Bagaimana untuk menyimpan elektrik di luar grid?

Sepanjang 50 tahun yang lalu, terdapat peningkatan berterusan dalam penggunaan elektrik global, dengan anggaran penggunaan sekitar 25,300 terawatt-jam pada tahun 2021. Dengan peralihan ke arah industri 4.0, terdapat peningkatan dalam permintaan tenaga di seluruh dunia. Angka-angka ini meningkat setiap tahun, tidak termasuk keperluan kuasa industri dan sektor ekonomi lain. Peralihan industri dan penggunaan kuasa tinggi ini digabungkan dengan kesan perubahan iklim yang lebih ketara disebabkan oleh pelepasan gas rumah hijau yang berlebihan. Pada masa ini, kebanyakan loji dan kemudahan penjanaan kuasa sangat bergantung pada sumber bahan api fosil (minyak dan gas) untuk memenuhi permintaan tersebut. Kebimbangan iklim ini melarang penjanaan tenaga tambahan menggunakan kaedah konvensional. Oleh itu, pembangunan sistem penyimpanan tenaga yang cekap dan andal menjadi semakin penting untuk memastikan bekalan tenaga yang berterusan dan andal daripada sumber yang boleh diperbaharui.

Sektor tenaga telah bertindak balas dengan beralih kepada tenaga boleh diperbaharui atau penyelesaian "hijau". Peralihan ini telah dibantu oleh teknik pembuatan yang lebih baik, contohnya yang membawa kepada pembuatan bilah turbin angin yang lebih cekap. Selain itu, para penyelidik telah dapat meningkatkan kecekapan sel fotovoltaik, yang membawa kepada penjanaan tenaga yang lebih baik bagi setiap kawasan penggunaan. Pada tahun 2021, penjanaan elektrik daripada sumber fotovoltaik solar (PV) meningkat dengan ketara, mencapai rekod 179 TWh dan mewakili pertumbuhan sebanyak 22% berbanding tahun 2020. Teknologi PV solar kini menyumbang 3.6% daripada penjanaan elektrik global dan kini merupakan sumber tenaga boleh diperbaharui ketiga terbesar selepas kuasa hidro dan angin.

Walau bagaimanapun, penemuan ini tidak menyelesaikan beberapa kelemahan yang wujud dalam sistem tenaga boleh diperbaharui, terutamanya ketersediaan. Kebanyakan kaedah ini tidak menghasilkan tenaga atas permintaan seperti loji janakuasa arang batu dan minyak. Output tenaga solar misalnya tersedia sepanjang hari dengan variasi bergantung pada sudut penyinaran matahari dan kedudukan panel PV. Ia tidak dapat menghasilkan sebarang tenaga pada waktu malam manakala outputnya berkurangan dengan ketara semasa musim sejuk dan pada hari yang sangat mendung. Kuasa angin juga mengalami turun naik bergantung pada kelajuan angin. Oleh itu, penyelesaian ini perlu digandingkan dengan sistem penyimpanan tenaga untuk mengekalkan bekalan tenaga semasa tempoh output yang rendah.

Apakah sistem penyimpanan tenaga?

Sistem penyimpanan tenaga boleh menyimpan tenaga untuk digunakan pada peringkat kemudian. Dalam beberapa kes, akan terdapat satu bentuk penukaran tenaga antara tenaga yang disimpan dan tenaga yang disediakan. Contoh yang paling biasa ialah bateri elektrik seperti bateri litium-ion atau bateri asid plumbum. Ia membekalkan tenaga elektrik melalui tindak balas kimia antara elektrod dan elektrolit.

Bateri, atau BESS (sistem penyimpanan tenaga bateri), mewakili kaedah penyimpanan tenaga yang paling biasa digunakan dalam aplikasi kehidupan seharian. Sistem penyimpanan lain wujud seperti loji kuasa hidro yang menukar tenaga keupayaan air yang disimpan di empangan kepada tenaga elektrik. Air yang jatuh ke bawah akan memutarkan roda tenaga turbin yang menghasilkan tenaga elektrik. Satu lagi contoh ialah gas termampat, apabila dibebaskan, gas akan memutarkan roda turbin untuk menghasilkan kuasa.

Apa yang membezakan bateri daripada kaedah penyimpanan lain ialah potensi bidang operasinya. Daripada peranti kecil dan bekalan kuasa automobil hinggalah aplikasi isi rumah dan ladang solar yang besar, bateri boleh disepadukan dengan lancar kepada sebarang aplikasi penyimpanan luar grid. Sebaliknya, kaedah kuasa hidro dan udara termampat memerlukan infrastruktur penyimpanan yang sangat besar dan kompleks. Ini membawa kepada kos yang sangat tinggi yang memerlukan aplikasi yang sangat besar agar ia dapat dijustifikasikan.

Kes penggunaan untuk sistem storan luar grid.

Seperti yang dinyatakan sebelum ini, sistem storan luar grid boleh memudahkan penggunaan dan pergantungan pada kaedah tenaga boleh diperbaharui seperti tenaga solar dan angin. Walau bagaimanapun, terdapat aplikasi lain yang boleh mendapat manfaat yang besar daripada sistem sedemikian.

Grid kuasa bandar bertujuan untuk menyediakan jumlah kuasa yang tepat berdasarkan penawaran dan permintaan setiap bandar. Kuasa yang diperlukan boleh berubah-ubah sepanjang hari. Sistem storan luar grid telah digunakan untuk mengurangkan turun naik dan memberikan lebih kestabilan dalam kes permintaan puncak. Dari perspektif yang berbeza, sistem storan luar grid boleh menjadi sangat bermanfaat untuk mengimbangi sebarang kerosakan teknikal yang tidak dijangka dalam grid kuasa utama atau semasa tempoh penyelenggaraan berjadual. Ia boleh memenuhi keperluan kuasa tanpa perlu mencari sumber tenaga alternatif. Contohnya, ribut ais Texas pada awal Februari 2023 yang menyebabkan kira-kira 262,000 orang terputus bekalan elektrik, manakala pembaikan ditangguhkan disebabkan oleh keadaan cuaca yang sukar.

Kenderaan elektrik merupakan satu lagi aplikasi. Para penyelidik telah berusaha keras untuk mengoptimumkan pembuatan bateri dan strategi pengecasan/penyahcasan bagi memanjangkan jangka hayat dan ketumpatan kuasa bateri. Bateri litium-ion telah berada di barisan hadapan dalam revolusi kecil ini dan telah digunakan secara meluas dalam kereta elektrik baharu tetapi juga bas elektrik. Bateri yang lebih baik dalam kes ini boleh membawa kepada jarak tempuh yang lebih besar tetapi juga mengurangkan masa pengecasan dengan teknologi yang betul.

Kemajuan teknologi lain seperti UAV dan robot mudah alih telah banyak mendapat manfaat daripada pembangunan bateri. Strategi pergerakan dan strategi kawalan mereka sangat bergantung pada kapasiti bateri dan kuasa yang disediakan.

Apakah itu BESS?

BESS atau sistem penyimpanan tenaga bateri ialah sistem penyimpanan tenaga yang boleh digunakan untuk menyimpan tenaga. Tenaga ini boleh datang daripada grid utama atau daripada sumber tenaga boleh diperbaharui seperti tenaga angin dan tenaga suria. Ia terdiri daripada pelbagai bateri yang disusun dalam konfigurasi berbeza (siri/selari) dan bersaiz berdasarkan keperluan. Ia disambungkan kepada penyongsang yang digunakan untuk menukar kuasa DC kepada kuasa AC untuk kegunaan.sistem pengurusan bateri (BMS)digunakan untuk memantau keadaan bateri dan operasi pengecasan/penyahcasan.

Berbanding dengan sistem storan tenaga yang lain, ia amat fleksibel untuk diletakkan/disambungkan dan tidak memerlukan infrastruktur yang sangat mahal, tetapi ia masih memerlukan kos yang tinggi dan memerlukan penyelenggaraan yang lebih kerap berdasarkan penggunaannya.

Saiz dan tabiat penggunaan BESS

Satu perkara penting yang perlu ditangani semasa memasang sistem storan tenaga bateri ialah saiz. Berapa banyak bateri yang diperlukan? Dalam konfigurasi yang bagaimana? Dalam sesetengah kes, jenis bateri boleh memainkan peranan penting dalam jangka masa panjang dari segi penjimatan kos dan kecekapan.

Ini dilakukan berdasarkan kes demi kes kerana aplikasi boleh terdiri daripada isi rumah kecil hinggalah loji perindustrian yang besar.

Sumber tenaga boleh diperbaharui yang paling biasa untuk isi rumah kecil, terutamanya di kawasan bandar, ialah solar menggunakan panel fotovoltaik. Jurutera secara amnya akan mempertimbangkan purata penggunaan kuasa isi rumah dan menilai penyinaran solar sepanjang tahun untuk lokasi tertentu. Bilangan bateri dan konfigurasi gridnya dipilih untuk memadankan permintaan isi rumah semasa bekalan kuasa solar terendah tahun ini tanpa menghabiskan bateri sepenuhnya. Ini mengandaikan penyelesaian untuk mempunyai kebebasan kuasa sepenuhnya daripada grid utama.

Mengekalkan keadaan cas yang agak sederhana atau tidak mencas bateri sepenuhnya adalah sesuatu yang mungkin bercanggah dengan intuisi pada mulanya. Lagipun, mengapa menggunakan sistem storan jika kita tidak dapat mengekstrak potensinya sepenuhnya? Secara teorinya ia mungkin, tetapi mungkin bukan strategi yang memaksimumkan pulangan pelaburan.

Salah satu kelemahan utama BESS ialah kos bateri yang agak tinggi. Oleh itu, memilih tabiat penggunaan atau strategi pengecasan/penyahcasan yang memaksimumkan jangka hayat bateri adalah penting. Contohnya, bateri asid plumbum tidak boleh dinyahcas di bawah kapasiti 50% tanpa mengalami kerosakan yang tidak dapat dipulihkan. Bateri litium-ion mempunyai ketumpatan tenaga yang lebih tinggi, hayat kitaran yang panjang. Ia juga boleh dinyahcas menggunakan julat yang lebih besar, tetapi ini datang dengan kos harga yang lebih tinggi. Terdapat varians kos yang tinggi antara kimia yang berbeza, bateri asid plumbum boleh beratus-ratus hingga ribuan dolar lebih murah daripada bateri litium-ion dengan saiz yang sama. Inilah sebabnya mengapa bateri asid plumbum paling banyak digunakan dalam aplikasi solar di negara dunia ke-3 dan komuniti miskin.

Prestasi bateri sangat terjejas oleh degradasi sepanjang hayatnya, ia tidak mempunyai prestasi yang stabil yang berakhir dengan kegagalan secara tiba-tiba. Sebaliknya, kapasiti dan bekalan yang disediakan boleh pudar secara progresif. Dalam praktiknya, jangka hayat bateri dianggap telah habis apabila kapasitinya mencapai 80% daripada kapasiti asalnya. Dalam erti kata lain, apabila ia mengalami pudar kapasiti sebanyak 20%. Dalam praktiknya, ini bermakna jumlah tenaga yang lebih rendah dapat disediakan. Ini boleh menjejaskan tempoh penggunaan untuk sistem bebas sepenuhnya dan jumlah perbatuan yang boleh diliputi oleh EV.

Satu lagi perkara yang perlu dipertimbangkan ialah keselamatan. Dengan kemajuan dalam pembuatan dan teknologi, bateri terkini secara amnya lebih stabil dari segi kimia. Walau bagaimanapun, disebabkan oleh sejarah degradasi dan penyalahgunaan, sel boleh mengalami pelepasan haba yang boleh mengakibatkan bencana dan dalam beberapa kes membahayakan nyawa pengguna.

Inilah sebabnya mengapa syarikat-syarikat telah membangunkan perisian pemantauan bateri (BMS) yang lebih baik untuk mengawal penggunaan bateri tetapi juga memantau keadaan kesihatan bagi menyediakan penyelenggaraan yang tepat pada masanya dan mengelakkan akibat yang lebih buruk.

Kesimpulan

Sistem storan tenaga grid menyediakan peluang yang baik untuk mencapai kebebasan kuasa daripada grid utama tetapi juga menyediakan sumber kuasa sandaran semasa waktu henti dan tempoh beban puncak. Pembangunan di sana akan memudahkan peralihan ke arah sumber tenaga yang lebih mesra alam, sekali gus mengehadkan impak penjanaan tenaga terhadap perubahan iklim sambil tetap memenuhi keperluan tenaga dengan pertumbuhan penggunaan yang berterusan.

Sistem storan tenaga bateri adalah yang paling biasa digunakan dan paling mudah dikonfigurasikan untuk aplikasi harian yang berbeza. Fleksibiliti yang tinggi diimbangi oleh kos yang agak tinggi, yang membawa kepada pembangunan strategi pemantauan untuk memanjangkan jangka hayat masing-masing sebanyak mungkin. Pada masa ini, industri dan akademik sedang berusaha keras untuk menyiasat dan memahami degradasi bateri dalam keadaan yang berbeza.