Kako shraniti elektriko izven omrežja?

V zadnjih 50 letih se je svetovna poraba električne energije nenehno povečevala, z ocenjeno porabo okoli 25.300 teravatnih ur v letu 2021. S prehodom na industrijo 4.0 se povečujejo zahteve po energiji po vsem svetu. Te številke se vsako leto povečujejo, pri čemer niso vključene potrebe po električni energiji industrijskih in drugih gospodarskih sektorjev. Ta industrijski premik in visoka poraba energije sta povezana z bolj otipljivimi učinki podnebnih sprememb zaradi čezmernih emisij toplogrednih plinov. Trenutno je večina elektrarn in objektov za proizvodnjo električne energije močno odvisna od virov fosilnih goriv (nafte in plina), da bi zadostila takim zahtevam. Ti podnebni problemi prepovedujejo pridobivanje dodatne energije s konvencionalnimi metodami. Tako postaja razvoj učinkovitih in zanesljivih sistemov za shranjevanje energije vedno bolj pomemben za zagotavljanje stalne in zanesljive oskrbe z energijo iz obnovljivih virov.

Energetski sektor se je odzval s preusmeritvijo k obnovljivi energiji ali "zelenim" rešitvam. Prehod so pripomogle izboljšane proizvodne tehnike, ki so vodile na primer do učinkovitejše proizvodnje lopatic vetrnih turbin. Poleg tega je raziskovalcem uspelo izboljšati učinkovitost fotovoltaičnih celic, kar je vodilo k boljši proizvodnji energije na področje uporabe. V letu 2021 se je proizvodnja električne energije iz solarnih fotonapetostnih (PV) virov znatno povečala in dosegla rekordnih 179 TWh in predstavljala 22-odstotno rast v primerjavi z letom 2020. Sončna PV tehnologija zdaj predstavlja 3,6 % svetovne proizvodnje električne energije in je trenutno tretji največji obnovljivi vir vir energije po vodni energiji in vetru.

Vendar ti preboji ne rešijo nekaterih inherentnih pomanjkljivosti sistemov obnovljive energije, predvsem razpoložljivosti. Večina teh metod ne proizvaja energije na zahtevo kot elektrarne na premog in olje. Izhodi sončne energije so na primer na voljo ves dan z variacijami glede na kote obsevanja sonca in položaj fotovoltaične plošče. Ponoči ne more proizvesti nobene energije, medtem ko je njena proizvodnja znatno zmanjšana pozimi in v zelo oblačnih dneh. Vetrna energija trpi tudi zaradi nihanj glede na hitrost vetra. Zato je treba te rešitve povezati s sistemi za shranjevanje energije, da bi ohranili oskrbo z energijo v obdobjih nizke proizvodnje.

Kaj so sistemi za shranjevanje energije?

Sistemi za shranjevanje energije lahko shranijo energijo za kasnejšo uporabo. V nekaterih primerih bo prišlo do oblike pretvorbe energije med shranjeno in dobavljeno energijo. Najpogostejši primer so električne baterije, kot so litij-ionske baterije ali svinčeno-kislinske baterije. Zagotavljajo električno energijo s kemičnimi reakcijami med elektrodami in elektrolitom.

Baterije ali BESS (battery energy storage system) predstavljajo najpogostejši način shranjevanja energije, ki se uporablja v vsakodnevnih aplikacijah. Obstajajo tudi drugi sistemi za shranjevanje, kot so hidroelektrarne, ki pretvorijo potencialno energijo vode, shranjene v jezu, v električno energijo. Voda, ki pada navzdol, bo vrtela vztrajnik turbine, ki proizvaja električno energijo. Drug primer je stisnjen plin, po sprostitvi bo plin vrtel kolo turbine, ki proizvaja moč.

Kar loči baterije od drugih načinov shranjevanja, so njihova možna področja delovanja. Od majhnih naprav in avtomobilskega napajanja do gospodinjskih aplikacij in velikih sončnih elektrarn, baterije je mogoče brezhibno vključiti v katero koli aplikacijo za shranjevanje zunaj omrežja. Po drugi strani pa hidroelektrarne in metode stisnjenega zraka zahtevajo zelo veliko in kompleksno infrastrukturo za shranjevanje. To vodi do zelo visokih stroškov, ki zahtevajo zelo velike aplikacije, da bi bili upravičeni.

Primeri uporabe za sisteme za shranjevanje zunaj omrežja.

Kot smo že omenili, lahko sistemi za shranjevanje zunaj omrežja olajšajo uporabo in zanašanje na metode obnovljive energije, kot sta sončna in vetrna energija. Kljub temu obstajajo druge aplikacije, ki jim lahko takšni sistemi zelo koristijo

Namen mestnih električnih omrežij je zagotoviti pravo količino električne energije glede na ponudbo in povpraševanje v posameznem mestu. Potrebna moč lahko niha čez dan. Sistemi za shranjevanje zunaj omrežja so bili uporabljeni za zmanjšanje nihanj in zagotavljanje večje stabilnosti v primerih največjega povpraševanja. Z drugega zornega kota so lahko sistemi za shranjevanje zunaj omrežja zelo koristni za kompenzacijo kakršnih koli nepredvidenih tehničnih napak v glavnem električnem omrežju ali med načrtovanimi obdobji vzdrževanja. Izpolnijo lahko zahteve po energiji, ne da bi morali iskati alternativne vire energije. Na primer lahko navedemo ledeno nevihto v Teksasu v začetku februarja 2023, zaradi katere je približno 262 000 ljudi ostalo brez elektrike, popravila pa so bila odložena zaradi težkih vremenskih razmer.

Druga aplikacija so električna vozila. Raziskovalci so vložili veliko truda v optimizacijo proizvodnje baterij in strategij polnjenja/praznjenja, da bi podaljšali življenjsko dobo in gostoto moči baterij. Litij-ionske baterije so bile v ospredju te majhne revolucije in se v veliki meri uporabljajo v novih električnih avtomobilih, pa tudi električnih avtobusih. Boljše baterije lahko v tem primeru povzročijo večjo kilometrino, a tudi krajši čas polnjenja s pravimi tehnologijami.

Drug tehnološki napredek, kot so UAV in mobilni roboti, je imel veliko koristi od razvoja baterij. Tam so strategije gibanja in strategije nadzora močno odvisne od zmogljivosti baterije in zagotovljene moči.

Kaj je BESS

BESS ali baterijski sistem za shranjevanje energije je sistem za shranjevanje energije, ki se lahko uporablja za shranjevanje energije. Ta energija lahko prihaja iz glavnega omrežja ali iz obnovljivih virov energije, kot sta energija vetra in sončna energija. Sestavljen je iz več baterij, razporejenih v različnih konfiguracijah (zaporedno/vzporedno) in velikosti glede na zahteve. Povezani so z razsmernikom, ki se uporablja za pretvorbo enosmernega toka v izmenični tok za uporabo. Asistem za upravljanje baterije (BMS)se uporablja za spremljanje stanja baterije in delovanja polnjenja/praznjenja.

V primerjavi z drugimi sistemi za shranjevanje energije so posebej prilagodljivi za postavitev/priključitev in ne zahtevajo zelo drage infrastrukture, vendar imajo še vedno precejšnje stroške in zahtevajo rednejše vzdrževanje glede na uporabo.

BESS velikost in navade uporabe

Ključna točka, ki se jo je treba lotiti pri namestitvi sistema za shranjevanje energije baterije, je velikost. Koliko baterij je potrebnih? V kakšni konfiguraciji? V nekaterih primerih ima lahko vrsta baterije dolgoročno ključno vlogo v smislu prihranka stroškov in učinkovitosti

To se naredi za vsak primer posebej, saj se lahko uporabljajo od majhnih gospodinjstev do velikih industrijskih obratov.

Najpogostejši obnovljivi vir energije za majhna gospodinjstva, zlasti v urbanih območjih, je sončna energija s pomočjo fotovoltaičnih panelov. Inženir bi na splošno upošteval povprečno porabo energije v gospodinjstvu in ocenil sončno obsevanje skozi vse leto za določeno lokacijo. Število baterij in njihova omrežna konfiguracija sta izbrana tako, da ustrezata potrebam gospodinjstev med najnižjo oskrbo s sončno energijo v letu, pri čemer se baterije ne izpraznijo v celoti. To predpostavlja rešitev za popolno neodvisnost od električne energije od glavnega omrežja.

Ohranjanje razmeroma zmernega stanja napolnjenosti ali nepopolna izpraznitev baterij je na začetku nekaj, kar bi lahko bilo protiintuitivno. Konec koncev, zakaj bi uporabljali sistem za shranjevanje, če ne moremo izkoristiti celotnega potenciala? V teoriji je to mogoče, vendar morda to ni strategija, ki poveča donosnost naložbe.

Ena glavnih pomanjkljivosti BESS je razmeroma visoka cena baterij. Zato je bistvenega pomena izbira navade uporabe ali strategije polnjenja/praznjenja, ki maksimalno podaljša življenjsko dobo baterije. Na primer, svinčenih akumulatorjev ni mogoče izprazniti pod 50 % zmogljivosti, ne da bi utrpeli nepopravljivo škodo. Litij-ionske baterije imajo večjo energijsko gostoto in dolgo življenjsko dobo. Prav tako jih je mogoče izprazniti z uporabo večjih razponov, vendar je to povezano z višjo ceno. Obstaja velika razlika v ceni med različnimi kemijami, svinčeve baterije so lahko na stotine do tisoče dolarjev cenejše od litij-ionske baterije enake velikosti. Zato se v državah tretjega sveta in revnih skupnostih v solarnih aplikacijah največ uporabljajo svinčeve baterije.

Na zmogljivost baterije močno vpliva degradacija med njeno življenjsko dobo, nima stalne zmogljivosti, ki se konča z nenadno odpovedjo. Namesto tega lahko zmogljivost in ponujena postopoma zbledita. V praksi se šteje, da je življenjska doba baterije potekla, ko njena zmogljivost doseže 80 % prvotne zmogljivosti. Z drugimi besedami, ko doživi 20-odstotno zmanjšanje zmogljivosti. V praksi to pomeni, da je mogoče zagotoviti manjšo količino energije. To lahko vpliva na obdobja uporabe za popolnoma neodvisne sisteme in količino prevoženih kilometrov, ki jih lahko prevozi EV.

Druga točka, ki jo je treba upoštevati, je varnost. Z napredkom v proizvodnji in tehnologiji so bile novejše baterije na splošno bolj kemično stabilne. Vendar pa lahko zaradi zgodovine degradacije in zlorabe celice preidejo v toplotni beg, kar lahko privede do katastrofalnih rezultatov in v nekaterih primerih ogrozi življenje potrošnikov.

Zato so podjetja razvila boljšo programsko opremo za spremljanje baterije (BMS) za nadzor porabe baterije, a tudi za spremljanje zdravstvenega stanja, da bi zagotovili pravočasno vzdrževanje in preprečili hujše posledice.

Zaključek

Sistemi za shranjevanje energije v omrežju nudijo odlično priložnost za doseganje energetske neodvisnosti od glavnega omrežja, hkrati pa zagotavljajo rezervni vir energije med izpadi in obdobji največje obremenitve. Tam bi razvoj olajšal premik k bolj zelenim virom energije, s čimer bi omejil vpliv proizvodnje energije na podnebne spremembe, hkrati pa bi še vedno izpolnjeval energetske zahteve ob stalni rasti porabe.

Baterijski sistemi za shranjevanje energije so najpogosteje uporabljeni in jih je najlažje konfigurirati za različne vsakodnevne aplikacije. Njihovi veliki prilagodljivosti nasprotujejo sorazmerno visoki stroški, kar vodi v razvoj strategij spremljanja, da se njihova življenjska doba čim bolj podaljša. Trenutno si industrija in akademski krogi zelo prizadevajo raziskati in razumeti propadanje baterije pod različnimi pogoji.