Як зберігати електроенергію поза мережею?

Протягом останніх 50 років спостерігається постійне зростання споживання електроенергії у всьому світі, за оцінками, у 2021 році споживання становитиме близько 25 300 терават-годин. З переходом до індустрії 4.0 споживання енергії в усьому світі зростає. Ці цифри зростають з кожним роком, не враховуючи потреби промисловості та інших економічних секторів в електроенергії. Цей промисловий зсув і високе споживання електроенергії поєднуються з більш відчутними наслідками зміни клімату через надмірні викиди парникових газів. В даний час більшість електростанцій і об’єктів для задоволення таких потреб значною мірою залежать від джерел викопного палива (нафти і газу). Ці кліматичні проблеми забороняють додаткове виробництво енергії за допомогою звичайних методів. Таким чином, розробка ефективних і надійних систем зберігання енергії стає все більш важливою для забезпечення безперервного і надійного постачання енергії з відновлюваних джерел.

Енергетичний сектор відповів переходом на відновлювані джерела енергії або «зелені» рішення. Переходу сприяли вдосконалені технології виробництва, що призвело, наприклад, до більш ефективного виробництва лопатей вітрових турбін. Крім того, дослідники змогли підвищити ефективність фотоелектричних елементів, що призвело до кращого виробництва енергії в кожній зоні використання. У 2021 році виробництво електроенергії від сонячних фотоелектричних (PV) джерел значно зросло, сягнувши рекордних 179 ТВт-год, що становить зростання на 22% порівняно з 2020 роком. Сонячна фотоелектрична технологія зараз забезпечує 3,6% світового виробництва електроенергії та наразі є третьою за величиною відновлюваною енергією. Джерело енергії після гідроенергії та вітру.

Однак ці прориви не вирішують деяких властивих недоліків систем відновлюваної енергії, головним чином доступності. Більшість із цих методів не виробляють енергії за потребою, як електростанції, що працюють на вугіллі та нафті. Вихід сонячної енергії, наприклад, доступний протягом дня з варіаціями залежно від кутів сонячного випромінювання та розташування фотоелектричної панелі. Він не може виробляти енергію протягом ночі, а його потужність значно знижується в зимовий сезон і в дуже похмурі дні. Енергія вітру також страждає від коливань в залежності від швидкості вітру. Таким чином, ці рішення потрібно поєднувати з системами зберігання енергії, щоб підтримувати енергопостачання в періоди низької потужності.

Що таке системи зберігання енергії?

Системи накопичення енергії можуть накопичувати енергію для подальшого використання. У деяких випадках існує певна форма перетворення енергії між накопиченою енергією та наданою енергією. Найпоширенішим прикладом є електричні батареї, такі як літій-іонні або свинцево-кислотні батареї. Вони забезпечують електричну енергію шляхом хімічних реакцій між електродами та електролітом.

Батареї, або BESS (система накопичення енергії від акумуляторів), представляють найпоширеніший спосіб зберігання енергії, який використовується в повсякденному житті. Існують інші системи зберігання, наприклад гідроелектростанції, які перетворюють потенційну енергію води, що зберігається в греблі, в електричну енергію. Вода, що падає, обертатиме маховик турбіни, що виробляє електроенергію. Іншим прикладом є стиснений газ, після випуску газ обертатиме колесо турбіни, виробляючи енергію.

Те, що відрізняє батареї від інших методів зберігання, - це їх потенційні сфери використання. Від невеликих пристроїв і автомобільних джерел живлення до побутових застосувань і великих сонячних електростанцій, батареї можна легко інтегрувати в будь-яке автономне зберігання даних. З іншого боку, гідроенергетика та методи стисненого повітря вимагають дуже великої та складної інфраструктури для зберігання. Це призводить до дуже високих витрат, які вимагають дуже великих застосувань, щоб це було виправдано.

Варіанти використання автономних систем зберігання.

Як згадувалося раніше, автономні системи зберігання можуть сприяти використанню та опорі на методи відновлюваної енергії, такі як сонячна та вітрова енергія. Тим не менш, існують інші програми, які можуть отримати значну користь від таких систем

Міські електромережі мають на меті забезпечити потрібну кількість електроенергії на основі попиту та пропозиції кожного міста. Необхідна потужність може коливатися протягом дня. Системи автономного зберігання використовувалися для послаблення коливань і забезпечення більшої стабільності у випадках пікового попиту. З іншої точки зору, автономні системи зберігання можуть бути дуже корисними для компенсації будь-якої непередбаченої технічної несправності в основній електромережі або під час запланованих періодів технічного обслуговування. Вони можуть задовольнити потреби в електроенергії без необхідності шукати альтернативні джерела енергії. Можна навести, наприклад, крижаний шторм у Техасі на початку лютого 2023 року, який залишив без світла близько 262 000 людей, а ремонтні роботи були відкладені через складні погодні умови.

Електричні транспортні засоби – ще одне застосування. Дослідники доклали багато зусиль, щоб оптимізувати виробництво акумуляторів і стратегії заряджання/розряджання, щоб збільшити термін служби та щільність потужності акумуляторів. Літій-іонні батареї були в авангарді цієї маленької революції та широко використовувалися в нових електромобілях, а також електробусах. Кращі батареї в цьому випадку можуть призвести до більшого пробігу, але також зменшити час зарядки за допомогою правильних технологій.

Інші технологічні досягнення, такі як БПЛА та мобільні роботи, значно виграли від розробки батарей. Там стратегії руху та стратегії керування значною мірою залежать від ємності акумулятора та наданої потужності.

Що таке BESS

BESS або акумуляторна система зберігання енергії - це система накопичення енергії, яка може використовуватися для зберігання енергії. Ця енергія може надходити від основної мережі або від відновлюваних джерел енергії, таких як енергія вітру та сонячна енергія. Він складається з кількох батарей, розташованих у різних конфігураціях (послідовно/паралельно) і розміром відповідно до вимог. Вони підключені до інвертора, який використовується для перетворення постійного струму на змінний для використання. Асистема керування акумулятором (BMS)використовується для контролю стану акумулятора та операції заряджання/розряджання.

Порівняно з іншими системами зберігання енергії, вони особливо гнучкі для розміщення/підключення та не вимагають дуже дорогої інфраструктури, але вони все одно мають значну вартість і потребують більш регулярного обслуговування залежно від використання.

Розміри BESS і звички використання

Вирішальним моментом, який необхідно вирішити під час встановлення системи накопичення енергії акумулятора, є розмір. Скільки потрібно батарейок? В якій комплектації? У деяких випадках тип батареї може відігравати вирішальну роль у довгостроковій перспективі з точки зору економії коштів та ефективності

Це робиться в кожному конкретному випадку, оскільки застосування може варіюватися від невеликих домогосподарств до великих промислових підприємств.

Найпоширенішим джерелом відновлюваної енергії для невеликих домогосподарств, особливо в міських районах, є сонячна енергія з використанням фотоелектричних панелей. Інженер загалом враховує середнє споживання електроенергії домогосподарством і оцінює сонячне опромінення протягом року для конкретного місця. Кількість батарей і конфігурація їх мережі вибирається відповідно до потреб домогосподарств під час найнижчого сонячного постачання в році, не повністю розряджаючи батареї. Це передбачає повну енергонезалежність від основної мережі.

Зберігати відносно помірний рівень заряду або не повністю розряджати батареї – це те, що спочатку може здатися неінтуїтивним. Зрештою, навіщо використовувати систему зберігання, якщо ми не можемо використати її повний потенціал? Теоретично це можливо, але це може бути не та стратегія, яка максимізує віддачу від інвестицій.

Одним з головних недоліків BESS є відносно висока вартість акумуляторів. Тому важливо вибрати звичку використання або стратегію заряджання/розряджання, яка максимізує термін служби акумулятора. Наприклад, свинцево-кислотні батареї не можна розряджати нижче 50% ємності без незворотних пошкоджень. Літій-іонні акумулятори мають більш високу щільність енергії, тривалий термін служби. Їх також можна розряджати, використовуючи більші діапазони, але це коштує підвищеної ціни. Існує велика різниця у вартості між різними хімікатами, свинцево-кислотні батареї можуть бути на сотні чи тисячі доларів дешевшими, ніж літій-іонні батареї того самого розміру. Ось чому свинцево-кислотні батареї найчастіше використовуються в сонячних установках у країнах третього світу та бідних громадах.

На продуктивність батареї сильно впливає погіршення її якості протягом терміну служби, вона не має стабільної продуктивності, що закінчується раптовим виходом з ладу. Натомість ємність і надані можуть поступово зменшуватися. На практиці термін служби батареї вважається вичерпаним, коли її ємність досягає 80% від початкової ємності. Іншими словами, коли ємність зменшується на 20%. На практиці це означає, що можна забезпечити меншу кількість енергії. Це може вплинути на періоди використання повністю незалежних систем і кількість пробігу, який може подолати електромобіль.

Ще один момент, на який слід звернути увагу, — безпека. Завдяки прогресу у виробництві та технології останні батареї загалом стали більш хімічно стабільними. Однак через історію деградації та зловживання клітини можуть перейти до термічної втечі, що може призвести до катастрофічних наслідків, а в деяких випадках поставити під загрозу життя споживачів.

Ось чому компанії розробили краще програмне забезпечення для моніторингу батареї (BMS), щоб контролювати використання батареї, а також контролювати стан здоров’я, щоб забезпечити своєчасне технічне обслуговування та уникнути погіршення наслідків.

Висновок

Системи накопичення енергії в мережі дають чудову можливість досягти енергонезалежності від основної мережі, а також забезпечують резервне джерело електроенергії під час простоїв і періодів пікового навантаження. Там розвиток сприятиме переходу до екологічніших джерел енергії, таким чином обмежуючи вплив виробництва енергії на зміну клімату, водночас задовольняючи потреби в енергії з постійним зростанням споживання.

Акумуляторні системи накопичення енергії є найбільш часто використовуваними і найпростішими для налаштування для різних повсякденних застосувань. Їх висока гнучкість протиставляється відносно високою ціною, що призводить до розробки стратегій моніторингу для максимального продовження відповідного терміну служби. Зараз промисловість і наукові кола докладають багато зусиль, щоб дослідити та зрозуміти погіршення якості батареї за різних умов.