Kuidas elektrit võrgust eraldi salvestada?

Viimase 50 aasta jooksul on ülemaailmne elektrienergia tarbimine pidevalt suurenenud, hinnanguliselt oli see 2021. aastal umbes 25 300 teravatt-tundi. Tööstus 4.0-le üleminekuga suureneb energiavajadus kogu maailmas. Need arvud kasvavad igal aastal, arvestamata tööstuse ja teiste majandussektorite energiavajadust. Sellele tööstuslikule nihkele ja suurele energiatarbimisele lisanduvad käegakatsutavamad kliimamuutuste mõjud, mis tulenevad kasvuhoonegaaside liigsest heitkogusest. Praegu sõltuvad enamik elektrijaamadest ja -rajatistest sellise nõudluse rahuldamiseks suuresti fossiilkütustest (nafta ja gaas). Need kliimaprobleemid keelavad täiendava energia tootmise tavapäraste meetodite abil. Seega on tõhusate ja usaldusväärsete energiasalvestussüsteemide arendamine muutunud üha olulisemaks, et tagada pidev ja usaldusväärne energiavarustus taastuvatest allikatest.

Energiasektor on reageerinud nihkumisega taastuvenergia või „roheliste” lahenduste poole. Üleminekut on soodustanud täiustatud tootmistehnikad, mis on näiteks viinud tuuleturbiinilabade tõhusama tootmiseni. Samuti on teadlased suutnud parandada fotogalvaaniliste elementide tõhusust, mis on viinud parema energiatootmiseni kasutuspiirkonna kohta. 2021. aastal suurenes päikesepaneelidest (PV) toodetud elektrienergia märkimisväärselt, ulatudes rekordilise 179 TWh-ni ja moodustades 22% kasvu võrreldes 2020. aastaga. Päikesepaneelide tehnoloogia moodustab nüüd 3,6% ülemaailmsest elektritootmisest ja on praegu suuruselt kolmas taastuvenergiaallikas hüdro- ja tuuleenergia järel.

Siiski ei lahenda need läbimurded taastuvenergia süsteemide mõningaid loomupäraseid puudusi, peamiselt kättesaadavust. Enamik neist meetoditest ei tooda energiat nõudmisel nagu söe- ja naftaelektrijaamad. Päikeseenergia toodang on näiteks saadaval kogu päeva jooksul, varieerudes sõltuvalt päikesekiirguse nurgast ja PV-paneelide asukohast. See ei suuda öösel energiat toota ning selle toodang on talvehooajal ja väga pilvise ilmaga oluliselt vähenenud. Tuuleenergia kannatab samuti tuule kiirusest sõltuvate kõikumiste all. Seetõttu tuleb need lahendused ühendada energiasalvestussüsteemidega, et säilitada energiavarustus madala toodangu perioodidel.

Mis on energiasalvestussüsteemid?

Energiasalvestussüsteemid saavad energiat salvestada, et seda hiljem kasutada. Mõnel juhul toimub salvestatud energia ja tarnitud energia vahel energia muundamine. Kõige levinum näide on elektriakud, näiteks liitiumioonakud või pliiakud. Need annavad elektrienergiat elektroodide ja elektrolüüdi vaheliste keemiliste reaktsioonide kaudu.

Patareid ehk akuenergia salvestussüsteem (BESS) on igapäevaelus kõige levinum energiasalvestusmeetod. On ka teisi salvestussüsteeme, näiteks hüdroelektrijaamad, mis muudavad tammis talletatud vee potentsiaalse energia elektrienergiaks. Alla langev vesi paneb pöörlema turbiini hooratta, mis toodab elektrienergiat. Teine näide on surugaas – vabanemisel paneb gaas pöörlema turbiini ratta, mis toodab energiat.

Akusid eristab teistest salvestusmeetoditest nende potentsiaalne kasutusvaldkond. Alates väikestest seadmetest ja autode toiteallikatest kuni kodumajapidamiste rakenduste ja suurte päikesepaneelide farmideni saab akusid sujuvalt integreerida mis tahes võrguvälise salvestusrakendusega. Teisest küljest vajavad hüdroenergia ja suruõhu meetodid salvestamiseks väga suuri ja keerulisi infrastruktuure. See toob kaasa väga kõrged kulud, mille õigustamiseks on vaja väga suuri rakendusi.

Kasutusjuhud võrguväliste salvestussüsteemide jaoks.

Nagu varem mainitud, võivad võrguvälised salvestussüsteemid hõlbustada taastuvenergia meetodite, näiteks päikese- ja tuuleenergia, kasutamist ja nendele toetumist. Sellegipoolest on ka teisi rakendusi, mis sellistest süsteemidest suurt kasu saavad.

Linnade elektrivõrgud püüavad pakkuda õiget energiahulka, lähtudes iga linna pakkumisest ja nõudlusest. Vajalik energiahulk võib päeva jooksul kõikuda. Kõikumiste leevendamiseks ja tippnõudluse korral suurema stabiilsuse tagamiseks on kasutatud võrguväliseid salvestussüsteeme. Teisest vaatenurgast võivad võrguvälised salvestussüsteemid olla väga kasulikud ettenägematute tehniliste rikete kompenseerimiseks peamises elektrivõrgus või plaaniliste hooldusperioodide ajal. Need suudavad rahuldada energiavajaduse ilma alternatiivseid energiaallikaid otsimata. Näiteks võib tuua Texase jäätormi 2023. aasta veebruari alguses, mis jättis elektrita ligikaudu 262 000 inimest, samal ajal kui remont viibis keeruliste ilmastikutingimuste tõttu.

Elektriautod on veel üks rakendusala. Teadlased on teinud palju pingutusi akude tootmise ja laadimise/tühjendamise strateegiate optimeerimiseks, et pikendada akude eluiga ja energiatihedust. Liitiumioonakud on olnud selle väikese revolutsiooni esirinnas ja neid on laialdaselt kasutatud nii uutes elektriautodes kui ka elektribussides. Paremad akud võivad sel juhul kaasa tuua suurema läbisõidu, aga ka lühema laadimisaja õigete tehnoloogiate abil.

Teised tehnoloogilised edusammud, näiteks mehitamata õhusõidukid ja mobiilrobotid, on akude arendamisest palju kasu saanud. Nende liikumis- ja juhtimisstrateegiad sõltuvad suuresti aku mahutavusest ja pakutavast võimsusest.

Mis on BESS

BESS ehk akuenergia salvestussüsteem on energiasalvestussüsteem, mida saab kasutada energia salvestamiseks. See energia võib pärineda põhivõrgust või taastuvatest energiaallikatest, näiteks tuule- ja päikeseenergiast. See koosneb mitmest erinevas konfiguratsioonis (järjestikku/paralleelselt) paigutatud akust, mille suurus on vastavalt vajadusele. Need on ühendatud inverteriga, mida kasutatakse alalisvoolu muundamiseks vahelduvvooluks.aku haldussüsteem (BMS)kasutatakse aku seisukorra ja laadimise/tühjendamise jälgimiseks.

Võrreldes teiste energiasalvestussüsteemidega on need paigutamise/ühendamise osas eriti paindlikud ega vaja väga kallist infrastruktuuri, kuid need on siiski märkimisväärse hinnaga ja vajavad olenevalt kasutusest regulaarsemat hooldust.

BESS-i suuruse ja kasutusharjumuste analüüs

Aku energiasalvestussüsteemi paigaldamisel on oluline punkt suuruse valimine. Mitu akut on vaja? Millises konfiguratsioonis? Mõnel juhul võib aku tüüp pikas perspektiivis kulude kokkuhoiu ja tõhususe seisukohast olulist rolli mängida.

Seda tehakse igal üksikjuhul eraldi, kuna rakendused võivad ulatuda väikestest majapidamistest kuni suurte tööstusettevõteteni.

Väikestes leibkondades, eriti linnapiirkondades, on kõige levinum taastuvenergiaallikas päikesepaneelide abil. Insener arvestab üldiselt leibkonna keskmise energiatarbimisega ja hindab päikesekiirgust aastaringselt konkreetses asukohas. Akude arv ja nende võrgukonfiguratsioon valitakse nii, et see vastaks leibkonna vajadustele aasta madalaima päikeseenergiavarustuse ajal, ilma akusid täielikult tühjendamata. See eeldab, et lahendus on täielikult elektrivõrgust sõltumatu.

Akude suhteliselt mõõduka laetuse taseme hoidmine või nende mittetäielik tühjendamine võib esialgu tunduda ebaloogiline. Miks kasutada salvestussüsteemi, kui me ei saa selle täielikku potentsiaali kätte? Teoreetiliselt on see võimalik, kuid see ei pruugi olla strateegia, mis maksimeerib investeeringutasuvust.

Üks BESS-i peamisi puudusi on akude suhteliselt kõrge hind. Seetõttu on oluline valida kasutusharjumus või laadimis-/tühjendusstrateegia, mis maksimeerib aku eluiga. Näiteks ei saa pliiakusid tühjendada alla 50% mahutavusest ilma pöördumatute kahjustusteta. Liitiumioonakudel on suurem energiatihedus ja pikk tsükkel. Neid saab tühjendada ka suuremates vahemikes, kuid see toob kaasa kõrgema hinna. Erinevate kemikaalide vahel on hinnaerinevus suur, pliiakud võivad olla sadu kuni tuhandeid dollareid odavamad kui sama suurusega liitiumioonakud. Seetõttu on pliiakud enim kasutatud päikeseenergia rakendustes kolmanda maailma riikides ja vaestes kogukondades.

Aku jõudlust mõjutab oluliselt selle eluea jooksul toimuv halvenemine – sellel pole stabiilset jõudlust, mis lõpeks ootamatu rikkega. Selle asemel võib aku mahtuvus ja pakutav maht järk-järgult väheneda. Praktikas loetakse aku eluiga lõppenuks, kui selle mahtuvus langeb 80%-ni algsest mahutavusest. Teisisõnu, kui mahtuvus langeb 20%. Praktikas tähendab see, et pakkuda saab vähem energiat. See võib mõjutada täiesti sõltumatute süsteemide kasutusaegu ja elektriauto läbisõitu.

Teine kaalumist vääriv punkt on ohutus. Tootmise ja tehnoloogia arenguga on uuemad akud üldiselt keemiliselt stabiilsemad. Kuid lagunemise ja kuritarvitamise tõttu võivad elemendid termiliselt üle kuumeneda, mis võib viia katastroofiliste tagajärgedeni ja mõnel juhul tarbijate elu ohtu seada.

Seetõttu on ettevõtted välja töötanud parema aku jälgimise tarkvara (BMS), et kontrollida aku kasutamist, aga ka jälgida selle seisundit, et pakkuda õigeaegset hooldust ja vältida tõsisemaid tagajärgi.

Kokkuvõte

Võrguenergia salvestussüsteemid pakuvad suurepärast võimalust saavutada elektrienergia sõltumatus põhivõrgust, aga pakuvad ka varutoiteallikat seisakute ja tippkoormuse perioodidel. Nende arendamine hõlbustaks üleminekut rohelisematele energiaallikatele, piirates seeläbi energiatootmise mõju kliimamuutustele, rahuldades samal ajal energiavajaduse pidevalt kasvava tarbimise korral.

Akudel põhinevad energiasalvestussüsteemid on kõige sagedamini kasutatavad ja erinevate igapäevaste rakenduste jaoks kõige lihtsamini seadistatavad. Nende suurele paindlikkusele vastukaaluks on suhteliselt kõrge hind, mis viib jälgimisstrateegiate väljatöötamiseni, et pikendada vastavate süsteemide eluiga nii palju kui võimalik. Praegu teevad tööstus ja akadeemilised ringkonnad palju pingutusi, et uurida ja mõista akude lagunemist erinevates tingimustes.