Электр қуатын желіден тыс қалай сақтауға болады?

Соңғы 50 жылда жаһандық электр энергиясын тұтыну үздіксіз өсіп келеді, 2021 жылы шамамен 25 300 тераватт-сағатты тұтыну болжануда. Индустрия 4.0-ге көшумен бүкіл әлемде энергияға деген сұраныс артып келеді. Бұл сандар жыл сайын артып келеді, өнеркәсіптік және басқа да экономикалық салалардың энергияға деген қажеттілігін қоспағанда. Бұл өнеркәсіптік ауысу және жоғары энергия тұтыну парниктік газдардың шамадан тыс шығарындыларына байланысты климаттың өзгеруінің айқын әсерлерімен қатар жүреді. Қазіргі уақытта электр энергиясын өндіретін станциялар мен нысандардың көпшілігі мұндай сұраныстарды қанағаттандыру үшін қазба отын көздеріне (мұнай және газ) қатты тәуелді. Бұл климаттық мәселелер дәстүрлі әдістерді қолдана отырып, қосымша энергия өндіруге тыйым салады. Осылайша, жаңартылатын көздерден энергияны үздіксіз және сенімді түрде жеткізуді қамтамасыз ету үшін тиімді және сенімді энергия сақтау жүйелерін дамыту маңызды бола бастады.

Энергетика секторы жаңартылатын энергия көздеріне немесе «жасыл» шешімдерге көшу арқылы жауап берді. Өтпелі кезеңге өндіріс әдістерінің жақсаруы көмектесті, мысалы, жел турбинасының қалақтарын тиімдірек өндіруге әкелді. Сондай-ақ, зерттеушілер фотоэлектрлік элементтердің тиімділігін арттыра алды, бұл пайдалану аймағына шаққандағы энергия өндірісін жақсартуға әкелді. 2021 жылы күн фотоэлектрлік (ФФ) көздерінен электр энергиясын өндіру айтарлықтай өсті, рекордтық 179 ТВт/сағ-қа жетті және 2020 жылмен салыстырғанда 22%-ға өсті. Күн фотоэлектрлік технологиясы қазір әлемдік электр энергиясын өндірудің 3,6%-ын құрайды және қазіргі уақытта гидроэнергетика мен желден кейінгі үшінші ірі жаңартылатын энергия көзі болып табылады.

Дегенмен, бұл жетістіктер жаңартылатын энергия жүйелерінің кейбір кемшіліктерін, негізінен қолжетімділігін шешпейді. Бұл әдістердің көпшілігі көмір және мұнай электр станциялары сияқты сұраныс бойынша энергия өндірмейді. Мысалы, күн энергиясының шығысы күн сәулесінің түсу бұрыштары мен фотоэлектрлік панельдердің орналасуына байланысты өзгеріп отыратын күн бойы қолжетімді. Ол түнде энергия өндіре алмайды, ал қыс мезгілінде және өте бұлтты күндері оның шығысы айтарлықтай төмендейді. Жел энергиясы да жел жылдамдығына байланысты ауытқулардан зардап шегеді. Сондықтан, төмен шығыс кезеңдерінде энергиямен жабдықтауды қолдау үшін бұл шешімдерді энергия сақтау жүйелерімен біріктіру қажет.

Энергия сақтау жүйелері дегеніміз не?

Энергия сақтау жүйелері энергияны кейінірек пайдалану үшін сақтай алады. Кейбір жағдайларда сақталған энергия мен берілген энергия арасында энергия түрлендіру түрі болады. Ең көп таралған мысал - литий-ионды батареялар немесе қорғасын-қышқылды батареялар сияқты электр батареялары. Олар электродтар мен электролит арасындағы химиялық реакциялар арқылы электр энергиясын береді.

Батареялар немесе BESS (батарея энергиясын сақтау жүйесі) күнделікті өмірде қолданылатын ең көп таралған энергия сақтау әдісі болып табылады. Бөгетте сақталған судың әлеуетті энергиясын электр энергиясына айналдыратын гидроэлектростанциялар сияқты басқа сақтау жүйелері бар. Төмен құлаған су электр энергиясын өндіретін турбинаның маховигін айналдырады. Тағы бір мысал - сығылған газ, шығарылған кезде газ турбинаның қуат өндіру дөңгелегін айналдырады.

Батареяларды басқа сақтау әдістерінен ерекшелейтін нәрсе - олардың жұмыс істеу салалары. Шағын құрылғылар мен автомобильдерді электрмен жабдықтаудан бастап, тұрмыстық қолданбалар мен ірі күн электр станцияларына дейін, батареяларды кез келген желіден тыс сақтау қолданбасына кедергісіз біріктіруге болады. Екінші жағынан, гидроэнергетика және сығылған ауа әдістері сақтау үшін өте үлкен және күрделі инфрақұрылымдарды қажет етеді. Бұл өте жоғары шығындарға әкеледі, бұл оны ақтау үшін өте үлкен қолданбаларды қажет етеді.

Желіден тыс сақтау жүйелеріне арналған қораптарды пайдаланыңыз.

Бұрын айтылғандай, желіден тыс сақтау жүйелері күн және жел энергиясы сияқты жаңартылатын энергия әдістерін пайдалануды және оларға тәуелділікті жеңілдете алады. Дегенмен, мұндай жүйелерден үлкен пайда көре алатын басқа да қолданбалар бар.

Қалалық электр желілері әр қаланың сұранысы мен ұсынысына негізделген қажетті мөлшерде электр қуатын қамтамасыз етуге бағытталған. Қажетті қуат күні бойы ауытқып тұруы мүмкін. Желіден тыс сақтау жүйелері ауытқуларды азайту және ең жоғары сұраныс жағдайында тұрақтылықты қамтамасыз ету үшін пайдаланылды. Басқаша көзқарас тұрғысынан алғанда, желіден тыс сақтау жүйелері негізгі электр желісіндегі немесе жоспарланған техникалық қызмет көрсету кезеңіндегі кез келген күтпеген техникалық ақауды өтеу үшін өте пайдалы болуы мүмкін. Олар балама энергия көздерін іздемей-ақ, электр қуатына деген қажеттіліктерді қанағаттандыра алады. Мысал ретінде 2023 жылдың ақпан айының басында Техастағы мұзды дауыл туралы айтуға болады, ол шамамен 262 000 адамды электр қуатынан айырды, ал ауа райының қолайсыздығына байланысты жөндеу жұмыстары кейінге қалдырылды.

Электр көліктері тағы бір қолданыс саласы болып табылады. Зерттеушілер батареялардың қызмет ету мерзімін және қуат тығыздығын ұзарту үшін батарея өндірісін және зарядтау/разрядтау стратегияларын оңтайландыруға көп күш жұмсады. Литий-ионды батареялар осы шағын революцияның алдыңғы қатарында болды және жаңа электр көліктерінде, сондай-ақ электр автобустарында кеңінен қолданылды. Бұл жағдайда жақсы батареялар дұрыс технологияларды қолдану арқылы үлкен жүріске әкелуі мүмкін, сонымен қатар зарядтау уақытын қысқартады.

Басқа да технологиялық жетістіктер, мысалы, ұшқышсыз ұшу аппараттары және мобильді роботтар батареяларды жасаудан үлкен пайда көрді. Ондағы қозғалыс стратегиялары мен басқару стратегиялары батарея сыйымдылығы мен берілген қуатқа қатты тәуелді.

BESS дегеніміз не

BESS немесе батарея энергиясын сақтау жүйесі - энергияны сақтау үшін пайдаланылуы мүмкін энергия сақтау жүйесі. Бұл энергия негізгі желіден немесе жел энергиясы мен күн энергиясы сияқты жаңартылатын энергия көздерінен алынуы мүмкін. Ол әртүрлі конфигурацияларда (тізбекті/параллель) орналасқан және талаптарға сәйкес өлшемдері бар бірнеше батареядан тұрады. Олар тұрақты ток қуатын айнымалы ток қуатына түрлендіру үшін пайдаланылатын инверторға қосылған. Aбатареяны басқару жүйесі (BMS)батареяның күйін және зарядтау/разрядтау жұмысын бақылау үшін қолданылады.

Басқа энергия сақтау жүйелерімен салыстырғанда, оларды орналастыру/қосу икемді және өте қымбат инфрақұрылымды қажет етпейді, бірақ олар әлі де айтарлықтай шығындарға ие және пайдалануға байланысты үнемі техникалық қызмет көрсетуді қажет етеді.

BESS өлшемдері және пайдалану әдеттері

Батарея энергиясын сақтау жүйесін орнатқан кезде ескеру қажет маңызды мәселе - өлшемдер. Қанша батарея қажет? Қандай конфигурацияда? Кейбір жағдайларда батарея түрі ұзақ мерзімді перспективада шығындарды үнемдеу және тиімділік тұрғысынан маңызды рөл атқаруы мүмкін.

Бұл әрбір жағдайға жеке-жеке жасалады, себебі қолдану түрлері шағын үй шаруашылықтарынан бастап ірі өнеркәсіптік зауыттарға дейін әртүрлі болуы мүмкін.

Шағын үй шаруашылықтары, әсіресе қалалық жерлерде, үшін ең көп таралған жаңартылатын энергия көзі - фотоэлектрлік панельдерді пайдаланатын күн энергиясы. Инженер жалпы алғанда үй шаруашылығының орташа қуат тұтынуын ескереді және нақты орын үшін жыл бойы күн сәулеленуін бағалайды. Батареялар саны және олардың желілік конфигурациясы жылдың ең аз күн энергиясымен қамтамасыз етілуі кезінде үй шаруашылығының қажеттіліктеріне сәйкес таңдалады, ал батареяларды толығымен таусылмайды. Бұл негізгі желіден толық қуат тәуелсіздігіне қол жеткізуді болжайды.

Батареялардың зарядын салыстырмалы түрде орташа деңгейде ұстау немесе оларды толығымен зарядсыздандыру бастапқыда қарсы түсінікті болуы мүмкін. Өйткені, егер біз оны толық қуатта шығара алмасақ, сақтау жүйесін неге пайдалануымыз керек? Теория жүзінде бұл мүмкін, бірақ инвестициядан түсетін кірістілікті барынша арттыратын стратегия бұл болмауы мүмкін.

BESS-тің негізгі кемшіліктерінің бірі - батареялардың салыстырмалы түрде жоғары құны. Сондықтан, батареяның қызмет ету мерзімін барынша арттыратын пайдалану әдетін немесе зарядтау/разрядтау стратегиясын таңдау өте маңызды. Мысалы, қорғасын-қышқылды батареяларды қайтымсыз зақым келтірмей 50%-дан төмен зарядсыздандыру мүмкін емес. Литий-ионды батареялардың энергия тығыздығы жоғары, ұзақ циклді қызмет ету мерзімі бар. Оларды үлкен диапазондарда зарядсыздандыруға болады, бірақ бұл бағаның өсуіне әкеледі. Әртүрлі химиялық құрамдар арасында баға айырмашылығы жоғары, қорғасын-қышқылды батареялар бірдей өлшемдегі литий-ионды батареяға қарағанда жүздеген доллардан мыңдаған долларға дейін арзан болуы мүмкін. Сондықтан қорғасын-қышқылды батареялар үшінші әлем елдерінде және кедей қауымдастықтарда күн энергиясын қолдануда ең көп қолданылады.

Батареяның қызмет ету мерзімі ішінде оның жұмыс істеу қабілетінің төмендеуі қатты әсер етеді, оның кенеттен істен шығуымен аяқталатын тұрақты жұмысы болмайды. Керісінше, сыйымдылығы мен берілген қуаты біртіндеп төмендеуі мүмкін. Іс жүзінде, батареяның сыйымдылығы бастапқы сыйымдылығының 80%-ына жеткенде, оның қызмет ету мерзімі біткен болып саналады. Басқаша айтқанда, сыйымдылығы 20%-ға төмендегенде. Іс жүзінде бұл аз энергия берілуі мүмкін дегенді білдіреді. Бұл толығымен тәуелсіз жүйелердің пайдалану мерзімдеріне және электромобиль жүріп өте алатын жүріс көлеміне әсер етуі мүмкін.

Тағы бір ескеретін жайт - қауіпсіздік. Өндіріс пен технологияның дамуымен соңғы кездегі батареялар химиялық тұрғыдан тұрақтырақ болды. Дегенмен, ыдырау және теріс пайдалану тарихы салдарынан батареялар термиялық бұзылуға ұшырауы мүмкін, бұл апатты нәтижелерге әкелуі мүмкін және кейбір жағдайларда тұтынушылардың өміріне қауіп төндіреді.

Міне, сондықтан компаниялар батареяны пайдалануды бақылау үшін, сонымен қатар уақтылы техникалық қызмет көрсету және ауыр зардаптардың алдын алу үшін батареяның жұмыс жағдайын бақылау үшін батареяны бақылаудың жақсырақ бағдарламалық жасақтамасын (BMS) әзірледі.

Қорытынды

Электр желісінің энергия сақтау жүйелері негізгі электр желісінен тәуелсіздікке қол жеткізуге тамаша мүмкіндік береді, сонымен қатар тоқтап қалған кезде және жүктеменің шыңы кезеңінде резервтік қуат көзін қамтамасыз етеді. Оларды дамыту экологиялық таза энергия көздеріне көшуді жеңілдетеді, осылайша энергия өндірісінің климаттың өзгеруіне әсерін шектейді, сонымен бірге тұтынудың тұрақты өсуімен энергияға деген сұранысты қанағаттандырады.

Батарея энергиясын сақтау жүйелері күнделікті қолданыстағы ең көп қолданылатын және конфигурациялауға ең оңай жүйелер болып табылады. Олардың жоғары икемділігі салыстырмалы түрде жоғары құнымен салыстырылады, бұл тиісті қызмет ету мерзімін мүмкіндігінше ұзарту үшін мониторинг стратегияларын әзірлеуге әкеледі. Қазіргі уақытта өнеркәсіп пен академиялық орта батареяның әртүрлі жағдайларда тозуын зерттеу және түсіну үшін көп күш жұмсауда.