Per pastaruosius 50 metų visame pasaulyje nuolat didėjo elektros suvartojimas, o 2021 m. bus sunaudota apie 25 300 teravatvalandžių. Pereinant prie pramonės 4.0, visame pasaulyje didėja energijos poreikis. Šie skaičiai kasmet didėja, neįskaitant pramonės ir kitų ekonomikos sektorių energijos poreikių. Šis pramonės pokytis ir didelis energijos suvartojimas yra susiję su labiau apčiuopiamu klimato kaitos poveikiu dėl per didelio šiltnamio efektą sukeliančių dujų išmetimo. Šiuo metu dauguma elektrinių ir įrenginių labai priklauso nuo iškastinio kuro šaltinių (naftos ir dujų), kad patenkintų tokius poreikius. Šios klimato problemos draudžia papildomai gaminti energiją naudojant įprastinius metodus. Taigi efektyvių ir patikimų energijos kaupimo sistemų kūrimas tampa vis svarbesnis siekiant užtikrinti nuolatinį ir patikimą energijos iš atsinaujinančių šaltinių tiekimą.
Energetikos sektorius į tai sureagavo pereinant prie atsinaujinančios energijos arba „žaliųjų“ sprendimų. Perėjimą padėjo patobulinti gamybos metodai, dėl kurių, pavyzdžiui, buvo galima efektyviau gaminti vėjo turbinų mentes. Be to, mokslininkai sugebėjo pagerinti fotovoltinių elementų efektyvumą, todėl energijos gamyba vienoje naudojimo srityje buvo geresnė. 2021 m. elektros energijos gamyba iš saulės fotovoltinių (PV) šaltinių labai išaugo ir pasiekė rekordines 179 TWh ir sudaro 22 % augimą, palyginti su 2020 m. Saulės PV technologija dabar sudaro 3,6 % pasaulinės elektros energijos ir šiuo metu yra trečia pagal dydį atsinaujinanti energija. energijos šaltinis po hidroenergijos ir vėjo.
Tačiau šie laimėjimai nepašalina kai kurių neatsiejamų atsinaujinančios energijos sistemų trūkumų, daugiausia jų prieinamumo. Dauguma šių metodų negamina energijos pagal poreikį, kaip anglies ir naftos jėgainės. Pavyzdžiui, saulės energijos išeiga yra prieinama visą dieną, priklausomai nuo saulės spinduliavimo kampų ir fotovoltinės plokštės padėties. Naktį jis negali pagaminti jokios energijos, o žiemos sezono metu ir labai debesuotomis dienomis jo našumas žymiai sumažėja. Vėjo energija taip pat kenčia nuo svyravimų, priklausančių nuo vėjo greičio. Todėl šie sprendimai turi būti sujungti su energijos kaupimo sistemomis, kad būtų palaikomas energijos tiekimas mažos galios laikotarpiais.
Kas yra energijos kaupimo sistemos?
Energijos kaupimo sistemos gali kaupti energiją, kad ją būtų galima panaudoti vėliau. Kai kuriais atvejais bus tam tikra energijos konversija tarp sukauptos energijos ir tiekiamos energijos. Dažniausias pavyzdys yra elektros baterijos, tokios kaip ličio jonų akumuliatoriai arba švino rūgšties akumuliatoriai. Jie tiekia elektros energiją cheminių reakcijų tarp elektrodų ir elektrolito būdu.
Baterijos arba BESS (baterijų energijos kaupimo sistema) yra labiausiai paplitęs energijos kaupimo būdas, naudojamas kasdieniame gyvenime. Egzistuoja ir kitos saugojimo sistemos, tokios kaip hidroelektrinės, kurios potencialią užtvankoje laikomo vandens energiją paverčia elektros energija. Nukrisdamas vanduo pasuks elektros energiją gaminančios turbinos smagratį. Kitas pavyzdys yra suslėgtos dujos, kai išleidžiamos dujos pasuks galią gaminančios turbinos ratą.
Baterijas nuo kitų saugojimo būdų skiria galimos jų veikimo sritys. Nuo mažų prietaisų ir automobilių maitinimo šaltinių iki buitinių įrenginių ir didelių saulės energijos ūkių – baterijas galima sklandžiai integruoti į bet kurią ne tinklo saugojimo programą. Kita vertus, hidroenergetikos ir suslėgto oro metodams saugoti reikia labai didelių ir sudėtingų infrastruktūrų. Tai lemia labai dideles sąnaudas, kurioms reikalinga labai didelė paraiška, kad tai būtų pagrįsta.
Naudojimo dėklai ne tinkle esančioms saugojimo sistemoms.
Kaip minėta anksčiau, ne tinkle esančios saugojimo sistemos gali palengvinti atsinaujinančios energijos metodų, pvz., saulės ir vėjo energijos, naudojimą ir pasitikėjimą. Nepaisant to, yra ir kitų programų, kurioms tokios sistemos gali būti labai naudingos
Miesto elektros tinklai siekia tiekti reikiamą energijos kiekį, atsižvelgiant į kiekvieno miesto pasiūlą ir paklausą. Reikalinga galia gali svyruoti per dieną. Ne tinklo saugojimo sistemos buvo naudojamos siekiant sumažinti svyravimus ir užtikrinti didesnį stabilumą didžiausios paklausos atvejais. Žvelgiant iš kitos perspektyvos, už tinklo neprijungtos saugojimo sistemos gali būti labai naudingos kompensuojant bet kokius nenumatytus pagrindinio elektros tinklo techninius gedimus arba per numatytus techninės priežiūros laikotarpius. Jie gali patenkinti energijos reikalavimus, neieškodami alternatyvių energijos šaltinių. Galima paminėti, pavyzdžiui, 2023 m. vasario pradžioje įvykusią Teksaso ledo audrą, dėl kurios be elektros liko apie 262 000 žmonių, o remontas buvo atidėtas dėl sunkių oro sąlygų.
Elektrinės transporto priemonės yra dar vienas pritaikymas. Tyrėjai įdėjo daug pastangų, kad optimizuotų baterijų gamybą ir įkrovimo / iškrovimo strategijas, kad padidintų baterijų tarnavimo laiką ir galios tankį. Ličio jonų akumuliatoriai buvo šios nedidelės revoliucijos priešakyje ir buvo plačiai naudojami naujuose elektromobiliuose, taip pat ir elektriniuose autobusuose. Šiuo atveju geresni akumuliatoriai gali lemti didesnį rida, bet ir sutrumpinti įkrovimo laiką, naudojant tinkamas technologijas.
Kitos technologinės pažangos, tokios kaip UAV ir mobilieji robotai, buvo labai naudingi baterijų kūrimui. Čia judėjimo strategijos ir valdymo strategijos labai priklauso nuo akumuliatoriaus talpos ir tiekiamos galios.
Kas yra BESS
BESS arba akumuliatoriaus energijos kaupimo sistema yra energijos kaupimo sistema, kuri gali būti naudojama energijai kaupti. Ši energija gali būti gaunama iš pagrindinio tinklo arba iš atsinaujinančių energijos šaltinių, tokių kaip vėjo energija ir saulės energija. Jį sudaro kelios skirtingos konfigūracijos (serijinės / lygiagrečios) baterijos, kurių dydis priklauso nuo reikalavimų. Jie yra prijungti prie keitiklio, kuris naudojamas nuolatinei srovei konvertuoti į kintamosios srovės maitinimą. Aakumuliatoriaus valdymo sistema (BMS)naudojamas akumuliatoriaus būklei ir įkrovimo / iškrovimo operacijai stebėti.
Palyginti su kitomis energijos kaupimo sistemomis, jos yra ypač lanksčios įrengiamos/jungiamos ir nereikalauja itin brangios infrastruktūros, tačiau vis tiek kainuoja nemažas išlaidas ir reikalauja reguliaresnės priežiūros, atsižvelgiant į naudojimą.
BESS dydžio ir naudojimo įpročiai
Esminis dalykas, į kurį reikia atkreipti dėmesį montuojant akumuliatoriaus energijos kaupimo sistemą, yra dydžio nustatymas. Kiek baterijų reikia? Kokioje konfigūracijoje? Kai kuriais atvejais baterijos tipas gali atlikti lemiamą vaidmenį ilgalaikėje perspektyvoje taupant išlaidas ir efektyvumą
Tai daroma kiekvienu konkrečiu atveju, nes pritaikymas gali būti nuo mažų namų ūkių iki didelių pramonės įmonių.
Labiausiai paplitęs atsinaujinančios energijos šaltinis mažiems namų ūkiams, ypač miestuose, yra saulės energija naudojant fotovoltines plokštes. Inžinierius apskritai atsižvelgtų į vidutinį namų ūkio energijos suvartojimą ir įvertintų saulės apšvitą per metus konkrečioje vietoje. Akumuliatorių skaičius ir jų tinklo konfigūracija parenkama taip, kad atitiktų namų ūkio poreikius esant mažiausiam metų saulės energijos tiekimui, visiškai neišsikraunant baterijų. Tai daroma prielaida, kad sprendimas yra visiškai nepriklausomas nuo maitinimo tinklo.
Išlaikyti santykinai vidutinę įkrovimo būseną arba visiškai neiškrauti baterijų iš pradžių gali būti prieštaringa. Galų gale, kam naudoti saugojimo sistemą, jei negalime išnaudoti viso jos potencialo? Teoriškai tai įmanoma, tačiau tai gali būti ne ta strategija, kuri padidina investicijų grąžą.
Vienas pagrindinių BESS trūkumų – gana didelė baterijų kaina. Todėl labai svarbu pasirinkti naudojimo įpročius arba įkrovimo / iškrovimo strategiją, kuri maksimaliai padidintų baterijos veikimo laiką. Pavyzdžiui, švino rūgšties akumuliatoriai negali būti iškrauti žemiau 50 %, nepatiriant negrįžtamos žalos. Ličio jonų baterijos turi didesnį energijos tankį, ilgą tarnavimo laiką. Jie taip pat gali būti iškraunami naudojant didesnius diapazonus, tačiau tai kainuoja brangiau. Skirtingų cheminių medžiagų kaina labai skiriasi, švino rūgšties akumuliatoriai gali būti nuo šimtų iki tūkstančių dolerių pigesni nei tokio paties dydžio ličio jonų akumuliatoriai. Štai kodėl švino rūgšties baterijos yra dažniausiai naudojamos saulės energijos reikmėms trečiojo pasaulio šalyse ir skurdžiose bendruomenėse.
Akumuliatoriaus veikimui didelę įtaką daro jo naudojimo trukmės pablogėjimas, jis neturi pastovaus veikimo, kuris baigiasi staigiu gedimu. Vietoj to, pajėgumai ir teikiami pajėgumai gali palaipsniui mažėti. Praktikoje laikoma, kad akumuliatoriaus tarnavimo laikas pasibaigė, kai jo talpa pasiekia 80% pradinės talpos. Kitaip tariant, kai jo talpa išnyksta 20 %. Praktiškai tai reiškia, kad galima tiekti mažesnį energijos kiekį. Tai gali turėti įtakos visiškai nepriklausomų sistemų naudojimo laikotarpiams ir EV galimam ridai.
Kitas dalykas, į kurį reikia atsižvelgti, yra saugumas. Tobulėjant gamybai ir technologijoms, naujausios baterijos apskritai buvo chemiškai stabilesnės. Tačiau dėl degradacijos ir piktnaudžiavimo istorijos ląstelės gali pasišalinti, o tai gali sukelti katastrofiškų rezultatų ir kai kuriais atvejais kelti pavojų vartotojų gyvybei.
Štai kodėl įmonės sukūrė geresnę akumuliatoriaus stebėjimo programinę įrangą (BMS), kad galėtų kontroliuoti akumuliatoriaus naudojimą, bet taip pat stebėti sveikatos būklę, kad laiku būtų atlikta priežiūra ir išvengta sunkesnių pasekmių.
Išvada
Iš tinklo energijos kaupimo sistemos suteikia puikią galimybę pasiekti energijos nepriklausomybę nuo pagrindinio tinklo, bet taip pat yra atsarginis energijos šaltinis prastovų ir didžiausios apkrovos metu. Ten plėtra palengvintų perėjimą prie ekologiškesnių energijos šaltinių ir taip apribotų energijos gamybos poveikį klimato kaitai, kartu patenkinant energijos poreikius, nuolat augant vartojimui.
Akumuliatoriaus energijos kaupimo sistemos yra dažniausiai naudojamos ir lengviausiai konfigūruojamos įvairioms kasdienėms reikmėms. Didelį jų lankstumą atsveria santykinai didelės sąnaudos, dėl kurių kuriamos stebėjimo strategijos, kurios kiek įmanoma pailgintų atitinkamą tarnavimo laiką. Šiuo metu pramonė ir akademinė bendruomenė deda daug pastangų, kad ištirtų ir suprastų akumuliatoriaus blogėjimą skirtingomis sąlygomis.
Susijęs straipsnis:
Individualūs energijos sprendimai – revoliucinis požiūris į prieigą prie energijos
Atsinaujinančių išteklių energijos panaudojimas: akumuliatoriaus energijos saugojimo vaidmuo
Jūrų energijos kaupimo sistemų baterijų technologijos pažanga
