Během posledních 50 let dochází k neustálému nárůstu celosvětové spotřeby elektřiny, přičemž v roce 2021 se odhaduje spotřeba na přibližně 25 300 terawatthodin. S přechodem na Průmysl 4.0 se zvyšuje poptávka po energii po celém světě. Tato čísla se každým rokem zvyšují, nepočítaje v to energetické nároky průmyslových a dalších hospodářských odvětví. Tento průmyslový posun a vysoká spotřeba energie jsou spojeny s hmatatelnějšími dopady změny klimatu v důsledku nadměrných emisí skleníkových plynů. V současné době se většina elektráren a zařízení do značné míry spoléhá na fosilní paliva (ropu a plyn), aby uspokojila tuto poptávku. Tyto klimatické obavy brání další výrobě energie konvenčními metodami. Proto je vývoj účinných a spolehlivých systémů skladování energie stále důležitější pro zajištění nepřetržitého a spolehlivého zásobování energií z obnovitelných zdrojů.
Energetický sektor reagoval přechodem k obnovitelným zdrojům energie nebo „zeleným“ řešením. Přechodu napomohly zdokonalené výrobní techniky, které vedly například k efektivnější výrobě lopatek větrných turbín. Výzkumníkům se také podařilo zlepšit účinnost fotovoltaických článků, což vedlo k lepší výrobě energie na plochu využití. V roce 2021 se výroba elektřiny ze solárních fotovoltaických (FV) zdrojů výrazně zvýšila a dosáhla rekordních 179 TWh, což představuje nárůst o 22 % ve srovnání s rokem 2020. Technologie solární fotovoltaiky nyní představuje 3,6 % celosvětové výroby elektřiny a v současnosti je třetím největším obnovitelným zdrojem energie po vodní a větrné energii.
Tyto průlomy však neřeší některé inherentní nevýhody systémů obnovitelných zdrojů energie, zejména dostupnost. Většina těchto metod nevyrábí energii na vyžádání jako uhelné a ropné elektrárny. Solární energie je například k dispozici po celý den s variabilitou v závislosti na úhlu slunečního záření a umístění fotovoltaických panelů. Během noci nemůže produkovat žádnou energii, zatímco její výkon je v zimním období a za velmi oblačných dnů výrazně snížen. Větrná energie také trpí výkyvy v závislosti na rychlosti větru. Proto je nutné tato řešení propojit se systémy pro ukládání energie, aby se udržely dodávky energie i v obdobích s nízkým výkonem.
Co jsou systémy pro ukládání energie?
Systémy pro ukládání energie mohou ukládat energii pro pozdější použití. V některých případech dochází k určité formě přeměny energie mezi uloženou energií a dodanou energií. Nejběžnějším příkladem jsou elektrické baterie, jako jsou lithium-iontové baterie nebo olověné baterie. Ty dodávají elektrickou energii chemickými reakcemi mezi elektrodami a elektrolytem.
Baterie neboli BESS (bateriový systém pro ukládání energie) představují nejběžnější metodu ukládání energie používanou v každodenním životě. Existují i jiné systémy pro ukládání energie, jako například vodní elektrárny, které přeměňují potenciální energii vody uskladněné v přehradě na elektrickou energii. Padající voda otáčí setrvačník turbíny, která vyrábí elektrickou energii. Dalším příkladem je stlačený plyn, po uvolnění kterého plyn otáčí kolo turbíny a vyrábí energii.
To, co odlišuje baterie od ostatních metod skladování, jsou jejich potenciální oblasti použití. Od malých zařízení a automobilových napájecích zdrojů až po domácí aplikace a velké solární farmy, baterie lze bezproblémově integrovat do jakékoli aplikace pro skladování mimo síť. Na druhou stranu, vodní energie a metody stlačeného vzduchu vyžadují pro skladování velmi rozsáhlou a složitou infrastrukturu. To vede k velmi vysokým nákladům, které vyžadují velmi rozsáhlé aplikace, aby byly opodstatněné.
Případy použití pro systémy úložiště mimo síť.
Jak již bylo zmíněno, systémy pro skladování energie mimo síť mohou usnadnit využívání a spoléhání se na obnovitelné zdroje energie, jako je solární a větrná energie. Existují však i další aplikace, které mohou z takových systémů výrazně těžit.
Městské elektrické sítě se snaží poskytovat správné množství energie na základě nabídky a poptávky každého města. Potřebná energie může v průběhu dne kolísat. K zmírnění výkyvů a zajištění větší stability v případech špičkové poptávky se používají systémy externího skladování energie. Z jiného úhlu pohledu mohou být systémy externího skladování energie velmi prospěšné pro kompenzaci jakékoli nepředvídané technické závady v hlavní elektrické síti nebo během plánovaných období údržby. Mohou uspokojit energetické požadavky, aniž by bylo nutné hledat alternativní zdroje energie. Lze například uvést texaskou ledovou bouři na začátku února 2023, která nechala bez proudu přibližně 262 000 lidí, zatímco opravy se kvůli obtížným povětrnostním podmínkám zpozdily.
Další aplikací jsou elektromobily. Výzkumníci vynaložili velké úsilí na optimalizaci výroby baterií a strategií nabíjení/vybíjení, aby prodloužili životnost a hustotu výkonu baterií. Lithium-iontové baterie byly v popředí této malé revoluce a hojně se používají v nových elektromobilech, ale i v elektrických autobusech. Lepší baterie v tomto případě mohou vést k většímu dojezdu, ale také ke zkrácení doby nabíjení se správnými technologiemi.
Další technologické pokroky, jako jsou bezpilotní letouny (UAV) a mobilní roboti, výrazně těžily z vývoje baterií. Jejich strategie pohybu a řízení silně závisí na kapacitě a dodávaném výkonu baterie.
Co je BESS
BESS neboli systém pro ukládání energie v bateriích je systém pro ukládání energie. Tato energie může pocházet z hlavní sítě nebo z obnovitelných zdrojů energie, jako je větrná a solární energie. Skládá se z několika baterií uspořádaných v různých konfiguracích (sériových/paralelních) a dimenzovaných podle požadavků. Jsou připojeny k měniči, který slouží k převodu stejnosměrného proudu na střídavý proud pro další použití.systém správy baterií (BMS)slouží ke sledování stavu baterie a procesu nabíjení/vybíjení.
Ve srovnání s jinými systémy pro ukládání energie jsou obzvláště flexibilní, co se týče umístění/připojení, a nevyžadují drahou infrastrukturu, ale stále jsou značně nákladné a vyžadují pravidelnější údržbu v závislosti na používání.
Velikost a způsoby používání BESS
Klíčovým bodem, který je třeba při instalaci systému bateriového úložiště energie řešit, je dimenzování. Kolik baterií je potřeba? V jaké konfiguraci? V některých případech může typ baterie hrát klíčovou roli z dlouhodobého hlediska, pokud jde o úsporu nákladů a efektivitu.
Toto se provádí individuálně, protože aplikace se mohou pohybovat od malých domácností až po velké průmyslové závody.
Nejběžnějším obnovitelným zdrojem energie pro malé domácnosti, zejména v městských oblastech, je solární energie využívající fotovoltaické panely. Technik by obecně měl zohlednit průměrnou spotřebu energie domácnosti a posoudit sluneční záření v průběhu roku pro konkrétní lokalitu. Počet baterií a jejich konfigurace sítě se volí tak, aby odpovídaly potřebám domácnosti během nejnižšího solárního zásobování v roce, aniž by se baterie zcela vybily. Toto řešení předpokládá úplnou energetickou nezávislost od hlavní sítě.
Udržování relativně mírného stavu nabití nebo neúplné vybíjení baterií je zpočátku něco, co se může zdát protiintuitivní. Koneckonců, proč používat systém úložiště, když nedokážeme využít jeho plný potenciál? Teoreticky je to možné, ale nemusí to být strategie, která maximalizuje návratnost investice.
Jednou z hlavních nevýhod technologií BESS (Better Electrical Equipment - energeticky úsporné baterie) je relativně vysoká cena baterií. Proto je zásadní zvolit způsob používání nebo strategii nabíjení/vybíjení, která maximalizuje životnost baterie. Například olověné baterie nelze vybíjet pod 50 % kapacity, aniž by došlo k nevratnému poškození. Lithium-iontové baterie mají vyšší energetickou hustotu a dlouhou životnost. Lze je také vybíjet s větším počtem cyklů, ale to je za cenu vyšší ceny. Mezi různými chemickými skupinami existuje velký rozdíl v ceně, olověné baterie mohou být o stovky až tisíce dolarů levnější než lithium-iontové baterie stejné velikosti. Proto jsou olověné baterie nejpoužívanější v solárních aplikacích v zemích třetího světa a chudých komunitách.
Výkon baterie je během své životnosti silně ovlivněn degradací, nemá stabilní výkon, který by končil náhlým selháním. Místo toho se kapacita a poskytovaná energie mohou postupně snižovat. V praxi se životnost baterie považuje za vyčerpanou, když její kapacita dosáhne 80 % původní kapacity. Jinými slovy, když dojde k poklesu kapacity o 20 %. V praxi to znamená, že lze dodávat menší množství energie. To může ovlivnit dobu používání plně nezávislých systémů a počet najetých kilometrů s elektromobilem.
Dalším bodem, který je třeba zvážit, je bezpečnost. Díky pokroku ve výrobě a technologiích jsou moderní baterie obecně chemicky stabilnější. V důsledku degradace a nesprávného používání však mohou články tepelně přehřát, což může vést ke katastrofálním následkům a v některých případech ohrozit i život spotřebitelů.
Proto firmy vyvinuly lepší software pro monitorování baterií (BMS), který nezávisí na jejich spotřebě, ale také na jejich stavu, aby mohly včas provádět údržbu a předcházet závažným následkům.
Závěr
Systémy pro ukládání energie v rozvodné síti poskytují skvělou příležitost k dosažení energetické nezávislosti od hlavní sítě, ale také poskytují záložní zdroj energie během výpadků a špičkového zatížení. Jejich rozvoj by usnadnil přechod k ekologičtějším zdrojům energie, čímž by se omezil dopad výroby energie na změnu klimatu a zároveň by se splnily energetické požadavky s neustálým růstem spotřeby.
Systémy pro ukládání energie v bateriích jsou nejčastěji používané a nejsnadněji konfigurovatelné pro různé každodenní aplikace. Jejich vysoká flexibilita je však vyvážena relativně vysokými náklady, což vede k vývoji monitorovacích strategií pro co největší prodloužení jejich životnosti. V současné době průmysl i akademická obec vynakládají velké úsilí na zkoumání a pochopení degradace baterií za různých podmínek.
Související článek:
Energetická řešení na míru – revoluční přístupy k přístupu k energii
Maximalizace obnovitelných zdrojů energie: Úloha bateriového ukládání energie
Pokroky v technologii baterií pro systémy skladování energie v mořích
