Hogyan tároljuk a villamos energiát a hálózatról?

Az elmúlt 50 évben folyamatosan nőtt a globális villamosenergia-fogyasztás, 2021-ben a becslések szerint körülbelül 25 300 terawattóra lesz. Az ipar 4.0-ra való átállással világszerte nő az energiaigény. Ezek a számok évről évre növekszenek, nem számítva az ipari és más gazdasági ágazatok energiaigényét. Ez az ipari átalakulás és a nagy energiafogyasztás az üvegházhatású gázok túlzott kibocsátása miatt kézzelfoghatóbb éghajlatváltozási hatásokkal párosul. Jelenleg a legtöbb erőmű és létesítmény nagymértékben támaszkodik a fosszilis tüzelőanyag-forrásokra (olaj és gáz), hogy megfeleljen az ilyen igényeknek. Ezek az éghajlati aggályok tiltják a hagyományos módszerekkel történő további energiatermelést. Így a hatékony és megbízható energiatároló rendszerek fejlesztése egyre fontosabbá vált a folyamatos és megbízható megújuló forrásból származó energiaellátás biztosítása érdekében.

Az energiaszektor a megújuló energia vagy a „zöld” megoldások felé való elmozdulással reagált. Az átállást a továbbfejlesztett gyártási technikák segítették, ami például a szélturbinák lapátjainak hatékonyabb gyártásához vezetett. A kutatók emellett javítani tudták a fotovoltaikus cellák hatékonyságát, ami felhasználási területenként jobb energiatermelést eredményezett. 2021-ben a fotovoltaikus napenergia-forrásokból történő villamosenergia-termelés jelentősen megnőtt, elérte a 179 TWh rekordot, és 22%-os növekedést jelent 2020-hoz képest. A napelemes technológia jelenleg a globális villamosenergia-termelés 3,6%-át teszi ki, és jelenleg a harmadik legnagyobb megújuló energiaforrás. energiaforrás a víz- és szélenergia után.

Ezek az áttörések azonban nem oldják meg a megújuló energiarendszerek bizonyos hátrányait, elsősorban a rendelkezésre állást. A legtöbb ilyen módszer nem termel energiát igény szerint, mint a szén- és olajerőművek. A napenergia-kibocsátás például egész nap rendelkezésre áll, a napsugárzás szögétől és a PV panel elhelyezésétől függően. Éjszaka nem tud energiát termelni, miközben teljesítménye jelentősen csökken a téli szezonban és a nagyon felhős napokon. A szélenergia is szenved a szélsebességtől függő ingadozásoktól. Ezért ezeket a megoldásokat energiatároló rendszerekkel kell összekapcsolni az energiaellátás fenntartása érdekében az alacsony teljesítményű időszakokban.

Mik azok az energiatároló rendszerek?

Az energiatároló rendszerek energiát tárolhatnak, hogy később felhasználhassák. Egyes esetekben a tárolt energia és a szolgáltatott energia között egyfajta energiaátalakítás történik. A leggyakoribb példa az elektromos akkumulátorok, például a lítium-ion akkumulátorok vagy az ólom-savas akkumulátorok. Az elektródák és az elektrolit közötti kémiai reakciók révén elektromos energiát szolgáltatnak.

Az akkumulátorok vagy a BESS (akkumulátoros energiatároló rendszer) a mindennapi életben használt leggyakoribb energiatárolási módszer. Más tárolórendszerek is léteznek, például vízerőművek, amelyek a gáton tárolt víz potenciális energiáját elektromos energiává alakítják. A lehulló víz elforgatja egy elektromos energiát termelő turbina lendkerekét. Egy másik példa a sűrített gáz, kibocsátáskor a gáz elfordítja a turbina kerekét, amely energiát termel.

Ami az akkumulátorokat megkülönbözteti a többi tárolási módtól, az a lehetséges működési területük. A kis eszközöktől az autók áramellátásától a háztartási alkalmazásokig és a nagy napelemes farmokig az akkumulátorok zökkenőmentesen integrálhatók bármely hálózaton kívüli tárolóalkalmazásba. Másrészt a vízenergia és a sűrített levegős eljárások nagyon nagy és összetett infrastruktúrát igényelnek a tároláshoz. Ez nagyon magas költségekhez vezet, amihez nagyon nagy alkalmazások szükségesek ahhoz, hogy indokolt legyen.

Használati esetek hálózaton kívüli tárolórendszerekhez.

Amint azt korábban említettük, a hálózaton kívüli tárolórendszerek megkönnyíthetik a megújuló energiaforrások, például a nap- és szélenergia használatát és támaszkodását. Ennek ellenére vannak más alkalmazások is, amelyek nagy hasznot húzhatnak az ilyen rendszerekből

A városi villamosenergia-hálózatok célja, hogy a megfelelő mennyiségű energiát biztosítsák az egyes városok kínálatának és keresletének megfelelően. A szükséges teljesítmény a nap folyamán ingadozhat. A hálózaton kívüli tárolórendszereket alkalmazták az ingadozások csillapítására és nagyobb stabilitás biztosítására csúcsigény esetén. Más szempontból a hálózaton kívüli tárolórendszerek rendkívül előnyösek lehetnek a fő elektromos hálózatban vagy az ütemezett karbantartási időszakok során fellépő előre nem látható műszaki hibák kompenzálására. Az energiaigényeket anélkül is teljesíthetik, hogy alternatív energiaforrásokat kellene keresniük. Említhető például a 2023. február eleji texasi jégvihar, amely körülbelül 262 000 embert hagyott áram nélkül, miközben a javítások a nehéz időjárási körülmények miatt késtek.

Az elektromos járművek egy másik alkalmazás. A kutatók sok erőfeszítést tettek az akkumulátorgyártás és a töltési/kisütési stratégiák optimalizálása érdekében, hogy növeljék az akkumulátorok élettartamát és teljesítménysűrűségét. A lítium-ion akkumulátorok ebben a kis forradalomban az élen jártak, és széles körben használták őket új elektromos autókban, de elektromos buszokban is. A jobb akkumulátorok ebben az esetben nagyobb futásteljesítményt, de a megfelelő technológiákkal csökkentett töltési időt is eredményezhetnek.

Más technológiai fejlesztések, mint például az UAV-k és a mobil robotok nagy hasznot húztak az akkumulátorfejlesztésből. Ott a mozgási stratégiák és a vezérlési stratégiák nagymértékben függenek az akkumulátor kapacitásától és teljesítményétől.

Mi az a BESS

A BESS vagy akkumulátoros energiatároló rendszer olyan energiatároló rendszer, amely energia tárolására használható. Ez az energia származhat a főhálózatból vagy megújuló energiaforrásokból, például szélenergiából és napenergiából. Több akkumulátorból áll, amelyek különböző konfigurációkban (soros/párhuzamos) vannak elrendezve, és méretük a követelményeknek megfelelően történik. Egy inverterhez csatlakoznak, amely az egyenáramot váltóárammá alakítja a használathoz. Aakkumulátor menedzsment rendszer (BMS)az akkumulátor állapotának és a töltési/kisütési műveletnek a figyelésére szolgál.

Más energiatároló rendszerekhez képest különösen rugalmasan helyezhetők/csatlakoztathatók, és nem igényelnek rendkívül költséges infrastruktúrát, de így is jelentős költséggel járnak, és a használattól függően rendszeresebb karbantartást igényelnek.

BESS méretezési és használati szokások

Az akkumulátor energiatároló rendszerének telepítésekor a méretezés az egyik legfontosabb szempont. Hány elem szükséges? Milyen konfigurációban? Bizonyos esetekben az akkumulátor típusa döntő szerepet játszhat hosszú távon a költségmegtakarítás és a hatékonyság szempontjából

Ez eseti alapon történik, mivel az alkalmazások a kis háztartásoktól a nagy ipari üzemekig terjedhetnek.

A kis háztartások legelterjedtebb megújuló energiaforrása, különösen a városi területeken, a fotovoltaikus paneleket használó napelem. A mérnök általában figyelembe veszi a háztartás átlagos energiafogyasztását, és felméri a napsugárzást az adott helyen az év során. Az akkumulátorok számát és hálózati konfigurációját úgy választják meg, hogy az év legalacsonyabb napelemes energiaellátása idején megfeleljenek a háztartási igényeknek, miközben nem merítik le teljesen az akkumulátorokat. Ez azt feltételezi, hogy a megoldás teljes mértékben független a főhálózattól.

A viszonylag mérsékelt töltöttségi állapot fenntartása vagy az akkumulátorok nem teljesen lemerülése olyan dolog, ami elsőre ellentmondásos lehet. Végül is minek használjunk tárolórendszert, ha nem tudjuk kiaknázni a teljes potenciált? Elméletileg lehetséges, de lehet, hogy nem ez a stratégia maximalizálja a befektetés megtérülését.

A BESS egyik fő hátránya az akkumulátorok viszonylag magas ára. Ezért elengedhetetlen olyan használati szokás vagy töltési/kisütési stratégia kiválasztása, amely maximalizálja az akkumulátor élettartamát. Például az ólomakkumulátorokat nem lehet 50%-os kapacitás alatt lemeríteni anélkül, hogy visszafordíthatatlan károsodást szenvednének. A lítium-ion akkumulátorok nagyobb energiasűrűséggel és hosszú élettartammal rendelkeznek. Nagyobb tartományokkal is lemeríthetők, de ez megnövekedett árral jár. A különböző vegyi anyagok költsége nagy eltéréseket mutat, az ólom-savas akkumulátorok több száz-ezer dollárral olcsóbbak lehetnek, mint egy azonos méretű lítium-ion akkumulátor. Ez az oka annak, hogy a 3. világ országaiban és a szegény közösségekben az ólomakkumulátorokat használják leginkább napelemes alkalmazásokban.

Az akkumulátor teljesítményét nagymértékben befolyásolja az élettartama során bekövetkezett romlás, nem egyenletes a teljesítménye, ami hirtelen meghibásodással végződik. Ehelyett a kapacitás és a biztosított fokozatosan csökkenhet. A gyakorlatban az akkumulátor élettartamát akkor tekintik lejártnak, ha kapacitása eléri az eredeti kapacitás 80%-át. Más szóval, amikor 20%-os kapacitáscsökkenést tapasztal. A gyakorlatban ez azt jelenti, hogy alacsonyabb energiamennyiség biztosítható. Ez befolyásolhatja a teljesen független rendszerek használati idejét és az elektromos járművek által megtehető futásteljesítményt.

Egy másik szempont, amelyet figyelembe kell venni, a biztonság. A gyártás és a technológia fejlődésével a legújabb akkumulátorok általában kémiailag stabilabbak. A lebomlás és a visszaélések előzményei miatt azonban a sejtek hőkiürítésbe kerülhetnek, ami katasztrofális eredményekhez vezethet, és bizonyos esetekben veszélybe sodorhatja a fogyasztók életét.

Ez az oka annak, hogy a vállalatok jobb akkumulátor-figyelő szoftvert (BMS) fejlesztettek ki az akkumulátorhasználat ellenőrzésére, de az egészségi állapot figyelemmel kísérésére is, hogy időben elvégezhessék a karbantartást és elkerüljék a súlyosbító következményeket.

Következtetés

A hálózati energiatároló rendszerek kiváló lehetőséget biztosítanak a főhálózattól való energiafüggetlenség elérésére, de tartalék áramforrást is biztosítanak leállások és csúcsterhelési időszakok idején. Ott a fejlesztés elősegítené a zöldebb energiaforrások felé való elmozdulást, így korlátozva az energiatermelés klímaváltozásra gyakorolt hatását, miközben a fogyasztás folyamatos növekedése mellett továbbra is kielégíti az energiaszükségletet.

Az akkumulátoros energiatároló rendszerek a leggyakrabban használtak és a legkönnyebben konfigurálhatók különféle mindennapi alkalmazásokhoz. Nagy rugalmasságukat ellensúlyozza a viszonylag magas költség, ami nyomon követési stratégiák kidolgozásához vezet, hogy a lehető legnagyobb mértékben meghosszabbítsák az adott élettartamot. Jelenleg az ipar és a tudományos körök sok erőfeszítést tesznek annak érdekében, hogy kivizsgálják és megértsék az akkumulátor leromlását különböző körülmények között.