Πώς να αποθηκεύσετε ηλεκτρική ενέργεια εκτός δικτύου;

Τα τελευταία 50 χρόνια, η παγκόσμια κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας αυξάνεται συνεχώς, με εκτιμώμενη χρήση περίπου 25.300 τεραβατώρες το έτος 2021. Με τη μετάβαση προς τη Βιομηχανία 4.0, παρατηρείται αύξηση των ενεργειακών απαιτήσεων σε όλο τον κόσμο. Αυτοί οι αριθμοί αυξάνονται κάθε χρόνο, χωρίς να περιλαμβάνονται οι ενεργειακές απαιτήσεις των βιομηχανικών και άλλων οικονομικών τομέων. Αυτή η βιομηχανική μετατόπιση και η υψηλή κατανάλωση ενέργειας συνδυάζονται με πιο απτές επιπτώσεις της κλιματικής αλλαγής λόγω των υπερβολικών εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου. Επί του παρόντος, οι περισσότερες μονάδες και εγκαταστάσεις παραγωγής ενέργειας βασίζονται σε μεγάλο βαθμό σε πηγές ορυκτών καυσίμων (πετρέλαιο και φυσικό αέριο) για την κάλυψη αυτών των απαιτήσεων. Αυτές οι κλιματικές ανησυχίες απαγορεύουν την πρόσθετη παραγωγή ενέργειας με συμβατικές μεθόδους. Έτσι, η ανάπτυξη αποτελεσματικών και αξιόπιστων συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας έχει αποκτήσει ολοένα και μεγαλύτερη σημασία για την εξασφάλιση συνεχούς και αξιόπιστης παροχής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές.

Ο ενεργειακός τομέας ανταποκρίθηκε μετατοπιζόμενος προς τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας ή τις «πράσινες» λύσεις. Η μετάβαση έχει βοηθηθεί από βελτιωμένες τεχνικές κατασκευής, που οδήγησαν για παράδειγμα σε πιο αποτελεσματική κατασκευή πτερυγίων ανεμογεννητριών. Επίσης, οι ερευνητές μπόρεσαν να βελτιώσουν την απόδοση των φωτοβολταϊκών κυψελών, οδηγώντας σε καλύτερη παραγωγή ενέργειας ανά περιοχή χρήσης. Το 2021, η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ηλιακές φωτοβολταϊκές (Φ/Β) πηγές αυξήθηκε σημαντικά, φτάνοντας το ρεκόρ των 179 TWh και αντιπροσωπεύοντας αύξηση 22% σε σύγκριση με το 2020. Η τεχνολογία ηλιακών φωτοβολταϊκών αντιπροσωπεύει πλέον το 3,6% της παγκόσμιας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και είναι επί του παρόντος η τρίτη μεγαλύτερη ανανεώσιμη πηγή ενέργειας μετά την υδροηλεκτρική και την αιολική ενέργεια.

Ωστόσο, αυτές οι καινοτομίες δεν επιλύουν ορισμένα από τα εγγενή μειονεκτήματα των συστημάτων ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, κυρίως τη διαθεσιμότητα. Οι περισσότερες από αυτές τις μεθόδους δεν παράγουν ενέργεια κατόπιν ζήτησης, όπως οι μονάδες παραγωγής ενέργειας με άνθρακα και πετρέλαιο. Η ηλιακή ενέργεια είναι, για παράδειγμα, διαθέσιμη καθ' όλη τη διάρκεια της ημέρας με διακυμάνσεις ανάλογα με τις γωνίες ηλιακής ακτινοβολίας και τη θέση των φωτοβολταϊκών πάνελ. Δεν μπορεί να παράγει ενέργεια κατά τη διάρκεια της νύχτας, ενώ η παραγωγή της μειώνεται σημαντικά κατά τη χειμερινή περίοδο και τις πολύ συννεφιασμένες ημέρες. Η αιολική ενέργεια υποφέρει επίσης από διακυμάνσεις ανάλογα με την ταχύτητα του ανέμου. Επομένως, αυτές οι λύσεις πρέπει να συνδυάζονται με συστήματα αποθήκευσης ενέργειας, προκειμένου να διατηρείται η παροχή ενέργειας κατά τις περιόδους χαμηλής παραγωγής.

Τι είναι τα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας;

Τα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας μπορούν να αποθηκεύουν ενέργεια προκειμένου να χρησιμοποιηθεί σε μεταγενέστερο στάδιο. Σε ορισμένες περιπτώσεις, θα υπάρχει μια μορφή μετατροπής ενέργειας μεταξύ της αποθηκευμένης ενέργειας και της παρεχόμενης ενέργειας. Το πιο συνηθισμένο παράδειγμα είναι οι ηλεκτρικές μπαταρίες όπως οι μπαταρίες ιόντων λιθίου ή οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος. Παρέχουν ηλεκτρική ενέργεια μέσω χημικών αντιδράσεων μεταξύ των ηλεκτροδίων και του ηλεκτρολύτη.

Οι μπαταρίες, ή BESS (σύστημα αποθήκευσης ενέργειας από μπαταρίες), αντιπροσωπεύουν την πιο κοινή μέθοδο αποθήκευσης ενέργειας που χρησιμοποιείται στις εφαρμογές της καθημερινής ζωής. Υπάρχουν και άλλα συστήματα αποθήκευσης, όπως οι υδροηλεκτρικοί σταθμοί που μετατρέπουν τη δυναμική ενέργεια του νερού που είναι αποθηκευμένο σε ένα φράγμα σε ηλεκτρική ενέργεια. Το νερό που πέφτει θα περιστρέψει τον σφόνδυλο μιας τουρμπίνας που παράγει ηλεκτρική ενέργεια. Ένα άλλο παράδειγμα είναι το συμπιεσμένο αέριο, το οποίο κατά την απελευθέρωσή του θα περιστρέψει τον τροχό της τουρμπίνας παράγοντας ενέργεια.

Αυτό που διαφοροποιεί τις μπαταρίες από τις άλλες μεθόδους αποθήκευσης είναι οι πιθανοί τομείς λειτουργίας τους. Από μικρές συσκευές και τροφοδοτικά αυτοκινήτων έως οικιακές εφαρμογές και μεγάλα ηλιακά πάρκα, οι μπαταρίες μπορούν να ενσωματωθούν απρόσκοπτα σε οποιαδήποτε εφαρμογή αποθήκευσης εκτός δικτύου. Από την άλλη πλευρά, οι μέθοδοι υδροηλεκτρικής ενέργειας και πεπιεσμένου αέρα απαιτούν πολύ μεγάλες και πολύπλοκες υποδομές για αποθήκευση. Αυτό οδηγεί σε πολύ υψηλό κόστος που απαιτεί πολύ μεγάλες εφαρμογές για να δικαιολογηθεί.

Περιπτώσεις χρήσης για συστήματα αποθήκευσης εκτός δικτύου.

Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, τα συστήματα αποθήκευσης εκτός δικτύου μπορούν να διευκολύνουν τη χρήση και την εξάρτηση από μεθόδους ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, όπως η ηλιακή και η αιολική ενέργεια. Παρ' όλα αυτά, υπάρχουν και άλλες εφαρμογές που μπορούν να επωφεληθούν σε μεγάλο βαθμό από τέτοια συστήματα.

Τα δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας των πόλεων στοχεύουν στην παροχή της σωστής ποσότητας ενέργειας με βάση την προσφορά και τη ζήτηση κάθε πόλης. Η απαιτούμενη ενέργεια μπορεί να παρουσιάζει διακυμάνσεις καθ' όλη τη διάρκεια της ημέρας. Τα συστήματα αποθήκευσης εκτός δικτύου έχουν χρησιμοποιηθεί για την άμβλυνση των διακυμάνσεων και την παροχή μεγαλύτερης σταθερότητας σε περιπτώσεις αιχμής της ζήτησης. Από μια διαφορετική οπτική γωνία, τα συστήματα αποθήκευσης εκτός δικτύου μπορούν να είναι ιδιαίτερα ωφέλιμα για την αντιστάθμιση τυχόν απρόβλεπτων τεχνικών βλαβών στο κύριο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας ή κατά τη διάρκεια προγραμματισμένων περιόδων συντήρησης. Μπορούν να καλύψουν τις ανάγκες ενέργειας χωρίς να χρειάζεται να αναζητηθούν εναλλακτικές πηγές ενέργειας. Μπορεί κανείς να αναφέρει για παράδειγμα την παγοθύελλα στο Τέξας στις αρχές Φεβρουαρίου 2023 που άφησε περίπου 262.000 άτομα χωρίς ρεύμα, ενώ οι επισκευές καθυστέρησαν λόγω των δύσκολων καιρικών συνθηκών.

Τα ηλεκτρικά οχήματα αποτελούν μια άλλη εφαρμογή. Οι ερευνητές έχουν καταβάλει μεγάλη προσπάθεια για να βελτιστοποιήσουν τις στρατηγικές κατασκευής και φόρτισης/εκφόρτισης μπαταριών, προκειμένου να παρατείνουν τη διάρκεια ζωής και την πυκνότητα ισχύος των μπαταριών. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου βρίσκονται στην πρώτη γραμμή αυτής της μικρής επανάστασης και έχουν χρησιμοποιηθεί εκτενώς σε νέα ηλεκτρικά αυτοκίνητα, αλλά και σε ηλεκτρικά λεωφορεία. Οι καλύτερες μπαταρίες σε αυτήν την περίπτωση μπορούν να οδηγήσουν σε μεγαλύτερη χιλιομετρική απόδοση, αλλά και σε μειωμένους χρόνους φόρτισης με τις κατάλληλες τεχνολογίες.

Άλλες τεχνολογικές εξελίξεις, όπως τα UAV και τα κινητά ρομπότ, έχουν επωφεληθεί σε μεγάλο βαθμό από την ανάπτυξη μπαταριών. Οι στρατηγικές κίνησης και ελέγχου τους εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από την χωρητικότητα και την ισχύ της μπαταρίας που παρέχεται.

Τι είναι ένα BESS

Το BESS ή σύστημα αποθήκευσης ενέργειας από μπαταρίες είναι ένα σύστημα αποθήκευσης ενέργειας που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αποθήκευση ενέργειας. Αυτή η ενέργεια μπορεί να προέρχεται από το κύριο δίκτυο ή από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας όπως η αιολική ενέργεια και η ηλιακή ενέργεια. Αποτελείται από πολλαπλές μπαταρίες διατεταγμένες σε διαφορετικές διαμορφώσεις (σειρά/παράλληλη) και μεγέθους ανάλογα με τις απαιτήσεις. Συνδέονται με έναν μετατροπέα που χρησιμοποιείται για τη μετατροπή της συνεχούς ρεύματος σε εναλλασσόμενο ρεύμα για χρήση. Aσύστημα διαχείρισης μπαταριών (BMS)Χρησιμοποιείται για την παρακολούθηση της κατάστασης της μπαταρίας και της λειτουργίας φόρτισης/εκφόρτισης.

Σε σύγκριση με άλλα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας, είναι ιδιαίτερα ευέλικτα στην τοποθέτηση/σύνδεση και δεν απαιτούν ιδιαίτερα δαπανηρή υποδομή, αλλά εξακολουθούν να έχουν σημαντικό κόστος και απαιτούν πιο τακτική συντήρηση ανάλογα με τη χρήση.

Διαστάσεις και συνήθειες χρήσης BESS

Ένα κρίσιμο σημείο που πρέπει να ληφθεί υπόψη κατά την εγκατάσταση ενός συστήματος αποθήκευσης ενέργειας από μπαταρίες είναι το μέγεθος. Πόσες μπαταρίες χρειάζονται; Σε ποια διαμόρφωση; Σε ορισμένες περιπτώσεις, ο τύπος της μπαταρίας μπορεί να διαδραματίσει κρίσιμο ρόλο μακροπρόθεσμα όσον αφορά την εξοικονόμηση κόστους και την αποδοτικότητα.

Αυτό γίνεται κατά περίπτωση, καθώς οι εφαρμογές μπορούν να κυμαίνονται από μικρά νοικοκυριά έως μεγάλες βιομηχανικές μονάδες.

Η πιο συνηθισμένη ανανεώσιμη πηγή ενέργειας για μικρά νοικοκυριά, ειδικά σε αστικές περιοχές, είναι η ηλιακή ενέργεια με τη χρήση φωτοβολταϊκών πάνελ. Ο μηχανικός θα λάβει γενικά υπόψη τη μέση κατανάλωση ενέργειας του νοικοκυριού και θα αξιολογήσει την ηλιακή ακτινοβολία καθ' όλη τη διάρκεια του έτους για τη συγκεκριμένη τοποθεσία. Ο αριθμός των μπαταριών και η διαμόρφωση του δικτύου τους επιλέγονται ώστε να ταιριάζουν με τις απαιτήσεις του νοικοκυριού κατά τη διάρκεια της χαμηλότερης παροχής ηλιακής ενέργειας του έτους, χωρίς να εξαντλούνται πλήρως οι μπαταρίες. Αυτό υποθέτει ότι η λύση έχει πλήρη ανεξαρτησία ισχύος από το κύριο δίκτυο.

Η διατήρηση μιας σχετικά μέτριας κατάστασης φόρτισης ή η μη πλήρης αποφόρτιση των μπαταριών είναι κάτι που μπορεί να φαίνεται αντιφατικό στην αρχή. Άλλωστε, γιατί να χρησιμοποιήσουμε ένα σύστημα αποθήκευσης αν δεν μπορούμε να το αξιοποιήσουμε πλήρως; Θεωρητικά είναι δυνατό, αλλά μπορεί να μην είναι η στρατηγική που μεγιστοποιεί την απόδοση της επένδυσης.

Ένα από τα κύρια μειονεκτήματα των BESS είναι το σχετικά υψηλό κόστος των μπαταριών. Επομένως, η επιλογή μιας συνήθειας χρήσης ή μιας στρατηγικής φόρτισης/εκφόρτισης που μεγιστοποιεί τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας είναι απαραίτητη. Για παράδειγμα, οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος δεν μπορούν να αποφορτιστούν κάτω από το 50% της χωρητικότητάς τους χωρίς να υποστούν μη αναστρέψιμη βλάβη. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα, μεγάλη διάρκεια ζωής. Μπορούν επίσης να αποφορτιστούν χρησιμοποιώντας μεγαλύτερες περιοχές, αλλά αυτό έχει ως κόστος την αυξημένη τιμή. Υπάρχει μεγάλη διακύμανση στο κόστος μεταξύ των διαφορετικών χημικών συστατικών, οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος μπορεί να είναι εκατοντάδες έως χιλιάδες δολάρια φθηνότερες από μια μπαταρία ιόντων λιθίου ίδιου μεγέθους. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος χρησιμοποιούνται περισσότερο σε ηλιακές εφαρμογές σε χώρες του τρίτου κόσμου και σε φτωχές κοινότητες.

Η απόδοση της μπαταρίας επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από την υποβάθμιση κατά τη διάρκεια της ζωής της, δεν έχει σταθερή απόδοση που καταλήγει σε ξαφνική βλάβη. Αντίθετα, η χωρητικότητα και η παρεχόμενη χωρητικότητα μπορούν να μειωθούν προοδευτικά. Στην πράξη, η διάρκεια ζωής μιας μπαταρίας θεωρείται ότι έχει εξαντληθεί όταν η χωρητικότητά της φτάσει το 80% της αρχικής της χωρητικότητας. Με άλλα λόγια, όταν παρουσιάζει μείωση της χωρητικότητας κατά 20%. Στην πράξη, αυτό σημαίνει ότι μπορεί να παρέχεται χαμηλότερη ποσότητα ενέργειας. Αυτό μπορεί να επηρεάσει τις περιόδους χρήσης για πλήρως ανεξάρτητα συστήματα και την ποσότητα χιλιομέτρων που μπορεί να καλύψει ένα ηλεκτρικό όχημα.

Ένα άλλο σημείο που πρέπει να ληφθεί υπόψη είναι η ασφάλεια. Με τις εξελίξεις στην κατασκευή και την τεχνολογία, οι πρόσφατες μπαταρίες είναι γενικά πιο σταθερές χημικά. Ωστόσο, λόγω του ιστορικού υποβάθμισης και κακοποίησης, τα στοιχεία μπορούν να εκτεθούν σε θερμική διαφυγή, η οποία μπορεί να οδηγήσει σε καταστροφικά αποτελέσματα και, σε ορισμένες περιπτώσεις, να θέσει σε κίνδυνο τη ζωή των καταναλωτών.

Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι εταιρείες έχουν αναπτύξει καλύτερο λογισμικό παρακολούθησης μπαταρίας (BMS) για τον έλεγχο της χρήσης της μπαταρίας, αλλά και για την παρακολούθηση της κατάστασης της υγείας της, προκειμένου να παρέχουν έγκαιρη συντήρηση και να αποφεύγουν τις επιδεινούμενες συνέπειες.

Σύναψη

Τα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας από το δίκτυο παρέχουν μια εξαιρετική ευκαιρία για την επίτευξη ανεξαρτησίας ισχύος από το κύριο δίκτυο, αλλά και για την παροχή εφεδρικής πηγής ενέργειας κατά τις περιόδους διακοπής λειτουργίας και τις περιόδους αιχμής. Η ανάπτυξη αυτών των συστημάτων θα διευκόλυνε τη στροφή προς πιο πράσινες πηγές ενέργειας, περιορίζοντας έτσι τον αντίκτυπο της παραγωγής ενέργειας στην κλιματική αλλαγή, ενώ παράλληλα θα καλύπτονταν οι ενεργειακές ανάγκες με συνεχή αύξηση της κατανάλωσης.

Τα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας των μπαταριών είναι τα πιο συχνά χρησιμοποιούμενα και τα πιο εύκολα στη διαμόρφωση για διαφορετικές καθημερινές εφαρμογές. Η υψηλή ευελιξία τους αντισταθμίζεται από το σχετικά υψηλό κόστος, γεγονός που οδηγεί στην ανάπτυξη στρατηγικών παρακολούθησης για την παράταση της αντίστοιχης διάρκειας ζωής όσο το δυνατόν περισσότερο. Επί του παρόντος, η βιομηχανία και ο ακαδημαϊκός κόσμος καταβάλλουν μεγάλη προσπάθεια για να διερευνήσουν και να κατανοήσουν την υποβάθμιση των μπαταριών υπό διαφορετικές συνθήκες.