Bagaimana untuk menyimpan elektrik dari grid?

Sepanjang 50 tahun yang lalu, terdapat peningkatan berterusan dalam penggunaan elektrik global, dengan anggaran penggunaan sekitar 25,300 terawatt-jam pada tahun 2021. Dengan peralihan ke arah industri 4.0, terdapat peningkatan dalam permintaan tenaga di seluruh dunia. Angka ini meningkat setiap tahun, tidak termasuk keperluan kuasa sektor perindustrian dan ekonomi lain. Peralihan industri dan penggunaan kuasa tinggi ini digabungkan dengan kesan perubahan iklim yang lebih ketara akibat pelepasan gas rumah hijau yang berlebihan. Pada masa ini, kebanyakan loji dan kemudahan penjanaan kuasa sangat bergantung kepada sumber bahan api fosil (minyak dan gas) untuk memenuhi permintaan tersebut. Kebimbangan iklim ini melarang penjanaan tenaga tambahan menggunakan kaedah konvensional. Oleh itu, pembangunan sistem penyimpanan tenaga yang cekap dan boleh dipercayai telah menjadi semakin penting untuk memastikan bekalan tenaga yang berterusan dan boleh dipercayai daripada sumber boleh diperbaharui.

Sektor tenaga telah bertindak balas dengan beralih ke arah tenaga boleh diperbaharui atau penyelesaian "hijau". Peralihan itu telah dibantu oleh teknik pembuatan yang dipertingkatkan, contohnya kepada pembuatan bilah turbin angin yang lebih cekap. Selain itu, penyelidik telah dapat meningkatkan kecekapan sel fotovoltaik, yang membawa kepada penjanaan tenaga yang lebih baik bagi setiap kawasan penggunaan. Pada tahun 2021, penjanaan elektrik daripada sumber fotovoltaik suria (PV) meningkat dengan ketara, mencapai rekod 179 TWj dan mewakili pertumbuhan sebanyak 22% berbanding 2020. Teknologi PV solar kini menyumbang 3.6% daripada penjanaan elektrik global dan kini merupakan yang ketiga terbesar boleh diperbaharui sumber tenaga selepas kuasa hidro dan angin.

Walau bagaimanapun, penemuan ini tidak menyelesaikan beberapa kelemahan yang wujud dalam sistem tenaga boleh diperbaharui, terutamanya ketersediaan. Kebanyakan kaedah ini tidak menghasilkan tenaga atas permintaan sebagai loji janakuasa arang batu dan minyak. Output tenaga suria contohnya tersedia sepanjang hari dengan variasi bergantung pada sudut penyinaran matahari dan kedudukan panel PV. Ia tidak dapat menghasilkan sebarang tenaga pada waktu malam manakala pengeluarannya berkurangan dengan ketara semasa musim sejuk dan pada hari yang sangat mendung. Kuasa angin juga mengalami turun naik bergantung pada kelajuan angin. Oleh itu, penyelesaian ini perlu digandingkan dengan sistem penyimpanan tenaga untuk mengekalkan bekalan tenaga semasa tempoh pengeluaran yang rendah.

Apakah sistem penyimpanan tenaga?

Sistem penyimpanan tenaga boleh menyimpan tenaga untuk digunakan pada peringkat seterusnya. Dalam sesetengah kes, akan wujud satu bentuk penukaran tenaga antara tenaga tersimpan dan tenaga yang disediakan. Contoh yang paling biasa ialah bateri elektrik seperti bateri lithium-ion atau bateri asid plumbum. Mereka membekalkan tenaga elektrik melalui tindak balas kimia antara elektrod dan elektrolit.

Bateri, atau BESS (sistem penyimpanan tenaga bateri), mewakili kaedah penyimpanan tenaga yang paling biasa digunakan dalam aplikasi kehidupan harian. Sistem storan lain wujud seperti loji kuasa hidro yang menukarkan potensi tenaga air yang disimpan dalam empangan kepada tenaga elektrik. Air yang jatuh ke bawah akan memusingkan roda tenaga turbin yang menghasilkan tenaga elektrik. Contoh lain ialah gas mampat, apabila dilepaskan gas akan memutarkan roda kuasa penghasil turbin.

Apa yang membezakan bateri daripada kaedah penyimpanan lain ialah kawasan operasi yang berpotensi. Daripada peranti kecil dan bekalan kuasa kereta kepada aplikasi isi rumah dan ladang solar yang besar, bateri boleh disepadukan dengan lancar ke mana-mana aplikasi storan luar grid. Sebaliknya, kaedah kuasa hidro dan udara termampat memerlukan infrastruktur yang sangat besar dan kompleks untuk penyimpanan. Ini membawa kepada kos yang sangat tinggi yang memerlukan aplikasi yang sangat besar agar ia dapat dibenarkan.

Gunakan kes untuk sistem storan luar grid.

Seperti yang dinyatakan sebelum ini, sistem storan luar grid boleh memudahkan penggunaan dan pergantungan pada kaedah tenaga boleh diperbaharui seperti tenaga solar dan angin. Walau bagaimanapun, terdapat aplikasi lain yang boleh mendapat manfaat daripada sistem tersebut

Grid kuasa bandar bertujuan untuk menyediakan jumlah kuasa yang betul berdasarkan bekalan dan permintaan setiap bandar. Kuasa yang diperlukan boleh berubah-ubah sepanjang hari. Sistem storan luar grid telah digunakan untuk mengurangkan turun naik dan memberikan lebih kestabilan dalam kes permintaan puncak. Dari perspektif yang berbeza, sistem storan luar grid boleh menjadi sangat bermanfaat untuk mengimbangi sebarang kerosakan teknikal yang tidak dijangka dalam grid kuasa utama atau semasa tempoh penyelenggaraan yang dijadualkan. Mereka boleh memenuhi keperluan kuasa tanpa perlu mencari sumber tenaga alternatif. Kita boleh memetik sebagai contoh ribut ais Texas pada awal Februari 2023 yang menyebabkan kira-kira 262 000 orang terputus bekalan elektrik, manakala pembaikan tertangguh kerana keadaan cuaca yang sukar.

Kenderaan elektrik adalah aplikasi lain. Penyelidik telah mencurahkan banyak usaha untuk mengoptimumkan strategi pembuatan dan pengecasan/penyahcasan bateri untuk memanjangkan jangka hayat dan ketumpatan kuasa bateri. Bateri litium-ion telah berada di barisan hadapan dalam revolusi kecil ini dan telah digunakan secara meluas dalam kereta elektrik baharu tetapi juga bas elektrik. Bateri yang lebih baik dalam kes ini boleh membawa kepada perbatuan yang lebih besar tetapi juga mengurangkan masa pengecasan dengan teknologi yang betul.

Kemajuan teknologi lain seperti UAV dan robot mudah alih telah mendapat banyak manfaat daripada pembangunan bateri. Terdapat strategi gerakan dan strategi kawalan sangat bergantung pada kapasiti bateri dan kuasa yang disediakan.

Apa itu BESS

BESS atau sistem simpanan tenaga bateri ialah sistem simpanan tenaga yang boleh digunakan untuk menyimpan tenaga. Tenaga ini boleh datang daripada grid utama atau daripada sumber tenaga boleh diperbaharui seperti tenaga angin dan tenaga suria. Ia terdiri daripada berbilang bateri yang disusun dalam konfigurasi berbeza (siri/selari) dan bersaiz berdasarkan keperluan. Ia disambungkan kepada penyongsang yang digunakan untuk menukar kuasa DC kepada kuasa AC untuk kegunaan. Asistem pengurusan bateri (BMS)digunakan untuk memantau keadaan bateri dan operasi pengecasan/penyahcasan.

Berbanding dengan sistem storan tenaga yang lain, ia sangat fleksibel untuk diletakkan/disambungkan dan tidak memerlukan infrastruktur yang sangat mahal, tetapi ia masih mempunyai kos yang agak tinggi dan memerlukan penyelenggaraan yang lebih kerap berdasarkan penggunaan.

Saiz dan tabiat penggunaan BESS

Perkara penting yang perlu ditangani semasa memasang sistem penyimpanan tenaga bateri ialah saiz. Berapakah bilangan bateri yang diperlukan? Dalam konfigurasi apa? Dalam sesetengah kes, jenis bateri boleh memainkan peranan penting dalam jangka masa panjang dari segi penjimatan dan kecekapan kos

Ini dilakukan berdasarkan kes demi kes kerana aplikasi boleh terdiri daripada isi rumah kecil hingga kilang perindustrian yang besar.

Sumber tenaga boleh diperbaharui yang paling biasa untuk isi rumah kecil, terutamanya di kawasan bandar, adalah solar menggunakan panel fotovoltaik. Jurutera secara amnya akan mempertimbangkan purata penggunaan kuasa isi rumah dan menilai sinaran suria sepanjang tahun untuk lokasi tertentu. Bilangan bateri dan konfigurasi gridnya dipilih untuk memadankan permintaan isi rumah semasa bekalan tenaga suria yang paling rendah pada tahun itu sambil tidak mengeringkan bateri sepenuhnya. Ini mengandaikan penyelesaian untuk mempunyai kebebasan kuasa sepenuhnya daripada grid utama.

Mengekalkan keadaan pengecasan yang agak sederhana atau tidak menyahcas bateri sepenuhnya adalah sesuatu yang mungkin tidak intuitif pada mulanya. Lagipun, mengapa menggunakan sistem storan jika kita tidak dapat mengekstraknya dengan potensi penuh? Secara teorinya mungkin, tetapi mungkin bukan strategi yang memaksimumkan pulangan pelaburan.

Salah satu kelemahan utama BESS ialah kos bateri yang agak tinggi. Oleh itu, memilih tabiat penggunaan atau strategi pengecasan/penyahcasan yang memaksimumkan jangka hayat bateri adalah penting. Sebagai contoh, bateri asid plumbum tidak boleh dinyahcas di bawah kapasiti 50% tanpa mengalami kerosakan yang tidak dapat dipulihkan. Bateri litium-ion mempunyai ketumpatan tenaga yang lebih tinggi, hayat kitaran yang panjang. Ia juga boleh dilepaskan menggunakan julat yang lebih besar, tetapi ini datang dengan kos kenaikan harga. Terdapat varians yang tinggi dalam kos antara kimia yang berbeza, bateri asid plumbum boleh menjadi ratusan hingga ribuan dolar lebih murah daripada bateri litium-ion dengan saiz yang sama. Inilah sebabnya mengapa bateri asid plumbum adalah yang paling banyak digunakan dalam aplikasi solar di negara dunia ke-3 dan komuniti miskin.

Prestasi bateri sangat terjejas oleh kemerosotan semasa jangka hayatnya, ia tidak mempunyai prestasi mantap yang berakhir dengan kegagalan mengejut. Sebaliknya, kapasiti dan yang disediakan boleh pudar secara progresif. Dalam amalan, jangka hayat bateri dianggap telah kehabisan apabila kapasitinya mencapai 80% daripada kapasiti asalnya. Dalam erti kata lain, apabila ia mengalami kapasiti 20% pudar. Dalam amalan, ini bermakna jumlah tenaga yang lebih rendah boleh disediakan. Ini boleh menjejaskan tempoh penggunaan untuk sistem bebas sepenuhnya dan jumlah perbatuan yang boleh dilindungi oleh EV.

Perkara lain yang perlu dipertimbangkan ialah keselamatan. Dengan kemajuan dalam pembuatan dan teknologi, bateri terkini secara amnya lebih stabil secara kimia. Walau bagaimanapun, disebabkan oleh kemerosotan dan sejarah penyalahgunaan, sel boleh pergi ke pelarian haba yang boleh membawa kepada keputusan bencana dan dalam beberapa kes meletakkan nyawa pengguna dalam bahaya.

Inilah sebabnya mengapa syarikat telah membangunkan perisian pemantauan bateri (BMS) yang lebih baik untuk mengawal penggunaan bateri tetapi juga memantau keadaan kesihatan untuk menyediakan penyelenggaraan tepat pada masanya dan mengelakkan akibat yang lebih teruk.

Kesimpulan

Daripada sistem storan tenaga grid memberikan peluang yang baik untuk mencapai kebebasan kuasa daripada grid utama tetapi juga menyediakan sumber sandaran kuasa semasa masa henti dan tempoh beban puncak. Pembangunan di sana akan memudahkan peralihan ke arah sumber tenaga yang lebih hijau, sekali gus mengehadkan kesan penjanaan tenaga terhadap perubahan iklim sambil masih memenuhi keperluan tenaga dengan pertumbuhan berterusan dalam penggunaan.

Sistem penyimpanan tenaga bateri adalah yang paling biasa digunakan dan paling mudah untuk dikonfigurasikan untuk aplikasi harian yang berbeza. Fleksibiliti tinggi mereka diatasi dengan kos yang agak tinggi, yang membawa kepada pembangunan strategi pemantauan untuk memanjangkan jangka hayat masing-masing sebanyak mungkin. Pada masa ini, industri dan akademia sedang mencurahkan banyak usaha untuk menyiasat dan memahami kemerosotan bateri dalam keadaan yang berbeza.