Kako skladištiti električnu energiju izvan mreže?

Tijekom proteklih 50 godina, globalna potrošnja električne energije kontinuirano je rasla, s procijenjenom potrošnjom od oko 25.300 teravat-sati u 2021. godini. S prijelazom na industriju 4.0, dolazi do povećanja potražnje za energijom diljem svijeta. Te se brojke povećavaju svake godine, ne uključujući energetske potrebe industrijskih i drugih gospodarskih sektora. Ovaj industrijski pomak i velika potrošnja energije povezani su s opipljivijim učincima klimatskih promjena zbog prekomjernih emisija stakleničkih plinova. Trenutno se većina elektrana i postrojenja uvelike oslanja na fosilna goriva (naftu i plin) kako bi zadovoljila takve potrebe. Ove klimatske zabrinutosti sprječavaju dodatnu proizvodnju energije konvencionalnim metodama. Stoga je razvoj učinkovitih i pouzdanih sustava za skladištenje energije postao sve važniji kako bi se osigurala kontinuirana i pouzdana opskrba energijom iz obnovljivih izvora.

Energetski sektor odgovorio je prelaskom na obnovljive izvore energije ili „zelena“ rješenja. Prijelazu su pomogle poboljšane proizvodne tehnike, što je dovelo, na primjer, do učinkovitije proizvodnje lopatica vjetroturbina. Također, istraživači su uspjeli poboljšati učinkovitost fotonaponskih ćelija, što je dovelo do bolje proizvodnje energije po površini korištenja. U 2021. godini proizvodnja električne energije iz solarnih fotonaponskih (PV) izvora značajno se povećala, dosegnuvši rekordnih 179 TWh, što predstavlja rast od 22% u usporedbi s 2020. godinom. Solarna PV tehnologija sada čini 3,6% globalne proizvodnje električne energije i trenutno je treći najveći obnovljivi izvor energije nakon hidroenergije i vjetra.

Međutim, ovi prodori ne rješavaju neke od inherentnih nedostataka sustava obnovljive energije, uglavnom dostupnost. Većina ovih metoda ne proizvodi energiju po potrebi kao termoelektrane na ugljen i naftu. Izlaz solarne energije, na primjer, dostupan je tijekom cijelog dana s varijacijama ovisno o kutovima sunčevog zračenja i položaju fotonaponskih panela. Ne može proizvoditi energiju tijekom noći, dok je njegov učinak značajno smanjen tijekom zimske sezone i za vrlo oblačnih dana. Energija vjetra također pati od fluktuacija ovisno o brzini vjetra. Stoga ova rješenja moraju biti povezana sa sustavima za pohranu energije kako bi se održala opskrba energijom tijekom razdoblja niske proizvodnje.

Što su sustavi za pohranu energije?

Sustavi za pohranu energije mogu pohranjivati energiju kako bi se kasnije koristila. U nekim slučajevima, doći će do pretvorbe energije između pohranjene energije i isporučene energije. Najčešći primjer su električne baterije poput litij-ionskih baterija ili olovno-kiselinskih baterija. One osiguravaju električnu energiju kemijskim reakcijama između elektroda i elektrolita.

Baterije ili BESS (sustav za pohranu energije u baterijama) predstavljaju najčešću metodu pohrane energije koja se koristi u svakodnevnom životu. Postoje i drugi sustavi za pohranu, poput hidroelektrana koje pretvaraju potencijalnu energiju vode pohranjene u brani u električnu energiju. Voda koja pada okreće zamašnjak turbine koja proizvodi električnu energiju. Drugi primjer je komprimirani plin, nakon ispuštanja plin okreće kotač turbine koja proizvodi energiju.

Ono što razlikuje baterije od ostalih metoda pohrane su njihova potencijalna područja djelovanja. Od malih uređaja i napajanja automobila do kućanskih primjena i velikih solarnih farmi, baterije se mogu besprijekorno integrirati u bilo koju aplikaciju za pohranu izvan mreže. S druge strane, metode hidroenergije i komprimiranog zraka zahtijevaju vrlo veliku i složenu infrastrukturu za pohranu. To dovodi do vrlo visokih troškova koji zahtijevaju vrlo velike primjene kako bi se opravdali.

Primjeri upotrebe za sustave za pohranu podataka izvan mreže.

Kao što je prethodno spomenuto, sustavi za pohranu energije izvan mreže mogu olakšati korištenje i oslanjanje na obnovljive izvore energije poput solarne i energije vjetra. Ipak, postoje i druge primjene koje mogu imati velike koristi od takvih sustava.

Gradske elektroenergetske mreže imaju za cilj osigurati pravu količinu energije na temelju ponude i potražnje svakog grada. Potrebna energija može varirati tijekom dana. Sustavi za pohranu energije izvan mreže korišteni su za ublažavanje fluktuacija i pružanje veće stabilnosti u slučajevima vršne potražnje. Iz druge perspektive, sustavi za pohranu energije izvan mreže mogu biti vrlo korisni za kompenzaciju bilo kakvog nepredviđenog tehničkog kvara u glavnoj elektroenergetskoj mreži ili tijekom planiranih razdoblja održavanja. Oni mogu zadovoljiti potrebe za energijom bez potrebe za traženjem alternativnih izvora energije. Može se navesti na primjer ledena oluja u Teksasu početkom veljače 2023. koja je ostavila otprilike 262 000 ljudi bez struje, dok su popravci odgođeni zbog teških vremenskih uvjeta.

Električna vozila su još jedna primjena. Istraživači su uložili mnogo truda u optimizaciju proizvodnje baterija i strategija punjenja/pražnjenja kako bi produžili vijek trajanja i gustoću snage baterija. Litij-ionske baterije bile su u prvim redovima ove male revolucije i opsežno se koriste u novim električnim automobilima, ali i električnim autobusima. Bolje baterije u ovom slučaju mogu dovesti do veće kilometraže, ali i smanjenog vremena punjenja uz prave tehnologije.

Drugi tehnološki napredak poput bespilotnih letjelica i mobilnih robota uvelike je imao koristi od razvoja baterija. Njihove strategije kretanja i strategije upravljanja uvelike ovise o kapacitetu baterije i snazi.

Što je BESS

BESS ili sustav za pohranu energije u baterijama je sustav za pohranu energije koji se može koristiti za pohranu energije. Ta energija može dolaziti iz glavne mreže ili iz obnovljivih izvora energije poput energije vjetra i solarne energije. Sastoji se od više baterija raspoređenih u različitim konfiguracijama (serijski/paralelno) i dimenzioniranih prema zahtjevima. Spojene su na pretvarač koji se koristi za pretvaranje istosmjerne struje u izmjeničnu struju za korištenje.sustav upravljanja baterijama (BMS)koristi se za praćenje stanja baterije i postupka punjenja/pražnjenja.

U usporedbi s drugim sustavima za pohranu energije, posebno su fleksibilni za postavljanje/spajanje i ne zahtijevaju vrlo skupu infrastrukturu, ali i dalje imaju znatne troškove i zahtijevaju redovitije održavanje ovisno o upotrebi.

BESS dimenzioniranje i navike korištenja

Ključna točka koju treba riješiti prilikom instaliranja sustava za pohranu energije u baterije je dimenzioniranje. Koliko je baterija potrebno? U kojoj konfiguraciji? U nekim slučajevima, vrsta baterije može igrati ključnu ulogu na dugi rok u smislu uštede troškova i učinkovitosti.

To se radi od slučaja do slučaja jer se primjene mogu kretati od malih kućanstava do velikih industrijskih postrojenja.

Najčešći obnovljivi izvor energije za mala kućanstva, posebno u urbanim područjima, je solarna energija pomoću fotonaponskih panela. Inženjer bi općenito trebao uzeti u obzir prosječnu potrošnju energije kućanstva i procijeniti sunčevo zračenje tijekom godine za određenu lokaciju. Broj baterija i njihova konfiguracija mreže odabiru se kako bi odgovarali potrebama kućanstva tijekom najniže opskrbe solarnom energijom u godini, a da se baterije ne isprazne u potpunosti. Ovo pretpostavlja rješenje s potpunom neovisnošću o električnoj energiji od glavne mreže.

Održavanje relativno umjerenog stanja napunjenosti ili nepotpuno pražnjenje baterija nešto je što u početku može biti kontradiktorno. Uostalom, zašto koristiti sustav za pohranu ako ne možemo iskoristiti njegov puni potencijal? Teoretski je to moguće, ali možda nije strategija koja maksimizira povrat ulaganja.

Jedan od glavnih nedostataka BESS-a je relativno visoka cijena baterija. Stoga je ključno odabrati naviku korištenja ili strategiju punjenja/pražnjenja koja maksimizira vijek trajanja baterije. Na primjer, olovne baterije ne mogu se isprazniti ispod 50% kapaciteta bez nepovratnih oštećenja. Litij-ionske baterije imaju veću gustoću energije i dugi vijek trajanja. Također se mogu prazniti korištenjem većih raspona, ali to dolazi uz cijenu veće. Postoji velika razlika u cijeni između različitih kemijskih sastava, olovne baterije mogu biti stotine do tisuće dolara jeftinije od litij-ionske baterije iste veličine. Zbog toga se olovne baterije najčešće koriste u solarnim primjenama u zemljama trećeg svijeta i siromašnim zajednicama.

Performanse baterije uvelike ovise o degradaciji tijekom svog vijeka trajanja; nema stabilne performanse koje završavaju iznenadnim kvarom. Umjesto toga, kapacitet i isporučeni kapacitet mogu progresivno slabiti. U praksi se smatra da je vijek trajanja baterije istekao kada njezin kapacitet dosegne 80% izvornog kapaciteta. Drugim riječima, kada dođe do pada kapaciteta od 20%. U praksi to znači da se može osigurati manja količina energije. To može utjecati na razdoblja korištenja potpuno neovisnih sustava i količinu kilometara koju električno vozilo može prijeći.

Još jedna stvar koju treba uzeti u obzir je sigurnost. S napretkom u proizvodnji i tehnologiji, novije baterije općenito su kemijski stabilnije. Međutim, zbog degradacije i povijesti zloupotrebe, ćelije mogu uzrokovati termalni bijeg što može dovesti do katastrofalnih posljedica, a u nekim slučajevima i ugroziti život potrošača.

Zbog toga su tvrtke razvile bolji softver za praćenje baterija (BMS) kako bi kontrolirale potrošnju baterije, ali i pratile njezino stanje kako bi osigurale pravovremeno održavanje i izbjegle teže posljedice.

Zaključak

Sustavi za pohranu energije u mreži pružaju izvrsnu priliku za postizanje energetske neovisnosti od glavne mreže, ali i osiguravaju rezervni izvor energije tijekom zastoja i razdoblja vršnog opterećenja. Njihov razvoj olakšao bi prelazak na zelenije izvore energije, čime bi se ograničio utjecaj proizvodnje energije na klimatske promjene, a istovremeno zadovoljile energetske potrebe uz stalan rast potrošnje.

Sustavi za pohranu energije u baterijama najčešće se koriste i najlakše ih je konfigurirati za različite svakodnevne primjene. Njihova visoka fleksibilnost suprotstavljena je relativno visokim troškovima, što dovodi do razvoja strategija praćenja kako bi se što više produžio njihov vijek trajanja. Trenutno industrija i akademska zajednica ulažu mnogo napora u istraživanje i razumijevanje degradacije baterija u različitim uvjetima.