W ciągu ostatnich 50 lat obserwuje się ciągły wzrost globalnego zużycia energii elektrycznej, którego szacunkowe zużycie w roku 2021 wyniesie około 25 300 terawatogodzin. Wraz z transformacją w kierunku Przemysłu 4.0, na całym świecie rośnie zapotrzebowanie na energię. Liczby te rosną z roku na rok, nie uwzględniając zapotrzebowania na energię w przemyśle i innych sektorach gospodarki. Te zmiany w przemyśle i wysokie zużycie energii wiążą się z bardziej namacalnymi skutkami zmian klimatu, wynikającymi z nadmiernej emisji gazów cieplarnianych. Obecnie większość elektrowni i obiektów energetycznych w dużym stopniu opiera się na paliwach kopalnych (ropa naftowa i gaz), aby sprostać temu zapotrzebowaniu. Obawy związane z klimatem uniemożliwiają dodatkową produkcję energii konwencjonalnymi metodami. W związku z tym rozwój wydajnych i niezawodnych systemów magazynowania energii staje się coraz ważniejszy dla zapewnienia ciągłych i niezawodnych dostaw energii ze źródeł odnawialnych.
Sektor energetyczny zareagował, przestawiając się na energię odnawialną lub „zielone” rozwiązania. Przejście to zostało wsparte ulepszonymi technikami produkcji, co doprowadziło na przykład do wydajniejszej produkcji łopat turbin wiatrowych. Naukowcy byli również w stanie poprawić wydajność ogniw fotowoltaicznych, co przełożyło się na lepszą produkcję energii w przeliczeniu na obszar użytkowania. W 2021 roku produkcja energii elektrycznej ze źródeł fotowoltaicznych (PV) znacząco wzrosła, osiągając rekordowy poziom 179 TWh, co stanowi wzrost o 22% w porównaniu z 2020 rokiem. Technologia fotowoltaiczna odpowiada obecnie za 3,6% globalnej produkcji energii elektrycznej i jest trzecim co do wielkości odnawialnym źródłem energii po energii wodnej i wiatrowej.
Jednak te przełomy nie rozwiązują niektórych nieodłącznych wad systemów energii odnawialnej, głównie ich dostępności. Większość z tych metod nie wytwarza energii na żądanie, tak jak elektrownie węglowe i olejowe. Energia słoneczna jest na przykład dostępna przez cały dzień, z wahaniami w zależności od kąta padania promieni słonecznych i położenia paneli fotowoltaicznych. W nocy nie jest w stanie wytworzyć energii, a jej wydajność jest znacznie ograniczona w okresie zimowym i w dni z dużym zachmurzeniem. Energia wiatrowa również jest podatna na wahania w zależności od prędkości wiatru. Dlatego rozwiązania te muszą być połączone z systemami magazynowania energii, aby zapewnić podaż energii w okresach niskiego zapotrzebowania.
Czym są systemy magazynowania energii?
Systemy magazynowania energii mogą magazynować energię w celu późniejszego wykorzystania. W niektórych przypadkach zachodzi pewna forma konwersji energii między energią zmagazynowaną a energią dostarczoną. Najczęstszym przykładem są akumulatory elektryczne, takie jak litowo-jonowe lub kwasowo-ołowiowe. Dostarczają one energię elektryczną poprzez reakcje chemiczne między elektrodami a elektrolitem.
Baterie, czyli BESS (systemy magazynowania energii w akumulatorach), stanowią najpowszechniejszą metodę magazynowania energii wykorzystywaną w codziennym życiu. Istnieją również inne systemy magazynowania, takie jak elektrownie wodne, które przetwarzają energię potencjalną wody zmagazynowanej w zaporze na energię elektryczną. Spadająca woda obraca koło zamachowe turbiny wytwarzającej energię elektryczną. Innym przykładem jest sprężony gaz, który po uwolnieniu obraca koło turbiny wytwarzającej energię.
Tym, co odróżnia baterie od innych metod magazynowania energii, są ich potencjalne obszary zastosowania. Od małych urządzeń i zasilania samochodowego, po zastosowania domowe i duże farmy fotowoltaiczne, baterie można bezproblemowo zintegrować z dowolnym systemem magazynowania energii poza siecią. Z drugiej strony, energia wodna i metody wykorzystujące sprężone powietrze wymagają bardzo dużej i złożonej infrastruktury do magazynowania. Prowadzi to do bardzo wysokich kosztów, które wymagają bardzo dużych zastosowań, aby były uzasadnione.
Przykłady zastosowań systemów magazynowania danych poza siecią.
Jak wspomniano wcześniej, systemy magazynowania energii poza siecią mogą ułatwić korzystanie z odnawialnych źródeł energii, takich jak energia słoneczna i wiatrowa, i korzystanie z nich. Niemniej jednak istnieją inne zastosowania, które mogą znacząco skorzystać z takich systemów.
Miejskie sieci energetyczne mają na celu zapewnienie odpowiedniej ilości energii w oparciu o podaż i popyt w każdym mieście. Zapotrzebowanie na energię może wahać się w ciągu dnia. Systemy magazynowania energii poza siecią (off-grid) zostały zastosowane w celu złagodzenia wahań i zapewnienia większej stabilności w przypadku szczytowego zapotrzebowania. Z drugiej strony, systemy magazynowania energii poza siecią (off-grid) mogą być bardzo korzystne w kompensacji wszelkich nieprzewidzianych usterek technicznych w głównej sieci energetycznej lub podczas planowanych przeglądów. Mogą one zaspokoić zapotrzebowanie na energię bez konieczności poszukiwania alternatywnych źródeł energii. Przykładem może być burza lodowa w Teksasie z początku lutego 2023 roku, która pozbawiła prądu około 262 000 osób, a naprawy zostały opóźnione z powodu trudnych warunków pogodowych.
Kolejnym zastosowaniem są pojazdy elektryczne. Naukowcy włożyli wiele wysiłku w optymalizację produkcji akumulatorów oraz strategii ładowania/rozładowywania, aby wydłużyć ich żywotność i gęstość mocy. Akumulatory litowo-jonowe odegrały kluczową rolę w tej małej rewolucji i były szeroko stosowane w nowych samochodach elektrycznych, a także autobusach elektrycznych. Lepsze akumulatory w tym przypadku mogą prowadzić do większego zasięgu, ale także skrócenia czasu ładowania przy zastosowaniu odpowiednich technologii.
Inne zaawansowane technologie, takie jak bezzałogowe statki powietrzne (UAV) i roboty mobilne, w znacznym stopniu skorzystały na rozwoju akumulatorów. Ich strategie ruchu i sterowania w dużej mierze zależą od pojemności i mocy dostarczanych akumulatorów.
Czym jest BESS
BESS, czyli system magazynowania energii w akumulatorach, to system magazynowania energii, który może być wykorzystywany do magazynowania energii. Energia ta może pochodzić z sieci elektroenergetycznej lub z odnawialnych źródeł energii, takich jak energia wiatrowa i słoneczna. Składa się z wielu akumulatorów połączonych szeregowo/równoległie i o różnych rozmiarach, dostosowanych do potrzeb. Są one podłączone do falownika, który przetwarza prąd stały na prąd przemienny.system zarządzania baterią (BMS)służy do monitorowania stanu akumulatora oraz operacji ładowania/rozładowywania.
W porównaniu z innymi systemami magazynowania energii, charakteryzują się one wyjątkową elastycznością w zakresie umiejscowienia i podłączenia oraz nie wymagają kosztownej infrastruktury, jednak nadal wiążą się ze znacznymi kosztami i wymagają częstszej konserwacji w zależności od intensywności użytkowania.
Rozmiary i nawyki użytkowania BESS
Kluczową kwestią, którą należy poruszyć podczas instalacji systemu magazynowania energii w akumulatorach, jest dobór rozmiaru. Ile akumulatorów jest potrzebnych? W jakiej konfiguracji? W niektórych przypadkach rodzaj akumulatora może mieć kluczowe znaczenie w dłuższej perspektywie, jeśli chodzi o oszczędności i wydajność.
Odbywa się to w każdym indywidualnym przypadku, ponieważ zastosowania mogą obejmować zarówno małe gospodarstwa domowe, jak i duże zakłady przemysłowe.
Najpopularniejszym odnawialnym źródłem energii dla małych gospodarstw domowych, zwłaszcza na obszarach miejskich, jest energia słoneczna, wykorzystująca panele fotowoltaiczne. Inżynier zazwyczaj bierze pod uwagę średnie zużycie energii w gospodarstwie domowym i ocenia natężenie promieniowania słonecznego w ciągu roku dla danej lokalizacji. Liczbę akumulatorów i konfigurację ich sieci dobiera się tak, aby odpowiadały zapotrzebowaniu gospodarstwa domowego w okresie najniższego zapotrzebowania na energię słoneczną w roku, nie wyczerpując jednocześnie całkowicie akumulatorów. Zakłada się w ten sposób rozwiązanie zapewniające całkowitą niezależność energetyczną od sieci głównej.
Utrzymywanie względnie umiarkowanego stanu naładowania lub nierozładowywanie akumulatorów do końca może na początku wydawać się sprzeczne z intuicją. W końcu, po co korzystać z systemu magazynowania energii, skoro nie możemy wykorzystać jego pełnego potencjału? Teoretycznie jest to możliwe, ale może nie być to strategia maksymalizująca zwrot z inwestycji.
Jedną z głównych wad technologii BESS jest stosunkowo wysoki koszt akumulatorów. Dlatego kluczowe jest dobranie odpowiedniego sposobu użytkowania lub strategii ładowania/rozładowywania, która maksymalizuje żywotność akumulatora. Na przykład akumulatory kwasowo-ołowiowe nie mogą być rozładowywane poniżej 50% pojemności bez nieodwracalnego uszkodzenia. Akumulatory litowo-jonowe charakteryzują się wyższą gęstością energii i długim cyklem życia. Można je również rozładowywać w szerszym zakresie, ale wiąże się to z wyższą ceną. Koszty różnią się znacznie w zależności od składu chemicznego – akumulatory kwasowo-ołowiowe mogą być o setki, a nawet tysiące dolarów tańsze niż akumulatory litowo-jonowe o tej samej pojemności. Właśnie dlatego akumulatory kwasowo-ołowiowe są najczęściej wykorzystywane w systemach solarnych w krajach rozwijających się i ubogich społecznościach.
Wydajność akumulatora jest silnie uzależniona od degradacji w trakcie jego eksploatacji. Nie charakteryzuje się on stałą wydajnością, która kończy się nagłą awarią. Zamiast tego, dostarczana pojemność może stopniowo spadać. W praktyce żywotność akumulatora uznaje się za wyczerpaną, gdy jego pojemność osiągnie 80% pierwotnej pojemności. Innymi słowy, gdy pojemność spadnie o 20%. W praktyce oznacza to, że można dostarczyć mniejszą ilość energii. Może to wpłynąć na okres użytkowania w pełni niezależnych systemów oraz na zasięg pojazdu elektrycznego.
Kolejną kwestią, którą należy wziąć pod uwagę, jest bezpieczeństwo. Dzięki postępowi w produkcji i technologii, najnowsze baterie charakteryzują się generalnie większą stabilnością chemiczną. Jednak ze względu na degradację i historię niewłaściwego użytkowania, ogniwa mogą ulegać niekontrolowanemu wzrostowi temperatury, co może prowadzić do katastrofalnych skutków, a w niektórych przypadkach nawet do zagrożenia życia użytkowników.
Dlatego firmy opracowały lepsze oprogramowanie do monitorowania akumulatorów (BMS), które nie tylko pozwala kontrolować ich zużycie, ale także monitorować stan techniczny, by zapewnić terminową konserwację i uniknąć poważniejszych konsekwencji.
Wniosek
Sieciowe systemy magazynowania energii oferują doskonałą możliwość osiągnięcia niezależności energetycznej od sieci głównej, a także stanowią zapasowe źródło energii w okresach przestoju i szczytowego obciążenia. Ich rozwój ułatwiłby przejście na bardziej ekologiczne źródła energii, ograniczając w ten sposób wpływ wytwarzania energii na zmiany klimatu, jednocześnie zaspokajając zapotrzebowanie na energię przy stale rosnącym zużyciu.
Systemy magazynowania energii w akumulatorach są najczęściej stosowane i najłatwiejsze w konfiguracji do różnych zastosowań. Ich wysoka elastyczność jest jednak rekompensowana stosunkowo wysokimi kosztami, co prowadzi do opracowania strategii monitorowania, mających na celu maksymalne wydłużenie ich żywotności. Obecnie przemysł i środowisko akademickie wkładają wiele wysiłku w badanie i zrozumienie degradacji akumulatorów w różnych warunkach.
Powiązany artykuł:
Spersonalizowane rozwiązania energetyczne – rewolucyjne podejście do dostępu do energii
Maksymalizacja energii odnawialnej: rola magazynowania energii w akumulatorach
Postęp w technologii akumulatorów do morskich systemów magazynowania energii
