Как да съхраняваме електричество извън мрежата?

През последните 50 години се наблюдава непрекъснато увеличение на глобалното потребление на електроенергия, като се очаква потреблението да е около 25 300 тераватчаса през 2021 г. С прехода към Индустрия 4.0 се наблюдава увеличение на енергийните нужди в целия свят. Тези числа се увеличават всяка година, без да се включват енергийните нужди на промишлените и други икономически сектори. Тази индустриална промяна и високата консумация на енергия са съчетани с по-осезаеми ефекти върху изменението на климата, дължащи се на прекомерните емисии на парникови газове. В момента повечето електроцентрали и съоръжения за производство на енергия разчитат в голяма степен на изкопаеми горива (петрол и газ), за да задоволят тези нужди. Тези климатични проблеми забраняват допълнителното производство на енергия с помощта на конвенционални методи. Поради това разработването на ефективни и надеждни системи за съхранение на енергия става все по-важно, за да се осигури непрекъснато и надеждно снабдяване с енергия от възобновяеми източници.

Енергийният сектор реагира с преминаване към възобновяема енергия или „зелени“ решения. Преходът е подпомогнат от подобрени производствени техники, водещи например до по-ефективно производство на лопатките на вятърните турбини. Също така, изследователите са успели да подобрят ефективността на фотоволтаичните клетки, което води до по-добро производство на енергия на площ. През 2021 г. производството на електроенергия от слънчеви фотоволтаични (PV) източници се е увеличило значително, достигайки рекордните 179 TWh и представлявайки ръст от 22% в сравнение с 2020 г. Слънчевата фотоволтаична технология вече представлява 3,6% от световното производство на електроенергия и в момента е третият по големина възобновяем източник на енергия след водноелектрическата енергия и вятърната енергия.

Тези открития обаче не решават някои от присъщите недостатъци на системите за възобновяема енергия, главно наличността. Повечето от тези методи не произвеждат енергия при поискване, както електроцентралите на въглища и петрол. Слънчевата енергия например е налична през целия ден с вариации в зависимост от ъглите на слънчево облъчване и позиционирането на фотоволтаичните панели. Тя не може да произвежда енергия през нощта, а производството ѝ е значително намалено през зимния сезон и в много облачни дни. Вятърната енергия също страда от колебания в зависимост от скоростта на вятъра. Следователно, тези решения трябва да бъдат съчетани със системи за съхранение на енергия, за да се поддържа енергийното снабдяване по време на периоди с ниска производителност.

Какво представляват системите за съхранение на енергия?

Системите за съхранение на енергия могат да съхраняват енергия, за да бъде използвана на по-късен етап. В някои случаи ще има форма на преобразуване на енергия между съхранената енергия и предоставената енергия. Най-често срещаният пример са електрическите батерии, като литиево-йонните батерии или оловно-киселинните батерии. Те осигуряват електрическа енергия чрез химични реакции между електродите и електролита.

Батериите, или BESS (система за съхранение на енергия в батерии), представляват най-разпространеният метод за съхранение на енергия, използван в приложенията в ежедневието. Съществуват и други системи за съхранение, като например водноелектрически централи, които преобразуват потенциалната енергия на водата, съхранявана в язовир, в електрическа енергия. Падащата вода ще завърти маховика на турбина, която произвежда електрическа енергия. Друг пример е сгъстеният газ, при освобождаването на който газът ще завърти колелото на турбината, произвеждайки енергия.

Това, което отличава батериите от другите методи за съхранение, са техните потенциални области на приложение. От малки устройства и автомобилни захранвания до битови приложения и големи слънчеви паркове, батериите могат да бъдат безпроблемно интегрирани във всяко приложение за съхранение извън мрежата. От друга страна, методите за съхранение на водна енергия и сгъстен въздух изискват много големи и сложни инфраструктури за съхранение. Това води до много високи разходи, които изискват много големи приложения, за да бъдат оправдани.

Случаи на употреба за системи за съхранение извън мрежата.

Както бе споменато по-рано, системите за съхранение извън мрежата могат да улеснят използването и разчитането на методи за възобновяема енергия, като слънчева и вятърна енергия. Въпреки това, има и други приложения, които могат да се възползват значително от подобни системи.

Градските електропреносни мрежи имат за цел да осигурят точното количество енергия въз основа на предлагането и търсенето на всеки град. Необходимата мощност може да се колебае през деня. Системите за съхранение извън мрежата се използват за смекчаване на колебанията и осигуряване на по-голяма стабилност в случаи на пиково търсене. От друга гледна точка, системите за съхранение извън мрежата могат да бъдат изключително полезни за компенсиране на всякакви непредвидени технически повреди в основната електропреносна мрежа или по време на планирани периоди на поддръжка. Те могат да задоволят енергийните нужди, без да се налага търсене на алтернативни енергийни източници. Може да се посочи например ледената буря в Тексас в началото на февруари 2023 г., която остави приблизително 262 000 души без електричество, а ремонтите бяха забавени поради трудните метеорологични условия.

Електрическите превозни средства са друго приложение. Изследователите са положили много усилия за оптимизиране на производството на батерии и стратегиите за зареждане/разреждане, за да удължат живота и плътността на мощността на батериите. Литиево-йонните батерии са начело на тази малка революция и се използват широко в нови електрически автомобили, но също и в електрически автобуси. По-добрите батерии в този случай могат да доведат до по-голям пробег, но също така и до намалено време за зареждане с правилните технологии.

Други технологични постижения, като безпилотни летателни апарати (БЛА) и мобилни роботи, са се възползвали значително от развитието на батериите. Техните стратегии за движение и управление зависят до голяма степен от капацитета на батерията и осигурената мощност.

Какво е BESS

BESS или система за съхранение на енергия от батерии е система за съхранение на енергия, която може да се използва за съхранение на енергия. Тази енергия може да идва от главната електропреносна мрежа или от възобновяеми енергийни източници, като вятърна и слънчева енергия. Тя е съставена от множество батерии, подредени в различни конфигурации (последователни/паралелни) и оразмерени според изискванията. Те са свързани към инвертор, който се използва за преобразуване на постоянния ток в променлив ток за употреба.система за управление на батериите (BMS)използва се за наблюдение на състоянието на батерията и процеса на зареждане/разреждане.

В сравнение с други системи за съхранение на енергия, те са особено гъвкави за поставяне/свързване и не изискват скъпа инфраструктура, но все пак са със значителни разходи и изискват по-редовна поддръжка в зависимост от употребата.

Оразмеряване и навици за употреба на BESS

Ключов момент, който трябва да се вземе предвид при инсталирането на система за съхранение на енергия от батерии, е оразмеряването. Колко батерии са необходими? В каква конфигурация? В някои случаи видът на батерията може да играе решаваща роля в дългосрочен план по отношение на спестяване на разходи и ефективност.

Това се прави за всеки отделен случай, тъй като приложенията могат да варират от малки домакинства до големи промишлени предприятия.

Най-разпространеният възобновяем източник на енергия за малките домакинства, особено в градските райони, е слънчевата енергия, използваща фотоволтаични панели. Инженерът като цяло би трябвало да вземе предвид средната консумация на енергия на домакинството и да оцени слънчевата радиация през годината за конкретното място. Броят на батериите и тяхната конфигурация на мрежата се избират така, че да отговарят на нуждите на домакинството по време на най-ниското количество слънчева енергия през годината, без да се изтощават напълно батериите. Това предполага решение за пълна енергийна независимост от основната мрежа.

Поддържането на относително умерено ниво на заряд или непълното разреждане на батериите е нещо, което в началото може да е противоречиво на интуицията. В края на краищата, защо да използваме система за съхранение, ако не можем да извлечем пълния ѝ потенциал? На теория е възможно, но може да не е стратегията, която максимизира възвръщаемостта на инвестицията.

Един от основните недостатъци на BESS (Better Equipment System - Електронно разреждане) е относително високата цена на батериите. Следователно, изборът на начин на употреба или стратегия за зареждане/разреждане, която максимизира живота на батерията, е от съществено значение. Например, оловно-киселинните батерии не могат да се разреждат под 50% капацитет, без да претърпят необратими щети. Литиево-йонните батерии имат по-висока енергийна плътност и дълъг живот на циклите. Те могат да се разреждат и с по-големи диапазони на разреждане, но това е за сметка на по-висока цена. Има голяма разлика в цената между различните химични състави, като оловно-киселинните батерии могат да бъдат стотици до хиляди долари по-евтини от литиево-йонна батерия със същия размер. Ето защо оловно-киселинните батерии са най-използваните в слънчеви приложения в страните от третия свят и бедните общности.

Производителността на батерията е силно повлияна от влошаване на работата по време на нейния живот; тя няма стабилна производителност, която завършва с внезапна повреда. Вместо това, капацитетът и предоставеният капацитет могат да намаляват прогресивно. На практика, животът на батерията се счита за изчерпан, когато капацитетът ѝ достигне 80% от първоначалния си капацитет. С други думи, когато капацитетът ѝ спадне с 20%. На практика това означава, че може да се осигури по-малко количество енергия. Това може да повлияе на периодите на използване на напълно независимите системи и на пробега, който едно електрическо превозно средство може да измине.

Друг момент, който трябва да се вземе предвид, е безопасността. С напредъка в производството и технологиите, съвременните батерии като цяло са химически по-стабилни. Въпреки това, поради разграждане и злоупотреба, клетките могат да изпаднат в термично претоварване, което може да доведе до катастрофални резултати и в някои случаи да изложи живота на потребителите на опасност.

Ето защо компаниите са разработили по-добър софтуер за наблюдение на батериите (BMS), за да контролират използването на батерията, но също така да следят състоянието ѝ, за да осигурят навременна поддръжка и да избегнат утежнени последици.

Заключение

Системите за съхранение на енергия от мрежата предоставят чудесна възможност за постигане на енергийна независимост от основната мрежа, но също така осигуряват резервен източник на енергия по време на прекъсвания и пикови натоварвания. Тяхното развитие би улеснило преминаването към по-зелени енергийни източници, като по този начин би ограничило въздействието на производството на енергия върху изменението на климата, като същевременно би отговорило на енергийните нужди с постоянен растеж на потреблението.

Системите за съхранение на енергия в батерии са най-често използваните и най-лесните за конфигуриране за различни ежедневни приложения. Високата им гъвкавост се компенсира от относително висока цена, което води до разработването на стратегии за мониторинг, за да се удължи максимално съответният им живот. В момента индустрията и академичните среди полагат много усилия, за да изследват и разберат деградацията на батериите при различни условия.