Hur lagrar man el utanför nätet?

Under de senaste 50 åren har det skett en kontinuerlig ökning av den globala elförbrukningen, med en uppskattad användning på cirka 25 300 terawattimmar år 2021. Med övergången till industri 4.0 sker en ökning av energibehovet över hela världen. Dessa siffror ökar för varje år, exklusive energibehoven från industriella och andra ekonomiska sektorer. Denna industriella förändring och höga energiförbrukning är kopplat till mer påtagliga klimatförändringseffekter på grund av alltför stora utsläpp av växthusgaser. För närvarande är de flesta kraftverk och anläggningar starkt beroende av fossila bränslen (olja och gas) för att möta sådana krav. Dessa klimathänsyn förbjuder ytterligare energiproduktion med konventionella metoder. Utvecklingen av effektiva och tillförlitliga energilagringssystem har alltså blivit allt viktigare för att säkerställa en kontinuerlig och tillförlitlig energiförsörjning från förnybara källor.

Energisektorn har svarat genom att gå över mot förnybar energi eller "gröna" lösningar. Övergången har underlättats av förbättrad tillverkningsteknik, vilket till exempel lett till effektivare tillverkning av vindkraftverksblad. Forskare har också kunnat förbättra effektiviteten hos fotovoltaiska celler, vilket leder till bättre energigenerering per användningsområde. År 2021 ökade elproduktionen från solcellskällor (PV) avsevärt och nådde rekord på 179 TWh och representerade en tillväxt på 22 % jämfört med 2020. Solcellsteknik står nu för 3,6 % av den globala elproduktionen och är för närvarande den tredje största förnybara energin. energikälla efter vattenkraft och vind.

Dessa genombrott löser dock 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. Solenergieffekter är till exempel tillgängliga under hela dagen med variationer beroende på solinstrålningsvinklar och PV-panelens placering. Den kan inte producera någon energi under natten medan dess produktion minskar avsevärt under vintersäsongen och på mycket molniga dagar. Vindkraften lider också av fluktuationer beroende på vindhastigheten. Därför måste dessa lösningar kopplas till energilagringssystem för att upprätthålla energiförsörjningen under låga produktionsperioder.

Vad är energilagringssystem?

Energilagringssystem kan lagra energi för att kunna användas i ett senare skede. I vissa fall kommer det att ske en form av energiomvandling mellan lagrad energi och tillförd energi. Det vanligaste exemplet är elektriska batterier som litiumjonbatterier eller blybatterier. De tillhandahåller elektrisk energi genom kemiska reaktioner mellan elektroderna och elektrolyten.

Batterier, eller BESS (batterienergilagringssystem), representerar den vanligaste energilagringsmetoden som används i dagliga tillämpningar. Andra lagringssystem finns såsom vattenkraftverk som omvandlar den potentiella energin från vatten som lagras i en damm till elektrisk energi. Vattnet som faller ner kommer att vrida svänghjulet på en turbin som producerar elektrisk energi. Ett annat exempel är komprimerad gas, när gasen släpps kommer den att vrida på turbinens hjul som producerar kraft.

Det som skiljer batterier från de andra lagringsmetoderna är deras potentiella verksamhetsområden. Från små enheter och strömförsörjning för bilar till hushållsapplikationer och stora solgårdar, batterier kan integreras sömlöst i alla lagringsapplikationer utanför nätet. Å andra sidan kräver vattenkraft och tryckluftsmetoder mycket stora och komplexa infrastrukturer för lagring. Detta leder till mycket höga kostnader som kräver mycket stora ansökningar för att det ska vara motiverat.

Användningsfodral för off-grid lagringssystem.

Som tidigare nämnts kan lagringssystem utanför nätet underlätta användningen och beroendet av förnybara energimetoder som sol- och vindkraft. Icke desto mindre finns det andra applikationer som kan dra stor nytta av sådana system

Stadens elnät syftar till att tillhandahålla rätt mängd el baserat på utbud och efterfrågan i varje stad. Effekten som krävs kan fluktuera under dagen. Off-grid lagringssystem har använts för att dämpa fluktuationer och ge mer stabilitet i fall av hög efterfrågan. Ur ett annat perspektiv kan lagringssystem utanför nätet vara mycket fördelaktiga för att kompensera för eventuella oförutsedda tekniska fel i huvudnätet eller under schemalagda underhållsperioder. De kan uppfylla strömkraven utan att behöva söka efter alternativa energikällor. Man kan till exempel nämna isstormen i Texas i början av februari 2023 som lämnade cirka 262 000 människor utan ström, medan reparationer försenades på grund av de svåra väderförhållandena.

Elfordon är en annan tillämpning. Forskare har lagt ner mycket arbete på att optimera batteritillverkning och laddnings-/urladdningsstrategier för att förlänga batteriernas livslängd och effekttäthet. Litiumjonbatterier har varit i framkant av denna lilla revolution och har använts flitigt i nya elbilar men även elbussar. Bättre batterier i det här fallet kan leda till en större körsträcka men också minskade laddningstider med rätt teknik.

Andra tekniska framsteg som UAV och mobila robotar har haft stor nytta av batteriutvecklingen. Rörelsestrategier och kontrollstrategier förlitar sig starkt på batterikapaciteten och den tillhandahållna kraften.

Vad är en BESS

BESS eller batterienergilagringssystem är ett energilagringssystem som kan användas för att lagra energi. Denna energi kan komma från stamnätet eller från förnybara energikällor som vindenergi och solenergi. Den är sammansatt av flera batterier arrangerade i olika konfigurationer (serier/parallella) och dimensionerade utifrån kraven. De är anslutna till en växelriktare som används för att omvandla likström till växelström för användning. Abatterihanteringssystem (BMS)används för att övervaka batteriets tillstånd och laddning/urladdning.

Jämfört med andra energilagringssystem är de särskilt flexibla att placera/ansluta och kräver ingen mycket dyr infrastruktur, men de kostar ändå en ansenlig kostnad och kräver mer regelbundet underhåll baserat på användningen.

BESS storlek och användningsvanor

En avgörande punkt att ta itu med när du installerar ett batterienergilagringssystem är dimensionering. Hur många batterier behövs? I vilken konfiguration? I vissa fall kan typen av batteri spela en avgörande roll på lång sikt vad gäller kostnadsbesparingar och effektivitet

Detta görs från fall till fall eftersom tillämpningar kan sträcka sig från små hushåll till stora industrianläggningar.

Den vanligaste förnybara energikällan för små hushåll, särskilt i tätorter, är solceller som använder solcellspaneler. Ingenjören skulle i allmänhet överväga hushållets genomsnittliga strömförbrukning och bedöma solinstrålningen över året för den specifika platsen. Antalet batterier och deras nätkonfiguration är vald för att matcha hushållens behov under årets lägsta solenergiförsörjning samtidigt som batterierna inte töms helt. Detta förutsätter att en lösning har fullständig kraftoberoende från stamnätet.

Att hålla ett relativt måttligt laddningstillstånd eller att inte ladda ur batterierna helt är något som kan vara kontraintuitivt till en början. När allt kommer omkring, varför använda ett lagringssystem om vi inte kan utvinna det fulla potentialen? I teorin är det möjligt, men det kanske inte är strategin som maximerar avkastningen på investeringen.

En av de största nackdelarna med BESS är den relativt höga kostnaden för batterier. Därför är det viktigt att välja en användningsvana eller en laddnings-/urladdningsstrategi som maximerar batteriets livslängd. Blybatterier kan till exempel inte laddas ur under 50 % kapacitet utan att drabbas av oåterkalleliga skador. Litiumjonbatterier har högre energitäthet, lång livslängd. De kan också tömmas med större intervall, men det kostar mer. Det finns en stor skillnad i kostnad mellan olika kemier, blybatterier kan vara hundratals till tusentals dollar billigare än ett litiumjonbatteri av samma storlek. Det är därför blybatterier är de mest använda i solenergiapplikationer i tredje världens länder och fattiga samhällen.

Batteriets prestanda påverkas kraftigt av försämring under dess livslängd, det har inte en stabil prestanda som slutar med plötsligt fel. Istället kan kapaciteten och tillhandahållen blekna gradvis. I praktiken anses en batterilivslängd ha tagit slut när dess kapacitet når 80 % av sin ursprungliga kapacitet. Med andra ord, när den upplever en 20% kapacitetsfading. I praktiken innebär detta att en mindre mängd energi kan tillhandahållas. Detta kan påverka användningsperioderna för helt oberoende system och mängden körsträcka en elbil kan täcka.

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

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

Slutsats

Av elnätet ger energilagringssystem en stor möjlighet att uppnå strömoberoende från stamnätet men tillhandahåller också en reservkraftskälla under driftstopp och toppbelastningsperioder. Utvecklingen där skulle underlätta övergången till grönare energikällor och på så sätt begränsa energiproduktionens inverkan på klimatförändringarna samtidigt som energikraven uppfylls med konstant ökning av förbrukningen.

System för lagring av batterienergi 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 anstränger industrin och den akademiska världen mycket för att undersöka och förstå batterinedbrytning under olika förhållanden.