Hur lagrar jag el från nätet?

Under de senaste 50 åren har det skett en kontinuerlig ökning av den globala elförbrukningen, med en uppskattad användning av cirka 25 300 terawattimmar år 2021. Med övergången till industrin 4.0 finns det en ökning av energikraven över hela världen. Dessa siffror ökar varje år, inklusive inte kraftkraven i industriella och andra ekonomiska sektorer. Denna industriella förändring och högeffektförbrukning är kopplad till mer konkreta klimatförändringseffekter på grund av överdrivna utsläpp av växthusgaser. För närvarande förlitar de flesta kraftproduktionsanläggningar och anläggningar starkt på fossila bränslekällor (olja och gas) för att möta sådana krav. Dessa klimatproblem förbjuder ytterligare energiproduktion med konventionella metoder. Således har utvecklingen av effektiva och pålitliga energilagringssystem blivit allt viktigare för att säkerställa en kontinuerlig och tillförlitlig energiförsörjning från förnybara källor.

Energisektorn har svarat genom att flytta mot förnybar energi eller ”gröna” lösningar. Övergången har fått hjälp av förbättrade tillverkningstekniker, vilket till exempel leder till effektivare tillverkning av vindkraftverk. Dessutom har forskare kunnat förbättra effektiviteten hos fotovoltaiska celler, vilket leder till bättre energiproduktion per användningsområde. År 2021 ökade elproduktionen från Solar Photovoltaic (PV) källor avsevärt, nådde en rekord 179 TWH och representerar en tillväxt på 22% jämfört med 2020. Solar PV -teknik står nu för 3,6% av den globala elproduktionen och är för närvarande den tredje största förnybarheten Energikälla efter vattenkraft och vind.

Dessa genombrott löser emellertid inte några av de inneboende nackdelarna med förnybara energisystem, främst tillgänglighet. De flesta av dessa metoder producerar ingen energi på begäran som kol- och oljekraftverk. Solenergiutgångar är till exempel tillgängliga under dagen med variationer beroende på solbestrålningsvinklar och PV -panelpositionering. Den kan inte producera någon energi under natten medan dess produktion minskas avsevärt under vintersäsongen och på mycket molniga dagar. Vindkraft lider också av fluktuationer beroende på vindhastigheten. Därför måste dessa lösningar kopplas till energilagringssystem för att upprätthålla energiförsörjningen under låga utgångsperioder.

Vad är energilagringssystem?

Energilagringssystem kan lagra energi för att användas i ett senare skede. I vissa fall kommer det att finnas en form av energikonvertering mellan lagrad energi och tillhandahållen energi. Det vanligaste exemplet är elektriska batterier som litiumjonbatterier eller bly-syrabatterier. De tillhandahåller elektrisk energi genom kemiska reaktioner mellan elektroderna och elektrolyten.

Batterier eller BESS (Battery Energy Storage System) representerar den vanligaste energilagringsmetoden som används i dagliga livsapplikationer. Andra lagringssystem finns såsom vattenkraftverk som omvandlar den potentiella energin i vatten som lagras i en damm till elektrisk energi. Vattnet som faller ner kommer att vända svänghjulet på en turbin som producerar elektrisk energi. Ett annat exempel är komprimerad gas, när gasen kommer att vända hjulet på turbinen som producerar kraft.

Det som skiljer batterier från de andra lagringsmetoderna är deras potentiella driftsområden. Från små enheter och bilströmförsörjning till hushållsapplikationer och stora solparker kan batterier integreras sömlöst i någon lagringsapplikation utanför nätet. Å andra sidan kräver vattenkrafts- och tryckluftsmetoder mycket stora och komplexa infrastrukturer för lagring. Detta leder till mycket höga kostnader som kräver mycket stora applikationer för att det ska vara motiverat.

Använd fall för lagringssystem utanför nätet.

Som nämnts tidigare kan lagringssystem utanför nätet underlätta användningen och beroende av metoder för förnybar energi som sol- och vindkraft. Ändå finns det andra applikationer som mycket kan dra nytta av sådana system

City Power Grids syftar till att tillhandahålla rätt mängd kraft baserat på utbudet och efterfrågan i varje stad. Kraften som krävs kan variera under hela dagen. System utanför nätet har använts för att dämpa fluktuationer och ge mer stabilitet i fall av topp efterfrågan. Ur ett annat perspektiv kan lagringssystem utanför nätet vara mycket fördelaktigt för att kompensera för eventuella oförutsedda tekniska fel i huvudströmnätet eller under schemalagda underhållsperioder. De kan uppfylla kraftkraven utan att behöva söka efter alternativa energikällor. Man kan till exempel citera Texas Ice Storm i början av februari 2023 som lämnade cirka 262 000 personer utan ström, medan reparationer försenades på grund av de svåra väderförhållandena.

Elektriska fordon är en annan applikation. Forskare har hällt mycket ansträngning för att optimera batteritillverkning och laddnings-/urladdningsstrategier för att omfatta livslängden och krafttätheten för batterier. Litiumjonbatterier har varit i framkant av denna lilla revolution och har använts i stor utsträckning i nya elbilar men också elektriska bussar. Bättre batterier i detta fall kan leda till en större körsträcka men också minskade laddningstider med rätt teknik.

Andra tekniska framsteg gillar UAV: er och mobila robotar har gynnats mycket av batteriutveckling. Där rörelsestrategier och kontrollstrategier förlitar sig starkt på batterikapaciteten och kraften som tillhandahålls.

Vad är en bess

BESS eller Battery Energy Storage System är ett energilagringssystem som kan användas för att lagra energi. Denna energi kan komma från huvudnätet eller från förnybara energikällor som vindkraft och solenergi. Den består av flera batterier arrangerade i olika konfigurationer (serie/parallella) och storlek baserat på kraven. De är anslutna till en växelriktare som används för att konvertera DC -effekten till AC -effekt för användning. EnBattery Management System (BMS)används för att övervaka batteriförhållandena och laddnings-/urladdningsoperationen.

Jämfört med andra energilagringssystem är de särskilt flexibla att placera/ansluta och kräver inte en mycket dyr infrastruktur, men de kommer fortfarande till en betydande kostnad och kräver mer regelbundet underhåll baserat på användningen.

BESS -storlek och användningsvanor

En avgörande punkt att hantera när du installerar ett batterilagringssystem är storleken. Hur många batterier behövs? I vilken konfiguration? I vissa fall kan batteriets typ spela en avgörande roll på lång sikt när det gäller kostnadsbesparingar och effektivitet

Detta görs från fall till fall eftersom ansökningar kan variera från små hushåll till stora industrianläggningar.

Den vanligaste källan för förnybar energikälla för små hushåll, särskilt i stadsområden, är solenergi med fotovoltaiska paneler. Ingenjören skulle i allmänhet överväga hushållets genomsnittliga kraftförbrukning och åberopar solbestrålningen under året för den specifika platsen. Antalet batterier och deras nätkonfiguration väljs för att matcha hushållens krav under årets lägsta solenergi och inte helt tappar batterierna. Detta antar en lösning för att ha fullständig kraft oberoende från huvudnätet.

Att hålla ett relativt måttligt laddningstillstånd eller inte helt lossna batterierna är något som kan motverka intuitivt till en början. När allt kommer omkring, varför använda ett lagringssystem om vi inte kan extrahera det full potential? I teorin är det möjligt, men det kanske inte är strategin som maximerar avkastningen på investeringen.

En av de viktigaste nackdelarna med BESS är de relativt höga kostnaderna för batterier. Därför är det viktigt att välja en användningsvanor eller en laddnings-/urladdningsstrategi som maximerar batterilivslängden. Till exempel kan blybatterier inte släppas under 50% kapacitet utan att lida av irreversibel skada. Litiumjonbatterier har högre energitäthet, lång cykellivslängd. De kan också släppas med större intervall, men detta kostar en kostnad för ökat pris. Det finns en hög variation i kostnaden mellan olika kemister, blybatterier kan vara hundratals till tusentals dollar billigare än ett litiumjonbatteri av samma storlek. Det är därför blybatterier är de mest använda i solapplikationer i tredje världsländer och fattiga samhällen.

Batteriets prestanda påverkas starkt av nedbrytning under dess livslängd, det har inte en stadig prestanda som slutar med plötsligt misslyckande. Istället kan kapaciteten och tillhandahållandet blekna gradvis. I praktiken anses en batterilivslängd ha slut när dess kapacitet når 80% av sin ursprungliga kapacitet. Med andra ord, när den upplever en 20% kapacitet bleknar. I praktiken innebär detta att en lägre mängd energi kan tillhandahållas. Detta kan påverka användningsperioder för helt oberoende system och mängden körsträcka som en EV kan täcka.

En annan punkt att tänka på är säkerheten. Med framsteg inom tillverkning och teknik har de senaste batterierna i allmänhet varit mer stabil kemiskt. Men på grund av nedbrytning och missbrukshistoria kan celler gå in i termisk språng som kan leda till katastrofala resultat och i vissa fall sätta konsumenternas liv i fara.

Det är därför företag har utvecklat bättre batteriövervakningsprogramvara (BMS) för att kontrollera batterianvändningen men också övervaka hälsotillståndet för att ge i rätt tid underhåll och undvika förvärrade konsekvenser.

Slutsats

Av Grid-Energy-lagringssystemen ger en stor möjlighet att uppnå kraftoberoende från huvudnätet men ger också en säkerhetskopieringskälla under drifttider och toppbelastningsperioder. Där skulle utveckling underlätta övergången mot grönare energikällor, vilket begränsar energiproduktionens påverkan på klimatförändringar samtidigt som man uppfyller energikraven med konstant tillväxt i konsumtion.

Batteriförvaringssystem är de vanligaste och de enklaste att konfigurera för olika vardagliga applikationer. Deras höga flexibilitet motverkas av en relativt hög kostnad, vilket leder till utveckling av övervakningsstrategier för att förlänga respektive livslängd så mycket som möjligt. För närvarande häller industrin och akademin mycket ansträngning för att undersöka och förstå batterinedbrytning under olika förhållanden.