במהלך 50 השנים האחרונות חלה עלייה מתמשכת בצריכת החשמל העולמית, עם שימוש מוערך של כ-25,300 טרה-וואט-שעה בשנת 2021. עם המעבר לתעשייה 4.0, חלה עלייה בדרישות האנרגיה ברחבי העולם. מספרים אלה גדלים מדי שנה, לא כולל דרישות ההספק של מגזרי תעשייה ואחרים. שינוי תעשייתי זה וצריכת חשמל גבוהה יחד עם השפעות מוחשיות יותר של שינויי אקלים עקב פליטות מוגזמות של גזי חממה. נכון לעכשיו, רוב תחנות ייצור החשמל ומתקנים מסתמכים במידה רבה על מקורות דלק מאובנים (נפט וגז) כדי לעמוד בדרישות כאלה. דאגות אקלים אלו אוסרות ייצור אנרגיה נוסף בשיטות קונבנציונליות. לפיכך, הפיתוח של מערכות אחסון אנרגיה יעילות ואמינות הפך ליותר ויותר חשוב כדי להבטיח אספקה ​​רציפה ואמינה של אנרגיה ממקורות מתחדשים.

מגזר האנרגיה הגיב במעבר לכיוון אנרגיה מתחדשת או פתרונות "ירוקים". המעבר נעזר בטכניקות ייצור משופרות, המובילות למשל לייצור יעיל יותר של להבי טורבינות רוח. כמו כן, חוקרים הצליחו לשפר את היעילות של תאים פוטו-וולטאיים, מה שהוביל לייצור אנרגיה טוב יותר לכל אזור שימוש. בשנת 2021, ייצור חשמל ממקורות פוטו-וולטאיים סולאריים (PV) גדל באופן משמעותי, והגיע לשיא של 179 TWh ומהווה צמיחה של 22% בהשוואה לשנת 2020. טכנולוגיית PV סולארית מהווה כעת 3.6% מייצור החשמל העולמי והיא כיום האנרגיה המתחדשת השלישית בגודלה מקור אנרגיה אחרי כוח מים ורוח.

עם זאת, פריצות דרך אלו אינן פותרות חלק מהחסרונות המובנים של מערכות אנרגיה מתחדשת, בעיקר זמינות. רוב השיטות הללו אינן מייצרות אנרגיה לפי דרישה כמו תחנות כוח פחם ונפט. תפוקות אנרגיה סולארית זמינות למשל לאורך כל היום עם וריאציות בהתאם לזוויות קרינת השמש ומיקום פאנל PV. הוא אינו יכול להפיק אנרגיה במהלך הלילה בעוד התפוקה שלו מופחתת משמעותית בעונת החורף ובימים מעוננים מאוד. כוח הרוח סובלת גם מתנודות בהתאם למהירות הרוח. לכן, פתרונות אלה צריכים להיות משולבים עם מערכות אחסון אנרגיה על מנת לקיים אספקת אנרגיה בתקופות תפוקה נמוכה.

מהן מערכות אחסון אנרגיה?

מערכות אגירת אנרגיה יכולות לאגור אנרגיה כדי לשמש אותה בשלב מאוחר יותר. במקרים מסוימים, תהיה צורה של המרת אנרגיה בין אנרגיה מאוחסנת לאנרגיה שסופקה. הדוגמה הנפוצה ביותר היא סוללות חשמליות כגון סוללות ליתיום-יון או סוללות עופרת. הם מספקים אנרגיה חשמלית בדרך של תגובות כימיות בין האלקטרודות לאלקטרוליט.

סוללות, או BESS (מערכת אחסון אנרגיה בסוללות), מייצגות את שיטת אחסון האנרגיה הנפוצה ביותר בשימוש ביישומי חיי היומיום. קיימות מערכת אגירה אחרת כגון תחנות כוח הידרו הממירות את האנרגיה הפוטנציאלית של מים המאוחסנים בסכר לאנרגיה חשמלית. המים הנופלים מטה יסובבו את גלגל התנופה של טורבינה המייצרת אנרגיה חשמלית. דוגמה נוספת היא גז דחוס, עם שחרור הגז יסובב את גלגל הטורבינה המפיקה כוח.

מה שמפריד בין סוללות לשיטות האחסון האחרות הוא תחומי הפעולה הפוטנציאליים שלהן. ממכשירים קטנים ואספקת חשמל לרכב ועד ליישומים ביתיים וחוות סולאריות גדולות, ניתן לשלב סוללות בצורה חלקה בכל יישום אחסון מחוץ לרשת. מצד שני, שיטות כוח הידרו ואוויר דחוס דורשות תשתיות גדולות ומורכבות מאוד לאחסון. זה מוביל לעלויות גבוהות מאוד שדורשות פניות גדולות מאוד על מנת שזה יהיה מוצדק.

שימוש במארזים למערכות אחסון מחוץ לרשת.

כפי שהוזכר קודם לכן, מערכות אחסון מחוץ לרשת יכולות להקל על השימוש וההסתמכות על שיטות אנרגיה מתחדשת כגון אנרגיית שמש ורוח. אף על פי כן, ישנם יישומים אחרים שיכולים להפיק תועלת רבה ממערכות כאלה

רשתות החשמל העירוניות שואפות לספק את הכמות הנכונה של חשמל בהתבסס על ההיצע והביקוש של כל עיר. ההספק הנדרש יכול להשתנות לאורך היום. נעשה שימוש במערכות אחסון מחוץ לרשת כדי להפחית תנודות ולספק יותר יציבות במקרים של ביקוש שיא. מנקודת מבט שונה, מערכות אחסון מחוץ לרשת יכולות להיות מועילות מאוד כדי לפצות על כל תקלה טכנית בלתי צפויה ברשת החשמל הראשית או בתקופות תחזוקה מתוכננות. הם יכולים לעמוד בדרישות החשמל מבלי לחפש מקורות אנרגיה חלופיים. אפשר לציין למשל את סופת הקרח בטקסס בתחילת פברואר 2023 שהותירה כ-262,000 אנשים ללא חשמל, בעוד התיקונים התעכבו בגלל תנאי מזג האוויר הקשים.

כלי רכב חשמליים הם יישום נוסף. חוקרים השקיעו מאמצים רבים כדי לייעל את אסטרטגיות ייצור הסוללות ואסטרטגיות הטעינה/פריקה על מנת להרחיב את תוחלת החיים וצפיפות ההספק של סוללות. סוללות ליתיום-יון היו בחזית המהפכה הקטנה הזו ונעשה בהן שימוש נרחב במכוניות חשמליות חדשות אך גם באוטובוסים חשמליים. סוללות טובות יותר במקרה זה יכולות להוביל לקילומטראז' גדול יותר אך גם לצמצום זמני הטעינה עם הטכנולוגיות הנכונות.

התקדמות טכנולוגית אחרת כמו מל"טים ורובוטים ניידים הרוויחו מאוד מפיתוח סוללות. שם אסטרטגיות תנועה ואסטרטגיות בקרה מסתמכות במידה רבה על קיבולת הסוללה והכוח המסופק.

מה זה BESS

BESS או מערכת אחסון אנרגיה לסוללה היא מערכת אחסון אנרגיה שניתן להשתמש בה לאגירת אנרגיה. אנרגיה זו יכולה להגיע מהרשת הראשית או ממקורות אנרגיה מתחדשים כגון אנרגיית רוח ואנרגיה סולארית. הוא מורכב ממספר סוללות המסודרות בתצורות שונות (סדרה/מקבילית) ובגודל בהתאם לדרישות. הם מחוברים למהפך המשמש להמרת הספק DC למתח AC לשימוש. מערכת ניהול סוללה (BMS) משמשת לניטור תנאי הסוללה ופעולת הטעינה/הפריקה.

בהשוואה למערכות אגירת אנרגיה אחרות, הן גמישות במיוחד להצבה/חיבור ואינן דורשות תשתית יקרה במיוחד, אך הן עדיין כרוכות בעלות ניכרת ודורשות תחזוקה שוטפת יותר על בסיס השימוש.

גודל והרגלי שימוש של BESS

נקודה מכרעת שיש להתמודד עם התקנת מערכת אחסון אנרגיה של סוללה היא גודל. כמה סוללות צריך? באיזו תצורה? במקרים מסוימים, סוג הסוללה יכול למלא תפקיד מכריע בטווח הארוך מבחינת חיסכון בעלויות ויעילות

זה נעשה על בסיס כל מקרה לגופו שכן יישומים יכולים לנוע ממשקי בית קטנים ועד למפעלי תעשייה גדולים.

מקור האנרגיה המתחדשת הנפוץ ביותר עבור משקי בית קטנים, במיוחד באזורים עירוניים, הוא סולארי באמצעות פאנלים פוטו-וולטאיים. המהנדס ישקול באופן כללי את צריכת החשמל הממוצעת של משק הבית ומעריך את קרינת השמש לאורך השנה עבור המיקום הספציפי. מספר הסוללות ותצורת הרשת שלהן נבחרים כך שיתאימו לדרישות הביתיות במהלך אספקת החשמל הסולארית הנמוכה ביותר של השנה תוך ריקון מלא של הסוללות. זאת בהנחה שהפתרון יהיה עצמאות מוחלטת של הספק מהרשת המרכזית.

שמירה על מצב טעינה מתון יחסית או לא לפרוק לחלוטין את הסוללות הוא משהו שעשוי להיות נגד אינטואיטיבי בהתחלה. אחרי הכל, למה להשתמש במערכת אחסון אם אנחנו לא יכולים לנצל את מלוא הפוטנציאל שלה? בתיאוריה זה אפשרי, אבל אולי זו לא האסטרטגיה שממקסמת את ההחזר על ההשקעה.

אחד החסרונות העיקריים של BESS הוא העלות הגבוהה יחסית של הסוללות. לכן, בחירת הרגל שימוש או אסטרטגיית טעינה/פריקה שממקסמת את אורך חיי הסוללה היא חיונית. לדוגמה, לא ניתן לפרוק סוללות עופרת מתחת ל-50% קיבולת מבלי לסבול מנזק בלתי הפיך. לסוללות ליתיום-יון יש צפיפות אנרגיה גבוהה יותר, חיי מחזור ארוכים. ניתן לפרוק אותם גם באמצעות טווחים גדולים יותר, אך הדבר כרוך בעלות של מחיר מוגבר. קיימת שונות גבוהה בעלות בין כימיות שונות, סוללות חומצת עופרת יכולות להיות זולות במאות עד אלפי דולרים מאשר סוללת ליתיום-יון באותו גודל. זו הסיבה שסוללות חומצת עופרת הן הנפוצות ביותר ביישומים סולאריים במדינות עולם שלישי ובקהילות עניות.

ביצועי הסוללה מושפעים מאוד מהידרדרות במהלך חייה, אין לה ביצועים יציבים המסתיימים בכשל פתאומי. במקום זאת, הקיבולת והמסופקת יכולים לדעוך בהדרגה. בפועל, תוחלת החיים של הסוללה נחשבת כאזלה כאשר הקיבולת שלה מגיעה ל-80% מהקיבולת המקורית שלה. במילים אחרות, כאשר הוא חווה דהיית קיבולת של 20%. בפועל, זה אומר שניתן לספק כמות נמוכה יותר של אנרגיה. זה יכול להשפיע על תקופות השימוש עבור מערכות עצמאיות לחלוטין ועל כמות הקילומטרים ש-EV יכול לכסות.

נקודה נוספת שיש לקחת בחשבון היא בטיחות. עם התקדמות הייצור והטכנולוגיה, הסוללות האחרונות היו באופן כללי יציבות יותר מבחינה כימית. עם זאת, עקב היסטוריית השפלה וההתעללות, תאים יכולים להיכנס לבריחה תרמית מה שעלול להוביל לתוצאות קטסטרופליות ובמקרים מסוימים לסכן את חיי הצרכנים.

זו הסיבה שחברות פיתחו תוכנה טובה יותר לניטור סוללה (BMS) כדי לשלוט בשימוש בסוללה אך גם לנטר את מצב הבריאות על מנת לספק תחזוקה בזמן ולמנוע השלכות מחמירות.

מַסְקָנָה

מבין הרשתות מערכות אחסון אנרגיה מספקות הזדמנות מצוינת להשיג עצמאות חשמל מהרשת הראשית, אך גם מספקות מקור גיבוי של חשמל בתקופות השבתה ותקופות עומס שיא. הפיתוח שם יקל על המעבר למקורות אנרגיה ירוקים יותר, ובכך יגביל את ההשפעה של ייצור אנרגיה על שינויי האקלים תוך עמידה בדרישות האנרגיה עם צמיחה מתמדת בצריכה.

מערכות אחסון אנרגיית סוללות הן הנפוצות ביותר והקלות ביותר להגדרה עבור יישומים יומיומיים שונים. הגמישות הגבוהה שלהם מתנגדת לעלות גבוהה יחסית, המובילה לפיתוח אסטרטגיות ניטור להארכת תוחלת החיים המתאימה ככל האפשר. נכון לעכשיו, התעשייה והאקדמיה משקיעים מאמצים רבים כדי לחקור ולהבין את השפלת הסוללה בתנאים שונים.