Miten sähköä varastoidaan sähköverkon ulkopuolella?

Viimeisten 50 vuoden aikana maailmanlaajuinen sähkönkulutus on jatkuvasti kasvanut, ja sen arvioidaan olevan noin 25 300 terawattituntia vuonna 2021. Teollisuus 4.0:n siirryttäessä energiankulutus kasvaa kaikkialla maailmassa. Nämä luvut kasvavat vuosittain, eikä teollisuuden ja muiden talouden sektoreiden energiantarvetta ole laskettu mukaan. Tähän teolliseen muutokseen ja korkeaan energiankulutukseen liittyvät konkreettisemmat ilmastonmuutoksen vaikutukset johtuvat liiallisista kasvihuonekaasupäästöistä. Tällä hetkellä useimmat sähköntuotantolaitokset ovat erittäin riippuvaisia fossiilisista polttoaineista (öljystä ja kaasusta) vastatakseen tähän kysyntään. Nämä ilmastohuolet estävät lisäenergiantuotannon perinteisillä menetelmillä. Siksi tehokkaiden ja luotettavien energian varastointijärjestelmien kehittäminen on tullut yhä tärkeämmäksi, jotta voidaan varmistaa jatkuva ja luotettava energian saanti uusiutuvista lähteistä.

Energiasektori on reagoinut siirtymällä uusiutuvaan energiaan tai "vihreisiin" ratkaisuihin. Siirtymää ovat auttaneet parantuneet valmistustekniikat, jotka ovat johtaneet esimerkiksi tuuliturbiinien lapojen tehokkaampaan valmistukseen. Tutkijat ovat myös pystyneet parantamaan aurinkosähkökennojen hyötysuhdetta, mikä on johtanut parempaan energiantuotantoon käyttöaluetta kohden. Vuonna 2021 aurinkosähkön tuotanto kasvoi merkittävästi ja saavutti ennätykselliset 179 TWh:n, mikä on 22 %:n kasvu vuoteen 2020 verrattuna. Aurinkosähköteknologian osuus maailmanlaajuisesta sähköntuotannosta on nyt 3,6 %, ja se on tällä hetkellä kolmanneksi suurin uusiutuvan energian lähde vesivoiman ja tuulivoiman jälkeen.

Nämä läpimurrot eivät kuitenkaan ratkaise joitakin uusiutuvien energiajärjestelmien luontaisia haittoja, pääasiassa saatavuutta. Useimmat näistä menetelmistä eivät tuota energiaa tarvittaessa kuten hiili- ja öljyvoimalat. Aurinkoenergiaa on esimerkiksi saatavilla ympäri päivän, ja sen teho vaihtelee auringonsäteilyn kulmien ja aurinkopaneelien sijainnin mukaan. Se ei pysty tuottamaan energiaa yöllä, ja sen tuotanto on merkittävästi pienempi talvikaudella ja erittäin pilvisinä päivinä. Tuulivoima kärsii myös tuulen nopeudesta riippuvista vaihteluista. Siksi nämä ratkaisut on yhdistettävä energian varastointijärjestelmiin energiantuotannon ylläpitämiseksi alhaisen tuotannon aikana.

Mitä ovat energian varastointijärjestelmät?

Energian varastointijärjestelmät voivat varastoida energiaa myöhempää käyttöä varten. Joissakin tapauksissa varastoidun energian ja tuotetun energian välillä tapahtuu energianmuunnos. Yleisin esimerkki ovat sähköakut, kuten litiumioniakut tai lyijyakut. Ne tuottavat sähköenergiaa elektrodien ja elektrolyytin välisten kemiallisten reaktioiden kautta.

Akut eli BESS (akkuenergian varastointijärjestelmä) edustavat yleisintä energian varastointimenetelmää jokapäiväisessä elämässä. Muita varastointijärjestelmiä on olemassa, kuten vesivoimalaitokset, jotka muuntavat padossa varastoidun veden potentiaalienergian sähköenergiaksi. Alas putoava vesi pyörittää turbiinin vauhtipyörää, joka tuottaa sähköenergiaa. Toinen esimerkki on paineistettu kaasu, joka vapautuessaan pyörittää turbiinin pyörää ja tuottaa energiaa.

Akut erottaa muista varastointimenetelmistä niiden potentiaaliset käyttöalueet. Pienistä laitteista ja autojen virtalähteistä kotitaloussovelluksiin ja suuriin aurinkovoimaloihin, akut voidaan integroida saumattomasti mihin tahansa sähköverkon ulkopuoliseen varastointisovellukseen. Toisaalta vesivoima- ja paineilmamenetelmät vaativat erittäin suuria ja monimutkaisia varastointi-infrastruktuureja. Tämä johtaa erittäin korkeisiin kustannuksiin, joiden perusteleminen edellyttää erittäin suuria sovelluksia.

Käyttötapaukset sähköverkon ulkopuolisille varastointijärjestelmille.

Kuten aiemmin mainittiin, sähköverkon ulkopuoliset varastointijärjestelmät voivat helpottaa uusiutuvien energialähteiden, kuten aurinko- ja tuulivoiman, käyttöä ja niihin luottamista. On kuitenkin olemassa muita sovelluksia, jotka voivat hyötyä tällaisista järjestelmistä suuresti.

Kaupunkien sähköverkot pyrkivät tarjoamaan oikean määrän sähköä kunkin kaupungin kysynnän ja tarjonnan perusteella. Tarvittava sähkö voi vaihdella päivän aikana. Verkon ulkopuolisia varastointijärjestelmiä on käytetty vaimentamaan vaihteluita ja tarjoamaan enemmän vakautta huippukysynnän aikana. Toisesta näkökulmasta katsottuna verkon ulkopuoliset varastointijärjestelmät voivat olla erittäin hyödyllisiä kompensoimaan odottamattomia teknisiä vikoja pääsähköverkossa tai suunniteltujen huoltojaksojen aikana. Ne voivat täyttää sähköntarpeen ilman vaihtoehtoisten energialähteiden etsimistä. Esimerkiksi voidaan mainita helmikuun alun 2023 Texasin jäämyrsky, joka jätti noin 262 000 ihmistä ilman sähköä, ja korjaukset viivästyivät vaikeiden sääolosuhteiden vuoksi.

Sähköajoneuvot ovat toinen sovelluskohde. Tutkijat ovat nähneet paljon vaivaa akkujen valmistuksen ja lataus-/purkustrategioiden optimoimiseksi akkujen käyttöiän ja tehotiheyden pidentämiseksi. Litiumioniakut ovat olleet tämän pienen vallankumouksen eturintamassa, ja niitä on käytetty laajasti uusissa sähköautoissa, mutta myös sähköbusseissa. Paremmat akut voivat tässä tapauksessa johtaa suurempaan ajokilometrimäärään, mutta myös lyhentää latausaikoja oikeilla teknologioilla.

Muut teknologiset edistysaskeleet, kuten miehittämättömät ilma-alukset ja mobiilirobotit, ovat hyötyneet suuresti akkujen kehityksestä. Niiden liike- ja ohjausstrategiat ovat vahvasti riippuvaisia akun kapasiteetista ja tehosta.

Mikä on BESS

BESS eli akkuenergian varastointijärjestelmä on energian varastointijärjestelmä, jota voidaan käyttää energian varastointiin. Tämä energia voi tulla sähköverkosta tai uusiutuvista energialähteistä, kuten tuuli- ja aurinkoenergiasta. Se koostuu useista eri kokoonpanoissa (sarjaan/rinnakkain) järjestetyistä akuista, joiden koko vaihtelee tarpeiden mukaan. Ne on kytketty invertteriin, jota käytetään tasavirran muuntamiseen vaihtovirraksi käyttöä varten.akun hallintajärjestelmä (BMS)käytetään akun kunnon ja lataus-/purkaustoiminnan valvontaan.

Verrattuna muihin energian varastointijärjestelmiin ne ovat erityisen joustavia sijoittaa/kytkeä eivätkä vaadi erittäin kallista infrastruktuuria, mutta ne ovat silti huomattavia kustannuksia ja vaativat säännöllisempää huoltoa käytön mukaan.

BESS-mitoitus ja käyttötottumukset

Akkupohjaisen energian varastointijärjestelmän asennuksessa on ratkaisevan tärkeää ottaa huomioon mitoitus. Kuinka monta akkua tarvitaan? Missä kokoonpanossa? Joissakin tapauksissa akun tyypillä voi olla ratkaiseva rooli pitkällä aikavälillä kustannussäästöjen ja tehokkuuden kannalta.

Tämä tehdään tapauskohtaisesti, koska käyttökohteet voivat vaihdella pienistä kotitalouksista suuriin teollisuuslaitoksiin.

Yleisin uusiutuva energialähde pienille kotitalouksille, erityisesti kaupunkialueilla, on aurinkosähköpaneelit. Suunnittelija ottaa yleensä huomioon kotitalouden keskimääräisen sähkönkulutuksen ja arvioi auringonsäteilyn vuoden aikana tietyssä paikassa. Akkujen lukumäärä ja niiden verkkokokoonpano valitaan vastaamaan kotitalouden kysyntää vuoden alhaisimman aurinkoenergian tarjonnan aikana, mutta akkuja ei tyhjennetä kokonaan. Tämä olettaen, että ratkaisu on täysin riippumaton pääverkosta.

Suhteellisen kohtuullisen lataustason ylläpitäminen tai akkujen täydellisen purkamatta jättäminen voi aluksi tuntua epäloogiselta. Miksi käyttää varastojärjestelmää, jos emme voi hyödyntää sen täyttä potentiaalia? Teoriassa se on mahdollista, mutta se ei välttämättä ole strategia, joka maksimoi sijoitetun pääoman tuoton.

Yksi BESS-tekniikan suurimmista haitoista on akkujen suhteellisen korkea hinta. Siksi on tärkeää valita käyttötapa tai lataus-/purkausstrategia, joka maksimoi akun käyttöiän. Esimerkiksi lyijyakkuja ei voida purkaa alle 50 %:n kapasiteetista ilman peruuttamattomia vaurioita. Litiumioniakuilla on suurempi energiatiheys ja pitkä käyttöikä. Niitä voidaan myös purkaa pidemmillä etäisyyksillä, mutta tämä tulee kalliimmaksi. Eri kemikaalien välillä on suuria hintavaihteluita, ja lyijyakut voivat olla satoja tai tuhansia dollareita halvempia kuin saman kokoiset litiumioniakut. Tästä syystä lyijyakkuja käytetään eniten aurinkoenergiasovelluksissa kehitysmaissa ja köyhissä yhteisöissä.

Akun suorituskykyyn vaikuttaa merkittävästi sen käyttöiän aikainen heikkeneminen. Akun suorituskyky ei ole vakaa ja päättyy äkilliseen vikaantumiseen. Sen sijaan akun kapasiteetti voi heiketä asteittain. Käytännössä akun käyttöiän katsotaan päättyneen, kun sen kapasiteetti saavuttaa 80 % alkuperäisestä kapasiteetistaan. Toisin sanoen, kun akun kapasiteetti heikkenee 20 %. Käytännössä tämä tarkoittaa, että energiaa voidaan tarjota vähemmän. Tämä voi vaikuttaa täysin itsenäisten järjestelmien käyttöaikoihin ja sähköauton ajokilometrien määrään.

Toinen huomioon otettava seikka on turvallisuus. Valmistuksen ja teknologian kehityksen myötä viimeaikaiset akut ovat yleisesti ottaen olleet kemiallisesti vakaampia. Kuitenkin heikkenemisen ja väärinkäytön vuoksi kennot voivat mennä lämpökiihtymään, mikä voi johtaa katastrofaalisiin seurauksiin ja joissakin tapauksissa vaarantaa kuluttajien hengen.

Siksi yritykset ovat kehittäneet parempia akunvalvontaohjelmistoja (BMS) akun käytön hallitsemiseksi, mutta myös akun kunnon seuraamiseksi, jotta huolto voidaan suorittaa oikea-aikaisesti ja välttää vakavia seurauksia.

Johtopäätös

Verkkoon kytketyt energian varastointijärjestelmät tarjoavat loistavan mahdollisuuden saavuttaa sähkön riippumattomuus pääverkosta, mutta ne tarjoavat myös varavirranlähteen seisokkiaikoina ja huippukuormitusjaksoina. Näiden kehittäminen helpottaisi siirtymistä vihreämpiin energialähteisiin, mikä rajoittaisi energiantuotannon vaikutusta ilmastonmuutokseen ja samalla täyttäisi energiantarpeen jatkuvasti kasvavan kulutuksen vallitessa.

Akkupohjaiset energian varastointijärjestelmät ovat yleisimmin käytettyjä ja helpoimmin konfiguroitavissa erilaisiin arkipäivän sovelluksiin. Niiden suurta joustavuutta tasapainottaa suhteellisen korkeat kustannukset, mikä johtaa valvontastrategioiden kehittämiseen niiden käyttöiän pidentämiseksi mahdollisimman paljon. Tällä hetkellä teollisuus ja tiedemaailma panostavat paljon akkujen heikkenemisen tutkimiseen ja ymmärtämiseen erilaisissa olosuhteissa.