Negli ultimi 50 anni, c'è stato un continuo aumento del consumo globale di elettricità, con un utilizzo stimato di circa 25.300 ore terawatt nell'anno 2021. Con la transizione verso l'industria 4.0, c'è un aumento delle richieste energetiche in tutto il mondo. Questi numeri stanno aumentando ogni anno, non includendo i requisiti di energia dei settori industriali e di altri settori economici. Questo cambiamento industriale e consumo ad alta potenza sono accoppiati a effetti di cambiamento climatico più tangibili a causa di eccessive emissioni di gas serra. Attualmente, la maggior parte degli impianti e delle strutture per la generazione di energia si basa fortemente su fonti di combustibili fossili (petrolio e gas) per soddisfare tali richieste. Queste preoccupazioni sul clima vietano un'ulteriore generazione di energia utilizzando metodi convenzionali. Pertanto, lo sviluppo di sistemi di accumulo di energia efficienti e affidabili è diventato sempre più importante per garantire una fornitura continua e affidabile di energia da fonti rinnovabili.
Il settore energetico ha risposto spostandosi verso energia rinnovabile o soluzioni "verdi". La transizione è stata aiutata da migliori tecniche di produzione, portando ad esempio una produzione più efficiente di pale di turbine eoliche. Inoltre, i ricercatori sono stati in grado di migliorare l'efficienza delle cellule fotovoltaiche, portando a una migliore generazione di energia per area di utilizzo. Nel 2021, la generazione di elettricità da fonti solari fotovoltaiche (PV) è aumentata significativamente, raggiungendo un record di 179 TWH e rappresentando una crescita del 22% rispetto al 2020. La tecnologia solare fotovoltaica ora rappresenta il 3,6% della generazione globale di elettricità ed è attualmente il terzo più grande rinnovabile fonte di energia dopo idroelettrico e vento.
Tuttavia, queste scoperte non risolvono alcuni degli inconvenienti intrinseci dei sistemi di energia rinnovabile, principalmente disponibilità. La maggior parte di questi metodi non produce energia su richiesta come centrali di carbone e petrolio. Le uscite di energia solare sono ad esempio disponibili durante il giorno con variazioni a seconda degli angoli di irradiazione del sole e del posizionamento del pannello fotovoltaico. Non può produrre energia durante la notte mentre la sua produzione è significativamente ridotta durante la stagione invernale e in giorni molto nuvolosi. L'energia del vento soffre anche di fluttuazioni a seconda della velocità del vento. Pertanto, queste soluzioni devono essere accoppiate con i sistemi di accumulo di energia al fine di sostenere l'approvvigionamento energetico durante i periodi di produzione bassi.
Cosa sono i sistemi di accumulo di energia?
I sistemi di accumulo di energia possono archiviare energia per essere utilizzati in una fase successiva. In alcuni casi, ci sarà una forma di conversione di energia tra energia immagazzinata e energia fornita. L'esempio più comune sono le batterie elettriche come le batterie agli ioni di litio o le batterie al piombo-acido. Forniscono energia elettrica mediante reazioni chimiche tra gli elettrodi e l'elettrolita.
Le batterie, o BESS (Sistema di accumulo di energia della batteria), rappresentano il metodo di accumulo di energia più comune utilizzato nelle applicazioni della vita quotidiana. Esistono altri sistemi di stoccaggio come le piante idroelettriche che convertono l'energia potenziale dell'acqua immagazzinata in una diga in energia elettrica. L'acqua che cade gira il volano di una turbina che produce energia elettrica. Un altro esempio è il gas compresso, al momento del rilascio, il gas trasformerà la ruota della potenza di produzione della turbina.
Ciò che separa le batterie dagli altri metodi di stoccaggio è la loro potenziale aree di funzionamento. Dai piccoli dispositivi e alimentazione automobilistica alle applicazioni domestiche e alle grandi aziende agricole solari, le batterie possono essere integrate senza soluzione di continuità a qualsiasi applicazione di stoccaggio off-grid. D'altra parte, i metodi dell'aria idroelettrica e compressa richiedono infrastrutture molto grandi e complesse per lo stoccaggio. Ciò porta a costi molto elevati che richiedono applicazioni molto grandi affinché sia giustificata.
Casi d'uso per i sistemi di archiviazione off-grid.
Come accennato in precedenza, i sistemi di stoccaggio off-grid possono facilitare l'utilizzo e la dipendenza da metodi di energia rinnovabile come l'energia solare e eolica. Tuttavia, ci sono altre applicazioni che possono beneficiare di tali sistemi
Le reti elettriche della città mirano a fornire la giusta quantità di energia in base all'offerta e alla domanda di ogni città. L'energia richiesta può fluttuare durante il giorno. I sistemi di archiviazione off-grid sono stati utilizzati per attenuare le fluttuazioni e fornire maggiore stabilità nei casi di picco della domanda. Da una prospettiva diversa, i sistemi di archiviazione off-the Grid possono essere molto utili per compensare eventuali guasti tecnici imprevisti nella rete elettrica principale o durante i periodi di manutenzione programmati. Possono soddisfare i requisiti di energia senza dover cercare fonti energetiche alternative. Si può citare ad esempio la tempesta di ghiaccio del Texas all'inizio di febbraio 2023 che ha lasciato circa 262.000 persone senza energia, mentre le riparazioni sono state ritardate a causa delle difficili condizioni meteorologiche.
I veicoli elettrici sono un'altra applicazione. I ricercatori hanno fatto molto sforzo per ottimizzare le strategie di produzione e ricarica/scarica delle batterie al fine di estendere la durata della vita e la densità di potenza delle batterie. Le batterie agli ioni di litio sono state in prima linea in questa piccola rivoluzione e sono state ampiamente utilizzate in nuove auto elettriche ma anche autobus elettrici. Le batterie migliori in questo caso possono portare a un chilometraggio più grande, ma anche ridotto i tempi di ricarica con le giuste tecnologie.
Altri progressi tecnologici piacciono gli UAV e i robot mobili hanno beneficiato molto dello sviluppo della batteria. Ci sono strategie di movimento e strategie di controllo si basano fortemente sulla capacità della batteria e sulla potenza fornite.
Cos'è un Bess
Il sistema di accumulo di energia BESS o batteria è un sistema di accumulo di energia che può essere utilizzato per immagazzinare energia. Questa energia può provenire dalla rete principale o da fonti di energia rinnovabile come l'energia eolica e l'energia solare. È composto da più batterie disposte in diverse configurazioni (serie/parallele) e dimensionate in base ai requisiti. Sono collegati a un inverter che viene utilizzato per convertire la potenza DC in potenza CA per l'uso. Un sistema di gestione della batteria (BMS) viene utilizzato per monitorare le condizioni della batteria e il funzionamento di ricarica/scarica.
Rispetto ad altri sistemi di accumulo di energia, sono particolarmente flessibili da posizionare/connettersi e non richiedono un'infrastruttura molto costosa, ma hanno ancora un costo considerevole e richiedono una manutenzione più regolare in base all'utilizzo.
Dimensionamento e abitudini di utilizzo
È un punto cruciale per affrontare quando si installa un sistema di accumulo di energia della batteria. Quante batterie sono necessarie? In quale configurazione? In alcuni casi, il tipo di batteria può svolgere un ruolo cruciale a lungo termine in termini di risparmio e efficienza dei costi
Questo viene fatto caso per caso poiché le applicazioni possono variare da piccole famiglie a grandi impianti industriali.
La fonte di energia rinnovabile più comune per le piccole famiglie, in particolare nelle aree urbane, è il solare utilizzando i pannelli fotovoltaici. L'ingegnere considererebbe in generale il consumo energetico medio della famiglia e valuterebbe l'irradiazione solare nel corso dell'anno per la posizione specifica. Il numero di batterie e la loro configurazione della griglia sono scelti per soddisfare le richieste domestiche durante l'alimentazione solare più bassa dell'anno mentre non drena completamente le batterie. Ciò suppone che una soluzione abbia una completa indipendenza di potenza dalla rete principale.
Mantenere uno stato di carica relativamente moderato o non scaricare completamente le batterie è qualcosa che potrebbe essere contro intuitivo all'inizio. Dopotutto, perché utilizzare un sistema di archiviazione se non possiamo estrarlo al pieno potenziale? In teoria è possibile, ma potrebbe non essere la strategia che massimizza il ritorno sugli investimenti.
Uno dei principali svantaggi di Bess è il costo relativamente elevato delle batterie. Pertanto, è essenziale scegliere un'abitudine di utilizzo o una strategia di ricarica/scarica che massimizzi la durata della durata della batteria. Ad esempio, le batterie al piombo non possono essere scaricate al di sotto della capacità del 50% senza soffrire di danni irreversibili. Le batterie agli ioni di litio hanno una maggiore densità di energia, una lunga durata del ciclo. Possono anche essere dimessi usando intervalli più grandi, ma ciò comporta un costo di aumento del prezzo. Vi è un'elevata varianza del costo tra le diverse chimiche, le batterie al piombo possono essere da centinaia a migliaia di dollari più economici di una batteria agli ioni di litio delle stesse dimensioni. Questo è il motivo per cui le batterie di piombo sono le più utilizzate nelle applicazioni solari nei paesi del 3 ° mondo e nelle comunità povere.
Le prestazioni della batteria sono fortemente influenzate dal degrado durante la sua durata della vita, non ha prestazioni costanti che termina con un improvviso guasto. Invece, la capacità e il fornito possono svanire progressivamente. In pratica, si ritiene che una durata della batteria si sia esaurita quando la sua capacità raggiunge l'80% della sua capacità originale. In altre parole, quando sperimenta una capacità di capacità del 20%. In pratica, ciò significa che può essere fornita una quantità inferiore di energia. Ciò può influire sui periodi di utilizzo per i sistemi completamente indipendenti e la quantità di chilometraggio che un EV può coprire.
Un altro punto da considerare è la sicurezza. Con i progressi nella produzione e nella tecnologia, le recenti batterie sono state in generale più stabili chimicamente. Tuttavia, a causa del degrado e della storia degli abusi, le cellule possono andare in fuga termica, il che può portare a risultati catastrofici e in alcuni casi mettere in pericolo la vita dei consumatori.
Questo è il motivo per cui le aziende hanno sviluppato un miglior software di monitoraggio della batteria (BMS) per controllare l'utilizzo della batteria, ma anche monitorare lo stato di salute al fine di fornire una manutenzione tempestiva ed evitare conseguenze aggravate.
Conclusione
Dei sistemi di stoccaggio di energia a griglia offrono una grande opportunità per ottenere l'indipendenza di potenza dalla rete principale, ma anche fornire una fonte di potenza di backup durante i periodi di inattività e di picco. Lì lo sviluppo faciliterebbe lo spostamento verso fonti energetiche più verdi, limitando così l'impatto della generazione di energia sui cambiamenti climatici, soddisfacendo comunque i requisiti energetici con costante crescita del consumo.
I sistemi di accumulo di energia della batteria sono i più comunemente usati e più facili da configurare per diverse applicazioni quotidiane. La loro elevata flessibilità è contrastata da un costo relativamente elevato, portando allo sviluppo di strategie di monitoraggio per prolungare il rispettivo durata della vita il più possibile. Attualmente, l'industria e il mondo accademico stanno facendo molti sforzi per indagare e comprendere il degrado della batteria in condizioni diverse.
