W ciągu ostatnich 50 lat globalne zużycie energii elektrycznej stale rosło, a szacunkowe zużycie energii w roku 2021 wyniesie około 25 300 terawatogodzin. Wraz z przejściem do przemysłu 4.0 rośnie zapotrzebowanie na energię na całym świecie. Liczby te rosną z roku na rok, nie uwzględniając zapotrzebowania na energię w sektorach przemysłu i innych sektorach gospodarki. Te zmiany w przemyśle i wysokie zużycie energii łączą się z bardziej namacalnymi skutkami zmiany klimatu wynikającymi z nadmiernej emisji gazów cieplarnianych. Obecnie większość elektrowni i obiektów energetycznych w dużym stopniu opiera się na źródłach paliw kopalnych (ropie i gazie), aby sprostać takim wymaganiom. Te obawy klimatyczne zabraniają dodatkowego wytwarzania energii przy użyciu konwencjonalnych metod. Dlatego też rozwój wydajnych i niezawodnych systemów magazynowania energii staje się coraz ważniejszy, aby zapewnić ciągłe i niezawodne dostawy energii ze źródeł odnawialnych.

Sektor energetyczny zareagował, przechodząc w stronę energii odnawialnej lub „zielonych” rozwiązań. W przejściu pomogły ulepszone techniki produkcyjne, prowadzące na przykład do bardziej wydajnej produkcji łopat turbin wiatrowych. Naukowcom udało się także poprawić wydajność ogniw fotowoltaicznych, co doprowadziło do lepszego wytwarzania energii w przeliczeniu na obszar użytkowania. W 2021 r. produkcja energii elektrycznej ze źródeł fotowoltaicznych (PV) znacznie wzrosła, osiągając rekordowe 179 TWh, co stanowi wzrost o 22% w porównaniu z 2020 r. Technologia fotowoltaiczna stanowi obecnie 3,6% światowej produkcji energii elektrycznej i jest obecnie trzecim co do wielkości odnawialnym źródłem energii źródło energii po hydroenergetyce i wietrze.

Jednakże te przełomowe odkrycia nie rozwiązują niektórych nieodłącznych wad systemów energii odnawialnej, głównie dostępności. Większość z tych metod nie wytwarza energii na żądanie, jak elektrownie węglowe i olejowe. Wyjściowa energia słoneczna jest na przykład dostępna przez cały dzień i różni się w zależności od kąta nasłonecznienia i położenia paneli fotowoltaicznych. Nie jest w stanie wytwarzać energii w nocy, natomiast w okresie zimowym i w bardzo pochmurne dni jej produkcja jest znacznie ograniczona. Energia wiatrowa również podlega wahaniom w zależności od prędkości wiatru. Dlatego rozwiązania te muszą być połączone z systemami magazynowania energii, aby utrzymać dostawy energii w okresach niskiej wydajności.

Czym są systemy magazynowania energii?

Systemy magazynowania energii mogą magazynować energię w celu jej późniejszego wykorzystania. W niektórych przypadkach będzie miała miejsce forma konwersji energii pomiędzy energią zmagazynowaną i energią dostarczoną. Najczęstszym przykładem są akumulatory elektryczne, takie jak akumulatory litowo-jonowe lub akumulatory kwasowo-ołowiowe. Dostarczają energię elektryczną w drodze reakcji chemicznych pomiędzy elektrodami a elektrolitem.

Baterie, czyli BESS (system magazynowania energii akumulatorów), stanowią najpowszechniejszą metodę magazynowania energii stosowaną w zastosowaniach życia codziennego. Istnieją inne systemy magazynowania, takie jak elektrownie wodne, które przekształcają energię potencjalną wody zmagazynowanej w tamie w energię elektryczną. Spadająca woda będzie obracać koło zamachowe turbiny wytwarzającej energię elektryczną. Innym przykładem jest sprężony gaz, po uwolnieniu gaz obróci koło turbiny wytwarzającej energię.

Tym, co odróżnia akumulatory od innych sposobów przechowywania, jest ich potencjalny obszar zastosowania. Od małych urządzeń i zasilaczy samochodowych po zastosowania domowe i duże farmy słoneczne – akumulatory można bezproblemowo zintegrować z dowolnymi zastosowaniami przechowywania poza siecią. Z drugiej strony metody wykorzystujące energię wodną i sprężone powietrze wymagają bardzo dużej i złożonej infrastruktury do magazynowania. Prowadzi to do bardzo wysokich kosztów i wymaga bardzo dużych zastosowań, aby było to uzasadnione.

Przypadki użycia systemów magazynowania poza siecią.

Jak wspomniano wcześniej, systemy magazynowania poza siecią mogą ułatwić wykorzystanie metod energii odnawialnej, takich jak energia słoneczna i wiatrowa, oraz poleganie na nich. Niemniej jednak istnieją inne zastosowania, które mogą znacznie skorzystać z takich systemów

Miejskie sieci energetyczne mają na celu zapewnienie odpowiedniej ilości energii w oparciu o podaż i popyt w każdym mieście. Wymagana moc może zmieniać się w ciągu dnia. Aby złagodzić wahania i zapewnić większą stabilność w przypadku szczytowego zapotrzebowania, zastosowano systemy magazynowania poza siecią. Z innej perspektywy systemy magazynowania poza siecią mogą być bardzo korzystne w przypadku kompensowania wszelkich nieprzewidzianych usterek technicznych w głównej sieci energetycznej lub podczas zaplanowanych okresów konserwacji. Mogą zaspokoić zapotrzebowanie na energię bez konieczności poszukiwania alternatywnych źródeł energii. Można przytoczyć na przykład burzę lodową w Teksasie, która na początku lutego 2023 r. pozbawiła prądu około 262 000 osób, a naprawy opóźniły się ze względu na trudne warunki pogodowe.

Kolejnym zastosowaniem są pojazdy elektryczne. Naukowcy włożyli wiele wysiłku w optymalizację produkcji akumulatorów oraz strategii ładowania/rozładowywania, aby wydłużyć ich żywotność i gęstość mocy. Akumulatory litowo-jonowe znalazły się na czele tej małej rewolucji i były szeroko stosowane w nowych samochodach elektrycznych, ale także autobusach elektrycznych. Lepsze akumulatory w tym przypadku mogą prowadzić do większych przebiegów, ale także skrócenia czasu ładowania przy zastosowaniu odpowiednich technologii.

Inne osiągnięcia technologiczne, takie jak UAV i roboty mobilne, odniosły ogromne korzyści z rozwoju baterii. Tam strategie ruchu i strategie sterowania opierają się w dużej mierze na pojemności akumulatora i dostarczanej mocy.

Co to jest BESS

BESS lub akumulatorowy system magazynowania energii to system magazynowania energii, który można wykorzystać do magazynowania energii. Energia ta może pochodzić z głównej sieci lub z odnawialnych źródeł energii, takich jak energia wiatrowa i słoneczna. Składa się z wielu akumulatorów ułożonych w różnych konfiguracjach (szeregowo/równolegle) i wielkości w zależności od wymagań. Są one podłączone do falownika, który służy do przekształcania prądu stałego na prąd przemienny w celu użycia. System zarządzania baterią (BMS) służy do monitorowania stanu baterii oraz operacji ładowania/rozładowywania.

W porównaniu z innymi systemami magazynowania energii są one szczególnie elastyczne w umieszczaniu/podłączaniu i nie wymagają bardzo kosztownej infrastruktury, ale nadal wiążą się ze znacznymi kosztami i wymagają częstszej konserwacji w zależności od użytkowania.

Rozmiary BESS i nawyki użytkowania

Kluczową kwestią, którą należy uwzględnić podczas instalowania systemu magazynowania energii akumulatorowej, jest dobór rozmiaru. Ile baterii potrzeba? W jakiej konfiguracji? W niektórych przypadkach typ akumulatora może w dłuższej perspektywie odegrać kluczową rolę pod względem oszczędności kosztów i wydajności

Odbywa się to indywidualnie dla każdego przypadku, ponieważ zastosowania mogą obejmować zarówno małe gospodarstwa domowe, jak i duże zakłady przemysłowe.

Najpopularniejszym odnawialnym źródłem energii dla małych gospodarstw domowych, zwłaszcza na obszarach miejskich, jest energia słoneczna wykorzystująca panele fotowoltaiczne. Inżynier zazwyczaj bierze pod uwagę średnie zużycie energii w gospodarstwie domowym i ocenia natężenie promieniowania słonecznego w ciągu roku dla konkretnej lokalizacji. Liczba akumulatorów i konfiguracja ich sieci dobierana jest tak, aby odpowiadały zapotrzebowaniu gospodarstwa domowego podczas najniższego w roku zasilania energią słoneczną, jednocześnie nie powodując całkowitego wyczerpania akumulatorów. Zakłada to rozwiązanie zapewniające całkowitą niezależność energetyczną od sieci głównej.

Utrzymywanie względnie umiarkowanego stanu naładowania lub niecałkowite rozładowanie akumulatorów może na początku wydawać się sprzeczne z intuicją. W końcu po co korzystać z systemu przechowywania danych, jeśli nie możemy wydobyć z niego pełnego potencjału? Teoretycznie jest to możliwe, ale może nie być to strategia maksymalizująca zwrot z inwestycji.

Jedną z głównych wad BESS jest stosunkowo wysoki koszt akumulatorów. Dlatego istotny jest wybór nawyku użytkowania lub strategii ładowania/rozładowywania, która maksymalizuje żywotność baterii. Na przykład akumulatorów kwasowo-ołowiowych nie można rozładować poniżej 50% pojemności bez poniesienia nieodwracalnych uszkodzeń. Baterie litowo-jonowe mają wyższą gęstość energii i długą żywotność. Można je również rozładowywać przy użyciu większych zasięgów, ale wiąże się to z wyższą ceną. Istnieje duża rozbieżność w kosztach pomiędzy różnymi składami chemicznymi, akumulatory kwasowo-ołowiowe mogą być od setek do tysięcy dolarów tańsze niż akumulatory litowo-jonowe tej samej wielkości. Właśnie dlatego akumulatory kwasowo-ołowiowe są najczęściej stosowane w instalacjach fotowoltaicznych w krajach trzeciego świata i biednych społecznościach.

Na wydajność baterii duży wpływ ma degradacja w trakcie jej żywotności. Nie ma ona stałej wydajności, co kończy się nagłą awarią. Zamiast tego pojemność i zapewniona pojemność mogą stopniowo zanikać. W praktyce uważa się, że żywotność baterii dobiegła końca, gdy jej pojemność osiągnie 80% pierwotnej pojemności. Innymi słowy, gdy nastąpi spadek pojemności o 20%. W praktyce oznacza to możliwość dostarczenia mniejszej ilości energii. Może to mieć wpływ na okresy użytkowania w pełni niezależnych systemów i liczbę kilometrów, jakie może pokonać pojazd elektryczny.

Kolejną kwestią, którą należy wziąć pod uwagę, jest bezpieczeństwo. Dzięki postępowi w produkcji i technologii najnowsze akumulatory są ogólnie bardziej stabilne chemicznie. Jednakże z powodu degradacji i nadużyć ogniwa mogą wpaść w niekontrolowaną temperaturę, co może prowadzić do katastrofalnych skutków, a w niektórych przypadkach narazić życie konsumentów.

Dlatego firmy opracowały lepsze oprogramowanie do monitorowania baterii (BMS), które pozwala kontrolować zużycie baterii, ale także monitorować stan baterii, aby zapewnić terminową konserwację i uniknąć poważniejszych konsekwencji.

Wniosek

Sieciowe systemy magazynowania energii stanowią doskonałą okazję do osiągnięcia niezależności energetycznej od głównej sieci, ale także zapewniają zapasowe źródło energii w czasie przestojów i okresów szczytowego obciążenia. Tam rozwój ułatwiłby przejście w stronę bardziej ekologicznych źródeł energii, ograniczając w ten sposób wpływ wytwarzania energii na zmiany klimatyczne, przy jednoczesnym spełnieniu wymagań energetycznych przy stałym wzroście zużycia.

Systemy magazynowania energii akumulatorowej są najczęściej używanymi i najłatwiejszymi do skonfigurowania do różnych codziennych zastosowań. Ich wysoka elastyczność równoważona jest stosunkowo wysokimi kosztami, co prowadzi do opracowania strategii monitorowania mających na celu maksymalne wydłużenie ich żywotności. Obecnie przemysł i środowisko akademickie wkładają wiele wysiłku w zbadanie i zrozumienie degradacji baterii w różnych warunkach.