Kaip kaupti elektrą neprisijungus prie tinklo?

Per pastaruosius 50 metų nuolat didėjo pasaulinis elektros energijos suvartojimas, o 2021 m. jis, kaip apskaičiuota, siekė apie 25 300 teravatvalandžių. Pereinant prie 4-osios pramonės revoliucijos, visame pasaulyje didėja energijos poreikis. Šie skaičiai kasmet didėja, neįskaitant pramonės ir kitų ekonomikos sektorių energijos poreikių. Šis pramonės pokytis ir didelis energijos suvartojimas yra susiję su labiau apčiuopiamu klimato kaitos poveikiu dėl per didelio šiltnamio efektą sukeliančių dujų išmetimo. Šiuo metu dauguma elektros energijos gamybos jėgainių ir įrenginių labai priklauso nuo iškastinio kuro šaltinių (naftos ir dujų), kad patenkintų tokius poreikius. Šie klimato klausimai neleidžia papildomai gaminti energijos naudojant įprastus metodus. Todėl efektyvių ir patikimų energijos kaupimo sistemų kūrimas tampa vis svarbesnis siekiant užtikrinti nuolatinį ir patikimą energijos tiekimą iš atsinaujinančių šaltinių.

Energetikos sektorius reagavo pereidamas prie atsinaujinančiosios energijos arba „žaliųjų“ sprendimų. Perėjimą palengvino patobulintos gamybos technologijos, pavyzdžiui, efektyviau gaminant vėjo turbinų mentes. Be to, tyrėjams pavyko pagerinti fotovoltinių elementų efektyvumą, todėl energijos gamyba vienoje naudojimo vietoje pagerėjo. 2021 m. elektros energijos gamyba iš saulės fotovoltinių (FV) šaltinių gerokai išaugo ir pasiekė rekordinį 179 TWh lygį, t. y. 22 % išaugo, palyginti su 2020 m. Saulės FV technologija dabar sudaro 3,6 % pasaulinės elektros energijos gamybos ir šiuo metu yra trečias pagal dydį atsinaujinančiosios energijos šaltinis po hidroenergijos ir vėjo energijos.

Tačiau šie proveržiai neišsprendžia kai kurių atsinaujinančios energijos sistemų trūkumų, daugiausia dėl prieinamumo. Dauguma šių metodų negamina energijos pagal poreikį, kaip anglimi ir nafta kūrenamos elektrinės. Pavyzdžiui, saulės energijos gamyba yra prieinama visą dieną, o jos galia priklauso nuo saulės spindulių kampų ir fotovoltinių plokščių padėties. Naktį ji negali gaminti jokios energijos, o žiemos sezonu ir labai debesuotomis dienomis jos galia gerokai sumažėja. Vėjo energija taip pat kenčia nuo svyravimų, priklausančių nuo vėjo greičio. Todėl šiuos sprendimus reikia derinti su energijos kaupimo sistemomis, kad būtų galima palaikyti energijos tiekimą mažos gamybos laikotarpiais.

Kas yra energijos kaupimo sistemos?

Energijos kaupimo sistemos gali kaupti energiją, kad ją būtų galima panaudoti vėliau. Kai kuriais atvejais bus vykdoma energijos konversija tarp kaupiamos energijos ir tiekiamos energijos. Dažniausias pavyzdys yra elektros baterijos, tokios kaip ličio jonų baterijos arba švino rūgšties baterijos. Jos tiekia elektros energiją cheminėmis reakcijomis tarp elektrodų ir elektrolito.

Baterijos arba BESS (akumuliatorinės energijos kaupimo sistemos) yra labiausiai paplitęs energijos kaupimo metodas, naudojamas kasdieniame gyvenime. Yra ir kitų kaupimo sistemų, pavyzdžiui, hidroelektrinės, kurios užtvankoje sukaupto vandens potencialinę energiją paverčia elektros energija. Krintantis vanduo suka turbinos smagratį, kuris gamina elektros energiją. Kitas pavyzdys yra suslėgtos dujos – išleidus dujas, jos suka turbinos ratą, gamindamos energiją.

Baterijas nuo kitų kaupimo metodų skiria jų potencialios veikimo sritys. Nuo mažų prietaisų ir automobilių maitinimo šaltinių iki buitinių įrenginių ir didelių saulės elektrinių – baterijas galima sklandžiai integruoti į bet kokią autonominę kaupimo sistemą. Kita vertus, hidroenergetikos ir suspausto oro metodams reikalinga labai didelė ir sudėtinga kaupimo infrastruktūra. Tai lemia labai dideles išlaidas, todėl norint juos pateisinti, reikia labai didelių pritaikymų.

Neprisijungusių prie tinklo kaupimo sistemų naudojimo atvejai.

Kaip minėta anksčiau, autonominės kaupimo sistemos gali palengvinti atsinaujinančiosios energijos metodų, tokių kaip saulės ir vėjo energija, naudojimą ir pasikliovimą jais. Nepaisant to, yra ir kitų sričių, kurioms tokios sistemos gali būti labai naudingos.

Miesto elektros tinklai siekia tiekti reikiamą energijos kiekį, atsižvelgiant į kiekvieno miesto pasiūlą ir paklausą. Reikalinga energija gali svyruoti visą dieną. Autonominės kaupimo sistemos buvo naudojamos svyravimams sušvelninti ir didesniam stabilumui užtikrinti piko metu. Kita vertus, autonominės kaupimo sistemos gali būti labai naudingos kompensuojant bet kokius nenumatytus techninius gedimus pagrindiniame elektros tinkle arba planinių priežiūros laikotarpių metu. Jos gali patenkinti energijos poreikius neieškodamos alternatyvių energijos šaltinių. Pavyzdžiui, galima paminėti 2023 m. vasario pradžioje Teksase vykusią ledyninę audrą, dėl kurios apie 262 000 žmonių liko be elektros, o remontas buvo atidėtas dėl sudėtingų oro sąlygų.

Elektrinės transporto priemonės yra dar viena taikymo sritis. Tyrėjai dėjo daug pastangų, kad optimizuotų akumuliatorių gamybą ir įkrovimo / iškrovimo strategijas, siekdami pailginti akumuliatorių tarnavimo laiką ir energijos tankį. Ličio jonų akumuliatoriai buvo šios mažos revoliucijos priešakyje ir buvo plačiai naudojami naujuose elektriniuose automobiliuose, taip pat elektriniuose autobusuose. Geresni akumuliatoriai šiuo atveju gali ne tik padidinti rida, bet ir sutrumpinti įkrovimo laiką, naudojant tinkamas technologijas.

Kiti technologiniai pasiekimai, pavyzdžiui, bepiločiai orlaiviai ir mobilieji robotai, labai pasipelnė iš akumuliatorių kūrimo. Jų judėjimo ir valdymo strategijos labai priklauso nuo akumuliatoriaus talpos ir tiekiamos galios.

Kas yra BESS?

BESS arba akumuliatorinė energijos kaupimo sistema yra energijos kaupimo sistema, kuri gali būti naudojama energijai kaupti. Ši energija gali būti gaunama iš pagrindinio tinklo arba iš atsinaujinančių energijos šaltinių, tokių kaip vėjo ir saulės energija. Ją sudaro kelios skirtingomis konfigūracijomis (nuosekliai / lygiagrečiai) išdėstytos baterijos, kurių dydis priklauso nuo reikalavimų. Jos yra prijungtos prie keitiklio, kuris naudojamas nuolatinei srovei konvertuoti į kintamąją srovę.akumuliatorių valdymo sistema (BMS)naudojamas akumuliatoriaus būklei ir įkrovimo / iškrovimo procesui stebėti.

Palyginti su kitomis energijos kaupimo sistemomis, jas ypač lanksčiai galima išdėstyti / prijungti ir joms nereikia labai brangios infrastruktūros, tačiau jos vis tiek kainuoja nemažai ir reikalauja reguliaresnės priežiūros, atsižvelgiant į naudojimą.

BESS dydžio nustatymas ir naudojimo įpročiai

Svarbus aspektas, į kurį reikia atkreipti dėmesį diegiant akumuliatorinę energijos kaupimo sistemą, yra jos dydžio parinkimas. Kiek akumuliatorių reikia? Kokia konfigūracija? Kai kuriais atvejais akumuliatoriaus tipas ilgainiui gali atlikti lemiamą vaidmenį taupant sąnaudas ir didinant efektyvumą.

Tai daroma kiekvienu atveju atskirai, nes pritaikymas gali būti įvairus – nuo mažų namų ūkių iki didelių pramonės įmonių.

Dažniausias atsinaujinančios energijos šaltinis mažiems namų ūkiams, ypač miestuose, yra saulės energija, naudojanti fotovoltines plokštes. Inžinierius paprastai atsižvelgia į vidutinį namų ūkio energijos suvartojimą ir įvertina saulės spinduliuotę per metus konkrečioje vietoje. Baterijų skaičius ir jų tinklo konfigūracija parenkami taip, kad atitiktų namų ūkio poreikius per mažiausią saulės energijos tiekimą per metus, tačiau ne visiškai iškraunant baterijų. Tai daroma prielaida, kad sprendimas yra visiškai nepriklausomas nuo pagrindinio tinklo.

Iš pradžių gali atrodyti nelogiška palaikyti santykinai vidutinį įkrovos lygį arba ne visiškai iškrauti akumuliatorių. Juk kam naudoti kaupimo sistemą, jei negalime išnaudoti viso jos potencialo? Teoriškai tai įmanoma, tačiau ši strategija gali būti ne ta, kuri maksimaliai padidintų investicijų grąžą.

Vienas iš pagrindinių BESS trūkumų yra santykinai didelė akumuliatorių kaina. Todėl labai svarbu pasirinkti naudojimo įprotį arba įkrovimo / iškrovimo strategiją, kuri maksimaliai padidintų akumuliatoriaus tarnavimo laiką. Pavyzdžiui, švino rūgšties akumuliatorių negalima iškrauti žemiau 50 % talpos nepatiriant negrįžtamos žalos. Ličio jonų akumuliatoriai pasižymi didesniu energijos tankiu ir ilgesniu ciklo tarnavimo laiku. Juos taip pat galima iškrauti didesniais atstumais, tačiau tai kainuoja daugiau. Skirtingų cheminių medžiagų kainos labai skiriasi, švino rūgšties akumuliatoriai gali būti šimtais ar net tūkstančiais dolerių pigesni nei tokio paties dydžio ličio jonų akumuliatoriai. Štai kodėl švino rūgšties akumuliatoriai yra dažniausiai naudojami saulės energijos sistemose trečiojo pasaulio šalyse ir neturtingose bendruomenėse.

Akumuliatoriaus veikimui didelę įtaką daro jo eksploatavimo metu vykstantis degradavimas, jis nepasižymi pastoviu veikimu, kuris staiga sugestų. Vietoj to, jo talpa ir tiekiama gali palaipsniui mažėti. Praktiškai akumuliatoriaus tarnavimo laikas laikomas pasibaigusiu, kai jo talpa pasiekia 80 % pradinės talpos. Kitaip tariant, kai talpa sumažėja 20 %. Praktiškai tai reiškia, kad galima tiekti mažesnį energijos kiekį. Tai gali turėti įtakos visiškai nepriklausomų sistemų naudojimo laikotarpiui ir elektromobilio nuvažiuojamai ridai.

Kitas aspektas, į kurį reikia atsižvelgti, yra saugumas. Tobulėjant gamybai ir technologijoms, pastarieji akumuliatoriai paprastai yra chemiškai stabilesni. Tačiau dėl degradacijos ir piktnaudžiavimo istorijos elementai gali perkaisti, o tai gali sukelti katastrofiškų pasekmių ir kai kuriais atvejais kelti pavojų vartotojų gyvybei.

Štai kodėl įmonės sukūrė geresnę akumuliatorių stebėjimo programinę įrangą (BMS), skirtą ne tik akumuliatorių naudojimui kontroliuoti, bet ir jų būklei stebėti, kad būtų galima laiku atlikti techninę priežiūrą ir išvengti rimtų pasekmių.

Išvada

Tinklo energijos kaupimo sistemos suteikia puikią galimybę pasiekti energijos nepriklausomybę nuo pagrindinio tinklo, bet taip pat yra atsarginis energijos šaltinis prastovų ir piko metu. Jų plėtra palengvintų perėjimą prie ekologiškesnių energijos šaltinių, taip apribojant energijos gamybos poveikį klimato kaitai, kartu patenkinant energijos poreikius nuolat augant vartojimui.

Baterijų energijos kaupimo sistemos yra dažniausiai naudojamos ir lengviausiai konfigūruojamos įvairioms kasdienėms reikmėms. Jų didelį lankstumą atsveria gana didelė kaina, todėl reikia kurti stebėjimo strategijas, siekiant kuo labiau pailginti atitinkamą tarnavimo laiką. Šiuo metu pramonė ir akademinė bendruomenė deda daug pastangų, kad ištirtų ir suprastų baterijų degradaciją įvairiomis sąlygomis.