Hvordan lagre strøm utenfor nettet?

I løpet av de siste 50 årene har det vært en kontinuerlig økning i det globale elektrisitetsforbruket, med et beregnet forbruk på rundt 25 300 terawattimer i år 2021. Med overgangen til industri 4.0 er det en økning i energibehovet over hele verden. Disse tallene øker hvert år, ikke inkludert kraftbehovet til industrielle og andre økonomiske sektorer. Dette industrielle skiftet og høye strømforbruket er kombinert med mer håndgripelige klimaendringer på grunn av for store utslipp av klimagasser. For tiden er de fleste kraftproduksjonsanlegg og anlegg sterkt avhengige av fossile brenselkilder (olje og gass) for å møte slike krav. Disse klimabekymringene forbyr ytterligere energiproduksjon ved bruk av konvensjonelle metoder. Dermed har utviklingen av effektive og pålitelige energilagringssystemer blitt stadig viktigere for å sikre en kontinuerlig og pålitelig tilførsel av energi fra fornybare kilder.

Energisektoren har reagert med å skifte mot fornybar energi eller «grønne» løsninger. Overgangen har blitt hjulpet av forbedrede produksjonsteknikker, som for eksempel har ført til mer effektiv produksjon av vindturbinblader. Forskere har også vært i stand til å forbedre effektiviteten til fotovoltaiske celler, noe som har ført til bedre energiproduksjon per bruksområde. I 2021 økte elektrisitetsproduksjonen fra solcellekilder (PV) betraktelig, og nådde en rekord på 179 TWh og representerte en vekst på 22 % sammenlignet med 2020. Solar PV-teknologi står nå for 3,6 % av den globale elektrisitetsproduksjonen og er for tiden den tredje største fornybare energien. energikilde etter vannkraft og vind.

Disse gjennombruddene løser imidlertid ikke noen av de iboende ulempene ved fornybare energisystemer, hovedsakelig tilgjengelighet. De fleste av disse metodene produserer ikke energi etter behov som kull- og oljekraftverk. Solenergiutganger er for eksempel tilgjengelige hele dagen med variasjoner avhengig av solbestrålingsvinkler og PV-panelplassering. Den kan ikke produsere energi om natten mens produksjonen reduseres betydelig i vintersesongen og på svært overskyede dager. Vindkraft lider også av svingninger avhengig av vindhastighet. Derfor må disse løsningene kobles med energilagringssystemer for å opprettholde energiforsyningen i perioder med lav produksjon.

Hva er energilagringssystemer?

Energilagringssystemer kan lagre energi for å kunne brukes på et senere tidspunkt. I noen tilfeller vil det være en form for energiomdannelse mellom lagret energi og tilført energi. Det vanligste eksemplet er elektriske batterier som litium-ion-batterier eller bly-syre-batterier. De gir elektrisk energi ved hjelp av kjemiske reaksjoner mellom elektrodene og elektrolytten.

Batterier, eller BESS (batterienergilagringssystem), representerer den vanligste energilagringsmetoden som brukes i dagliglivets applikasjoner. Andre lagringssystem eksisterer som vannkraftverk som konverterer den potensielle energien til vann lagret i en demning til elektrisk energi. Vannet som faller ned vil snu svinghjulet til en turbin som produserer elektrisk energi. Et annet eksempel er komprimert gass, ved frigjøring vil gassen snu turbinhjulet som produserer kraft.

Det som skiller batterier fra de andre lagringsmetodene er deres potensielle driftsområder. Fra små enheter og strømforsyning til biler til husholdningsapplikasjoner og store solfarmer, kan batterier integreres sømløst til enhver lagringsapplikasjon utenfor nettet. På den annen side krever vannkraft og trykkluftmetoder svært store og komplekse infrastrukturer for lagring. Dette fører til svært høye kostnader som krever svært store søknader for at det skal forsvares.

Bruksbokser for lagringssystemer utenfor nettet.

Som nevnt tidligere kan lagringssystemer utenfor nettet lette bruken og avhengigheten av fornybare energimetoder som sol- og vindkraft. Ikke desto mindre er det andre applikasjoner som kan ha stor nytte av slike systemer

Byens strømnett har som mål å gi riktig mengde strøm basert på tilbud og etterspørsel i hver by. Kraften som kreves kan variere i løpet av dagen. Off-grid lagringssystemer har blitt brukt for å dempe svingninger og gi mer stabilitet i tilfeller med høy etterspørsel. Fra et annet perspektiv kan lagringssystemer utenfor nettet være svært fordelaktige for å kompensere for eventuelle uforutsette tekniske feil i hovednettet eller under planlagte vedlikeholdsperioder. De kan oppfylle strømkravene uten å måtte søke etter alternative energikilder. Man kan for eksempel nevne Texas-isstormen tidlig i februar 2023 som gjorde at omtrent 262 000 mennesker ble uten strøm, mens reparasjoner ble forsinket på grunn av de vanskelige værforholdene.

Elektriske kjøretøy er en annen applikasjon. Forskere har lagt ned mye arbeid for å optimalisere batteriproduksjon og lade-/utladingsstrategier for å utvide levetiden og strømtettheten til batterier. Litium-ion-batterier har vært i forkant av denne lille revolusjonen og har blitt mye brukt i nye elbiler, men også elektriske busser. Bedre batterier i dette tilfellet kan føre til større kjørelengde, men også reduserte ladetider med riktig teknologi.

Andre teknologiske fremskritt som UAV-er og mobile roboter har hatt stor nytte av batteriutvikling. Bevegelsesstrategier og kontrollstrategier er sterkt avhengige av batterikapasiteten og strømforsyningen.

Hva er en BESS

BESS eller batteri energilagringssystem er et energilagringssystem som kan brukes til å lagre energi. Denne energien kan komme fra sentralnettet eller fra fornybare energikilder som vindenergi og solenergi. Den er sammensatt av flere batterier arrangert i forskjellige konfigurasjoner (serier/parallelle) og størrelse basert på kravene. De er koblet til en omformer som brukes til å konvertere likestrøm til vekselstrøm for bruk. ENbatteristyringssystem (BMS)brukes til å overvåke batteriforholdene og lade-/utladingsoperasjonen.

Sammenlignet med andre energilagringssystemer, er de spesielt fleksible å plassere/koble til og krever ikke en svært kostbar infrastruktur, men de har fortsatt en betydelig kostnad og krever mer regelmessig vedlikehold basert på bruken.

BESS størrelse og bruksvaner

Et avgjørende punkt å ta tak i når du installerer et batterienergilagringssystem er dimensjonering. Hvor mange batterier trengs? I hvilken konfigurasjon? I noen tilfeller kan batteritypen spille en avgjørende rolle på lang sikt når det gjelder kostnadsbesparelser og effektivitet

Dette gjøres fra sak til sak, da bruksområder kan variere fra små husholdninger til store industrianlegg.

Den vanligste fornybare energikilden for små husholdninger, spesielt i urbane områder, er solenergi ved hjelp av solcellepaneler. Ingeniøren vil generelt vurdere det gjennomsnittlige strømforbruket til husholdningen og vurdere solinnstrålingen over året for det spesifikke stedet. Antall batterier og deres nettkonfigurasjon er valgt for å matche husholdningens behov under årets laveste solenergiforsyning, samtidig som batteriene ikke tømmes helt. Dette forutsetter en løsning for å ha fullstendig kraftuavhengighet fra sentralnettet.

Å holde en relativt moderat ladetilstand eller ikke lade ut batteriene helt er noe som kan være mot intuitivt i begynnelsen. Tross alt, hvorfor bruke et lagringssystem hvis vi ikke kan hente ut det fulle potensialet? I teorien er det mulig, men det er kanskje ikke strategien som maksimerer avkastningen på investeringen.

En av de største ulempene med BESS er den relativt høye kostnaden for batterier. Derfor er det viktig å velge en bruksvane eller en lade-/utladingsstrategi som maksimerer batteriets levetid. For eksempel kan blybatterier ikke utlades under 50 % kapasitet uten å lide av irreversibel skade. Litium-ion-batterier har høyere energitetthet, lang levetid. De kan også tømmes ved bruk av større rekkevidde, men dette kommer til en pris av økt pris. Det er stor variasjon i kostnadene mellom ulike kjemier, blybatterier kan være hundrevis til tusenvis av dollar billigere enn et litiumionbatteri av samme størrelse. Dette er grunnen til at blybatterier er de mest brukte i solenergiapplikasjoner i 3. verdens land og fattige samfunn.

Batteriytelsen er sterkt påvirket av nedbrytning i løpet av levetiden, den har ikke en jevn ytelse som ender med plutselig feil. I stedet kan kapasiteten og det som tilbys falme gradvis. I praksis anses en batterilevetid å ha gått tom når kapasiteten når 80 % av den opprinnelige kapasiteten. Med andre ord, når den opplever en kapasitetsfading på 20 %. I praksis betyr dette at en lavere mengde energi kan tilføres. Dette kan påvirke bruksperioder for helt uavhengige systemer og hvor mye kjørelengde en elbil kan dekke.

Et annet punkt å vurdere er sikkerhet. Med fremskritt innen produksjon og teknologi har nyere batterier generelt vært mer stabile kjemisk. Men på grunn av forringelse og misbrukshistorie, kan celler gå inn i termisk løp, noe som kan føre til katastrofale resultater og i noen tilfeller sette forbrukernes liv i fare.

Dette er grunnen til at selskaper har utviklet bedre batteriovervåkingsprogramvare (BMS) for å kontrollere batteribruken, men også overvåke helsetilstanden for å gi rettidig vedlikehold og unngå forverrede konsekvenser.

Konklusjon

Av nett-energi lagringssystemer gir en stor mulighet til å oppnå strømuavhengighet fra sentralnettet, men gir også en reservestrømkilde under nedetider og toppbelastningsperioder. Utviklingen der vil lette overgangen mot grønnere energikilder, og dermed begrense virkningen av energiproduksjon på klimaendringer, samtidig som energikravene oppfylles med konstant vekst i forbruket.

Lagringssystemer for batterienergi er de mest brukte og enkleste å konfigurere for forskjellige hverdagsapplikasjoner. Deres høye fleksibilitet motvirkes av en relativt høy kostnad, noe som fører til utvikling av overvåkingsstrategier for å forlenge den respektive levetiden så mye som mulig. For tiden legger industri og akademia mye arbeid for å undersøke og forstå batterinedbrytning under forskjellige forhold.