Za posledných 50 rokov neustále rastie celosvetová spotreba elektrickej energie s odhadovanou spotrebou okolo 25 300 terawatthodín v roku 2021. S prechodom na priemysel 4.0 na celom svete narastá dopyt po energii. Tieto čísla sa každým rokom zvyšujú, nepočítajúc energetické požiadavky priemyselných a iných ekonomických sektorov. Tento priemyselný posun a vysoká spotreba energie sú spojené s hmatateľnejšími účinkami zmeny klímy v dôsledku nadmerných emisií skleníkových plynov. V súčasnosti sa väčšina elektrární a zariadení vo veľkej miere spolieha na zdroje fosílnych palív (ropa a plyn), aby splnili tieto požiadavky. Tieto klimatické obavy zakazujú dodatočnú výrobu energie pomocou konvenčných metód. Vývoj efektívnych a spoľahlivých systémov skladovania energie je teda čoraz dôležitejší na zabezpečenie nepretržitej a spoľahlivej dodávky energie z obnoviteľných zdrojov.

Energetický sektor reagoval posunom k ​​obnoviteľným zdrojom energie alebo „zeleným“ riešeniam. Prechodu napomohli zlepšené výrobné techniky, ktoré viedli napríklad k efektívnejšej výrobe lopatiek veterných turbín. Výskumníci tiež dokázali zlepšiť účinnosť fotovoltaických článkov, čo vedie k lepšej výrobe energie na oblasť použitia. V roku 2021 výrazne vzrástla výroba elektriny zo solárnych fotovoltaických (FV) zdrojov, ktorá dosiahla rekordných 179 TWh a predstavuje nárast o 22 % v porovnaní s rokom 2020. Solárna FV technológia teraz predstavuje 3,6 % celosvetovej výroby elektriny a v súčasnosti je treťou najväčšou obnoviteľnou zdroj energie po vodnej a veternej energii.

Tieto objavy však neriešia niektoré zo základných nedostatkov systémov obnoviteľnej energie, najmä dostupnosť. Väčšina týchto metód nevyrába energiu na požiadanie ako uhoľné a ropné elektrárne. Výstupy solárnej energie sú napríklad dostupné počas celého dňa s variáciami v závislosti od uhla slnečného žiarenia a polohy FV panelov. V noci nedokáže produkovať žiadnu energiu, pričom v zimnom období a počas veľmi zamračených dní je jej výkon výrazne znížený. Veterná sila tiež trpí kolísaním v závislosti od rýchlosti vetra. Preto je potrebné, aby tieto riešenia boli spojené so systémami skladovania energie, aby sa udržala dodávka energie počas období nízkeho výkonu.

Čo sú systémy na skladovanie energie?

Systémy skladovania energie môžu uchovávať energiu, aby sa mohla použiť v neskoršej fáze. V niektorých prípadoch dôjde k určitej forme premeny energie medzi uloženou energiou a poskytnutou energiou. Najbežnejším príkladom sú elektrické batérie, ako sú lítium-iónové batérie alebo olovené batérie. Poskytujú elektrickú energiu prostredníctvom chemických reakcií medzi elektródami a elektrolytom.

Batérie alebo BESS (battery energy storage system) predstavujú najbežnejší spôsob skladovania energie používaný v každodennom živote. Existujú aj iné skladovacie systémy, ako sú vodné elektrárne, ktoré premieňajú potenciálnu energiu vody uloženej v priehrade na elektrickú energiu. Padajúca voda roztáča zotrvačník turbíny, ktorá vyrába elektrickú energiu. Ďalším príkladom je stlačený plyn, ktorý po uvoľnení otočí koleso turbíny na výrobu energie.

To, čo oddeľuje batérie od iných spôsobov skladovania, sú ich potenciálne oblasti pôsobenia. Od malých zariadení a automobilového napájacieho zdroja až po domáce aplikácie a veľké solárne farmy, batérie možno bez problémov integrovať do akejkoľvek aplikácie na ukladanie mimo siete. Na druhej strane, metódy vodnej energie a stlačeného vzduchu vyžadujú veľmi rozsiahle a zložité infraštruktúry na skladovanie. To vedie k veľmi vysokým nákladom, ktoré si vyžadujú veľmi rozsiahle aplikácie, aby to bolo opodstatnené.

Prípady použitia pre skladovacie systémy mimo siete.

Ako už bolo spomenuté, skladovacie systémy mimo siete môžu uľahčiť používanie a spoliehanie sa na metódy obnoviteľnej energie, ako je solárna a veterná energia. Napriek tomu existujú ďalšie aplikácie, ktoré môžu z takýchto systémov výrazne profitovať

Mestské elektrické siete majú za cieľ poskytovať správne množstvo energie na základe ponuky a dopytu každého mesta. Požadovaný výkon môže počas dňa kolísať. Systémy skladovania mimo siete sa používajú na zmiernenie výkyvov a poskytujú väčšiu stabilitu v prípadoch špičkového dopytu. Z inej perspektívy môžu byť systémy skladovania mimo siete veľmi prospešné na kompenzáciu akejkoľvek nepredvídanej technickej poruchy v hlavnej elektrickej sieti alebo počas plánovaných období údržby. Dokážu splniť požiadavky na energiu bez toho, aby museli hľadať alternatívne zdroje energie. Ako príklad môžeme uviesť texaskú ľadovú búrku začiatkom februára 2023, po ktorej zostalo bez prúdu približne 262 000 ľudí, pričom opravy sa oneskorili kvôli ťažkým poveternostným podmienkam.

Ďalšou aplikáciou sú elektrické vozidlá. Výskumníci vynaložili veľa úsilia na optimalizáciu výroby batérií a stratégií nabíjania/vybíjania, aby sa predĺžila životnosť a hustota energie batérií. Lítium-iónové batérie boli v popredí tejto malej revolúcie a vo veľkej miere sa používali v nových elektromobiloch, ale aj elektrických autobusoch. Lepšie batérie v tomto prípade môžu viesť k väčšiemu počtu najazdených kilometrov, ale aj skráteniu doby nabíjania pomocou správnych technológií.

Ďalší technologický pokrok, ako sú UAV a mobilné roboty, výrazne ťažili z vývoja batérií. Stratégie pohybu a riadiace stratégie sa vo veľkej miere spoliehajú na kapacitu batérie a dodávaný výkon.

Čo je BESS

BESS alebo batériový systém skladovania energie je systém skladovania energie, ktorý možno použiť na skladovanie energie. Táto energia môže pochádzať z hlavnej siete alebo z obnoviteľných zdrojov energie, ako je veterná energia a solárna energia. Skladá sa z viacerých batérií usporiadaných v rôznych konfiguráciách (sériových/paralelných) a dimenzovaných podľa požiadaviek. Sú pripojené k meniču, ktorý sa používa na konverziu jednosmerného prúdu na striedavý prúd. Systém správy batérie (BMS) sa používa na monitorovanie stavu batérie a prevádzky nabíjania/vybíjania.

V porovnaní s inými systémami skladovania energie sú obzvlášť flexibilné na umiestnenie/pripojenie a nevyžadujú si vysoko nákladnú infraštruktúru, no stále sú drahé a vyžadujú si pravidelnejšiu údržbu v závislosti od používania.

BESS dimenzovanie a zvyky používania

Rozhodujúcim bodom, ktorý treba riešiť pri inštalácii systému na ukladanie energie batérie, je dimenzovanie. Koľko batérií je potrebných? V akej konfigurácii? V niektorých prípadoch môže z dlhodobého hľadiska zohrávať rozhodujúcu úlohu typ batérie z hľadiska úspory nákladov a efektívnosti

Robí sa to od prípadu k prípadu, keďže aplikácie môžu siahať od malých domácností až po veľké priemyselné závody.

Najčastejším obnoviteľným zdrojom energie pre malé domácnosti, najmä v mestských oblastiach, je solárna energia využívajúca fotovoltaické panely. Inžinier by vo všeobecnosti zvážil priemernú spotrebu energie domácnosti a posúdil slnečné žiarenie počas roka pre konkrétne miesto. Počet batérií a ich konfigurácia siete sa volí tak, aby zodpovedali požiadavkám domácnosti počas najnižšej solárnej energie v roku, pričom batérie nie sú úplne vybité. To za predpokladu, že riešenie bude mať úplnú energetickú nezávislosť od hlavnej siete.

Udržiavanie relatívne mierneho stavu nabitia alebo úplné nevybitie batérií je niečo, čo môže byť na prvý pohľad kontraintuitívne. Napokon, prečo používať úložný systém, ak z neho nedokážeme vyťažiť plný potenciál? Teoreticky je to možné, ale nemusí to byť stratégia, ktorá maximalizuje návratnosť investícií.

Jednou z hlavných nevýhod BESS je relatívne vysoká cena batérií. Preto je nevyhnutné zvoliť si spôsob používania alebo stratégiu nabíjania/vybíjania, ktorá maximalizuje životnosť batérie. Napríklad olovené batérie nemožno vybiť pod 50 % kapacity bez toho, aby utrpeli nezvratné poškodenie. Lítium-iónové batérie majú vyššiu hustotu energie, dlhú životnosť. Môžu sa tiež vybíjať pomocou väčších rozsahov, ale je to spojené so zvýšenou cenou. Medzi rôznymi chemikáliami sú veľké rozdiely v nákladoch, olovené batérie môžu byť o stovky až tisíce dolárov lacnejšie ako lítium-iónová batéria rovnakej veľkosti. To je dôvod, prečo sú olovené batérie najpoužívanejšie v solárnych aplikáciách v krajinách 3. sveta a chudobných komunitách.

Výkon batérie je výrazne ovplyvnený degradáciou počas jej životnosti, nemá stabilný výkon, ktorý končí náhlou poruchou. Namiesto toho môže kapacita a poskytovaná kapacita postupne miznúť. V praxi sa životnosť batérie považuje za vyčerpanú, keď jej kapacita dosiahne 80 % pôvodnej kapacity. Inými slovami, keď dôjde k poklesu kapacity o 20 %. V praxi to znamená, že je možné poskytnúť menšie množstvo energie. To môže ovplyvniť doby používania úplne nezávislých systémov a množstvo najazdených kilometrov, ktoré môže EV pokryť.

Ďalším bodom, ktorý je potrebné zvážiť, je bezpečnosť. S pokrokom vo výrobe a technológii sú najnovšie batérie vo všeobecnosti chemicky stabilnejšie. Avšak kvôli histórii degradácie a zneužívania môžu bunky prejsť tepelným únikom, čo môže viesť ku katastrofálnym výsledkom a v niektorých prípadoch ohroziť život spotrebiteľov.

To je dôvod, prečo spoločnosti vyvinuli lepší softvér na monitorovanie batérie (BMS) na kontrolu používania batérie, ale aj na monitorovanie zdravotného stavu s cieľom zabezpečiť včasnú údržbu a vyhnúť sa zhoršeným následkom.

Záver

Systémy akumulácie energie zo siete poskytujú skvelú príležitosť na dosiahnutie energetickej nezávislosti od hlavnej siete, ale zároveň poskytujú záložný zdroj energie počas prestojov a období špičkového zaťaženia. Tam by rozvoj uľahčil prechod na ekologickejšie zdroje energie, čím by sa obmedzil vplyv výroby energie na zmenu klímy, pričom by sa stále plnili energetické požiadavky s neustálym rastom spotreby.

Systémy na ukladanie energie z batérií sú najbežnejšie používané a najjednoduchšie konfigurovateľné pre rôzne každodenné aplikácie. Proti ich vysokej flexibilite sú relatívne vysoké náklady, čo vedie k vývoju monitorovacích stratégií na čo najväčšie predĺženie príslušnej životnosti. V súčasnosti priemysel a akademická obec vynakladajú veľké úsilie na preskúmanie a pochopenie degradácie batérie za rôznych podmienok.