În ultimii 50 de ani, a existat o creștere continuă a consumului global de energie electrică, cu o utilizare estimată de aproximativ 25.300 terawatt-oră în anul 2021. Odată cu tranziția către industria 4.0, există o creștere a cererii de energie în întreaga lume. Aceste cifre cresc în fiecare an, fără a include cerințele de energie ale sectoarelor industriale și ale altor sectoare economice. Această schimbare industrială și consumul mare de energie sunt cuplate cu efecte mai tangibile ale schimbărilor climatice din cauza emisiilor excesive de gaze cu efect de seră. În prezent, majoritatea centralelor și instalațiilor de generare a energiei electrice se bazează în mare măsură pe surse de combustibili fosili (petrol și gaz) pentru a satisface astfel de cerințe. Aceste preocupări climatice interzic generarea suplimentară de energie folosind metode convenționale. Astfel, dezvoltarea unor sisteme de stocare a energiei eficiente și fiabile a devenit din ce în ce mai importantă pentru a asigura o aprovizionare continuă și fiabilă cu energie din surse regenerabile.
Sectorul energetic a răspuns prin trecerea către energie regenerabilă sau soluții „verzi”. Tranziția a fost ajutată de tehnici de fabricație îmbunătățite, conducând, de exemplu, la o producție mai eficientă a palelor turbinelor eoliene. De asemenea, cercetătorii au reușit să îmbunătățească eficiența celulelor fotovoltaice, ducând la o mai bună generare de energie pe zonă de utilizare. În 2021, generarea de energie electrică din surse solare fotovoltaice (PV) a crescut semnificativ, atingând un record de 179 TWh și reprezentând o creștere de 22% față de 2020. Tehnologia solară fotovoltaică reprezintă acum 3,6% din producția globală de energie electrică și este în prezent a treia cea mai mare energie regenerabilă. sursa de energie dupa hidroenergie si vant.
Cu toate acestea, aceste descoperiri nu rezolvă unele dintre dezavantajele inerente ale sistemelor de energie regenerabilă, în principal disponibilitatea. Cele mai multe dintre aceste metode nu produc energie la cerere ca centrale electrice pe cărbune și petrol. Ieșirile de energie solară sunt, de exemplu, disponibile pe tot parcursul zilei, cu variații în funcție de unghiurile de iradiere solară și de poziționarea panoului fotovoltaic. Nu poate produce energie în timpul nopții, în timp ce producția sa este redusă semnificativ în timpul sezonului de iarnă și în zilele foarte înnorate. Energia eoliană suferă, de asemenea, de fluctuații în funcție de viteza vântului. Prin urmare, aceste soluții trebuie să fie cuplate cu sisteme de stocare a energiei pentru a susține furnizarea de energie în perioadele de producție scăzută.
Ce sunt sistemele de stocare a energiei?
Sistemele de stocare a energiei pot stoca energie pentru a fi utilizate într-o etapă ulterioară. În unele cazuri, va exista o formă de conversie a energiei între energia stocată și energia furnizată. Cel mai comun exemplu sunt bateriile electrice, cum ar fi bateriile cu litiu-ion sau bateriile cu plumb-acid. Ele furnizează energie electrică prin reacții chimice între electrozi și electrolit.
Bateriile, sau BESS (sistem de stocare a energiei pe baterii), reprezintă cea mai comună metodă de stocare a energiei utilizată în aplicațiile din viața de zi cu zi. Există un alt sistem de stocare, cum ar fi centralele hidroelectrice, care convertesc energia potențială a apei stocate într-un baraj în energie electrică. Apa care cade va intoarce volantul unei turbine care produce energie electrica. Un alt exemplu este gazul comprimat, la eliberare gazul va roti roata turbinei producând putere.
Ceea ce separă bateriile de celelalte metode de stocare sunt zonele lor potențiale de operare. De la dispozitive mici și surse de alimentare pentru automobile până la aplicații casnice și ferme solare mari, bateriile pot fi integrate fără probleme în orice aplicație de stocare în afara rețelei. Pe de altă parte, metodele hidroenergetice și cu aer comprimat necesită infrastructuri foarte mari și complexe pentru depozitare. Acest lucru duce la costuri foarte mari care necesită aplicații foarte mari pentru a fi justificat.
Cazuri de utilizare pentru sistemele de stocare în afara rețelei.
După cum sa menționat anterior, sistemele de stocare în afara rețelei pot facilita utilizarea și dependența de metode de energie regenerabilă, cum ar fi energia solară și eoliană. Cu toate acestea, există și alte aplicații care pot beneficia foarte mult de astfel de sisteme
Rețelele electrice ale orașelor urmăresc să ofere cantitatea potrivită de energie în funcție de cererea și oferta fiecărui oraș. Puterea necesară poate varia pe parcursul zilei. Sistemele de stocare în afara rețelei au fost folosite pentru a atenua fluctuațiile și pentru a oferi mai multă stabilitate în cazurile de cerere de vârf. Dintr-o perspectivă diferită, sistemele de stocare în afara rețelei pot fi extrem de benefice pentru a compensa orice defecțiune tehnică neprevăzută în rețeaua electrică principală sau în timpul perioadelor de întreținere programate. Ele pot îndeplini cerințele de energie fără a fi nevoie să caute surse alternative de energie. Se poate cita, de exemplu, furtuna de gheață din Texas de la începutul lunii februarie 2023, care a lăsat aproximativ 262 000 de oameni fără curent, în timp ce reparațiile au fost amânate din cauza condițiilor meteorologice dificile.
Vehiculele electrice sunt o altă aplicație. Cercetătorii au depus mult efort pentru a optimiza fabricarea bateriilor și strategiile de încărcare/descărcare pentru a extinde durata de viață și densitatea de putere a bateriilor. Bateriile litiu-ion au fost în fruntea acestei mici revoluții și au fost utilizate pe scară largă în mașinile electrice noi, dar și în autobuzele electrice. Bateriile mai bune în acest caz pot duce la un kilometraj mai mare, dar și la timpi de încărcare redusi cu tehnologiile potrivite.
Alte progrese tehnologice, cum ar fi UAV-urile și roboții mobili, au beneficiat foarte mult de dezvoltarea bateriilor. Strategiile de mișcare și strategiile de control se bazează în mare măsură pe capacitatea bateriei și puterea furnizată.
Ce este un BESS
BESS sau sistemul de stocare a energiei din baterie este un sistem de stocare a energiei care poate fi folosit pentru a stoca energie. Această energie poate proveni din rețeaua principală sau din surse regenerabile de energie, cum ar fi energia eoliană și energia solară. Este compus din mai multe baterii dispuse in diferite configuratii (serie/paralel) si dimensionate in functie de cerinte. Acestea sunt conectate la un invertor care este folosit pentru a converti curentul de curent continuu în putere de curent alternativ pentru utilizare. Un sistem de management al bateriei (BMS) este utilizat pentru a monitoriza starea bateriei și operațiunea de încărcare/descărcare.
În comparație cu alte sisteme de stocare a energiei, acestea sunt deosebit de flexibile la amplasare/conectare și nu necesită o infrastructură foarte costisitoare, dar totuși au un cost considerabil și necesită întreținere mai regulată în funcție de utilizare.
Dimensiunea BESS și obiceiurile de utilizare
Un punct crucial de abordat atunci când instalați un sistem de stocare a energiei bateriei este dimensionarea. Câte baterii sunt necesare? In ce configuratie? În unele cazuri, tipul de baterie poate juca un rol crucial pe termen lung în ceea ce privește economiile de costuri și eficiența
Acest lucru se face de la caz la caz, deoarece aplicațiile pot varia de la gospodării mici la fabrici industriale mari.
Cea mai comună sursă de energie regenerabilă pentru gospodăriile mici, în special în zonele urbane, este solară care utilizează panouri fotovoltaice. În general, inginerul ar lua în considerare consumul mediu de energie al gospodăriei și va evalua iradierea solară pe parcursul anului pentru locația specifică. Numărul de baterii și configurația rețelei lor sunt alese pentru a se potrivi cu cerințele gospodăriei în timpul celei mai scăzute surse de energie solară a anului, fără a se epuiza complet bateriile. Aceasta presupune o soluție pentru a avea o independență completă de putere față de rețeaua principală.
Menținerea unei stări de încărcare relativ moderată sau nedescărcarea completă a bateriilor este ceva care ar putea fi contra-intuitiv la început. La urma urmei, de ce să folosim un sistem de stocare dacă nu-l putem extrage întregul potențial? În teorie este posibil, dar s-ar putea să nu fie strategia care maximizează rentabilitatea investiției.
Unul dintre principalele dezavantaje ale BESS este costul relativ ridicat al bateriilor. Prin urmare, alegerea unui obicei de utilizare sau a unei strategii de încărcare/descărcare care să maximizeze durata de viață a bateriei este esențială. De exemplu, bateriile cu plumb-acid nu pot fi descărcate sub 50% din capacitate fără a suferi daune ireversibile. Bateriile litiu-ion au o densitate de energie mai mare, un ciclu de viață lung. Ele pot fi, de asemenea, descărcate folosind intervale mai mari, dar acest lucru are un cost de preț crescut. Există o diferență mare de cost între diferitele chimie, bateriile cu plumb-acid pot fi cu sute până la mii de dolari mai ieftine decât o baterie litiu-ion de aceeași dimensiune. Acesta este motivul pentru care bateriile cu plumb-acid sunt cele mai utilizate în aplicațiile solare în țările lumii a treia și comunitățile sărace.
Performanța bateriei este puternic afectată de degradarea în timpul duratei sale de viață, nu are o performanță constantă care se încheie cu o defecțiune bruscă. În schimb, capacitatea și furnizarea se pot estompa progresiv. În practică, se consideră că durata de viață a bateriei s-a epuizat atunci când capacitatea sa atinge 80% din capacitatea sa inițială. Cu alte cuvinte, atunci când experimentează o decolorare a capacității de 20%. În practică, aceasta înseamnă că poate fi furnizată o cantitate mai mică de energie. Acest lucru poate afecta perioadele de utilizare pentru sisteme complet independente și cantitatea de kilometraj pe care o poate acoperi un vehicul electric.
Un alt punct de luat în considerare este siguranța. Odată cu progresele în producție și tehnologie, bateriile recente au fost în general mai stabile din punct de vedere chimic. Cu toate acestea, din cauza degradării și a istoriei de abuz, celulele pot intra în fugă termică, ceea ce poate duce la rezultate catastrofale și, în unele cazuri, poate pune viața consumatorilor în pericol.
Acesta este motivul pentru care companiile au dezvoltat un software de monitorizare a bateriei (BMS) mai bun pentru a controla utilizarea bateriei, dar și pentru a monitoriza starea de sănătate pentru a oferi întreținere în timp util și pentru a evita consecințele agravate.
Concluzie
Dintre rețeaua, sistemele de stocare a energiei oferă o mare oportunitate de a obține independența energetică față de rețeaua principală, dar oferă și o sursă de rezervă de energie în timpul perioadelor de nefuncționare și a perioadelor de vârf de sarcină. Dezvoltarea acolo ar facilita trecerea către surse de energie mai ecologice, limitând astfel impactul generării de energie asupra schimbărilor climatice, în același timp îndeplinind cerințele energetice cu creștere constantă a consumului.
Sistemele de stocare a energiei bateriei sunt cele mai utilizate și mai ușor de configurat pentru diferite aplicații de zi cu zi. Flexibilitatea lor ridicată este contracarată de un cost relativ ridicat, ceea ce duce la dezvoltarea unor strategii de monitorizare pentru a prelungi cât mai mult durata de viață respectivă. În prezent, industria și mediul academic depun mult efort pentru a investiga și înțelege degradarea bateriei în diferite condiții.
