Hvordan lagrer man elektricitet uden for nettet?

I løbet af de sidste 50 år har der været en kontinuerlig stigning i det globale elforbrug, med et anslået forbrug på omkring 25.300 terawatt-timer i år 2021. Med overgangen til Industri 4.0 er der en stigning i energibehovet over hele verden. Disse tal stiger hvert år, eksklusive strømbehovet i industrielle og andre økonomiske sektorer. Dette industrielle skift og høje strømforbrug er kombineret med mere håndgribelige klimaforandringer på grund af overdreven udledning af drivhusgasser. I øjeblikket er de fleste kraftværker og -anlæg stærkt afhængige af fossile brændstofkilder (olie og gas) for at imødekomme sådanne behov. Disse klimaproblemer forhindrer yderligere energiproduktion ved hjælp af konventionelle metoder. Derfor er udviklingen af effektive og pålidelige energilagringssystemer blevet stadig vigtigere for at sikre en kontinuerlig og pålidelig energiforsyning fra vedvarende kilder.

Energisektoren har reageret ved at skifte til vedvarende energi eller "grønne" løsninger. Overgangen er blevet hjulpet af forbedrede produktionsteknikker, hvilket f.eks. har ført til mere effektiv fremstilling af vindmøllevinger. Forskere har også været i stand til at forbedre effektiviteten af solceller, hvilket har ført til bedre energiproduktion pr. anvendelsesområde. I 2021 steg elproduktionen fra solcelleanlæg (PV) betydeligt og nåede en rekord på 179 TWh, hvilket repræsenterer en vækst på 22 % i forhold til 2020. Solcelleanlægsteknologi tegner sig nu for 3,6 % af den globale elproduktion og er i øjeblikket den tredjestørste vedvarende energikilde efter vandkraft og vind.

Disse gennembrud løser dog ikke nogle af de iboende ulemper ved vedvarende energisystemer, primært tilgængelighed. De fleste af disse metoder producerer ikke energi efter behov som kul- og oliekraftværker. Solenergiproduktionen er for eksempel tilgængelig hele dagen med variationer afhængigt af solindstrålingsvinkler og placering af PV-paneler. Den kan ikke producere energi om natten, mens dens produktion reduceres betydeligt i vintersæsonen og på meget overskyede dage. Vindkraft lider også af udsving afhængigt af vindhastigheden. Derfor skal disse løsninger kombineres med energilagringssystemer for at opretholde energiforsyningen i perioder med lav produktion.

Hvad er energilagringssystemer?

Energilagringssystemer kan lagre energi for at blive brugt på et senere tidspunkt. I nogle tilfælde vil der være en form for energiomdannelse mellem lagret energi og leveret energi. Det mest almindelige eksempel er elektriske batterier såsom lithium-ion-batterier eller blybatterier. De leverer elektrisk energi gennem kemiske reaktioner mellem elektroderne og elektrolytten.

Batterier, eller BESS (batterienergilagringssystem), repræsenterer den mest almindelige energilagringsmetode, der anvendes i dagligdagen. Andre lagringssystemer findes, såsom vandkraftværker, der omdanner den potentielle energi fra vand lagret i en dæmning til elektrisk energi. Vandet, der falder ned, vil dreje svinghjulet på en turbine, der producerer elektrisk energi. Et andet eksempel er komprimeret gas, hvor gassen ved frigivelse vil dreje turbinens hjul og producere strøm.

Det, der adskiller batterier fra andre lagringsmetoder, er deres potentielle anvendelsesområder. Fra små enheder og strømforsyning til biler til husholdningsapplikationer og store solcelleparker kan batterier problemfrit integreres i enhver off-grid lagringsapplikation. På den anden side kræver vandkraft og trykluftmetoder meget store og komplekse infrastrukturer til lagring. Dette fører til meget høje omkostninger, der kræver meget store applikationer for at det kan retfærdiggøres.

Anvendelseseksempler for off-grid lagringssystemer.

Som tidligere nævnt kan off-grid lagringssystemer fremme brugen og afhængigheden af vedvarende energimetoder såsom sol- og vindenergi. Ikke desto mindre er der andre anvendelser, der kan drage stor fordel af sådanne systemer.

Byernes elnet sigter mod at levere den rette mængde strøm baseret på udbud og efterspørgsel i hver by. Den nødvendige strøm kan svinge i løbet af dagen. Off-grid lagringssystemer er blevet brugt til at afbøde udsving og give mere stabilitet i tilfælde af spidsbelastning. Fra et andet perspektiv kan off-grid lagringssystemer være yderst gavnlige til at kompensere for enhver uforudset teknisk fejl i hovedelnettet eller under planlagte vedligeholdelsesperioder. De kan opfylde strømbehovet uden at skulle søge efter alternative energikilder. Man kan for eksempel nævne isstormen i Texas i begyndelsen af februar 2023, der efterlod cirka 262.000 mennesker uden strøm, mens reparationer blev forsinket på grund af de vanskelige vejrforhold.

Elbiler er en anden anvendelse. Forskere har lagt en stor indsats i at optimere batteriproduktion og opladnings-/afladningsstrategier for at forlænge batteriernes levetid og effekttæthed. Lithium-ion-batterier har været i spidsen for denne lille revolution og er blevet brugt i vid udstrækning i nye elbiler, men også i elbusser. Bedre batterier kan i dette tilfælde føre til et større kilometertal, men også reducerede opladningstider med de rigtige teknologier.

Andre teknologiske fremskridt som f.eks. droner og mobile robotter har haft stor gavn af batteriudviklingen. Deres bevægelsesstrategier og kontrolstrategier er i høj grad afhængige af batteriets kapacitet og strømforsyning.

Hvad er en BESS

BESS eller batterienergilagringssystem er et energilagringssystem, der kan bruges til at lagre energi. Denne energi kan komme fra det centrale elnet eller fra vedvarende energikilder såsom vindenergi og solenergi. Det består af flere batterier arrangeret i forskellige konfigurationer (serie/parallel) og dimensioneret baseret på behovene. De er forbundet til en inverter, der bruges til at konvertere jævnstrøm til vekselstrøm til brug.batteristyringssystem (BMS)bruges til at overvåge batteriets tilstand og opladnings-/afladningsproces.

Sammenlignet med andre energilagringssystemer er de særligt fleksible at placere/tilslutte og kræver ikke en meget dyr infrastruktur, men de har stadig en betydelig omkostning og kræver mere regelmæssig vedligeholdelse baseret på brugen.

BESS-størrelser og brugsvaner

Et afgørende punkt at tage fat på, når man installerer et batteribaseret energilagringssystem, er dimensioneringen. Hvor mange batterier er nødvendige? I hvilken konfiguration? I nogle tilfælde kan batteritypen spille en afgørende rolle på lang sigt med hensyn til omkostningsbesparelser og effektivitet.

Dette gøres fra sag til sag, da anvendelserne kan variere fra små husstande til store industrianlæg.

Den mest almindelige vedvarende energikilde for små husstande, især i byområder, er solenergi ved hjælp af solcellepaneler. Ingeniøren vil generelt tage husstandens gennemsnitlige strømforbrug i betragtning og vurdere solindstrålingen i løbet af året for den specifikke lokation. Antallet af batterier og deres netkonfiguration vælges for at matche husstandens behov under årets laveste solenergiforsyning, uden at batterierne aflades fuldstændigt. Dette forudsætter en løsning, der har fuldstændig strømuafhængighed fra hovednettet.

At opretholde en relativt moderat opladningstilstand eller ikke aflade batterierne helt kan virke kontraintuitivt i starten. Hvorfor bruge et lagringssystem, hvis vi ikke kan udnytte dets fulde potentiale? I teorien er det muligt, men det er måske ikke den strategi, der maksimerer investeringsafkastet.

En af de største ulemper ved BESS er den relativt høje pris på batterier. Derfor er det vigtigt at vælge en brugsvane eller en opladnings-/afladningsstrategi, der maksimerer batteriets levetid. For eksempel kan blybatterier ikke aflades til under 50 % kapacitet uden at lide uoprettelig skade. Lithium-ion-batterier har en højere energitæthed og lang levetid. De kan også aflades med større rækkevidder, men dette kommer med en højere pris. Der er stor prisforskel mellem forskellige kemiske stoffer, og blybatterier kan være hundredvis til tusindvis af dollars billigere end et lithium-ion-batteri af samme størrelse. Derfor er blybatterier de mest anvendte i solcelleapplikationer i tredjeverdenslande og fattige samfund.

Batteriets ydeevne påvirkes kraftigt af forringelse i løbet af dets levetid. Det har ikke en stabil ydeevne, der ender med pludselige fejl. I stedet kan kapaciteten og den leverede kapacitet gradvist falde. I praksis anses et batteris levetid for at være udløbet, når dets kapacitet når 80 % af dets oprindelige kapacitet. Med andre ord, når det oplever et kapacitetsfald på 20 %. I praksis betyder det, at en lavere mængde energi kan leveres. Dette kan påvirke brugsperioderne for fuldt uafhængige systemer og den kilometertal, en elbil kan tilbagelægge.

Et andet punkt at overveje er sikkerhed. Med fremskridt inden for fremstilling og teknologi er nyere batterier generelt blevet mere kemisk stabile. Men på grund af nedbrydning og misbrug kan cellerne gå i termisk løb, hvilket kan føre til katastrofale resultater og i nogle tilfælde bringe forbrugernes liv i fare.

Derfor har virksomheder udviklet bedre batteriovervågningssoftware (BMS) til at kontrollere batteriforbruget, men også overvåge batteriets sundhedstilstand for at kunne sørge for rettidig vedligeholdelse og undgå forværrede konsekvenser.

Konklusion

Energilagringssystemer i elnettet giver en god mulighed for at opnå uafhængighed af hovednettet, men de fungerer også som en backup-strømkilde i perioder med nedetid og spidsbelastning. Udviklingen heraf vil fremme skiftet til grønnere energikilder og dermed begrænse energiproduktionens indvirkning på klimaforandringer, samtidig med at energibehovet med en konstant vækst i forbruget opfyldes.

Batterilagringssystemer er de mest almindeligt anvendte og nemmeste at konfigurere til forskellige daglige anvendelser. Deres høje fleksibilitet modvirkes af en relativt høj pris, hvilket fører til udvikling af overvågningsstrategier for at forlænge den respektive levetid så meget som muligt. I øjeblikket bruger industrien og den akademiske verden en stor indsats på at undersøge og forstå batterinedbrydning under forskellige forhold.