Hvordan lagre strøm utenfor strømnettet?

I løpet av de siste 50 årene har det vært en kontinuerlig økning i det globale strømforbruket, med et anslått forbruk på rundt 25 300 terawattimer i år 2021. Med overgangen til industri 4.0 er det en økning i energibehovet over hele verden. Disse tallene øker hvert år, utenom strømbehovet til industri og andre økonomiske sektorer. Dette industrielle skiftet og det høye strømforbruket er kombinert med mer håndgripelige klimaendringer på grunn av overdreven utslipp av klimagasser. For tiden er de fleste kraftverk og anlegg sterkt avhengige av fossile brenselkilder (olje og gass) for å dekke slike behov. Disse klimabekymringene forbyr ytterligere energiproduksjon ved bruk av konvensjonelle metoder. Dermed har utviklingen av effektive og pålitelige energilagringssystemer blitt stadig viktigere for å sikre en kontinuerlig og pålitelig energiforsyning fra fornybare kilder.

Energisektoren har reagert ved å gå over til fornybar energi eller «grønne» løsninger. Overgangen har blitt hjulpet av forbedrede produksjonsteknikker, noe som for eksempel har ført til mer effektiv produksjon av vindturbinblader. Forskere har også vært i stand til å forbedre effektiviteten til solceller, noe som har ført til bedre energiproduksjon per bruksområde. I 2021 økte strømproduksjonen fra solcellekilder (PV) betydelig, og nådde rekordhøye 179 TWh, en vekst på 22 % sammenlignet med 2020. Solcelleteknologi står nå for 3,6 % av den globale strømproduksjonen og er for tiden den tredje største fornybare energikilden etter vannkraft og vind.

Disse gjennombruddene løser imidlertid ikke noen av de iboende ulempene med fornybare energisystemer, hovedsakelig tilgjengelighet. De fleste av disse metodene produserer ikke energi på etterspørsel slik som kull- og oljekraftverk. Solenergiproduksjonen er for eksempel tilgjengelig gjennom hele dagen med variasjoner avhengig av solinnstrålingsvinkler og plassering av PV-paneler. Den kan ikke produsere energi om natten, mens produksjonen er betydelig redusert i vintersesongen og på svært overskyede dager. Vindkraft lider også av svingninger avhengig av vindhastigheten. Derfor må disse løsningene kobles til energilagringssystemer for å opprettholde energiforsyningen i perioder med lav produksjon.

Hva er energilagringssystemer?

Energilagringssystemer kan lagre energi for å kunne brukes på et senere tidspunkt. I noen tilfeller vil det være en form for energiomforming mellom lagret energi og tilført energi. Det vanligste eksemplet er elektriske batterier som litiumionbatterier eller blybatterier. De gir elektrisk energi gjennom kjemiske reaksjoner mellom elektrodene og elektrolytten.

Batterier, eller BESS (batterienergilagringssystem), representerer den vanligste energilagringsmetoden som brukes i dagliglivet. Andre lagringssystemer finnes, for eksempel vannkraftverk, som omdanner den potensielle energien til vann lagret i en demning til elektrisk energi. Vannet som faller ned vil dreie svinghjulet til en turbin som produserer elektrisk energi. Et annet eksempel er komprimert gass. Når gassen slippes ut, vil den dreie hjulet til turbinen og produsere strøm.

Det som skiller batterier fra andre lagringsmetoder er deres potensielle bruksområder. Fra små enheter og bilstrømforsyning til husholdningsapplikasjoner og store solcelleparker, kan batterier integreres sømløst i enhver lagringsapplikasjon utenfor strømnettet. På den annen side krever vannkraft og trykkluftmetoder svært store og komplekse infrastrukturer for lagring. Dette fører til svært høye kostnader som krever svært store applikasjoner for at det skal være berettiget.

Bruksområder for off-grid lagringssystemer.

Som nevnt tidligere kan off-grid lagringssystemer legge til rette for bruk og avhengighet av fornybare energimetoder som sol- og vindkraft. Likevel finnes det andre bruksområder som kan dra stor nytte av slike systemer.

Byens strømnett har som mål å levere riktig mengde strøm basert på tilbud og etterspørsel i hver by. Strømbehovet kan svinge gjennom dagen. Off-grid lagringssystemer har blitt brukt for å dempe svingninger og gi mer stabilitet i tilfeller med toppetterspørsel. Fra et annet perspektiv kan off-grid lagringssystemer være svært fordelaktige for å kompensere for uforutsette tekniske feil i hovedstrømnettet eller under planlagte vedlikeholdsperioder. De kan dekke strømbehovet uten å måtte lete etter alternative energikilder. Man kan for eksempel nevne isstormen i Texas tidlig i februar 2023 som etterlot omtrent 262 000 mennesker uten strøm, mens reparasjoner ble forsinket på grunn av de vanskelige værforholdene.

Elbiler er en annen bruksområder. Forskere har lagt ned mye arbeid i å optimalisere batteriproduksjon og lade-/utladingsstrategier for å forlenge levetiden og effekttettheten til batterier. Litiumionbatterier har vært i forkant av denne lille revolusjonen og har blitt brukt mye i nye elbiler, men også i elektriske busser. Bedre batterier kan i dette tilfellet føre til lengre kjørelengde, men også reduserte ladetider med riktig teknologi.

Andre teknologiske fremskritt, som droner og mobile roboter, har hatt stor nytte av batteriutviklingen. Bevegelsesstrategiene og kontrollstrategiene deres er i stor grad avhengige av batterikapasiteten og strømforsyningen.

Hva er en BESS

BESS, eller batterilagringssystem, er et energilagringssystem som kan brukes til å lagre energi. Denne energien kan komme fra strømnettet eller fra fornybare energikilder som vindenergi og solenergi. Det består av flere batterier arrangert i forskjellige konfigurasjoner (serie/parallell) og dimensjonert basert på behovene. De er koblet til en inverter som brukes til å konvertere likestrøm til vekselstrøm for bruk.batteristyringssystem (BMS)brukes til å overvåke batteriets tilstand og lade-/utladingsoperasjonen.

Sammenlignet med andre energilagringssystemer er de spesielt fleksible å plassere/koble til og krever ikke en svært kostbar infrastruktur, men de har fortsatt en betydelig kostnad og krever mer regelmessig vedlikehold basert på bruken.

BESS-størrelser og bruksvaner

Et viktig punkt å ta tak i når man installerer et batterilagringssystem er dimensjonering. Hvor mange batterier trengs? I hvilken konfigurasjon? I noen tilfeller kan batteritypen spille en avgjørende rolle på lang sikt når det gjelder kostnadsbesparelser og effektivitet.

Dette gjøres fra tilfelle til tilfelle, ettersom bruksområder kan variere fra små husholdninger til store industrianlegg.

Den vanligste fornybare energikilden for små husholdninger, spesielt i byområder, er solenergi ved bruk av solcellepaneler. Ingeniøren vil generelt vurdere husholdningens gjennomsnittlige strømforbruk og vurdere solinnstrålingen gjennom året for det spesifikke stedet. Antall batterier og deres nettkonfigurasjon velges for å matche husholdningens behov under årets laveste solenergiforsyning, uten å tappe batteriene helt. Dette forutsetter en løsning som gir fullstendig strømuavhengighet fra hovednettet.

Å opprettholde en relativt moderat ladetilstand eller ikke utlade batteriene helt kan virke kontraintuitivt i starten. Hvorfor bruke et lagringssystem hvis vi ikke kan utnytte dets fulle potensial? I teorien er det mulig, men det er kanskje ikke strategien som maksimerer avkastningen på investeringen.

En av de største ulempene med BESS er den relativt høye kostnaden for batterier. Derfor er det viktig å velge en bruksvane eller en lade-/utladingsstrategi som maksimerer batteriets levetid. For eksempel kan ikke blysyrebatterier utlades til under 50 % kapasitet uten å lide av irreversibel skade. Litiumionbatterier har høyere energitetthet og lang sykluslevetid. De kan også utlades med større rekkevidder, men dette kommer til en kostnad. Det er stor variasjon i kostnad mellom forskjellige kjemiske stoffer, blysyrebatterier kan være hundrevis til tusenvis av dollar billigere enn et litiumionbatteri av samme størrelse. Dette er grunnen til at blysyrebatterier er de mest brukte i solcelleapplikasjoner i tredjeverdensland og fattige samfunn.

Batteriets ytelse påvirkes sterkt av forringelse i løpet av levetiden. Det har ikke en stabil ytelse som ender med plutselig svikt. I stedet kan kapasiteten og den leverte kapasiteten gradvis avta. I praksis anses et batteris levetid å være uttømt når kapasiteten når 80 % av den opprinnelige kapasiteten. Med andre ord, når det opplever en kapasitetsreduksjon på 20 %. I praksis betyr dette at en lavere mengde energi kan leveres. Dette kan påvirke bruksperiodene for helt uavhengige systemer og hvor mye kjørelengde en elbil kan dekke.

Et annet punkt å vurdere er sikkerhet. Med fremskritt innen produksjon og teknologi har nyere batterier generelt vært mer kjemisk stabile. På grunn av nedbrytning og misbruk kan imidlertid celler få termisk runaway, noe som kan føre til katastrofale resultater og i noen tilfeller sette forbrukernes liv i fare.

Derfor har selskaper utviklet bedre programvare for batteriovervåking (BMS) for å kontrollere batteribruken, men også overvåke helsetilstanden for å kunne sørge for rettidig vedlikehold og unngå forverrede konsekvenser.

Konklusjon

Av strømnettets energilagringssystemer gir en flott mulighet til å oppnå uavhengighet av strømnettet, men de gir også en reservekraftkilde under nedetid og perioder med toppbelastning. Utviklingen vil legge til rette for overgangen til grønnere energikilder, og dermed begrense virkningen av energiproduksjon på klimaendringer, samtidig som energibehovet dekkes med konstant vekst i forbruket.

Batterilagringssystemer er de mest brukte og enkleste å konfigurere for ulike hverdagsapplikasjoner. Deres høye fleksibilitet motvirkes av en relativt høy kostnad, noe som fører til utvikling av overvåkingsstrategier for å forlenge levetiden så mye som mulig. For tiden legger industri og akademia mye arbeid i å undersøke og forstå batteriforringelse under ulike forhold.