Undanfarin 50 ár hefur verið stöðug aukning í raforkunotkun á heimsvísu, en áætluð notkun er um 25.300 teravattstundir árið 2021. Með breytingunni í átt að iðnaði 4.0 er aukning í orkuþörf um allan heim. Þessar tölur eykst með hverju ári, ekki meðtaldar aflþörf iðnaðar og annarra atvinnugreina. Þessi iðnaðarbreyting og mikil orkunotkun eru ásamt áþreifanlegri loftslagsbreytingaáhrifum vegna óhóflegrar losunar gróðurhúsalofttegunda. Sem stendur treysta flestar raforkuver og mannvirki mjög á jarðefnaeldsneyti (olíu og gas) til að mæta slíkum kröfum. Þessar loftslagsáhyggjur banna viðbótarorkuframleiðslu með hefðbundnum aðferðum. Þannig hefur þróun hagkvæmra og áreiðanlegra orkugeymslukerfa orðið sífellt mikilvægari til að tryggja stöðugt og áreiðanlegt framboð á orku frá endurnýjanlegum orkugjöfum.

Orkugeirinn hefur brugðist við með því að skipta í átt að endurnýjanlegri orku eða „grænum“ lausnum. Umskiptin hafa verið aðstoðuð með bættri framleiðslutækni, sem leiðir til dæmis til skilvirkari framleiðslu á vindmyllublöðum. Einnig hefur vísindamönnum tekist að bæta skilvirkni ljósafrumna, sem leiðir til betri orkuframleiðslu á hvert notkunarsvæði. Árið 2021 jókst raforkuframleiðsla frá sólarljósi (PV) uppsprettum umtalsvert og náði met 179 TWh og jafngildir 22% vexti samanborið við 2020. Sólarorkutækni nemur nú 3,6% af raforkuframleiðslu á heimsvísu og er nú þriðja stærsta endurnýjanlega orkugjafinn. orkugjafi á eftir vatnsafli og vindi.

Hins vegar leysa þessar byltingar ekki suma af eðlislægum göllum endurnýjanlegra orkukerfa, aðallega framboð. Flestar þessar aðferðir framleiða ekki orku eftir þörfum sem kola- og olíuorkuver. Sólarorkuúttak er til dæmis fáanlegt allan daginn með mismunandi breytilegum hætti eftir sólargeislunarhornum og staðsetningu PV spjaldanna. Það getur ekki framleitt neina orku á nóttunni á meðan framleiðsla þess minnkar verulega yfir vetrartímann og á mjög skýjuðum dögum. Vindorka þjáist líka af sveiflum eftir vindhraða. Þess vegna þarf að tengja þessar lausnir við orkugeymslukerfi til að viðhalda orkuframboði á lágum framleiðslutímabilum.

Hvað eru orkugeymslukerfi?

Orkugeymslukerfi geta geymt orku til að nýtast síðar. Í sumum tilfellum verður um form orkubreytinga að ræða á milli geymdrar orku og veittrar orku. Algengasta dæmið eru rafhlöður eins og litíumjónarafhlöður eða blýsýrurafhlöður. Þeir veita raforku með efnahvörfum milli rafskautanna og raflausnarinnar.

Rafhlöður, eða BESS (orkugeymslukerfi rafhlöðu), tákna algengustu orkugeymsluaðferðina sem notuð er í daglegu lífi. Annað geymslukerfi er til eins og vatnsaflsvirkjanir sem breyta hugsanlegri orku vatns sem geymt er í stíflu í raforku. Vatnið sem fellur niður mun snúa svifhjóli túrbínu sem framleiðir raforku. Annað dæmi er þjappað gas, við losun mun gasið snúa hjóli túrbínu sem framleiðir afl.

Það sem skilur rafhlöður frá öðrum geymsluaðferðum er hugsanleg starfssvæði þeirra. Allt frá litlum tækjum og bifreiðaaflgjafa til heimilisnota og stórra sólarbúa, rafhlöður geta verið samþættar óaðfinnanlega við hvaða geymsluforrit sem er utan netkerfis. Hins vegar krefjast vatnsafls- og þrýstiloftsaðferðir mjög stórra og flókinna innviða til geymslu. Þetta leiðir til mjög mikils kostnaðar sem krefst mjög stórra umsókna til að það sé réttlætanlegt.

Notaðu hulstur fyrir geymslukerfi utan netkerfis.

Eins og áður hefur komið fram geta geymslukerfi utan nets auðveldað notkun og treyst á endurnýjanlegar orkuaðferðir eins og sólar- og vindorku. Engu að síður eru önnur forrit sem geta haft mikinn hag af slíkum kerfum

Rafmagnsnet borgarinnar miða að því að veita rétt magn af orku miðað við framboð og eftirspurn hverrar borgar. Krafturinn sem þarf getur sveiflast yfir daginn. Geymslukerfi utan netkerfis hafa verið notuð til að draga úr sveiflum og veita meiri stöðugleika þegar eftirspurn er hámarki. Frá öðru sjónarhorni geta geymslukerfi utan nets verið mjög gagnleg til að bæta fyrir hvers kyns ófyrirséða tæknilega bilun í aðalrafkerfinu eða á áætlaðri viðhaldstímabili. Þeir geta uppfyllt orkuþörf án þess að þurfa að leita að öðrum orkugjöfum. Til dæmis má nefna ísstormurinn í Texas í byrjun febrúar 2023 sem varð til þess að um 262.000 manns urðu rafmagnslausir á meðan viðgerð tafðist vegna erfiðra veðurskilyrða.

Rafknúin farartæki eru annað forrit. Vísindamenn hafa lagt mikið á sig til að hámarka framleiðslu rafhlöðu og hleðslu/hleðsluaðferðir til að auka endingu og aflþéttleika rafhlöðu. Lithium-ion rafhlöður hafa verið í fararbroddi þessarar litlu byltingar og hafa verið mikið notaðar í nýja rafbíla en einnig rafbíla. Betri rafhlöður í þessu tilfelli geta leitt til stærri mílufjölda en einnig styttri hleðslutíma með réttri tækni.

Aðrar tækniframfarir eins og UAV og farsíma vélmenni hafa notið góðs af rafhlöðuþróun. Þar eru hreyfingaraðferðir og stjórnunaraðferðir mjög háðar rafhlöðugetu og afli.

Hvað er BESS

BESS eða rafhlöðuorkugeymslukerfi er orkugeymslukerfi sem hægt er að nota til að geyma orku. Þessi orka getur komið frá aðalnetinu eða frá endurnýjanlegum orkugjöfum eins og vindorku og sólarorku. Það er samsett úr mörgum rafhlöðum raðað í mismunandi stillingar (röð/samsíða) og stærð miðað við kröfur. Þeir eru tengdir við inverter sem er notaður til að breyta DC aflinu í AC afl til notkunar. Rafhlöðustjórnunarkerfi (BMS) er notað til að fylgjast með ástandi rafhlöðunnar og hleðslu/hleðsluaðgerðinni.

Í samanburði við önnur orkugeymslukerfi eru þau sérlega sveigjanleg til að setja/tengja og krefjast ekki mjög dýrra innviða, en samt kosta þau töluverðan og krefjast reglulegra viðhalds miðað við notkun.

BESS stærðar- og notkunarvenjur

Mikilvægt atriði til að takast á við þegar þú setur upp rafhlöðuorkugeymslukerfi er stærð. Hversu margar rafhlöður þarf? Í hvaða stillingu? Í sumum tilfellum getur tegund rafhlöðunnar gegnt mikilvægu hlutverki til lengri tíma litið hvað varðar kostnaðarsparnað og skilvirkni

Þetta er gert í hverju tilviki fyrir sig þar sem umsóknir geta verið allt frá litlum heimilum til stórra iðjuvera.

Algengasta endurnýjanlegi orkugjafinn fyrir lítil heimili, sérstaklega í þéttbýli, er sólarorka sem notar ljósavélar. Verkfræðingur myndi almennt íhuga meðalorkunotkun heimilisins og meta sólargeislun yfir árið fyrir tiltekna staðsetningu. Fjöldi rafgeyma og netuppsetning þeirra er valin til að passa við eftirspurn heimilanna á lægstu sólarorkuveitu ársins á meðan rafhlöðurnar tæma ekki alveg. Þetta er gert ráð fyrir lausn til að vera algjörlega óháð raforku frá aðalkerfinu.

Að halda tiltölulega hóflegu hleðsluástandi eða tæma rafhlöðurnar ekki alveg er eitthvað sem gæti verið andsnúið í fyrstu. Þegar öllu er á botninn hvolft, af hverju að nota geymslukerfi ef við getum ekki unnið úr því að fullu? Fræðilega séð er það mögulegt, en það er kannski ekki stefnan sem hámarkar arðsemi fjárfestingar.

Einn helsti ókosturinn við BESS er tiltölulega hár kostnaður við rafhlöður. Þess vegna er nauðsynlegt að velja notkunarvenju eða hleðslu/hleðsluaðferð sem hámarkar endingu rafhlöðunnar. Til dæmis er ekki hægt að tæma blýsýrurafhlöður undir 50% af afkastagetu án þess að verða fyrir óafturkræfum skemmdum. Lithium-ion rafhlöður hafa meiri orkuþéttleika, langan líftíma. Einnig er hægt að losa þá með stærri sviðum, en það kostar hærra verð. Það er mikill munur á kostnaði milli mismunandi efnafræðilegra efna, blýsýrurafhlöður geta verið hundruðum til þúsunda dollara ódýrari en litíumjónarafhlöður af sömu stærð. Þetta er ástæðan fyrir því að blýsýrurafhlöður eru mest notaðar í sólarorkunotkun í 3. heims löndum og fátækum samfélögum.

Afköst rafhlöðunnar verða fyrir miklum áhrifum af niðurbroti á líftíma hennar, hún hefur ekki stöðugan árangur sem endar með skyndilegri bilun. Þess í stað getur afkastageta og veittur dofnað smám saman. Í reynd er litið svo á að endingartími rafhlöðunnar hafi klárast þegar afkastageta hennar nær 80% af upprunalegri getu. Með öðrum orðum, þegar það verður fyrir 20% afkastagetu. Í reynd þýðir þetta að hægt er að veita minni orku. Þetta getur haft áhrif á notkunartímabil fyrir fullkomlega sjálfstæð kerfi og hversu mikið kílómetrafjöldi rafbíll getur náð.

Annað atriði sem þarf að huga að er öryggi. Með framfarir í framleiðslu og tækni hafa nýlegar rafhlöður almennt verið stöðugri efnafræðilega. Hins vegar vegna niðurbrots og misnotkunarsögu geta frumur farið í hitauppstreymi sem getur leitt til skelfilegra afleiðinga og í sumum tilfellum stofnað lífi neytenda í hættu.

Þetta er ástæðan fyrir því að fyrirtæki hafa þróað betri rafhlöðueftirlitshugbúnað (BMS) til að stjórna rafhlöðunotkun en einnig fylgjast með heilsufari til að veita tímanlega viðhald og forðast versnandi afleiðingar.

Niðurstaða

Af netorkugeymslukerfum veita frábært tækifæri til að ná aflsjálfstæði frá aðalnetinu en veita einnig varaaflgjafa meðan á niðritíma og álagstímabilum stendur. Þróunin þar myndi auðvelda breytingu í átt að vistvænni orkugjöfum og takmarka þannig áhrif orkuöflunar á loftslagsbreytingar en samt uppfylla orkuþörf með stöðugum vexti í neyslu.

Orkugeymslukerfi rafhlöðu eru þau sem eru oftast notuð og auðveldast að stilla fyrir mismunandi hversdagsleg forrit. Mikill sveigjanleiki þeirra er á móti tiltölulega háum kostnaði, sem leiðir til þróunar vöktunaraðferða til að lengja viðkomandi líftíma eins mikið og mögulegt er. Eins og er leggja iðnaður og fræðimenn mikið á sig til að rannsaka og skilja niðurbrot rafhlöðunnar við mismunandi aðstæður.