Як захоўваць электраэнергію па-за сеткай?

За апошнія 50 гадоў назіраецца пастаянны рост сусветнага спажывання электраэнергіі, прычым у 2021 годзе спажыванне склала каля 25 300 тэрават-гадзін. З пераходам да «Індустрыі 4.0» па ўсім свеце назіраецца рост попыту на энергію. Гэтыя лічбы растуць з кожным годам, не ўлічваючы патрэбы ў электраэнергіі прамысловага і іншых сектараў эканомікі. Гэты прамысловы зрух і высокае спажыванне энергіі спалучаюцца з больш адчувальнымі наступствамі змены клімату з-за празмерных выкідаў парніковых газаў. У цяперашні час большасць электрастанцый і аб'ектаў у значнай ступені залежаць ад выкапнёвага паліва (нафты і газу) для задавальнення такіх патрэб. Гэтыя кліматычныя праблемы перашкаджаюць дадатковай вытворчасці энергіі з выкарыстаннем традыцыйных метадаў. Такім чынам, распрацоўка эфектыўных і надзейных сістэм захоўвання энергіі становіцца ўсё больш важнай для забеспячэння бесперапыннага і надзейнага забеспячэння энергіяй з аднаўляльных крыніц.

Энергетычны сектар адрэагаваў пераходам у бок аднаўляльных крыніц энергіі або «зялёных» рашэнняў. Пераходу паспрыяла ўдасканаленне вытворчых тэхналогій, што прывяло, напрыклад, да больш эфектыўнай вытворчасці лапатак ветраных турбін. Акрамя таго, даследчыкам удалося павысіць эфектыўнасць фотаэлектрычных элементаў, што прывяло да лепшай выпрацоўкі энергіі ў разліку на плошчу выкарыстання. У 2021 годзе вытворчасць электраэнергіі з сонечных фотаэлектрычных (ФЭ) крыніц значна павялічылася, дасягнуўшы рэкордных 179 ТВт·г, што на 22% больш, чым у 2020 годзе. Тэхналогія сонечных ФЭ цяпер складае 3,6% сусветнай вытворчасці электраэнергіі і ў цяперашні час з'яўляецца трэцяй па велічыні крыніцай аднаўляльнай энергіі пасля гідраэнергетыкі і ветру.

Аднак гэтыя прарывы не вырашаюць некаторых уласцівых недахопаў сістэм аднаўляльных крыніц энергіі, галоўным чынам даступнасці. Большасць з гэтых метадаў не вырабляюць энергію па патрабаванні, як вугальныя і нафтавыя электрастанцыі. Сонечная энергія, напрыклад, даступная на працягу ўсяго дня з ваганнямі ў залежнасці ад вуглоў сонечнага выпраменьвання і размяшчэння фотаэлектрычных панэляў. Яна не можа выпрацоўваць энергію ўначы, у той час як яе выпрацоўка значна зніжаецца ў зімовы сезон і ў вельмі пахмурныя дні. Ветраэнергетыка таксама пакутуе ад ваганняў у залежнасці ад хуткасці ветру. Таму гэтыя рашэнні павінны быць спалучаны з сістэмамі назапашвання энергіі, каб падтрымліваць энергазабеспячэнне ў перыяды нізкай выпрацоўкі.

Што такое сістэмы назапашвання энергіі?

Сістэмы назапашвання энергіі могуць захоўваць энергію для наступнага выкарыстання. У некаторых выпадках адбываецца пераўтварэнне энергіі паміж назапашанай энергіяй і пададзенай энергіяй. Найбольш распаўсюджаным прыкладам з'яўляюцца электрычныя акумулятары, такія як літый-іённыя акумулятары або свінцова-кіслотныя акумулятары. Яны выпрацоўваюць электрычную энергію шляхам хімічных рэакцый паміж электродамі і электралітам.

Акумулятары, або BESS (сістэма акумулявання энергіі ў акумулятарах), уяўляюць сабой найбольш распаўсюджаны метад акумулявання энергіі, які выкарыстоўваецца ў паўсядзённым жыцці. Існуюць і іншыя сістэмы акумулявання, такія як гідраэлектрастанцыі, якія пераўтвараюць патэнцыйную энергію вады, якая захоўваецца ў плаціне, у электрычную энергію. Вада, якая падае, круціць махавік турбіны, якая выпрацоўвае электрычную энергію. Іншы прыклад - сціснуты газ, пры вызваленні якога газ круціць кола турбіны, якая выпрацоўвае энергію.

Ад іншых метадаў захоўвання энергіі акумулятары адрозніваюцца сваімі патэнцыйнымі сферамі прымянення. Ад невялікіх прылад і аўтамабільных крыніц харчавання да хатняга прымянення і буйных сонечных электрастанцый — акумулятары можна лёгка інтэграваць у любы аўтаномны спосаб захоўвання энергіі. З іншага боку, гідраэнергетыка і метады сціснутага паветра патрабуюць вельмі вялікай і складанай інфраструктуры для захоўвання энергіі. Гэта прыводзіць да вельмі высокіх выдаткаў, якія патрабуюць вельмі вялікіх ужыванняў, каб апраўдаць сваё прымяненне.

Выпадкі выкарыстання аўтаномных сістэм захоўвання дадзеных.

Як ужо згадвалася раней, аўтаномныя сістэмы захоўвання энергіі могуць спрыяць выкарыстанню і залежнасці ад аднаўляльных крыніц энергіі, такіх як сонечная і ветравая энергія. Тым не менш, ёсць і іншыя сферы прымянення, якія могуць атрымаць значную карысць ад такіх сістэм.

Гарадскія электрасеткі імкнуцца забяспечваць патрэбную колькасць энергіі ў залежнасці ад попыту і прапановы кожнага горада. Неабходная магутнасць можа вагацца на працягу дня. Аўтаномныя сістэмы захоўвання энергіі выкарыстоўваюцца для памяншэння ваганняў і забеспячэння большай стабільнасці ў выпадках пікавага попыту. З іншага пункту гледжання, аўтаномныя сістэмы захоўвання энергіі могуць быць вельмі карыснымі для кампенсацыі любых непрадбачаных тэхнічных няспраўнасцяў у асноўнай электрасетцы або падчас планавых перыядаў тэхнічнага абслугоўвання. Яны могуць задавальняць патрэбы ў электраэнергіі без неабходнасці шукаць альтэрнатыўныя крыніцы энергіі. Можна прывесці, напрыклад, тэхаскі ледзяны шторм у пачатку лютага 2023 года, які пакінуў без электрычнасці каля 262 000 чалавек, а рамонт быў адкладзены з-за складаных умоў надвор'я.

Электрамабілі — яшчэ адно прымяненне. Даследчыкі прыклалі шмат намаганняў для аптымізацыі вытворчасці акумулятараў і стратэгій зарадкі/разрадкі, каб падоўжыць тэрмін службы і шчыльнасць магутнасці акумулятараў. Літый-іённыя акумулятары былі на пярэднім краі гэтай невялікай рэвалюцыі і шырока выкарыстоўваліся ў новых электрамабілях, а таксама ў электрычных аўтобусах. У гэтым выпадку лепшыя акумулятары могуць прывесці да большага прабегу, але таксама і да скарачэння часу зарадкі пры выкарыстанні правільных тэхналогій.

Іншыя тэхналагічныя дасягненні, такія як беспілотныя лятальныя апараты і мабільныя робаты, атрымалі вялікую карысць ад распрацоўкі акумулятараў. Іх стратэгіі руху і стратэгіі кіравання ў значнай ступені залежаць ад ёмістасці акумулятара і магутнасці, якая пастаўляецца.

Што такое БЭСС

BESS або сістэма акумулявання энергіі ў акумулятарах — гэта сістэма акумулявання энергіі, якая можа выкарыстоўвацца для захоўвання энергіі. Гэтая энергія можа паступаць з асноўнай электрасеткі або з аднаўляльных крыніц энергіі, такіх як энергія ветру і сонца. Яна складаецца з некалькіх акумулятараў, размешчаных у розных канфігурацыях (паслядоўна/паралельна) і памераў у залежнасці ад патрабаванняў. Яны падключаны да інвертара, які выкарыстоўваецца для пераўтварэння пастаяннага току ў пераменны для выкарыстання.сістэма кіравання батарэямі (BMS)выкарыстоўваецца для кантролю стану акумулятара і працэсу зарадкі/разрадкі.

У параўнанні з іншымі сістэмамі назапашвання энергіі, яны асабліва гнуткія ў размяшчэнні/падключэнні і не патрабуюць вельмі дарагой інфраструктуры, але ўсё ж маюць значныя выдаткі і патрабуюць больш рэгулярнага абслугоўвання ў залежнасці ад выкарыстання.

Памер і звычкі выкарыстання BESS

Важным момантам пры ўсталёўцы сістэмы акумулявання энергіі з'яўляецца выбар памеру. Колькі батарэй спатрэбіцца? У якой канфігурацыі? У некаторых выпадках тып батарэі можа адыграць вырашальную ролю ў доўгатэрміновай перспектыве з пункту гледжання эканоміі выдаткаў і эфектыўнасці.

Гэта робіцца ў кожным канкрэтным выпадку, бо прымяненне можа вар'іравацца ад невялікіх хатніх гаспадарак да буйных прамысловых прадпрыемстваў.

Найбольш распаўсюджанай крыніцай аднаўляльнай энергіі для невялікіх хатніх гаспадарак, асабліва ў гарадскіх раёнах, з'яўляецца сонечная энергія з выкарыстаннем фотаэлектрычных панэляў. Інжынер, як правіла, улічвае сярэдняе спажыванне энергіі хатняй гаспадаркай і ацэньвае сонечную радыяцыю на працягу года для канкрэтнага месца. Колькасць батарэй і канфігурацыя іх сеткі выбіраюцца ў адпаведнасці з патрэбамі хатняй гаспадаркі падчас найменшага сонечнага электразабеспячэння ў годзе, не разраджаючы цалкам батарэі. Гэта мяркуе поўную незалежнасць электраэнергіі ад асноўнай электрасеткі.

Падтрыманне адносна ўмеранага ўзроўню зарада або не поўная разрадка акумулятараў спачатку можа здацца нелагічным. У рэшце рэшт, навошта выкарыстоўваць сістэму захоўвання энергіі, калі мы не можам раскрыць яе поўны патэнцыял? Тэарэтычна гэта магчыма, але гэта можа быць не тая стратэгія, якая максімізуе прыбытак ад інвестыцый.

Адным з галоўных недахопаў тэхналогій зарадкі/разрадкі акумулятараў з'яўляецца адносна высокі кошт. Таму вельмі важна выбраць спосаб выкарыстання або стратэгію зарадкі/разрадкі, якая максімальна павялічвае тэрмін службы акумулятара. Напрыклад, свінцова-кіслотныя акумулятары нельга разраджаць ніжэй за 50% ёмістасці без незваротных пашкоджанняў. Літый-іённыя акумулятары маюць больш высокую шчыльнасць энергіі і працяглы тэрмін службы. Іх таксама можна разраджаць з выкарыстаннем большых дыяпазонаў, але гэта звязана з павышэннем цаны. Існуе вялікая розніца ў кошце паміж рознымі хімічнымі сродкамі, свінцова-кіслотныя акумулятары могуць быць на сотні і тысячы долараў таннейшымі за літый-іённыя акумулятары таго ж памеру. Вось чаму свінцова-кіслотныя акумулятары найбольш часта выкарыстоўваюцца ў сонечных прымяненнях у краінах трэцяга свету і бедных супольнасцях.

Прадукцыйнасць акумулятара моцна залежыць ад пагаршэння эксплуатацыйнага стану на працягу тэрміну яго службы, ён не мае стабільнай працы, якая заканчваецца раптоўным выхадам з ладу. Замест гэтага ёмістасць і ёмістасць могуць паступова зніжацца. На практыцы тэрмін службы акумулятара лічыцца вычарпаным, калі яго ёмістасць дасягае 80% ад першапачатковай ёмістасці. Іншымі словамі, калі адбываецца зніжэнне ёмістасці на 20%. На практыцы гэта азначае, што можа быць выдзелена менш энергіі. Гэта можа паўплываць на перыяды выкарыстання цалкам незалежных сістэм і прабег электрамабіля.

Яшчэ адзін момант, які варта ўлічваць, — гэта бяспека. Дзякуючы развіццю вытворчасці і тэхналогій, сучасныя акумулятары ў цэлым сталі больш хімічна стабільнымі. Аднак з-за дэградацыі і няправільнага выкарыстання элементы могуць перагравацца, што можа прывесці да катастрафічных наступстваў, а ў некаторых выпадках паставіць пад пагрозу жыццё спажыўцоў.

Вось чаму кампаніі распрацавалі больш эфектыўнае праграмнае забеспячэнне для маніторынгу батарэй (BMS), каб кантраляваць выкарыстанне батарэй, а таксама кантраляваць іх стан, каб своечасова забяспечваць тэхнічнае абслугоўванне і пазбягаць пагаршэння наступстваў.

Выснова

Сістэмы назапашвання энергіі ў сетках даюць выдатную магчымасць дасягнуць энерганезалежнасці ад асноўнай сеткі, а таксама забяспечваюць рэзервовую крыніцу энергіі падчас прастояў і пікавых нагрузак. Іх развіццё будзе спрыяць пераходу да больш экалагічна чыстых крыніц энергіі, тым самым абмяжоўваючы ўплыў вытворчасці энергіі на змяненне клімату, адначасова задавальняючы патрэбы ў энергіі пры пастаянным росце спажывання.

Сістэмы акумулявання энергіі на аснове акумулятараў з'яўляюцца найбольш распаўсюджанымі і самымі простымі ў наладжванні для розных паўсядзённых ужыванняў. Іх высокая гнуткасць кампенсуецца адносна высокім коштам, што прыводзіць да распрацоўкі стратэгій маніторынгу для максімальнага падаўжэння тэрміну службы. У цяперашні час прамысловасць і навуковыя колы прыкладаюць шмат намаганняў для даследавання і разумення дэградацыі акумулятараў у розных умовах.