Kako skladištiti električnu energiju van mreže?

Tokom proteklih 50 godina, došlo je do kontinuiranog povećanja globalne potrošnje električne energije, s procijenjenom potrošnjom od oko 25.300 teravat-sati u 2021. godini. S prelaskom na Industriju 4.0, dolazi do povećanja potražnje za energijom širom svijeta. Ove brojke se povećavaju svake godine, ne uključujući potrebe za energijom industrijskih i drugih ekonomskih sektora. Ovaj industrijski pomak i velika potrošnja energije povezani su s opipljivijim efektima klimatskih promjena zbog prekomjernih emisija stakleničkih plinova. Trenutno se većina elektrana i postrojenja za proizvodnju energije uveliko oslanja na izvore fosilnih goriva (naftu i plin) kako bi zadovoljila takve potrebe. Ove klimatske zabrinutosti sprječavaju dodatnu proizvodnju energije korištenjem konvencionalnih metoda. Stoga je razvoj efikasnih i pouzdanih sistema za skladištenje energije postao sve važniji kako bi se osiguralo kontinuirano i pouzdano snabdijevanje energijom iz obnovljivih izvora.

Energetski sektor je odgovorio prelaskom na obnovljive izvore energije ili „zelena“ rješenja. Tranziciju su potpomogle poboljšane proizvodne tehnike, što je, na primjer, dovelo do efikasnije proizvodnje lopatica vjetroturbina. Također, istraživači su uspjeli poboljšati efikasnost fotonaponskih ćelija, što je dovelo do bolje proizvodnje energije po površini korištenja. U 2021. godini, proizvodnja električne energije iz solarnih fotonaponskih (PV) izvora značajno se povećala, dostigavši rekordnih 179 TWh, što predstavlja rast od 22% u odnosu na 2020. godinu. Solarna PV tehnologija sada čini 3,6% globalne proizvodnje električne energije i trenutno je treći najveći obnovljivi izvor energije nakon hidroenergije i vjetra.

Međutim, ovi prodori ne rješavaju neke od inherentnih nedostataka sistema obnovljive energije, uglavnom dostupnost. Većina ovih metoda ne proizvodi energiju po potrebi kao termoelektrane na ugalj i naftu. Izlaz solarne energije je, na primjer, dostupan tokom cijelog dana s varijacijama ovisno o uglovima sunčevog zračenja i položaju PV panela. Ne može proizvoditi energiju tokom noći, dok je njegova proizvodnja značajno smanjena tokom zimske sezone i u vrlo oblačnim danima. Energija vjetra također pati od fluktuacija ovisno o brzini vjetra. Stoga ova rješenja moraju biti povezana sa sistemima za skladištenje energije kako bi se održalo snabdijevanje energijom tokom perioda niske proizvodnje.

Šta su sistemi za skladištenje energije?

Sistemi za skladištenje energije mogu pohranjivati energiju kako bi se kasnije koristila. U nekim slučajevima, doći će do oblika pretvorbe energije između pohranjene energije i isporučene energije. Najčešći primjer su električne baterije kao što su litijum-jonske baterije ili olovno-kiselinske baterije. One obezbjeđuju električnu energiju putem hemijskih reakcija između elektroda i elektrolita.

Baterije, ili BESS (sistem za skladištenje energije u baterijama), predstavljaju najčešću metodu skladištenja energije koja se koristi u svakodnevnom životu. Postoje i drugi sistemi za skladištenje, kao što su hidroelektrane koje pretvaraju potencijalnu energiju vode uskladištene u brani u električnu energiju. Voda koja pada okreće zamašnjak turbine koja proizvodi električnu energiju. Drugi primjer je komprimirani plin, nakon oslobađanja plin okreće točak turbine koja proizvodi energiju.

Ono što razlikuje baterije od ostalih metoda skladištenja su njihova potencijalna područja djelovanja. Od malih uređaja i napajanja automobila do kućanskih primjena i velikih solarnih farmi, baterije se mogu besprijekorno integrirati u bilo koju aplikaciju za skladištenje van mreže. S druge strane, hidroenergija i metode komprimiranog zraka zahtijevaju vrlo veliku i složenu infrastrukturu za skladištenje. To dovodi do vrlo visokih troškova koji zahtijevaju vrlo velike primjene da bi se opravdali.

Primjeri upotrebe za sisteme za skladištenje podataka van mreže.

Kao što je prethodno spomenuto, sistemi za skladištenje energije van mreže mogu olakšati korištenje i oslanjanje na obnovljive izvore energije poput solarne i energije vjetra. Ipak, postoje i druge primjene koje mogu imati velike koristi od takvih sistema.

Gradske elektroenergetske mreže imaju za cilj da obezbijede pravu količinu energije na osnovu ponude i potražnje svakog grada. Potrebna energija može varirati tokom dana. Sistemi za skladištenje energije van mreže korišteni su za ublažavanje fluktuacija i obezbjeđivanje veće stabilnosti u slučajevima vršne potražnje. Iz druge perspektive, sistemi za skladištenje energije van mreže mogu biti veoma korisni za kompenzaciju bilo kakvog nepredviđenog tehničkog kvara u glavnoj elektroenergetskoj mreži ili tokom planiranih perioda održavanja. Oni mogu zadovoljiti potrebe za energijom bez potrebe za traženjem alternativnih izvora energije. Kao primjer može se navesti ledena oluja u Teksasu početkom februara 2023. godine koja je ostavila približno 262.000 ljudi bez struje, dok su popravke odložene zbog teških vremenskih uslova.

Električna vozila su još jedna primjena. Istraživači su uložili mnogo truda u optimizaciju proizvodnje baterija i strategija punjenja/pražnjenja kako bi produžili vijek trajanja i gustoću snage baterija. Litijum-jonske baterije su bile u prvim redovima ove male revolucije i široko se koriste u novim električnim automobilima, ali i električnim autobusima. Bolje baterije u ovom slučaju mogu dovesti do veće kilometraže, ali i smanjenog vremena punjenja uz prave tehnologije.

Drugi tehnološki napredak, poput bespilotnih letjelica i mobilnih robota, uveliko je imao koristi od razvoja baterija. Njihove strategije kretanja i strategije upravljanja uveliko zavise od kapaciteta baterije i isporučene snage.

Šta je BESS

BESS ili sistem za skladištenje energije u baterijama je sistem za skladištenje energije koji se može koristiti za skladištenje energije. Ova energija može dolaziti iz glavne mreže ili iz obnovljivih izvora energije kao što su energija vjetra i solarna energija. Sastoji se od više baterija raspoređenih u različitim konfiguracijama (serijski/paralelni) i dimenzioniranih na osnovu zahtjeva. Povezane su s inverterom koji se koristi za pretvaranje jednosmjerne struje u izmjeničnu struju za upotrebu.sistem za upravljanje baterijama (BMS)Koristi se za praćenje stanja baterije i procesa punjenja/pražnjenja.

U poređenju s drugim sistemima za skladištenje energije, oni su posebno fleksibilni za postavljanje/povezivanje i ne zahtijevaju skupu infrastrukturu, ali i dalje imaju znatne troškove i zahtijevaju redovnije održavanje na osnovu upotrebe.

BESS dimenzioniranje i navike korištenja

Ključna stvar koju treba riješiti prilikom instaliranja sistema za skladištenje energije u baterijama je dimenzioniranje. Koliko baterija je potrebno? U kojoj konfiguraciji? U nekim slučajevima, tip baterije može igrati ključnu ulogu na dugi rok u smislu uštede troškova i efikasnosti.

Ovo se radi od slučaja do slučaja, jer primjene mogu varirati od malih domaćinstava do velikih industrijskih postrojenja.

Najčešći obnovljivi izvor energije za mala domaćinstva, posebno u urbanim područjima, je solarna energija korištenjem fotonaponskih panela. Inženjer bi općenito trebao uzeti u obzir prosječnu potrošnju energije domaćinstva i procijeniti sunčevo zračenje tokom godine za određenu lokaciju. Broj baterija i njihova konfiguracija mreže odabiru se tako da odgovaraju potrebama domaćinstva tokom najniže solarne opskrbe energijom u godini, a da se baterije ne isprazne u potpunosti. Ovo pretpostavlja rješenje koje ima potpunu nezavisnost od glavne električne mreže.

Održavanje relativno umjerenog stanja napunjenosti ili nepotpuno pražnjenje baterija je nešto što u početku može biti kontraintuitivno. Uostalom, zašto koristiti sistem za skladištenje ako ne možemo izvući njegov puni potencijal? Teoretski je to moguće, ali to možda nije strategija koja maksimizira povrat investicije.

Jedan od glavnih nedostataka BESS-a je relativno visoka cijena baterija. Stoga je ključno odabrati naviku korištenja ili strategiju punjenja/pražnjenja koja maksimizira vijek trajanja baterije. Na primjer, olovne baterije ne mogu se isprazniti ispod 50% kapaciteta bez nepovratnih oštećenja. Litijum-jonske baterije imaju veću gustinu energije i dug vijek trajanja. Također se mogu prazniti korištenjem većih raspona, ali to dolazi po cijenu veće cijene. Postoji velika razlika u cijeni između različitih hemijskih sastava, olovne baterije mogu biti stotine do hiljade dolara jeftinije od litijum-jonske baterije iste veličine. Zbog toga se olovne baterije najčešće koriste u solarnim aplikacijama u zemljama trećeg svijeta i siromašnim zajednicama.

Performanse baterije su uveliko pogođene degradacijom tokom njenog životnog vijeka; nema stabilne performanse koje završavaju iznenadnim kvarom. Umjesto toga, kapacitet i isporučeni kapacitet mogu progresivno opadati. U praksi, vijek trajanja baterije se smatra isteklim kada njen kapacitet dostigne 80% svog prvobitnog kapaciteta. Drugim riječima, kada dođe do opadanja kapaciteta od 20%. U praksi to znači da se može obezbijediti manja količina energije. To može uticati na periode korištenja potpuno nezavisnih sistema i količinu kilometara koju električno vozilo može preći.

Još jedna stvar koju treba uzeti u obzir je sigurnost. S napretkom u proizvodnji i tehnologiji, novije baterije su uglavnom hemijski stabilnije. Međutim, zbog degradacije i historije zloupotrebe, ćelije mogu termički skakati, što može dovesti do katastrofalnih posljedica, a u nekim slučajevima i ugroziti život potrošača.

Zbog toga su kompanije razvile bolji softver za praćenje baterija (BMS) kako bi kontrolisale potrošnju baterije, ali i pratile njeno stanje kako bi obezbijedile pravovremeno održavanje i izbjegle teže posljedice.

Zaključak

Sistemi za skladištenje energije iz mreže pružaju odličnu priliku za postizanje energetske nezavisnosti od glavne mreže, ali i obezbjeđuju rezervni izvor energije tokom zastoja i perioda vršnog opterećenja. Njihov razvoj bi olakšao prelazak na zelenije izvore energije, čime bi se ograničio uticaj proizvodnje energije na klimatske promjene, a istovremeno bi se zadovoljile energetske potrebe uz stalan rast potrošnje.

Sistemi za skladištenje energije u baterijama su najčešće korišteni i najlakši za konfiguriranje za različite svakodnevne primjene. Njihova visoka fleksibilnost suprotstavljena je relativno visokim troškovima, što dovodi do razvoja strategija praćenja kako bi se što više produžio njihov vijek trajanja. Trenutno, industrija i akademska zajednica ulažu mnogo napora u istraživanje i razumijevanje degradacije baterija pod različitim uslovima.