Hoe om elektrisiteit van die netwerk af te stoor?

Oor die afgelope 50 jaar was daar 'n voortdurende toename in wêreldwye elektrisiteitsverbruik, met 'n geraamde verbruik van ongeveer 25 300 terawatt-uur in die jaar 2021. Met die oorgang na Industrie 4.0 is daar 'n toename in energievraag regoor die wêreld. Hierdie syfers neem elke jaar toe, sonder die kragbehoeftes van industriële en ander ekonomiese sektore. Hierdie industriële verskuiwing en hoë kragverbruik gaan gepaard met meer tasbare klimaatsveranderingseffekte as gevolg van oormatige uitstoot van kweekhuisgasse. Tans is die meeste kragopwekkingsaanlegte en -fasiliteite sterk afhanklik van fossielbrandstofbronne (olie en gas) om aan sulke eise te voldoen. Hierdie klimaatskwessies verbied addisionele energieopwekking met behulp van konvensionele metodes. Dus het die ontwikkeling van doeltreffende en betroubare energiebergingstelsels toenemend belangrik geword om 'n deurlopende en betroubare energievoorsiening uit hernubare bronne te verseker.

Die energiesektor het gereageer deur oor te skakel na hernubare energie of "groen" oplossings. Die oorgang is gehelp deur verbeterde vervaardigingstegnieke, wat byvoorbeeld gelei het tot meer doeltreffende vervaardiging van windturbinelemme. Navorsers kon ook die doeltreffendheid van fotovoltaïese selle verbeter, wat gelei het tot beter energieopwekking per gebruiksarea. In 2021 het elektrisiteitsopwekking uit sonfotovoltaïese (PV) bronne aansienlik toegeneem en 'n rekord van 179 TWh bereik, wat 'n groei van 22% in vergelyking met 2020 verteenwoordig. Son-PV-tegnologie maak nou 3,6% van die wêreldwye elektrisiteitsopwekking uit en is tans die derde grootste hernubare energiebron na waterkrag en wind.

Hierdie deurbrake los egter nie sommige van die inherente nadele van hernubare energiestelsels op nie, hoofsaaklik beskikbaarheid. Die meeste van hierdie metodes produseer nie energie op aanvraag soos steenkool- en oliekragsentrales nie. Sonenergie-uitsette is byvoorbeeld deur die dag beskikbaar met variasies afhangende van sonbestralingshoeke en FV-paneelposisionering. Dit kan geen energie gedurende die nag produseer nie, terwyl die uitset daarvan aansienlik verminder word gedurende die winterseisoen en op baie bewolkte dae. Windkrag ly ook aan skommelinge afhangende van die windspoed. Daarom moet hierdie oplossings gekoppel word aan energiebergingstelsels om energievoorsiening gedurende lae uitsetperiodes te handhaaf.

Wat is energiebergingstelsels?

Energiebergingstelsels kan energie stoor om later gebruik te word. In sommige gevalle sal daar 'n vorm van energie-omskakeling wees tussen gestoorde energie en verskafde energie. Die mees algemene voorbeeld is elektriese batterye soos litiumioonbatterye of loodsuurbatterye. Hulle verskaf elektriese energie deur middel van chemiese reaksies tussen die elektrodes en die elektroliet.

Batterye, of BESS (battery-energiebergingstelsel), verteenwoordig die mees algemene energiebergingsmetode wat in daaglikse toepassings gebruik word. Ander bergingstelsels bestaan, soos hidrokragsentrales wat die potensiële energie van water wat in 'n dam gestoor word, in elektriese energie omskakel. Die water wat afval, sal die vliegwiel van 'n turbine draai wat elektriese energie produseer. Nog 'n voorbeeld is saamgeperste gas; by vrystelling sal die gas die wiel van die turbine draai en krag produseer.

Wat batterye van ander bergingsmetodes onderskei, is hul potensiële werkinggebiede. Van klein toestelle en motorkragtoevoer tot huishoudelike toepassings en groot sonkragplase, kan batterye naatloos in enige stoortoepassing buite die netwerk geïntegreer word. Aan die ander kant vereis hidrokrag- en saamgeperste lugmetodes baie groot en komplekse infrastruktuur vir berging. Dit lei tot baie hoë kostes wat baie groot toepassings vereis om dit geregverdig te maak.

Gebruiksgevalle vir off-grid stoorstelsels.

Soos voorheen genoem, kan stoorstelsels buite die netwerk die gebruik en afhanklikheid van hernubare energiemetodes soos son- en windkrag vergemaklik. Nietemin is daar ander toepassings wat grootliks by sulke stelsels kan baat.

Stadskragnetwerke poog om die regte hoeveelheid krag te verskaf gebaseer op die vraag en aanbod van elke stad. Die benodigde krag kan deur die dag wissel. Off-netwerk-bergingstelsels is gebruik om skommelinge te verminder en meer stabiliteit te bied in gevalle van piekvraag. Vanuit 'n ander perspektief kan off-netwerk-bergingstelsels baie voordelig wees om te vergoed vir enige onvoorsiene tegniese fout in die hoofkragnetwerk of tydens geskeduleerde onderhoudsperiodes. Hulle kan aan kragbehoeftes voldoen sonder om na alternatiewe energiebronne te soek. 'n Mens kan byvoorbeeld die Texas-ysstorm vroeg in Februarie 2023 noem wat ongeveer 262 000 mense sonder krag gelaat het, terwyl herstelwerk vertraag is weens die moeilike weerstoestande.

Elektriese voertuie is nog 'n toepassing. Navorsers het baie moeite gedoen om batteryvervaardiging en laai-/ontlaaistrategieë te optimaliseer om die lewensduur en kragdigtheid van batterye te verleng. Litiumioonbatterye was aan die voorpunt van hierdie klein rewolusie en is breedvoerig gebruik in nuwe elektriese motors, maar ook elektriese busse. Beter batterye kan in hierdie geval lei tot 'n groter kilometerlesing, maar ook verminderde laaitye met die regte tegnologieë.

Ander tegnologiese vooruitgang soos onbemande vliegtuie en mobiele robotte het grootliks voordeel getrek uit battery-ontwikkeling. Hul bewegings- en beheerstrategieë is sterk afhanklik van die batterykapasiteit en krag wat verskaf word.

Wat is 'n BESS

'n BESS, of battery-energiebergingstelsel, is 'n energiebergingstelsel wat gebruik kan word om energie te stoor. Hierdie energie kan van die hoofnetwerk of van hernubare energiebronne soos windenergie en sonenergie kom. Dit bestaan uit verskeie batterye wat in verskillende konfigurasies (serie/parallel) gerangskik is en volgens die vereistes grootgemaak is. Hulle word gekoppel aan 'n omsetter wat gebruik word om die GS-krag na WS-krag om te skakel vir gebruik.batterybestuurstelsel (BMS)word gebruik om die batterytoestande en die laai-/ontlaaiproses te monitor.

In vergelyking met ander energiebergingstelsels, is hulle besonder buigsaam om te plaas/koppel en benodig nie 'n baie duur infrastruktuur nie, maar hulle kom steeds teen 'n aansienlike koste en vereis meer gereelde onderhoud gebaseer op die gebruik.

BESS-grootte en gebruiksgewoontes

'n Belangrike punt om aan te spreek wanneer 'n battery-energiebergingstelsel geïnstalleer word, is groottebepaling. Hoeveel batterye word benodig? In watter konfigurasie? In sommige gevalle kan die tipe battery op die lange duur 'n deurslaggewende rol speel in terme van kostebesparing en doeltreffendheid.

Dit word van geval tot geval gedoen, aangesien toepassings kan wissel van klein huishoudings tot groot industriële aanlegte.

Die mees algemene hernubare energiebron vir klein huishoudings, veral in stedelike gebiede, is sonkrag met behulp van fotovoltaïese panele. Die ingenieur sal oor die algemeen die gemiddelde kragverbruik van die huishouding in ag neem en die sonbestraling oor die jaar vir die spesifieke ligging bepaal. Die aantal batterye en hul netwerkkonfigurasie word gekies om by die huishoudelike vraag te pas gedurende die laagste sonkragvoorsiening van die jaar, sonder om die batterye heeltemal leeg te maak. Dit veronderstel 'n oplossing om volledige kragonafhanklikheid van die hoofnetwerk te hê.

Om 'n relatief matige ladingstoestand te handhaaf of die batterye nie heeltemal te ontlaai nie, is iets wat aanvanklik teenintuïtief kan wees. Hoekom immers 'n stoorstelsel gebruik as ons dit nie ten volle kan benut nie? In teorie is dit moontlik, maar dit is dalk nie die strategie wat die opbrengs op belegging maksimeer nie.

Een van die grootste nadele van BESS is die relatief hoë koste van batterye. Daarom is dit noodsaaklik om 'n gebruiksgewoonte of 'n laai-/ontlaaistrategie te kies wat die batterylewe maksimeer. Loodsuurbatterye kan byvoorbeeld nie onder 50% kapasiteit ontlaai word sonder om onomkeerbare skade te ly nie. Litiumioonbatterye het 'n hoër energiedigtheid en 'n lang sikluslewe. Hulle kan ook met groter reikwydtes ontlaai word, maar dit kom teen 'n koste van verhoogde prys. Daar is 'n hoë verskil in koste tussen verskillende chemiese middels; loodsuurbatterye kan honderde tot duisende dollars goedkoper wees as 'n litiumioonbattery van dieselfde grootte. Dit is hoekom loodsuurbatterye die meeste in sonkragtoepassings in derdewêreldlande en arm gemeenskappe gebruik word.

Die battery se werkverrigting word sterk beïnvloed deur agteruitgang gedurende sy leeftyd; dit het nie 'n bestendige werkverrigting wat eindig met skielike mislukking nie. In plaas daarvan kan die kapasiteit wat voorsien word progressief afneem. In die praktyk word 'n battery se lewensduur beskou as uitgeput wanneer die kapasiteit 80% van sy oorspronklike kapasiteit bereik. Met ander woorde, wanneer dit 'n kapasiteitsvermindering van 20% ervaar. In die praktyk beteken dit dat 'n laer hoeveelheid energie voorsien kan word. Dit kan die gebruiksduur van volledig onafhanklike stelsels en die hoeveelheid kilometers wat 'n elektriese voertuig kan aflê, beïnvloed.

Nog 'n punt om te oorweeg is veiligheid. Met vooruitgang in vervaardiging en tegnologie is onlangse batterye oor die algemeen chemies meer stabiel. As gevolg van agteruitgang en misbruikgeskiedenis kan selle egter termies weghol, wat tot katastrofiese gevolge kan lei en in sommige gevalle die verbruikers se lewe in gevaar kan stel.

Daarom het maatskappye beter batterymoniteringsagteware (BMS) ontwikkel om batteryverbruik te beheer, maar ook die gesondheidstoestand te monitor om tydige instandhouding te verskaf en verergerde gevolge te vermy.

Gevolgtrekking

Van die netwerk bied energiebergingstelsels 'n goeie geleentheid om kragonafhanklikheid van die hoofnetwerk te bereik, maar dit bied ook 'n rugsteunbron van krag gedurende stilstandtye en piekladingsperiodes. Hierdie ontwikkeling sal die verskuiwing na groener energiebronne vergemaklik, wat die impak van energieopwekking op klimaatsverandering beperk terwyl steeds aan die energiebehoeftes voldoen word met konstante groei in verbruik.

Battery-energiebergingstelsels is die mees algemeen gebruikte en die maklikste om te konfigureer vir verskillende alledaagse toepassings. Hul hoë buigsaamheid word teengewerk deur 'n relatief hoë koste, wat lei tot die ontwikkeling van moniteringsstrategieë om die onderskeie lewensduur soveel as moontlik te verleng. Tans doen die industrie en akademie baie moeite om battery-agteruitgang onder verskillende toestande te ondersoek en te verstaan.