Hogyan tároljuk az elektromos áramot a hálózaton kívül?

Az elmúlt 50 évben a globális villamosenergia-fogyasztás folyamatosan nőtt, a becslések szerint 2021-ben a felhasználás elérte a 25 300 terawattórát. Az ipar 4.0 felé való átmenettel világszerte növekszik az energiaigény. Ezek a számok évről évre nőnek, nem számítva az ipari és más gazdasági ágazatok energiaigényét. Ez az ipari eltolódás és a nagy energiafogyasztás a túlzott üvegházhatású gázkibocsátás miatti kézzelfoghatóbb éghajlatváltozási hatásokkal párosul. Jelenleg a legtöbb energiatermelő üzem és létesítmény nagymértékben támaszkodik fosszilis tüzelőanyagokra (olaj és gáz) az ilyen igények kielégítése érdekében. Ezek az éghajlati aggodalmak megakadályozzák a hagyományos módszerekkel történő további energiatermelést. Ezért a hatékony és megbízható energiatároló rendszerek fejlesztése egyre fontosabbá vált a megújuló forrásokból származó energia folyamatos és megbízható ellátásának biztosítása érdekében.

Az energiaszektor erre a megújuló energia, vagyis a „zöld” megoldások felé való elmozdulással reagált. Az átmenetet a jobb gyártási technikák segítették, amelyek például a szélturbina-lapátok hatékonyabb gyártásához vezettek. A kutatók emellett javítani tudták a fotovoltaikus cellák hatékonyságát, ami jobb energiatermelést eredményezett felhasználási területenként. 2021-ben a fotovoltaikus napelemes (PV) forrásokból származó villamosenergia-termelés jelentősen megnőtt, elérve a rekordot jelentő 179 TWh-t, ami 22%-os növekedést jelent 2020-hoz képest. A napelemes technológia ma a globális villamosenergia-termelés 3,6%-át teszi ki, és jelenleg a harmadik legnagyobb megújuló energiaforrás a vízenergia és a szélenergia után.

Ezek az áttörések azonban nem oldják meg a megújuló energiarendszerek néhány inherens hátrányát, főként a rendelkezésre állást. E módszerek többsége nem termel igény szerint energiát, mint a szén- és olajtüzelésű erőművek. A napenergia például egész nap rendelkezésre áll, a napsugárzás szögétől és a napelemek elhelyezésétől függően. Éjszaka nem tud energiát termelni, míg a téli szezonban és a nagyon felhős napokon a termelése jelentősen csökken. A szélenergia szintén ingadozásoktól szenved a szélsebességtől függően. Ezért ezeket a megoldásokat energiatároló rendszerekkel kell párosítani az energiaellátás fenntartása érdekében az alacsony termelésű időszakokban.

Mik azok az energiatároló rendszerek?

Az energiatároló rendszerek képesek energiát tárolni későbbi felhasználás céljából. Bizonyos esetekben a tárolt energia és a rendelkezésre bocsátott energia között valamilyen energiaátalakítás történik. A leggyakoribb példa erre az elektromos akkumulátorok, például a lítium-ion akkumulátorok vagy az ólomakkumulátorok. Ezek az elektródák és az elektrolit közötti kémiai reakciók révén szolgáltatnak elektromos energiát.

Az akkumulátorok, vagy BESS (akkumulátoros energiatároló rendszerek), a mindennapi életben használt leggyakoribb energiatárolási módszert képviselik. Léteznek más tárolórendszerek is, mint például a vízerőművek, amelyek a gátban tárolt víz potenciális energiáját elektromos energiává alakítják. A leeső víz megforgatja a turbina lendkerekét, amely elektromos energiát termel. Egy másik példa a sűrített gáz, amely kibocsátásakor a gáz megforgatja a turbina kerekét, energiát termelve.

Az akkumulátorokat a többi tárolási módszertől a lehetséges alkalmazási területük különbözteti meg. A kis eszközöktől és az autók áramellátásától kezdve a háztartási alkalmazásokon át a nagy napelemfarmokig az akkumulátorok zökkenőmentesen integrálhatók bármilyen hálózaton kívüli tárolási alkalmazásba. Másrészt a vízenergia és a sűrített levegős módszerek nagyon nagy és összetett tárolási infrastruktúrát igényelnek. Ez nagyon magas költségekhez vezet, amelyek indokoltságához nagyon nagy alkalmazási területek szükségesek.

Használati esetek hálózaton kívüli tárolórendszerekhez.

Ahogy korábban említettük, a hálózaton kívüli tárolórendszerek elősegíthetik a megújuló energiaforrások, például a nap- és szélenergia használatát és az azokra való támaszkodást. Mindazonáltal vannak más alkalmazások is, amelyek nagyban profitálhatnak az ilyen rendszerekből.

A városi villamosenergia-hálózatok célja, hogy a megfelelő mennyiségű energiát biztosítsák az egyes városok kínálata és kereslete alapján. A szükséges energia a nap folyamán ingadozhat. A hálózaton kívüli tárolórendszereket az ingadozások csillapítására és a csúcsidőszakokban nagyobb stabilitás biztosítására használták. Más szempontból a hálózaton kívüli tárolórendszerek rendkívül előnyösek lehetnek a fő villamosenergia-hálózatban vagy a tervezett karbantartási időszakokban fellépő előre nem látható műszaki hibák kompenzálására. Ki tudják elégíteni az energiaigényt anélkül, hogy alternatív energiaforrásokat kellene keresni. Példaként említhető a 2023. február eleji texasi jégvihar, amely körülbelül 262 000 embert hagyott áram nélkül, miközben a javítások a nehéz időjárási körülmények miatt késtek.

Az elektromos járművek egy másik alkalmazási terület. A kutatók rengeteg erőfeszítést tettek az akkumulátorgyártás és a töltési/kisütési stratégiák optimalizálására az akkumulátorok élettartamának és teljesítménysűrűségének növelése érdekében. A lítium-ion akkumulátorok ennek a kis forradalomnak az élvonalában álltak, és széles körben használják őket új elektromos autókban, de elektromos buszokban is. A jobb akkumulátorok ebben az esetben nagyobb futásteljesítményhez vezethetnek, de a megfelelő technológiákkal csökkentett töltési időket is.

Más technológiai fejlesztések, mint például a pilóta nélküli légi járművek (UAV) és a mobil robotok, nagyban profitáltak az akkumulátorok fejlesztéséből. Mozgási stratégiáik és vezérlési stratégiáik nagymértékben függenek az akkumulátor kapacitásától és a rendelkezésre álló energiától.

Mi az a BESS?

A BESS, vagy akkumulátoros energiatároló rendszer egy olyan energiatároló rendszer, amely energia tárolására használható. Ez az energia származhat a főhálózatból vagy megújuló energiaforrásokból, például szélenergiából és napenergiából. Több akkumulátorból áll, amelyek különböző konfigurációkban (soros/párhuzamos) vannak elrendezve és az igényeknek megfelelően méretezve. Ezek egy inverterhez vannak csatlakoztatva, amely az egyenáramot váltóárammá alakítja felhasználás céljából. Aakkumulátorkezelő rendszer (BMS)Az akkumulátor állapotának és a töltési/kisütési műveletnek a figyelésére szolgál.

Más energiatároló rendszerekhez képest különösen rugalmasan elhelyezhetők/csatlakoztathatók, és nem igényelnek rendkívül drága infrastruktúrát, de továbbra is jelentős költségekkel járnak, és a használattól függően rendszeresebb karbantartást igényelnek.

BESS méretezési és használati szokások

Az akkumulátoros energiatároló rendszer telepítésekor az egyik legfontosabb szempont a méretezés. Hány akkumulátorra van szükség? Milyen konfigurációban? Bizonyos esetekben az akkumulátor típusa hosszú távon döntő szerepet játszhat a költségmegtakarítás és a hatékonyság szempontjából.

Ez eseti alapon történik, mivel az alkalmazások a kis háztartásoktól a nagy ipari üzemekig terjedhetnek.

A kis háztartások, különösen a városi területeken, számára a leggyakoribb megújuló energiaforrás a fotovoltaikus paneleket használó napelemek. A mérnök általában figyelembe veszi a háztartás átlagos energiafogyasztását, és felméri a napsugárzás mértékét az adott helyszínen az év során. Az akkumulátorok számát és hálózati konfigurációját úgy választják meg, hogy megfeleljen a háztartás igényeinek az év legalacsonyabb napenergia-ellátása idején, anélkül, hogy teljesen lemerítenék az akkumulátorokat. Ez feltételezi, hogy a megoldás teljes mértékben független a főhálózattól.

A viszonylag mérsékelt töltöttségi szint fenntartása vagy az akkumulátorok teljes lemerítésének elkerülése elsőre ellentmondásosnak tűnhet. Végül is miért használnánk energiatároló rendszert, ha nem tudjuk kiaknázni a teljes potenciálját? Elméletileg lehetséges, de lehet, hogy nem ez a stratégia maximalizálja a befektetés megtérülését.

A BESS egyik fő hátránya az akkumulátorok viszonylag magas költsége. Ezért elengedhetetlen a megfelelő használati szokás vagy töltési/kisütési stratégia kiválasztása, amely maximalizálja az akkumulátor élettartamát. Például az ólomsavas akkumulátorok nem meríthetők le 50%-os kapacitásuk alá anélkül, hogy visszafordíthatatlan károsodást szenvednének. A lítium-ion akkumulátorok nagyobb energiasűrűséggel és hosszú ciklusidővel rendelkeznek. Nagyobb tartományban is lemeríthetők, de ez magasabb árral jár. A különböző kémiai anyagok között nagy eltérés van az árakban, az ólomsavas akkumulátorok több száz vagy akár több ezer dollárral is olcsóbbak lehetnek, mint egy azonos méretű lítium-ion akkumulátor. Ezért az ólomsavas akkumulátorok a leggyakrabban használt napelemes alkalmazások a harmadik világ országaiban és a szegény közösségekben.

Az akkumulátor teljesítményét jelentősen befolyásolja az élettartama során bekövetkező romlás, nincs állandó teljesítménye, amely hirtelen meghibásodással végződne. Ehelyett a rendelkezésre álló kapacitás fokozatosan csökkenhet. A gyakorlatban egy akkumulátor élettartama akkor tekinthető lejártnak, amikor a kapacitása eléri az eredeti kapacitás 80%-át. Más szóval, amikor a kapacitás 20%-os csökkenését tapasztalja. A gyakorlatban ez azt jelenti, hogy kevesebb energia biztosítható. Ez befolyásolhatja a teljesen független rendszerek használati időtartamát és az elektromos jármű által megtehető futásteljesítményt.

Egy másik szempont, amit figyelembe kell venni, a biztonság. A gyártás és a technológia fejlődésével az újabb akkumulátorok kémiailag általában stabilabbak. A lebomlás és a visszaélések miatt azonban a cellák túlmelegedhetnek, ami katasztrofális következményekkel járhat, és egyes esetekben a fogyasztók életét is veszélyeztetheti.

Ezért fejlesztettek ki a vállalatok jobb akkumulátor-figyelő szoftvereket (BMS) az akkumulátorhasználat szabályozására, de az állapotuk monitorozására is, hogy időben karbantartást biztosítsanak és elkerüljék a súlyosabb következményeket.

Következtetés

A hálózati energiatároló rendszerek nagyszerű lehetőséget kínálnak a főhálózattól való energiafüggetlenség elérésére, de tartalék energiaforrást is biztosítanak a leállások és a csúcsterhelési időszakok alatt. Fejlesztésük elősegítené a zöldebb energiaforrásokra való áttérést, ezáltal korlátozva az energiatermelés éghajlatváltozásra gyakorolt hatását, miközben továbbra is kielégíti az energiaigényt a folyamatosan növekvő fogyasztás mellett.

Az akkumulátoros energiatároló rendszerek a leggyakrabban használt és a legkönnyebben konfigurálható rendszerek a különböző mindennapi alkalmazásokhoz. Nagyfokú rugalmasságukat viszonylag magas költségek ellensúlyozzák, ami olyan monitorozási stratégiák kidolgozásához vezet, amelyek célja az élettartamuk lehető legnagyobb mértékű meghosszabbítása. Jelenleg az ipar és az akadémiai szféra nagy erőfeszítéseket tesz az akkumulátorok különböző körülmények közötti degradációjának vizsgálatára és megértésére.