdravstveno stanje kako bi se omogućilo pravovremeno održavanje i izbjegle pogoršane posljedice.

Zaključak

Mrežni sustavi za pohranu energije pružaju izvrsnu priliku za postizanje neovisnosti o energiji od glavne mreže, ali također pružaju rezervni izvor energije tijekom zastoja i razdoblja vršnog opterećenja. Tamo bi razvoj olakšao prelazak na zelenije izvore energije, čime bi se ograničio utjecaj proizvodnje energije na klimatske promjene, a istovremeno bi se zadovoljili energetski zahtjevi uz stalni rast potrošnje.

Baterijski sustavi za pohranu energije najčešće se koriste i najlakše ih je konfigurirati za različite svakodnevne primjene. Njihovoj visokoj fleksibilnosti suprotstavljena je relativno visoka cijena, što je dovelo do razvoja strategija praćenja kako bi se životni vijek produžio što je više moguće. Trenutno, industrija i akademska zajednica ulažu mnogo truda u istraživanje i razumijevanje degradacije baterije pod različitim uvjetima.