Pēdējo 50 gadu laikā globālais elektroenerģijas patēriņš ir nepārtraukti pieaudzis, un 2021. gadā tiek lēsts, ka tas tiks izmantots aptuveni 25 300 teravatstundu. Līdz ar pāreju uz rūpniecību 4.0 visā pasaulē palielinās enerģijas pieprasījums. Šie skaitļi ar katru gadu pieaug, neskaitot rūpniecības un citu ekonomikas nozaru vajadzības pēc jaudas. Šīs rūpniecības pārmaiņas un lielais enerģijas patēriņš ir saistītas ar jūtamāku klimata pārmaiņu ietekmi, ko izraisa pārmērīgas siltumnīcefekta gāzu emisijas. Pašlaik lielākā daļa elektroenerģijas ražošanas staciju un iekārtu lielā mērā ir atkarīgas no fosilā kurināmā avotiem (naftas un gāzes), lai apmierinātu šādas prasības. Šīs klimata problēmas aizliedz papildu enerģijas ražošanu, izmantojot parastās metodes. Tādējādi efektīvu un uzticamu enerģijas uzglabāšanas sistēmu izstrāde ir kļuvusi arvien svarīgāka, lai nodrošinātu nepārtrauktu un uzticamu atjaunojamo enerģijas avotu piegādi.

Enerģētikas nozare ir reaģējusi, pārejot uz atjaunojamo enerģiju vai “zaļajiem” risinājumiem. Pāreju ir veicinājušas uzlabotas ražošanas metodes, kā rezultātā, piemēram, ir efektīvāka vēja turbīnu lāpstiņu ražošana. Tāpat pētnieki ir spējuši uzlabot fotoelektrisko elementu efektivitāti, tādējādi uzlabojot enerģijas ražošanu katrā lietošanas zonā. 2021. gadā ievērojami palielinājās elektroenerģijas ražošana no saules fotoelementu (PV) avotiem, sasniedzot rekordaugstu 179 TWh un veido 22% pieaugumu salīdzinājumā ar 2020. gadu. Saules PV tehnoloģija tagad veido 3,6% no pasaules elektroenerģijas ražošanas un pašlaik ir trešā lielākā atjaunojamā enerģija. enerģijas avots pēc hidroenerģijas un vēja.

Tomēr šie sasniegumi neatrisina dažus no atjaunojamās enerģijas sistēmām raksturīgajiem trūkumiem, galvenokārt pieejamību. Lielākā daļa šo metožu neražo enerģiju pēc pieprasījuma kā ogļu un naftas spēkstacijas. Saules enerģijas jauda ir pieejama, piemēram, visas dienas garumā ar izmaiņām atkarībā no saules starojuma leņķiem un PV paneļa novietojuma. Naktī tas nevar ražot enerģiju, savukārt ziemas sezonā un ļoti mākoņainās dienās tā jauda ir ievērojami samazināta. Vēja enerģija cieš arī no svārstībām atkarībā no vēja ātruma. Tāpēc šie risinājumi ir jāapvieno ar enerģijas uzkrāšanas sistēmām, lai nodrošinātu enerģijas piegādi zemas jaudas periodos.

Kas ir enerģijas uzglabāšanas sistēmas?

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

Baterijas jeb BESS (akumulatoru enerģijas uzglabāšanas sistēma) ir visizplatītākā enerģijas uzglabāšanas metode, ko izmanto ikdienas dzīvē. Pastāv arī citas uzglabāšanas sistēmas, piemēram, hidroelektrostacijas, kas pārvērš dambī uzglabātā ūdens potenciālo enerģiju elektroenerģijā. Lejā krītošais ūdens griezīs turbīnas spararatu, kas ražo elektrisko enerģiju. Vēl viens piemērs ir saspiestā gāze, pēc izlaišanas gāze pagriezīs turbīnas riteni, kas ražo jaudu.

Baterijas atšķir no citām uzglabāšanas metodēm to iespējamās darbības jomas. No mazām ierīcēm un automašīnu barošanas avota līdz mājsaimniecībām un lielām saules enerģijas fermām, akumulatorus var nemanāmi integrēt jebkurā glabāšanas lietojumprogrammā ārpus tīkla. No otras puses, hidroenerģijas un saspiestā gaisa metodēm uzglabāšanai ir nepieciešamas ļoti lielas un sarežģītas infrastruktūras. Tas rada ļoti augstas izmaksas, kas prasa ļoti lielus pieteikumus, lai tas būtu pamatots.

Izmantošanas gadījumi ārpus tīkla uzglabāšanas sistēmām.

Kā minēts iepriekš, ārpus tīkla esošās uzglabāšanas sistēmas var atvieglot atjaunojamās enerģijas metožu, piemēram, saules un vēja enerģijas, izmantošanu un paļaušanos uz tām. Tomēr ir arī citas lietojumprogrammas, kas var gūt lielu labumu no šādām sistēmām

Pilsētas elektrotīklu mērķis ir nodrošināt pareizo enerģijas daudzumu, pamatojoties uz katras pilsētas piedāvājumu un pieprasījumu. Nepieciešamā jauda var svārstīties visas dienas garumā. Ārpus tīkla uzglabāšanas sistēmas ir izmantotas, lai mazinātu svārstības un nodrošinātu lielāku stabilitāti maksimālā pieprasījuma gadījumos. No cita perspektīvas ārpus tīkla glabāšanas sistēmas var būt ļoti izdevīgas, lai kompensētu neparedzētus tehniskus traucējumus galvenajā elektrotīklā vai plānoto apkopes periodu laikā. Tie var apmierināt jaudas prasības, nemeklējot alternatīvus enerģijas avotus. Var minēt, piemēram, Teksasas ledus vētru 2023. gada februāra sākumā, kas atstāja bez elektrības aptuveni 262 000 cilvēku, savukārt remontdarbi aizkavējās sarežģīto laikapstākļu dēļ.

Elektriskie transportlīdzekļi ir vēl viens pielietojums. Pētnieki ir pielikuši daudz pūļu, lai optimizētu akumulatoru ražošanu un uzlādes/izlādes stratēģijas, lai palielinātu akumulatoru kalpošanas laiku un jaudas blīvumu. Litija jonu akumulatori ir bijuši šīs mazās revolūcijas priekšgalā, un tie ir plaši izmantoti jaunos elektriskajos automobiļos, kā arī elektriskajos autobusos. Šajā gadījumā labāki akumulatori var nodrošināt lielāku nobraukumu, bet arī samazināt uzlādes laiku, izmantojot pareizās tehnoloģijas.

Citi tehnoloģiskie sasniegumi, piemēram, UAV un mobilie roboti, ir guvuši lielu labumu no akumulatoru attīstības. Tur kustības stratēģijas un vadības stratēģijas lielā mērā ir atkarīgas no akumulatora jaudas un nodrošinātās jaudas.

Kas ir BESS

BESS jeb akumulatoru enerģijas uzkrāšanas sistēma ir enerģijas uzkrāšanas sistēma, ko var izmantot enerģijas uzkrāšanai. Šo enerģiju var iegūt no galvenā tīkla vai no atjaunojamiem enerģijas avotiem, piemēram, vēja enerģijas un saules enerģijas. Tas sastāv no vairākām baterijām, kas ir sakārtotas dažādās konfigurācijās (sērijā/paralēlās) un ir izmērītas atbilstoši prasībām. Tie ir savienoti ar invertoru, ko izmanto, lai pārveidotu līdzstrāvas strāvu lietošanai maiņstrāvā. Akumulatora vadības sistēma (BMS) tiek izmantota, lai uzraudzītu akumulatora stāvokli un uzlādes/izlādes darbību.

Salīdzinot ar citām enerģijas uzkrāšanas sistēmām, tās ir īpaši elastīgas novietošanai/savienošanai, un tām nav nepieciešama ļoti dārga infrastruktūra, taču tām joprojām ir ievērojamas izmaksas un nepieciešama regulārāka apkope, pamatojoties uz lietojumu.

BESS izmēru un lietošanas paradumi

Izšķirošs jautājums, kas jārisina, uzstādot akumulatora enerģijas uzglabāšanas sistēmu, ir izmēra noteikšana. Cik baterijas ir vajadzīgas? Kādā konfigurācijā? Dažos gadījumos akumulatora tipam var būt izšķiroša nozīme ilgtermiņā izmaksu ietaupījumu un efektivitātes ziņā.

Tas tiek darīts katrā gadījumā atsevišķi, jo pielietojums var būt no mazām mājsaimniecībām līdz lielām rūpnieciskām iekārtām.

Visizplatītākais atjaunojamās enerģijas avots mazām mājsaimniecībām, īpaši pilsētās, ir saules enerģija, izmantojot fotoelektriskos paneļus. Inženieris kopumā ņems vērā mājsaimniecības vidējo enerģijas patēriņu un novērtēs saules starojumu visa gada garumā konkrētajā vietā. Bateriju skaits un to tīkla konfigurācija ir izvēlēta tā, lai atbilstu mājsaimniecības vajadzībām gada viszemākajā saules enerģijas avotā, vienlaikus neizlādējot baterijas pilnībā. Tas ir risinājums, kas nodrošina pilnīgu enerģijas neatkarību no galvenā tīkla.

Uzturēt salīdzinoši mērenu uzlādes stāvokli vai pilnībā neizlādēt akumulatorus sākotnēji var nebūt intuitīvi. Galu galā, kāpēc izmantot uzglabāšanas sistēmu, ja mēs nevaram pilnībā izmantot tās potenciālu? Teorētiski tas ir iespējams, taču tā var nebūt stratēģija, kas palielina ieguldījumu atdevi.

Viens no galvenajiem BESS trūkumiem ir salīdzinoši augstās akumulatoru izmaksas. Tāpēc ir svarīgi izvēlēties lietošanas paradumu vai uzlādes/izlādes stratēģiju, kas maksimāli palielina akumulatora darbības laiku. Piemēram, svina skābes akumulatorus nevar izlādēt zem 50% jaudas bez neatgriezeniskiem bojājumiem. Litija jonu akumulatoriem ir lielāks enerģijas blīvums, ilgs cikla mūžs. Tos var arī izlādēt, izmantojot lielākus diapazonus, taču tas maksā paaugstinātu cenu. Dažādām ķīmiskajām vielām ir liela izmaksu atšķirība, svina skābes akumulatori var būt par simtiem līdz tūkstošiem dolāru lētāki nekā tāda paša izmēra litija jonu akumulatori. Šī iemesla dēļ svina skābes akumulatori tiek visvairāk izmantoti saules enerģijas lietojumos trešās pasaules valstīs un nabadzīgajās kopienās.

Akumulatora veiktspēju ļoti ietekmē pasliktināšanās tā kalpošanas laikā, tam nav vienmērīgas darbības, kas beidzas ar pēkšņu atteici. Tā vietā jauda un nodrošinātā var pakāpeniski izzust. Praksē tiek uzskatīts, ka akumulatora darbības laiks ir beidzies, kad tā jauda sasniedz 80% no sākotnējās jaudas. Citiem vārdiem sakot, kad tā kapacitāte samazinās par 20%. Praksē tas nozīmē, ka var nodrošināt mazāku enerģijas daudzumu. Tas var ietekmēt pilnībā neatkarīgu sistēmu lietošanas periodus un EV nobraukto nobraukumu.

Vēl viens jautājums, kas jāņem vērā, ir drošība. Pateicoties ražošanas un tehnoloģiju attīstībai, jaunākie akumulatori kopumā ir bijuši ķīmiski stabilāki. Tomēr degradācijas un ļaunprātīgas izmantošanas vēstures dēļ šūnas var nonākt termiskā aizbēgšanā, kas var izraisīt katastrofālus rezultātus un dažos gadījumos apdraudēt patērētāju dzīvību.

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

Secinājums

No tīkla enerģijas uzglabāšanas sistēmas nodrošina lielisku iespēju panākt enerģijas neatkarību no galvenā tīkla, kā arī nodrošina rezerves enerģijas avotu dīkstāves un maksimālās slodzes periodos. Tur attīstība veicinātu pāreju uz videi nekaitīgākiem enerģijas avotiem, tādējādi ierobežojot enerģijas ražošanas ietekmi uz klimata pārmaiņām, vienlaikus apmierinot enerģijas prasības ar pastāvīgu patēriņa pieaugumu.

Akumulatora enerģijas uzglabāšanas sistēmas ir visbiežāk izmantotās un visvieglāk konfigurējamas dažādiem ikdienas lietojumiem. To augsto elastību kompensē salīdzinoši augstās izmaksas, kā rezultātā tiek izstrādātas uzraudzības stratēģijas, lai pēc iespējas pagarinātu attiecīgo kalpošanas laiku. Pašlaik nozare un akadēmiskās aprindas pieliek daudz pūļu, lai izpētītu un izprastu akumulatora noārdīšanos dažādos apstākļos.