Как хранить электроэнергию вне сети?

За последние 50 лет глобальное потребление электроэнергии постоянно росло: в 2021 году, по оценкам, оно составит около 25 300 тераватт-часов. С переходом к Индустрии 4.0 во всем мире наблюдается рост спроса на энергию. Эти цифры растут с каждым годом, не считая потребностей в электроэнергии промышленных и других секторов экономики. Этот промышленный сдвиг и высокое потребление энергии сочетаются с более ощутимыми последствиями изменения климата из-за чрезмерных выбросов парниковых газов. В настоящее время большинство электростанций и объектов в значительной степени полагаются на источники ископаемого топлива (нефть и газ) для удовлетворения таких потребностей. Эти климатические проблемы запрещают дополнительное производство энергии с использованием традиционных методов. Таким образом, развитие эффективных и надежных систем хранения энергии становится все более важным для обеспечения непрерывного и надежного снабжения энергией из возобновляемых источников.

Энергетический сектор отреагировал переходом к возобновляемым источникам энергии или «зеленым» решениям. Переходу способствовали усовершенствованные технологии производства, что привело, например, к более эффективному производству лопастей ветряных турбин. Кроме того, исследователям удалось повысить эффективность фотоэлектрических элементов, что привело к увеличению выработки энергии на площади использования. В 2021 году производство электроэнергии из солнечных фотоэлектрических (PV) источников значительно увеличилось, достигнув рекордных 179 ТВтч, что представляет собой рост на 22% по сравнению с 2020 годом. Солнечные фотоэлектрические технологии в настоящее время составляют 3,6% мирового производства электроэнергии и в настоящее время являются третьим по величине возобновляемым источником энергии. источник энергии после гидроэнергетики и ветра.

Однако эти прорывы не устраняют некоторые из присущих системам возобновляемых источников энергии недостатков, в основном, их доступность. Большинство из этих методов не производят энергию по требованию, как угольные и нефтяные электростанции. Например, солнечная энергия доступна в течение дня с вариациями в зависимости от углов солнечного излучения и расположения фотоэлектрических панелей. Он не может производить энергию в ночное время, а его мощность значительно снижается в зимний период и в очень пасмурные дни. Ветроэнергетика также страдает от колебаний в зависимости от скорости ветра. Следовательно, эти решения необходимо сочетать с системами хранения энергии, чтобы поддерживать энергоснабжение в периоды низкой мощности.

Что такое системы хранения энергии?

Системы хранения энергии могут хранить энергию для ее использования на более позднем этапе. В некоторых случаях будет происходить своего рода преобразование энергии между накопленной и предоставленной энергией. Наиболее распространенным примером являются электрические батареи, такие как литий-ионные или свинцово-кислотные батареи. Они обеспечивают электрическую энергию посредством химических реакций между электродами и электролитом.

Аккумуляторы, или BESS (аккумуляторная система хранения энергии), представляют собой наиболее распространенный метод хранения энергии, используемый в повседневной жизни. Существуют и другие системы хранения, такие как гидроэлектростанции, которые преобразуют потенциальную энергию воды, хранящейся в плотине, в электрическую энергию. Падающая вода будет вращать маховик турбины, вырабатывающей электрическую энергию. Другой пример — сжатый газ, при выпуске которого газ будет вращать колесо турбины, производящей мощность.

Что отличает батареи от других способов хранения, так это их потенциальные области применения. От небольших устройств и автомобильных источников питания до бытовых приборов и крупных солнечных электростанций — аккумуляторы можно легко интегрировать в любое автономное хранилище данных. С другой стороны, методы гидроэнергетики и сжатого воздуха требуют очень большой и сложной инфраструктуры для хранения. Это приводит к очень высоким затратам, которые требуют очень больших приложений, чтобы это было оправдано.

Варианты использования автономных систем хранения данных.

Как упоминалось ранее, автономные системы хранения могут облегчить использование и использование возобновляемых источников энергии, таких как солнечная и ветровая энергия. Тем не менее, существуют и другие приложения, которые могут получить большую пользу от таких систем.

Городские электросети стремятся обеспечить необходимое количество электроэнергии в зависимости от спроса и предложения каждого города. Требуемая мощность может меняться в течение дня. Автономные системы хранения использовались для смягчения колебаний и обеспечения большей стабильности в случаях пикового спроса. С другой стороны, автономные системы хранения могут быть очень полезны для компенсации любых непредвиденных технических неисправностей в основной энергосистеме или во время периодов планового технического обслуживания. Они могут удовлетворить потребности в электроэнергии без необходимости искать альтернативные источники энергии. В качестве примера можно привести ледяной шторм в Техасе в начале февраля 2023 года, в результате которого без электричества остались около 262 000 человек, а ремонтные работы были отложены из-за сложных погодных условий.

Электромобили — еще одно применение. Исследователи приложили немало усилий для оптимизации производства аккумуляторов и стратегий зарядки/разрядки, чтобы продлить срок их службы и повысить удельную мощность аккумуляторов. Литий-ионные аккумуляторы оказались в авангарде этой маленькой революции и широко используются в новых электромобилях, а также в электробусах. В этом случае более качественные аккумуляторы могут привести к увеличению пробега, но также к сокращению времени зарядки при использовании правильных технологий.

Другие технологические достижения, такие как БПЛА и мобильные роботы, значительно выиграли от разработки аккумуляторов. Стратегии движения и стратегии управления во многом зависят от емкости аккумулятора и мощности.

Что такое БЕСС

BESS или аккумуляторная система хранения энергии — это система хранения энергии, которую можно использовать для хранения энергии. Эта энергия может поступать из основной сети или из возобновляемых источников энергии, таких как энергия ветра и солнечная энергия. Он состоит из нескольких батарей, расположенных в различных конфигурациях (последовательно/параллельно) и имеющих размер в зависимости от требований. Они подключены к инвертору, который используется для преобразования энергии постоянного тока в мощность переменного тока для дальнейшего использования. Асистема управления батареями (BMS)используется для мониторинга состояния аккумулятора и процесса зарядки/разрядки.

По сравнению с другими системами хранения энергии они особенно гибки в размещении/подключении и не требуют дорогостоящей инфраструктуры, но они по-прежнему обходятся дорого и требуют более регулярного обслуживания в зависимости от использования.

Выбор размера и привычки использования BESS

Важнейшим моментом, на который следует обратить внимание при установке аккумуляторной системы хранения энергии, является ее размер. Сколько батарей необходимо? В какой конфигурации? В некоторых случаях тип батареи может сыграть решающую роль в долгосрочной перспективе с точки зрения экономии средств и эффективности.

Это делается в каждом конкретном случае, поскольку области применения могут варьироваться от небольших домашних хозяйств до крупных промышленных предприятий.

Наиболее распространенным источником возобновляемой энергии для небольших домохозяйств, особенно в городских районах, является солнечная энергия с использованием фотоэлектрических панелей. Инженер обычно учитывает среднее энергопотребление домохозяйства и оценивает солнечное излучение в течение года для конкретного места. Количество батарей и конфигурация их сети выбираются так, чтобы соответствовать потребностям домохозяйств во время самого низкого уровня солнечной энергии в году, при этом не полностью разряжая батареи. Это предполагает решение, обеспечивающее полную независимость электропитания от основной сети.

Поддержание относительно умеренного уровня заряда или неполная разрядка батарей поначалу может показаться нелогичным. В конце концов, зачем использовать систему хранения, если мы не можем полностью раскрыть ее потенциал? Теоретически это возможно, но, возможно, это не та стратегия, которая максимизирует отдачу от инвестиций.

Одним из основных недостатков BESS является относительно высокая стоимость аккумуляторов. Поэтому очень важно выбрать привычку использования или стратегию зарядки/разрядки, которая максимально продлит срок службы батареи. Например, свинцово-кислотные аккумуляторы нельзя разряжать ниже 50% емкости без необратимого повреждения. Литий-ионные аккумуляторы имеют более высокую плотность энергии, длительный срок службы. Их также можно разряжать с использованием большего диапазона, но за это придется платить более высокую цену. Существует большая разница в стоимости между различными химическими составами: свинцово-кислотные батареи могут быть на сотни и тысячи долларов дешевле, чем литий-ионные батареи того же размера. Вот почему свинцово-кислотные батареи чаще всего используются в солнечной энергии в странах третьего мира и бедных общинах.

На производительность аккумулятора сильно влияет деградация в течение срока его службы: он не имеет стабильной производительности, что заканчивается внезапным выходом из строя. Вместо этого возможности и предоставляемые возможности могут постепенно уменьшаться. На практике срок службы батареи считается исчерпанным, когда ее емкость достигает 80% от первоначальной. Другими словами, когда происходит снижение мощности на 20%. На практике это означает, что можно обеспечить меньшее количество энергии. Это может повлиять на периоды использования полностью независимых систем и на пробег, который может преодолеть электромобиль.

Еще один момент, который следует учитывать, — это безопасность. Благодаря достижениям в производстве и технологиях современные батареи в целом стали более химически стабильными. Однако из-за деградации и неправильного обращения клетки могут выйти из-под контроля температуры, что может привести к катастрофическим результатам, а в некоторых случаях подвергнуть опасности жизнь потребителей.

Вот почему компании разработали лучшее программное обеспечение для мониторинга аккумуляторов (BMS), позволяющее контролировать использование аккумуляторов, а также следить за состоянием их здоровья, чтобы обеспечить своевременное обслуживание и избежать усугубляющих последствий.

Заключение

Системы хранения энергии в сети предоставляют прекрасную возможность добиться независимости от основной сети, а также обеспечивают резервный источник энергии во время простоев и периодов пиковой нагрузки. Их развитие будет способствовать переходу к более экологически чистым источникам энергии, тем самым ограничивая влияние производства энергии на изменение климата, одновременно удовлетворяя потребности в энергии при постоянном росте потребления.

Аккумуляторные системы хранения энергии являются наиболее часто используемыми и простыми в настройке для различных повседневных применений. Их высокой гибкости противостоит относительно высокая стоимость, что приводит к разработке стратегий мониторинга, позволяющих максимально продлить срок их службы. В настоящее время промышленность и научные круги прилагают много усилий для исследования и понимания деградации аккумуляторов в различных условиях.