Jinsi ya kuhifadhi umeme nje ya gridi ya taifa?

Katika kipindi cha miaka 50 iliyopita, kumekuwa na ongezeko endelevu la matumizi ya umeme duniani, huku kukiwa na makadirio ya matumizi ya takriban saa 25,300 za terawati katika mwaka wa 2021. Pamoja na mpito kuelekea sekta ya 4.0, kuna ongezeko la mahitaji ya nishati duniani kote. Idadi hizi zinaongezeka kila mwaka, bila kujumuisha mahitaji ya nguvu ya sekta ya viwanda na sekta nyingine za kiuchumi. Mabadiliko haya ya kiviwanda na matumizi ya nguvu ya juu yanaambatana na athari zinazoonekana zaidi za mabadiliko ya hali ya hewa kutokana na utoaji mwingi wa gesi chafuzi. Hivi sasa, mitambo na vifaa vingi vya kuzalisha umeme vinategemea sana vyanzo vya mafuta (mafuta na gesi) ili kukidhi mahitaji hayo. Masuala haya ya hali ya hewa yanakataza uzalishaji wa ziada wa nishati kwa kutumia njia za kawaida. Kwa hivyo, uundaji wa mifumo bora na ya kuaminika ya uhifadhi wa nishati imekuwa muhimu zaidi ili kuhakikisha usambazaji endelevu na wa kuaminika wa nishati kutoka kwa vyanzo mbadala.

Sekta ya nishati imejibu kwa kuhamia nishati mbadala au suluhisho la "kijani". Mpito huo umesaidiwa na mbinu bora za utengenezaji, na kusababisha kwa mfano kwa utengenezaji bora wa vile vya turbine ya upepo. Pia, watafiti wameweza kuboresha ufanisi wa seli za photovoltaic, na kusababisha uzalishaji bora wa nishati kwa kila eneo la matumizi. Mnamo 2021, uzalishaji wa umeme kutoka kwa vyanzo vya nishati ya jua (PV) uliongezeka kwa kiasi kikubwa, na kufikia rekodi ya TWh 179 na kuwakilisha ukuaji wa 22% ikilinganishwa na 2020. Teknolojia ya Solar PV sasa inachangia 3.6% ya uzalishaji wa umeme duniani na kwa sasa ni ya tatu kwa ukubwa upya. chanzo cha nishati baada ya umeme wa maji na upepo.

Hata hivyo, mafanikio haya hayasuluhishi baadhi ya vikwazo vya asili vya mifumo ya nishati mbadala, hasa upatikanaji. Nyingi za njia hizi hazitoi nishati inapohitajika kama mitambo ya makaa ya mawe na mafuta. Matokeo ya nishati ya jua kwa mfano yanapatikana siku nzima na tofauti kulingana na pembe za miale ya jua na nafasi ya paneli za PV. Haiwezi kutoa nishati yoyote wakati wa usiku ilhali pato lake hupunguzwa sana wakati wa msimu wa baridi na siku za mawingu sana. Nguvu ya upepo pia inakabiliwa na kushuka kwa thamani kulingana na kasi ya upepo. Kwa hivyo, suluhu hizi zinahitaji kuunganishwa na mifumo ya uhifadhi wa nishati ili kudumisha usambazaji wa nishati katika vipindi vya chini vya utoaji.

Mifumo ya kuhifadhi nishati ni nini?

Mifumo ya kuhifadhi nishati inaweza kuhifadhi nishati ili itumike baadaye. Katika baadhi ya matukio, kutakuwa na aina ya ubadilishaji wa nishati kati ya nishati iliyohifadhiwa na nishati iliyotolewa. Mfano unaojulikana zaidi ni betri za umeme kama vile betri za lithiamu-ioni au betri za asidi ya risasi. Wanatoa nishati ya umeme kwa njia ya athari za kemikali kati ya elektroni na elektroliti.

Betri, au BESS (mfumo wa kuhifadhi nishati ya betri), huwakilisha njia ya kawaida ya kuhifadhi nishati inayotumiwa katika programu za maisha ya kila siku. Mfumo mwingine wa kuhifadhi upo kama vile mitambo ya kuzalisha umeme kwa maji ambayo hubadilisha nishati inayoweza kutokea ya maji yaliyohifadhiwa kwenye bwawa kuwa nishati ya umeme. Maji yanayoanguka chini yatageuza gurudumu la kuruka la turbine ambayo hutoa nishati ya umeme. Mfano mwingine ni gesi iliyoshinikizwa, baada ya kutolewa gesi itageuza gurudumu la nguvu ya kuzalisha turbine.

Kinachotenganisha betri kutoka kwa njia zingine za uhifadhi ni maeneo yao ya kufanya kazi. Kuanzia vifaa vidogo na usambazaji wa umeme wa gari hadi programu za nyumbani na shamba kubwa la miale ya jua, betri zinaweza kuunganishwa bila mshono kwa programu yoyote ya kuhifadhi nje ya gridi ya taifa. Kwa upande mwingine, nguvu ya maji na njia za hewa iliyobanwa zinahitaji miundomsingi mikubwa sana na changamano kwa uhifadhi. Hii inasababisha gharama kubwa sana ambayo inahitaji maombi makubwa sana ili iweze kuhesabiwa haki.

Tumia kesi kwa mifumo ya hifadhi ya nje ya gridi ya taifa.

Kama ilivyoelezwa hapo awali, mifumo ya hifadhi ya nje ya gridi ya taifa inaweza kuwezesha matumizi na utegemezi wa mbinu za nishati mbadala kama vile nishati ya jua na upepo. Walakini, kuna programu zingine ambazo zinaweza kufaidika sana na mifumo kama hiyo

Gridi za umeme za jiji zinalenga kutoa kiwango sahihi cha nishati kulingana na usambazaji na mahitaji ya kila jiji. Nguvu inayohitajika inaweza kubadilika siku nzima. Mifumo ya kuhifadhi nje ya gridi ya taifa imetumiwa kupunguza kushuka kwa thamani na kutoa uthabiti zaidi katika hali za mahitaji ya kilele. Kwa mtazamo tofauti, mifumo ya hifadhi ya nje ya gridi inaweza kuwa na manufaa makubwa kufidia hitilafu yoyote ya kiufundi isiyotarajiwa katika gridi kuu ya nishati au wakati wa matengenezo yaliyopangwa. Wanaweza kukidhi mahitaji ya nishati bila kulazimika kutafuta vyanzo mbadala vya nishati. Mtu anaweza kutaja kwa mfano dhoruba ya barafu ya Texas mapema Februari 2023 ambayo iliacha takriban watu 262 000 bila umeme, huku ukarabati ukikawia kutokana na hali ngumu ya hewa.

Magari ya umeme ni maombi mengine. Watafiti wametumia juhudi nyingi kuboresha utengenezaji wa betri na mikakati ya kuchaji/kuchaji ili kuongeza muda wa maisha na msongamano wa nishati ya betri. Betri za Lithium-ion zimekuwa mstari wa mbele katika mapinduzi haya madogo na zimetumika sana katika magari mapya ya umeme lakini pia mabasi ya umeme. Betri bora zaidi katika kesi hii zinaweza kusababisha umbali mkubwa lakini pia kupunguza nyakati za malipo kwa kutumia teknolojia zinazofaa.

Maendeleo mengine ya kiteknolojia yanapenda UAV na roboti za rununu zimefaidika sana kutokana na ukuzaji wa betri. Huko mikakati ya mwendo na mikakati ya udhibiti inategemea sana uwezo wa betri na nguvu zinazotolewa.

BESS ni nini

BESS au mfumo wa uhifadhi wa nishati ya betri ni mfumo wa kuhifadhi nishati ambao unaweza kutumika kuhifadhi nishati. Nishati hii inaweza kutoka kwa gridi kuu au kutoka kwa vyanzo vya nishati mbadala kama vile nishati ya upepo na nishati ya jua. Inaundwa na betri nyingi zilizopangwa katika usanidi tofauti (mfululizo/sambamba) na ukubwa kulingana na mahitaji. Zimeunganishwa kwa kibadilishaji kigeuzi ambacho hutumika kubadilisha nishati ya DC kuwa nishati ya AC kwa matumizi. Amfumo wa usimamizi wa betri (BMS)hutumika kufuatilia hali ya betri na uendeshaji wa kuchaji/kuchaji.

Ikilinganishwa na mifumo mingine ya kuhifadhi nishati, inanyumbulika hasa kuweka/kuunganisha na haihitaji miundombinu ya gharama kubwa, lakini bado inakuja kwa gharama kubwa na inahitaji matengenezo ya mara kwa mara zaidi kulingana na matumizi.

BESS ukubwa na tabia ya matumizi

Jambo muhimu la kushughulikia wakati wa kusakinisha mfumo wa kuhifadhi nishati ya betri ni saizi. Ni betri ngapi zinahitajika? Katika usanidi gani? Katika baadhi ya matukio, aina ya betri inaweza kuchukua jukumu muhimu kwa muda mrefu katika suala la kuokoa gharama na ufanisi.

Hii inafanywa kwa msingi wa kesi kwa kesi kama maombi yanaweza kuanzia kaya ndogo hadi mimea kubwa ya viwanda.

Chanzo cha kawaida cha nishati mbadala kwa kaya ndogo, hasa katika maeneo ya mijini, ni jua kwa kutumia paneli za photovoltaic. Mhandisi kwa ujumla atazingatia wastani wa matumizi ya nishati ya kaya na kutathmini miale ya jua mwaka mzima kwa eneo mahususi. Idadi ya betri na usanidi wa gridi ya taifa huchaguliwa ili kuendana na mahitaji ya kaya wakati wa usambazaji wa nishati ya jua wa chini kabisa kwa mwaka na sio kumaliza betri kabisa. Hii ni kuchukua suluhisho la kuwa na uhuru kamili wa nguvu kutoka kwa gridi kuu.

Kudumisha hali ya wastani ya chaji au kutotoa betri kabisa ni jambo ambalo linaweza kuwa gumu mwanzoni. Baada ya yote, kwa nini utumie mfumo wa kuhifadhi ikiwa hatuwezi kuutoa uwezo kamili? Kinadharia inawezekana, lakini inaweza kuwa sio mkakati unaoongeza faida kwenye uwekezaji.

Moja ya hasara kuu za BESS ni gharama ya juu ya betri. Kwa hivyo, ni muhimu kuchagua tabia ya matumizi au mbinu ya kuchaji/kuchaji ambayo huongeza muda wa matumizi ya betri. Kwa mfano, betri za asidi ya risasi haziwezi kutolewa chini ya uwezo wa 50% bila kuteseka kutokana na uharibifu usioweza kurekebishwa. Betri za lithiamu-ion zina msongamano mkubwa wa nishati, maisha ya mzunguko mrefu. Wanaweza pia kutolewa kwa kutumia safu kubwa, lakini hii inakuja kwa gharama ya kuongezeka kwa bei. Kuna tofauti kubwa ya gharama kati ya kemia tofauti, betri za asidi ya risasi zinaweza kuwa mamia hadi maelfu ya dola nafuu kuliko betri ya lithiamu-ioni ya ukubwa sawa. Hii ndiyo sababu betri za asidi ya risasi ndizo zinazotumiwa zaidi katika matumizi ya nishati ya jua katika nchi za ulimwengu wa 3 na jumuiya maskini.

Utendaji wa betri huathiriwa sana na uharibifu wakati wa maisha yake, haina utendakazi thabiti ambao huisha kwa kushindwa kwa ghafla. Badala yake, uwezo na zinazotolewa zinaweza kufifia hatua kwa hatua. Kwa mazoezi, muda wa matumizi ya betri unachukuliwa kuwa umeisha wakati uwezo wake unafikia 80% ya uwezo wake wa asili. Kwa maneno mengine, inapopoteza uwezo wa 20%. Kwa mazoezi, hii inamaanisha kuwa kiwango cha chini cha nishati kinaweza kutolewa. Hii inaweza kuathiri muda wa matumizi kwa mifumo huru kabisa na kiasi cha maili ambayo EV inaweza kufikia.

Jambo lingine la kuzingatia ni usalama. Pamoja na maendeleo katika utengenezaji na teknolojia, betri za hivi karibuni kwa ujumla zimekuwa thabiti zaidi kemikali. Hata hivyo kutokana na uharibifu na historia ya matumizi mabaya, seli zinaweza kuingia katika hali ya joto ambayo inaweza kusababisha matokeo ya janga na katika baadhi ya matukio kuweka maisha ya watumiaji katika hatari.

Hii ndiyo sababu makampuni yameunda programu bora zaidi ya ufuatiliaji wa betri (BMS) ili kudhibiti matumizi ya betri lakini pia kufuatilia hali ya afya ili kutoa matengenezo kwa wakati na kuepuka matokeo mabaya.

Hitimisho

Kati ya mifumo ya uhifadhi wa nishati ya gridi ya taifa hutoa fursa nzuri ya kufikia uhuru wa nishati kutoka kwa gridi kuu lakini pia kutoa chanzo cha ziada cha nishati wakati wa kupunguzwa na vipindi vya juu vya mzigo. Maendeleo huko yangewezesha mabadiliko kuelekea vyanzo vya nishati ya kijani kibichi, na hivyo kupunguza athari za uzalishaji wa nishati kwenye mabadiliko ya hali ya hewa wakati bado inakidhi mahitaji ya nishati na ukuaji wa mara kwa mara wa matumizi.

Mifumo ya hifadhi ya nishati ya betri ndiyo inayotumika zaidi na rahisi zaidi kusanidi kwa programu tofauti za kila siku. Unyumbulifu wao wa hali ya juu unakabiliana na gharama ya juu kiasi, na hivyo kusababisha kubuniwa kwa mikakati ya ufuatiliaji ili kuongeza muda wa maisha husika kadri inavyowezekana. Hivi sasa, tasnia na wasomi wanajaribu sana kuchunguza na kuelewa uharibifu wa betri chini ya hali tofauti.