Kā uzglabāt elektrību no režģa?

Pēdējo 50 gadu laikā nepārtraukti palielinājās globālā elektroenerģijas patēriņš ar aptuveni 25 300 teravatstundu patēriņu 2021. gadā. Ar pāreju uz nozari 4.0 visā pasaulē palielinās enerģijas prasības. Šie skaitļi katru gadu palielinās, neskaitot rūpniecības un citu ekonomikas sektoru enerģijas prasības. Šī rūpnieciskā maiņa un lieljaudas patēriņš ir saistīti ar taustāmāku klimata pārmaiņu efektu, ko rada pārmērīgas siltumnīcefekta gāzu emisijas. Pašlaik lielākā daļa enerģijas ražošanas iekārtu un aprīkojuma lielā mērā paļaujas uz fosilā kurināmā avotiem (naftu un gāzi), lai izpildītu šādas prasības. Šīs klimata bažas aizliedz papildu enerģijas ražošanu, izmantojot parastās metodes. Tādējādi efektīvu un uzticamu enerģijas uzkrāšanas sistēmu izstrāde ir kļuvusi arvien nozīmīgāka, lai nodrošinātu nepārtrauktu un uzticamu enerģijas padevi no atjaunojamiem avotiem.

Enerģētikas nozare ir reaģējusi, pārejot uz atjaunojamo enerģiju vai “zaļo” risinājumiem. Pāreju ir palīdzējis uzlabot ražošanas metodes, kas, piemēram, ir efektīvāka vēja turbīnu lāpstiņu ražošana. Arī pētnieki ir spējuši uzlabot fotoelektrisko šūnu efektivitāti, izraisot labāku enerģijas ražošanu vienā lietošanas apgabalā. In 2021, electricity generation from solar photovoltaic (PV) sources increased significantly, reaching a record 179 TWh and representing a growth of 22% compared to 2020. Solar PV technology now accounts for 3.6% of global electricity generation and is currently the third largest renewable Enerģijas avots pēc hidroenerģijas un vēja.

Tomēr šie sasniegumi neatrisina dažus no atjaunojamās enerģijas sistēmu raksturīgajiem trūkumiem, galvenokārt pieejamību. Lielākā daļa no šīm metodēm nerada enerģiju pēc pieprasījuma kā ogļu un eļļas elektrostacijas. Saules enerģijas izejas, piemēram, ir pieejamas visas dienas garumā ar variācijām atkarībā no saules apstarošanas leņķiem un PV paneļa pozicionēšanas. Naktī tas nevar radīt enerģiju, kamēr tā izlaide ir ievērojami samazināta ziemas sezonā un ļoti mākoņainās dienās. Vēja enerģija cieš arī no svārstībām atkarībā no vēja ātruma. Tādēļ šie risinājumi ir jāsaista ar enerģijas uzglabāšanas sistēmām, lai uzturētu enerģijas piegādi zemas izlaides periodos.

Kas ir enerģijas uzkrāšanas sistēmas?

Enerģijas uzglabāšanas sistēmas var uzglabāt enerģiju, lai to izmantotu vēlāk. Dažos gadījumos starp uzkrāto enerģiju un nodrošināto enerģiju notiks enerģijas pārveidošana. Visizplatītākais piemērs ir elektriskās baterijas, piemēram, litija jonu baterijas vai svina skābes baterijas. Tie nodrošina elektrisko enerģiju, izmantojot ķīmiskas reakcijas starp elektrodiem un elektrolītu.

Baterijas jeb BESS (akumulatora enerģijas uzkrāšanas sistēma) ir visizplatītākā enerģijas uzglabāšanas metode, ko izmanto ikdienas dzīves lietojumos. Cita uzglabāšanas sistēma pastāv, piemēram, hidroenerģijas augi, kas pārvērš aizsprostā saglabāto ūdens potenciālo enerģiju elektriskajā enerģijā. Ūdens, kas nokrīt lejā, pagriezīs turbīnas spararatu, kas ražo elektrisko enerģiju. Vēl viens piemērs ir saspiesta gāze, atbrīvojot gāzi, tas pagriezīs turbīnu ražošanas jaudas riteni.

Tas, kas atdala baterijas no citām uzglabāšanas metodēm, ir to potenciālās darbības jomas. Sākot no mazām ierīcēm un automašīnu barošanas avotiem līdz sadzīves lietojumprogrammām un lielām saules enerģijas fermām, baterijas var nemanāmi integrēt jebkurai uzglabāšanas lietojumprogrammai ārpus tīkla. No otras puses, hidroenerģijas un saspiestām gaisa metodēm uzglabāšanai ir nepieciešama ļoti liela un sarežģīta infrastruktūra. Tas noved pie ļoti augstām izmaksām, kas prasa ļoti lielas lietojumprogrammas, lai tās būtu pamatotas.

Izmantojiet gadījumus ārpus tīkla glabāšanas sistēmām.

Kā minēts iepriekš, ārpus tīkla glabāšanas sistēmas var atvieglot izmantošanu un paļaušanos uz atjaunojamās enerģijas metodēm, piemēram, saules un vēja jaudu. Neskatoties uz to, ir arī citas lietojumprogrammas, kuras var ievērojami gūt labumu no šādām sistēmām

Pilsētas enerģijas režģu mērķis ir nodrošināt pareizo enerģijas daudzumu, pamatojoties uz katras pilsētas piedāvājumu un pieprasījumu. Nepieciešamā jauda var svārstīties visas dienas garumā. Izglabāšanas sistēmas ārpus tīkla ir izmantotas, lai mazinātu svārstības un nodrošinātu lielāku stabilitāti maksimālā pieprasījuma gadījumos. Raugoties no cita viedokļa, režģa uzglabāšanas sistēmas var būt ļoti izdevīgas, lai kompensētu visas neparedzētās tehniskās kļūmes galvenajā strāvas tīklā vai plānotajā uzturēšanas periodos. Viņi var izpildīt enerģijas prasības, nemeklējot alternatīvus enerģijas avotus. Var minēt, piemēram, Teksasas ledus vētru 2023. gada februāra sākumā, kas atstāja aptuveni 262 000 cilvēku bez enerģijas, savukārt remonts tika aizkavēts sarežģīto laika apstākļu dēļ.

Elektriskie transportlīdzekļi ir vēl viens pielietojums. Pētnieki ir pielikuši daudz pūļu, lai optimizētu akumulatoru ražošanu un uzlādēšanas/izlādes stratēģijas, lai palielinātu bateriju dzīves ilgumu un jaudas blīvumu. Litija jonu baterijas ir bijušas šīs mazās revolūcijas priekšplānā, un tās ir plaši izmantotas jaunās elektromobiļos, bet arī elektriskajos autobusos. Labākas baterijas šajā gadījumā var izraisīt lielāku nobraukumu, bet arī samazinātu uzlādes laiku ar pareizajām tehnoloģijām.

Citas tehnoloģiskās attīstības, piemēram, UAV, un mobilie roboti ir guvuši lielu labumu no akumulatoru izstrādes. Tur kustību stratēģijas un kontroles stratēģijas lielā mērā balstās uz akumulatora ietilpību un sniegto jaudu.

Kas ir bess

BESS vai akumulatora enerģijas uzkrāšanas sistēma ir enerģijas uzkrāšanas sistēma, ko var izmantot enerģijas glabāšanai. Šī enerģija var nākt no galvenā tīkla vai no atjaunojamām enerģijas avotiem, piemēram, vēja enerģijas un saules enerģijas. Tas sastāv no vairākām baterijām, kas sakārtotas dažādās konfigurācijās (sērijas/paralēlas), un, pamatojoties uz prasībām, pamatojoties uz lielumu. Tie ir savienoti ar invertoru, ko izmanto, lai pārveidotu līdzstrāvas jaudu uz maiņstrāvas jaudu lietošanai. IzšķirtAkumulatora pārvaldības sistēma (BMS)tiek izmantots, lai uzraudzītu akumulatora nosacījumus un uzlādes/izlādes darbību.

Salīdzinot ar citām enerģijas uzglabāšanas sistēmām, tās ir īpaši elastīgas, lai izvietotu/savienotu, un tām nav nepieciešama ļoti dārga infrastruktūra, taču tās joprojām ir ievērojamas izmaksas un prasa regulārāku apkopi, pamatojoties uz lietojumu.

BESS lieluma un lietošanas paradumi

Izšķirošs punkts, lai risinātu akumulatora enerģijas uzkrāšanas sistēmas, ir lielums. Cik bateriju ir vajadzīgas? Kādā konfigurācijā? Dažos gadījumos akumulatoram var būt izšķiroša loma ilgtermiņā attiecībā uz izmaksu ietaupījumiem un efektivitāti

Tas tiek darīts katrā gadījumā atsevišķi, jo lietojumprogrammas var svārstīties no mazām mājsaimniecībām līdz lielām rūpniecības rūpnīcām.

Visizplatītākais atjaunojamās enerģijas avots mazām mājsaimniecībām, īpaši pilsētās, ir saules enerģija, izmantojot fotoelektriskos paneļus. Inženieris kopumā apsvērtu vidējo mājsaimniecības enerģijas patēriņu un novērtē saules starojumu visā gadā par konkrēto atrašanās vietu. Bateriju skaits un to režģa konfigurācija tiek izvēlēta, lai tā atbilstu mājsaimniecību prasībām gada zemākajā saules enerģijas padeves laikā, vienlaikus pilnībā neizlūstot baterijas. Tas ir pieņemts, ka risinājums ir pilnīga jaudas neatkarība no galvenā tīkla.

Salīdzinoši mērenu uzlādes stāvokļa saglabāšana vai bateriju pilnībā neizdalīšana ir kaut kas tāds, kas sākumā varētu būt intuitīvs. Galu galā, kāpēc izmantot uzglabāšanas sistēmu, ja mēs to nevaram iegūt pilnu potenciālu? Teorētiski tas ir iespējams, bet, iespējams, nav stratēģija, kas palielina ieguldījumu atdevi.

Viens no galvenajiem BESS trūkumiem ir salīdzinoši augstās bateriju izmaksas. Tāpēc ir svarīgi izvēlēties lietošanas ieradumu vai uzlādes/izlādes stratēģiju, kas palielina akumulatora kalpošanas laiku. Piemēram, svina skābes baterijas nevar izvadīt zem 50% jaudas, neciešot no neatgriezeniskiem bojājumiem. Litija jonu baterijām ir lielāks enerģijas blīvums, ilga cikla kalpošanas laiks. Tos var arī izrakstīt, izmantojot lielākus diapazonus, taču tas maksā paaugstinātas cenas izmaksas. Starp dažādām ķīmijām ir ļoti atšķirīgas izmaksas, svina skābes baterijas var būt simtiem līdz tūkstošiem dolāru lētāk nekā tāda paša izmēra litija jonu akumulatoram. Tāpēc svina skābes baterijas visvairāk tiek izmantotas saules enerģijas lietojumos 3. pasaules valstīs un nabadzīgajās kopienās.

Akumulatora veiktspēju ļoti ietekmē noārdīšanās tā dzīves laikā, tai nav vienmērīgas veiktspējas, kas beidzas ar pēkšņu kļūmi. Tā vietā ietilpība un nodrošinātā var izbalēt pakāpeniski. Praksē tiek uzskatīts, ka akumulatora kalpošanas laiks ir beidzies, kad tā ietilpība sasniedz 80% no sākotnējās jaudas. Citiem vārdiem sakot, kad tas piedzīvo 20% jaudas izbalēšanu. Praksē tas nozīmē, ka var nodrošināt mazāku enerģijas daudzumu. Tas var ietekmēt pilnībā neatkarīgu sistēmu lietošanas periodus un nobraukuma apjomu, ko EV var aptvert.

Vēl viens punkts, kas jāņem vērā, ir drošība. Ar ražošanas un tehnoloģiju attīstību jaunākās baterijas kopumā ir bijušas ķīmiski stabilākas. Tomēr degradācijas un ļaunprātīgas izmantošanas vēstures dēļ šūnas var nonākt termiskajā bēgināšanā, kas var izraisīt katastrofiskus rezultātus un dažos gadījumos patērētāju dzīvību apdraud.

Tāpēc uzņēmumi ir izstrādājuši labāku akumulatora uzraudzības programmatūru (BMS), lai kontrolētu akumulatora izmantošanu, bet arī uzraudzītu veselības stāvokli, lai nodrošinātu savlaicīgu apkopi un izvairītos no saasinātām sekām.

Secinājums

No tīkla enerģijas uzglabāšanas sistēmām ir lieliska iespēja sasniegt enerģijas neatkarību no galvenā tīkla, bet arī nodrošina rezerves enerģijas avotu downtimes un maksimālās slodzes periodos. Pieaugums atvieglotu pāreju uz zaļākiem enerģijas avotiem, tādējādi ierobežojot enerģijas ražošanas ietekmi uz klimata izmaiņām, vienlaikus ievērojot enerģijas prasības ar pastāvīgu patēriņa pieaugumu.

Akumulatora enerģijas uzglabāšanas sistēmas ir visbiežāk izmantotās un visvieglāk konfigurējamas dažādām ikdienas lietojumiem. Viņu augstā elastība ir pretrunā ar salīdzinoši augstām izmaksām, kā rezultātā tiek izstrādātas uzraudzības stratēģijas, lai pēc iespējas ilgāk pagarinātu attiecīgo mūžu. Pašlaik rūpniecība un akadēmiskā aprindas pieliek daudz pūļu, lai izpētītu un izprastu akumulatora noārdīšanos dažādos apstākļos.