W ciągu ostatnich 50 lat nastąpił ciągły wzrost globalnego zużycia energii elektrycznej, przy czym szacuje się, że w roku 2021 zużycie wyniesie około 25 300 terawatogodzin. Wraz z przejściem na przemysł 4.0 na całym świecie wzrasta zapotrzebowanie na energię. Liczby te rosną każdego roku, nie wliczając zapotrzebowania na energię w przemyśle i innych sektorach gospodarki. Ta zmiana przemysłowa i wysokie zużycie energii idą w parze z bardziej namacalnymi skutkami zmiany klimatu spowodowanymi nadmierną emisją gazów cieplarnianych. Obecnie większość elektrowni i obiektów wytwarzających energię w dużym stopniu opiera się na paliwach kopalnych (ropa naftowa i gaz), aby sprostać takiemu zapotrzebowaniu. Te obawy klimatyczne uniemożliwiają dodatkową produkcję energii przy użyciu konwencjonalnych metod. W związku z tym rozwój wydajnych i niezawodnych systemów magazynowania energii stał się coraz ważniejszy w celu zapewnienia ciągłych i niezawodnych dostaw energii ze źródeł odnawialnych.

Sektor energetyczny zareagował, przechodząc na energię odnawialną lub „zielone” rozwiązania. Przejściu temu pomogły ulepszone techniki produkcyjne, prowadzące na przykład do wydajniejszej produkcji łopat turbin wiatrowych. Ponadto badacze byli w stanie poprawić wydajność ogniw fotowoltaicznych, co prowadzi do lepszej generacji energii na obszar użytkowania. W 2021 r. produkcja energii elektrycznej ze źródeł fotowoltaicznych (PV) znacznie wzrosła, osiągając rekordowe 179 TWh i stanowiąc wzrost o 22% w porównaniu z 2020 r. Technologia fotowoltaiczna stanowi obecnie 3,6% światowej produkcji energii elektrycznej i jest obecnie trzecim co do wielkości odnawialnym źródłem energii po energii wodnej i wiatrowej.

Jednak te przełomy nie rozwiązują niektórych inherentnych wad systemów energii odnawialnej, głównie dostępności. Większość z tych metod nie wytwarza energii na żądanie, jak elektrownie węglowe i olejowe. Wyjścia energii słonecznej są na przykład dostępne przez cały dzień, z wahaniami w zależności od kątów nasłonecznienia i położenia paneli fotowoltaicznych. Nie może wytwarzać żadnej energii w nocy, podczas gdy jej wyjściowa moc jest znacznie zmniejszona w sezonie zimowym i w bardzo pochmurne dni. Energia wiatrowa również cierpi z powodu wahań zależnych od prędkości wiatru. Dlatego te rozwiązania muszą być połączone z systemami magazynowania energii w celu utrzymania dostaw energii w okresach niskiej produkcji.

Czym są systemy magazynowania energii?

Systemy magazynowania energii mogą magazynować energię w celu wykorzystania jej na późniejszym etapie. W niektórych przypadkach będzie występować forma konwersji energii między energią magazynowaną a energią dostarczoną. Najczęstszym przykładem są baterie elektryczne, takie jak baterie litowo-jonowe lub baterie kwasowo-ołowiowe. Dostarczają one energię elektryczną poprzez reakcje chemiczne między elektrodami a elektrolitem.

Baterie lub BESS (system magazynowania energii w bateriach) stanowią najpowszechniejszą metodę magazynowania energii stosowaną w codziennym życiu. Istnieją inne systemy magazynowania, takie jak elektrownie wodne, które zamieniają energię potencjalną wody magazynowanej w tamie na energię elektryczną. Spadająca woda obraca koło zamachowe turbiny, która wytwarza energię elektryczną. Innym przykładem jest sprężony gaz, po uwolnieniu gaz obraca koło turbiny wytwarzającej energię.

To, co odróżnia baterie od innych metod magazynowania, to ich potencjalne obszary działania. Od małych urządzeń i zasilania samochodowego po zastosowania domowe i duże farmy słoneczne, baterie można bezproblemowo zintegrować z dowolnym zastosowaniem magazynowania poza siecią. Z drugiej strony, metody hydroenergetyczne i sprężonego powietrza wymagają bardzo dużych i złożonych infrastruktur 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 poza siecią mogą ułatwić korzystanie i poleganie na metodach energii odnawialnej, takich jak energia słoneczna i wiatrowa. Niemniej jednak istnieją inne zastosowania, które mogą w znacznym stopniu skorzystać z takich systemów

Sieci energetyczne miast mają na celu dostarczanie odpowiedniej ilości energii w oparciu o podaż i popyt w każdym mieście. Wymagana moc może się wahać w ciągu dnia. Systemy magazynowania poza siecią zostały wykorzystane do złagodzenia wahań i zapewnienia większej stabilności w przypadku szczytowego zapotrzebowania. Z innej perspektywy systemy magazynowania poza siecią mogą być bardzo korzystne w celu zrekompensowania wszelkich nieprzewidzianych usterek technicznych w głównej sieci energetycznej lub podczas zaplanowanych okresów konserwacji. Mogą one zaspokoić zapotrzebowanie na energię bez konieczności poszukiwania alternatywnych źródeł energii. Można przytoczyć na przykład burzę lodową w Teksasie na początku lutego 2023 r., która pozbawiła prądu około 262 000 osób, a naprawy zostały opóźnione z powodu trudnych warunków pogodowych.

Pojazdy elektryczne to kolejne zastosowanie. Naukowcy włożyli wiele wysiłku w optymalizację produkcji baterii i strategii ładowania/rozładowywania, aby wydłużyć żywotność i gęstość mocy baterii. Baterie litowo-jonowe były na czele tej małej rewolucji i były szeroko stosowane w nowych samochodach elektrycznych, ale także autobusach elektrycznych. Lepsze baterie w tym przypadku mogą prowadzić do większego przebiegu, ale również skróconego czasu ładowania przy użyciu odpowiednich technologii.

Inne postępy technologiczne, takie jak bezzałogowe statki powietrzne i roboty mobilne, w znacznym stopniu skorzystały na rozwoju baterii. Ich strategie ruchu i strategie sterowania w dużym stopniu zależą od pojemności baterii i dostarczanej mocy.

Czym jest BESS

BESS lub system magazynowania energii akumulatorowej to system magazynowania energii, który może być używany do magazynowania energii. Energia ta może pochodzić z sieci głównej lub ze źródeł odnawialnych, takich jak energia wiatrowa i energia słoneczna. Składa się z wielu akumulatorów rozmieszczonych w różnych konfiguracjach (szeregowo/równolegle) i o różnych rozmiarach w zależności od wymagań. Są one podłączone do falownika, który służy do konwersji prądu stałego na prąd przemienny do użytku. System zarządzania akumulatorem (BMS) służy do monitorowania stanu akumulatora i operacji ładowania/rozładowywania.

W porównaniu z innymi systemami magazynowania energii, charakteryzują się one wyjątkową elastycznością w zakresie umiejscowienia/podłączenia i nie wymagają bardzo kosztownej infrastruktury, jednak nadal wiążą się ze znacznymi kosztami i wymagają bardziej regularnej konserwacji w zależności od wykorzystania.

Rozmiary BESS i nawyki użytkowania

Kluczowym punktem do omówienia podczas instalowania systemu magazynowania energii akumulatorowej jest rozmiar. Ile akumulatorów jest potrzebnych? W jakiej konfiguracji? W niektórych przypadkach typ akumulatora może odgrywać kluczową rolę w dłuższej perspektywie pod względem oszczędności kosztów i wydajności

Odbywa się to w każdym przypadku indywidualnie, ponieważ zastosowania mogą obejmować zarówno małe gospodarstwa domowe, jak i duże zakłady przemysłowe.

Najczęstszym 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 konkretnej lokalizacji. Liczba baterii i konfiguracja ich sieci są dobierane tak, aby odpowiadały zapotrzebowaniu gospodarstwa domowego w okresie najniższego zasilania energią słoneczną w roku, nie wyczerpując całkowicie baterii. Zakłada się, że rozwiązanie ma całkowitą niezależność energetyczną od sieci głównej.

Utrzymywanie względnie umiarkowanego stanu naładowania lub niecałkowite rozładowywanie baterii może być na początku czymś sprzecznym z intuicją. W końcu, po co używać systemu magazynowania, jeśli nie możemy wydobyć z niego pełnego potencjału? Teoretycznie jest to możliwe, ale może nie być strategią maksymalizującą zwrot z inwestycji.

Jedną z głównych wad BESS jest stosunkowo wysoki koszt baterii. Dlatego też wybór nawyku użytkowania lub strategii ładowania/rozładowywania, która maksymalizuje żywotność baterii, jest niezbędny. Na przykład akumulatory kwasowo-ołowiowe nie mogą być rozładowywane poniżej 50% pojemności bez nieodwracalnego uszkodzenia. Akumulatory litowo-jonowe mają większą gęstość energii, długi cykl życia. Można je również rozładowywać przy użyciu większych zakresów, ale wiąże się to z kosztem wyższej ceny. Istnieje duża rozbieżność w kosztach między różnymi chemikaliami, akumulatory kwasowo-ołowiowe mogą być o setki do tysięcy dolarów tańsze niż akumulator litowo-jonowy tej samej wielkości. Dlatego akumulatory kwasowo-ołowiowe są najczęściej używane w zastosowaniach solarnych w krajach trzeciego świata i biednych społecznościach.

Wydajność akumulatora jest silnie dotknięta degradacją w trakcie jego żywotności, nie ma on stałej wydajności, która kończy się nagłą awarią. Zamiast tego pojemność i dostarczana energia mogą stopniowo zanikać. W praktyce uważa się, że żywotność akumulatora dobiegła końca, gdy jego pojemność osiągnie 80% pierwotnej pojemności. Innymi słowy, gdy jego pojemność spadnie o 20%. W praktyce oznacza to, że można dostarczyć mniejszą ilość energii. Może to mieć wpływ na okresy użytkowania w przypadku całkowicie niezależnych systemów i ilość kilometrów, jaką może pokonać pojazd elektryczny.

Innym punktem do rozważenia jest bezpieczeństwo. Dzięki postępom w produkcji i technologii, ostatnie baterie są generalnie bardziej stabilne chemicznie. Jednak ze względu na historię degradacji i nadużyć, ogniwa mogą przechodzić w stan niekontrolowanego wzrostu temperatury, co może prowadzić do katastrofalnych skutków, a w niektórych przypadkach narażać życie konsumentów na niebezpieczeństwo.

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

Systemy magazynowania energii sieciowej zapewniają doskonałą możliwość osiągnięcia niezależności energetycznej od sieci głównej, ale także stanowią zapasowe źródło zasilania 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, a jednocześnie spełniając zapotrzebowanie na energię przy stałym wzroście zużycia.

Systemy magazynowania energii akumulatorowej są najczęściej używane i najłatwiejsze do skonfigurowania do różnych codziennych zastosowań. Ich wysoka elastyczność jest równoważona przez stosunkowo wysoki koszt, co prowadzi do opracowania strategii monitorowania w celu wydłużenia odpowiedniego okresu eksploatacji tak bardzo, jak to możliwe. Obecnie przemysł i środowisko akademickie wkładają wiele wysiłku w badanie i zrozumienie degradacji akumulatorów w różnych warunkach.