Цахилгаан эрчим хүчийг сүлжээнээс гадуур хэрхэн хадгалах вэ?

Сүүлийн 50 жилийн хугацаанд дэлхийн цахилгаан эрчим хүчний хэрэглээ тасралтгүй өсч, 2021 онд ойролцоогоор 25,300 тераватт-цаг хэрэглээтэй байх тооцоо гарчээ. Аж үйлдвэр 4.0 руу шилжсэнээр дэлхий даяар эрчим хүчний хэрэгцээ нэмэгдэж байна. Эдгээр тоо баримт жил бүр нэмэгдэж байгаа бөгөөд үүнд аж үйлдвэрийн болон бусад эдийн засгийн салбаруудын эрчим хүчний хэрэгцээ ороогүй болно. Энэхүү аж үйлдвэрийн шилжилт болон өндөр эрчим хүчний хэрэглээ нь хүлэмжийн хийн хэт их ялгаралтаас үүдэлтэй уур амьсгалын өөрчлөлтийн илүү бодитой нөлөөтэй хавсарч байна. Одоогийн байдлаар ихэнх цахилгаан үйлдвэрлэх станц, байгууламжууд ийм хэрэгцээг хангахын тулд чулуужсан түлшний эх үүсвэр (газрын тос, хий)-ээс ихээхэн хамааралтай байна. Эдгээр уур амьсгалын асуудлууд нь уламжлалт аргыг ашиглан нэмэлт эрчим хүч үйлдвэрлэхийг хориглодог. Тиймээс сэргээгдэх эх үүсвэрээс эрчим хүчний тасралтгүй, найдвартай хангамжийг хангахын тулд үр ашигтай, найдвартай эрчим хүч хадгалах системийг хөгжүүлэх нь улам бүр чухал болж байна.

Эрчим хүчний салбар сэргээгдэх эрчим хүч буюу "ногоон" шийдлүүд рүү шилжсэнээр хариу үйлдэл үзүүлсэн. Үйлдвэрлэлийн техник сайжирсан нь шилжилтэд тусалсан бөгөөд жишээлбэл, салхин турбины ирийг илүү үр ашигтай үйлдвэрлэхэд хүргэсэн. Түүнчлэн судлаачид фотоэлектрик эсийн үр ашгийг сайжруулж, ашиглалтын талбай тутамд эрчим хүч үйлдвэрлэхэд илүү сайн үр дүнд хүрсэн. 2021 онд нарны фотоэлектрик (PV) эх үүсвэрээс цахилгаан үйлдвэрлэх нь мэдэгдэхүйц нэмэгдэж, 179 ТВт.цаг дээд амжилт тогтоосон бөгөөд 2020 онтой харьцуулахад 22%-иар өссөн байна. Нарны фотоэлектрик технологи нь одоо дэлхийн цахилгаан эрчим хүчний үйлдвэрлэлийн 3.6%-ийг эзэлж байгаа бөгөөд одоогоор усан цахилгаан станц, салхины цахилгаан станцын дараа гурав дахь том сэргээгдэх эрчим хүчний эх үүсвэр болж байна.

Гэсэн хэдий ч эдгээр нээлтүүд нь сэргээгдэх эрчим хүчний системийн зарим сул талуудыг, голчлон хүртээмжийг шийдэж чадахгүй байна. Эдгээр аргуудын ихэнх нь нүүрс, газрын тосны цахилгаан станцууд шиг эрэлт хэрэгцээнд нийцүүлэн эрчим хүч үйлдвэрлэдэггүй. Жишээлбэл, нарны эрчим хүчний гарц нь өдрийн цагаар нарны цацрагийн өнцөг болон фотоэлектрик хавтангийн байршлаас хамааран хэлбэлзэлтэй байдаг. Өвлийн улиралд болон үүлэрхэг өдрүүдэд гарц нь мэдэгдэхүйц буурдаг бол шөнийн цагаар ямар ч эрчим хүч үйлдвэрлэж чадахгүй. Салхины эрчим хүч нь салхины хурднаас хамаарч хэлбэлзэлд өртдөг. Тиймээс бага гарцтай үед эрчим хүчний хангамжийг тогтвортой байлгахын тулд эдгээр шийдлүүдийг эрчим хүч хадгалах системтэй хослуулах шаардлагатай.

Эрчим хүч хадгалах системүүд гэж юу вэ?

Эрчим хүч хадгалах системүүд нь энергийг дараа нь ашиглахын тулд хадгалж чаддаг. Зарим тохиолдолд хадгалагдсан энерги болон өгөгдсөн энергийн хооронд энерги хувиргах хэлбэр байдаг. Хамгийн түгээмэл жишээ бол лити-ион батерей эсвэл хар тугалганы хүчлийн батерей зэрэг цахилгаан батерей юм. Тэд электрод ба электролитийн хоорондох химийн урвалаар цахилгаан энергийг хангадаг.

Батерей буюу BESS (батерейны эрчим хүч хадгалах систем) нь өдөр тутмын амьдралд хэрэглэгддэг хамгийн түгээмэл эрчим хүч хадгалах аргыг төлөөлдөг. Усан цахилгаан станц гэх мэт далан дээр хадгалагдсан усны потенциал энергийг цахилгаан энерги болгон хувиргадаг бусад хадгалах системүүд байдаг. Доош унаж буй ус нь цахилгаан энерги үүсгэдэг турбины маховикийг эргүүлнэ. Өөр нэг жишээ бол шахсан хий бөгөөд ялгарах үед хий нь турбины эрчим хүч үйлдвэрлэх дугуйг эргүүлнэ.

Батерейг бусад хадгалах аргуудаас ялгаж салгадаг зүйл бол тэдгээрийн үйл ажиллагааны боломжит чиглэлүүд юм. Жижиг төхөөрөмж, автомашины цахилгаан хангамжаас эхлээд өрхийн хэрэглээ болон том нарны эрчим хүчний фермүүд хүртэл батерейг сүлжээнээс гадуурх аливаа хадгалах хэрэглээнд саадгүй нэгтгэж болно. Нөгөөтэйгүүр, усан цахилгаан станц болон шахсан агаарын аргууд нь хадгалахад маш том, нарийн төвөгтэй дэд бүтэц шаарддаг. Энэ нь маш өндөр өртөгт хүргэдэг бөгөөд үүнийг зөвтгөхийн тулд маш том хэрэглээ шаарддаг.

Сүлжээнээс гадуурх хадгалах системд зориулсан гэрийг ашиглана уу.

Өмнө дурдсанчлан, сүлжээнээс гадуурх хадгалах системүүд нь нар, салхины эрчим хүч зэрэг сэргээгдэх эрчим хүчний аргуудыг ашиглах, ашиглахад хялбар болгож чадна. Гэсэн хэдий ч ийм системээс ихээхэн ашиг тус хүртэх боломжтой бусад хэрэглээнүүд байдаг.

Хотын цахилгаан сүлжээ нь хот бүрийн нийлүүлэлт, эрэлтэд үндэслэн зөв хэмжээний цахилгаан эрчим хүчээр хангах зорилготой. Шаардлагатай эрчим хүч өдрийн турш хэлбэлзэж болно. Эрэлт хэрэгцээний оргил үед хэлбэлзлийг бууруулж, илүү тогтвортой байдлыг хангахын тулд сүлжээнээс гадуурх хадгалах системийг ашиглаж ирсэн. Өөр өнцгөөс харахад сүлжээнээс гадуурх хадгалах систем нь гол цахилгаан сүлжээнд эсвэл хуваарьт засвар үйлчилгээний үеэр гарсан урьдчилан тооцоолоогүй техникийн алдааг нөхөхөд маш их ашиг тустай байж болно. Тэд өөр эрчим хүчний эх үүсвэр хайхгүйгээр эрчим хүчний хэрэгцээг хангаж чадна. Жишээлбэл, 2023 оны 2-р сарын эхээр болсон Техасын мөсөн шуургыг дурдаж болно, энэ нь ойролцоогоор 262 000 хүнийг цахилгаангүй болгосон бол цаг агаарын хүнд нөхцөл байдлаас болж засвар үйлчилгээ хойшилсон.

Цахилгаан тээврийн хэрэгсэл бол өөр нэг хэрэглээ юм. Судлаачид батерейны ашиглалтын хугацаа болон чадлын нягтралыг нэмэгдүүлэхийн тулд батерей үйлдвэрлэх, цэнэглэх/цэнэггүйжүүлэх стратегиудыг оновчтой болгохын тулд ихээхэн хүчин чармайлт гаргасан. Лити-ион батерей нь энэхүү жижиг хувьсгалын тэргүүн эгнээнд байсан бөгөөд шинэ цахилгаан машинууд төдийгүй цахилгаан автобусанд өргөн хэрэглэгддэг болсон. Энэ тохиолдолд илүү сайн батерей нь илүү их миль явахад хүргэхээс гадна зөв технологиор цэнэглэх хугацааг багасгах боломжтой.

Хэт авианы аппарат, хөдөлгөөнт робот зэрэг бусад технологийн дэвшил нь батерейны хөгжүүлэлтээс ихээхэн ашиг хүртсэн. Хөдөлгөөний стратеги болон хяналтын стратеги нь батерейны хүчин чадал болон өгөгдсөн хүчнээс ихээхэн хамаардаг.

БЕСС гэж юу вэ

BESS буюу батерейны эрчим хүч хадгалах систем нь эрчим хүч хадгалахад ашиглаж болох эрчим хүч хадгалах систем юм. Энэхүү эрчим хүчийг үндсэн сүлжээнээс эсвэл салхины эрчим хүч, нарны эрчим хүч зэрэг сэргээгдэх эрчим хүчний эх үүсвэрээс авах боломжтой. Энэ нь өөр өөр тохиргоонд (цуврал/зэрэгцээ) байрлуулсан, шаардлагад үндэслэн хэмжээтэй олон батерейнаас бүрдэнэ. Тэдгээр нь тогтмол гүйдлийн хүчийг хувьсах гүйдлийн хүч болгон хувиргахад ашигладаг инвертертэй холбогдсон байдаг. АБатерейны удирдлагын систем (BMS)батерейны нөхцөл байдал болон цэнэглэх/цэнэггүйжүүлэх ажиллагааг хянах зорилгоор ашигладаг.

Бусад эрчим хүч хадгалах системүүдтэй харьцуулахад тэдгээрийг байрлуулах/холбоход онцгой уян хатан бөгөөд өндөр үнэтэй дэд бүтэц шаарддаггүй ч гэсэн өндөр өртөгтэй бөгөөд хэрэглээнээс хамааран илүү тогтмол засвар үйлчилгээ шаарддаг.

BESS-ийн хэмжээ болон хэрэглээний зуршил

Батерейны эрчим хүч хадгалах системийг суурилуулахдаа анхаарах ёстой чухал зүйл бол хэмжээ юм. Хэдэн батерей хэрэгтэй вэ? Ямар тохиргоонд? Зарим тохиолдолд батерейны төрөл нь урт хугацаанд зардал хэмнэх, үр ашгийн хувьд чухал үүрэг гүйцэтгэдэг.

Хэрэглээ нь жижиг өрхөөс эхлээд томоохон аж үйлдвэрийн үйлдвэрүүд хүртэл янз бүр байж болох тул үүнийг тохиолдол бүрээр нь хийдэг.

Жижиг өрхүүд, ялангуяа хот суурин газрын хамгийн түгээмэл сэргээгдэх эрчим хүчний эх үүсвэр бол фотоволтайк хавтанг ашиглан нарны эрчим хүч юм. Инженер нь ерөнхийдөө өрхийн дундаж эрчим хүчний хэрэглээг харгалзан үзэж, тухайн байршилд жилийн турш нарны цацрагийн хэмжээг тооцоолно. Батерейны тоо болон тэдгээрийн сүлжээний тохиргоог жилийн хамгийн бага нарны эрчим хүчний хангамжийн үед өрхийн хэрэгцээнд нийцүүлэн сонгож, батерейг бүрэн дуусгахгүй. Энэ нь үндсэн сүлжээнээс бүрэн цахилгааны бие даасан байдлыг хангах шийдэл гэж үзэж байна.

Батерейг харьцангуй дунд зэргийн цэнэгтэй байлгах эсвэл бүрэн цэнэггүй болгохгүй байх нь эхэндээ эсрэг тэсрэг зүйл байж магадгүй юм. Эцсийн эцэст, хэрэв бид бүрэн хүчин чадлаараа цэнэглэж чадахгүй бол яагаад хадгалах системийг ашиглах ёстой гэж? Онолын хувьд энэ нь боломжтой боловч хөрөнгө оруулалтын өгөөжийг хамгийн их байлгах стратеги биш байж магадгүй юм.

BESS-ийн гол сул талуудын нэг бол батерейны харьцангуй өндөр өртөг юм. Тиймээс батерейны ашиглалтын хугацааг хамгийн их байлгах хэрэглээний зуршил эсвэл цэнэглэх/цэнэггүйжүүлэх стратеги сонгох нь чухал юм. Жишээлбэл, хар тугалганы хүчлийн батерейг эргэлт буцалтгүй гэмтэлгүйгээр 50%-иас доош хүчин чадлаар цэнэггүй болгож болохгүй. Лити-ион батерей нь илүү өндөр энергийн нягтралтай, урт хугацааны ашиглалтын хугацаатай байдаг. Тэдгээрийг мөн илүү өргөн хүрээнд цэнэггүй болгож болох боловч энэ нь үнийн өсөлттэй холбоотой юм. Өөр өөр химийн найрлагад өртгийн зөрүү их байдаг бөгөөд хар тугалганы хүчлийн батерей нь ижил хэмжээтэй лити-ион батерейгаас хэдэн зуун мянган доллараар хямд байж болно. Ийм учраас хар тугалганы хүчлийн батерейг гуравдагч ертөнцийн орнууд болон ядуу нийгэмд нарны эрчим хүчний хэрэглээнд хамгийн их ашигладаг.

Батерейны ашиглалтын хугацаанд муудсанаас болж түүний гүйцэтгэл ихээхэн буурдаг бөгөөд гэнэтийн эвдрэлээр төгсдөг тогтвортой ажиллагаа байдаггүй. Үүний оронд багтаамж болон олгосон хэмжээ аажмаар буурч болно. Практикт батерейны хүчин чадал анхны хүчин чадлынхаа 80%-д хүрэхэд ашиглалтын хугацаа дууссан гэж тооцогддог. Өөрөөр хэлбэл, багтаамж нь 20%-иар буурсан үед. Практикт энэ нь бага хэмжээний эрчим хүч өгч чадна гэсэн үг юм. Энэ нь бүрэн бие даасан системийн ашиглалтын хугацаа болон цахилгаан тээврийн хэрэгслийн туулж чадах милийн хэмжээнд нөлөөлж болно.

Анхаарах ёстой өөр нэг зүйл бол аюулгүй байдал юм. Үйлдвэрлэл, технологийн дэвшлийн ачаар сүүлийн үеийн батерейнууд ерөнхийдөө химийн хувьд илүү тогтвортой болсон. Гэсэн хэдий ч задрал, буруу хэрэглээний түүхээс шалтгаалан эсүүд дулааны алдагдалд орж, сүйрлийн үр дүнд хүргэж, зарим тохиолдолд хэрэглэгчдийн амь насанд аюул учруулж болзошгүй.

Тийм ч учраас компаниуд батерейны хэрэглээг хянахаас гадна цаг тухайд нь засвар үйлчилгээ хийж, ноцтой үр дагавраас зайлсхийхийн тулд батерейны эрүүл мэндийн байдлыг хянах илүү сайн батерейны хяналтын програм хангамж (BMS) боловсруулсан.

Дүгнэлт

Сүлжээний эрчим хүчний хадгалах систем нь үндсэн сүлжээнээс эрчим хүчний бие даасан байдлыг хангах сайхан боломжийг олгодог төдийгүй зогсолт болон оргил ачааллын үед нөөц эрчим хүчний эх үүсвэр болдог. Үүнийг хөгжүүлэх нь ногоон эрчим хүчний эх үүсвэр рүү шилжихэд дөхөм болох бөгөөд ингэснээр эрчим хүчний үйлдвэрлэл уур амьсгалын өөрчлөлтөд үзүүлэх нөлөөллийг хязгаарлахын зэрэгцээ хэрэглээг тогтмол нэмэгдүүлж, эрчим хүчний хэрэгцээг хангах болно.

Батерейны эрчим хүч хадгалах систем нь хамгийн түгээмэл хэрэглэгддэг бөгөөд өдөр тутмын хэрэглээнд тохируулахад хамгийн хялбар байдаг. Тэдгээрийн өндөр уян хатан байдал нь харьцангуй өндөр өртөгтэй тул тус тусын ашиглалтын хугацааг аль болох уртасгах хяналтын стратеги боловсруулахад хүргэдэг. Одоогийн байдлаар аж үйлдвэр, эрдэм шинжилгээний байгууллагууд янз бүрийн нөхцөлд батерейны элэгдлийг судалж, ойлгохын тулд ихээхэн хүчин чармайлт гаргаж байна.