Cum să stochezi electricitatea în afara rețelei?

În ultimii 50 de ani, a existat o creștere continuă a consumului global de energie electrică, cu un consum estimat de aproximativ 25.300 terawați-oră în anul 2021. Odată cu tranziția către Industria 4.0, există o creștere a cererii de energie în întreaga lume. Aceste cifre cresc în fiecare an, fără a include cerințele de energie ale sectoarelor industriale și economice. Această schimbare industrială și consumul ridicat de energie sunt dublate de efecte mai tangibile ale schimbărilor climatice datorate emisiilor excesive de gaze cu efect de seră. În prezent, majoritatea centralelor și instalațiilor de producere a energiei se bazează în mare măsură pe surse de combustibili fosili (petrol și gaze) pentru a satisface astfel de cereri. Aceste preocupări climatice interzic generarea suplimentară de energie folosind metode convenționale. Astfel, dezvoltarea unor sisteme eficiente și fiabile de stocare a energiei a devenit din ce în ce mai importantă pentru a asigura o aprovizionare continuă și fiabilă cu energie din surse regenerabile.

Sectorul energetic a răspuns prin trecerea la energia regenerabilă sau la soluții „verzi”. Tranziția a fost ajutată de tehnici de fabricație îmbunătățite, ceea ce a dus, de exemplu, la o fabricație mai eficientă a palelor turbinelor eoliene. De asemenea, cercetătorii au reușit să îmbunătățească eficiența celulelor fotovoltaice, ceea ce a dus la o mai bună generare de energie per zonă de utilizare. În 2021, generarea de energie electrică din surse solare fotovoltaice (PV) a crescut semnificativ, ajungând la un record de 179 TWh și reprezentând o creștere de 22% față de 2020. Tehnologia solară fotovoltaică reprezintă acum 3,6% din generarea globală de energie electrică și este în prezent a treia cea mai mare sursă de energie regenerabilă după energia hidroelectrică și cea eoliană.

Cu toate acestea, aceste descoperiri nu rezolvă unele dintre dezavantajele inerente ale sistemelor de energie regenerabilă, în principal disponibilitatea. Majoritatea acestor metode nu produc energie la cerere, așa cum produc centralele pe cărbune și petrol. Producția de energie solară este, de exemplu, disponibilă pe tot parcursul zilei, cu variații în funcție de unghiurile de iradiere a soarelui și de poziționarea panourilor fotovoltaice. Nu poate produce energie în timpul nopții, în timp ce producția sa este redusă semnificativ în timpul sezonului de iarnă și în zilele foarte înnorate. Energia eoliană suferă, de asemenea, de fluctuații în funcție de viteza vântului. Prin urmare, aceste soluții trebuie cuplate cu sisteme de stocare a energiei pentru a susține furnizarea de energie în perioadele cu producție redusă.

Ce sunt sistemele de stocare a energiei?

Sistemele de stocare a energiei pot stoca energie pentru a fi utilizate într-o etapă ulterioară.

Bateriile, sau BESS (sistem de stocare a energiei în baterii), reprezintă cea mai comună metodă de stocare a energiei utilizată în aplicațiile vieții de zi cu zi. Există și alte sisteme de stocare, cum ar fi hidrocentralele, care transformă energia potențială a apei stocate într-un baraj în energie electrică. Apa care cade va roti volanta unei turbine care produce energie electrică. Un alt exemplu este gazul comprimat, la eliberare, gazul va roti roata turbinei producând energie.

Ceea ce diferențiază bateriile de alte metode de stocare este potențialul lor de utilizare. De la dispozitive mici și surse de alimentare pentru automobile, până la aplicații casnice și parcuri solare mari, bateriile pot fi integrate perfect în orice aplicație de stocare în afara rețelei electrice. Pe de altă parte, metodele hidroenergetice și de aer comprimat necesită infrastructuri foarte mari și complexe pentru stocare. Acest lucru duce la costuri foarte mari, care necesită aplicații foarte ample pentru a fi justificate.

Cazuri de utilizare pentru sisteme de stocare off-grid.

Așa cum am menționat anterior, sistemele de stocare în afara rețelei pot facilita utilizarea și dependența de metode de energie regenerabilă, cum ar fi energia solară și eoliană. Cu toate acestea, există și alte aplicații care pot beneficia foarte mult de astfel de sisteme.

Rețelele electrice ale orașelor își propun să furnizeze cantitatea potrivită de energie în funcție de cererea și oferta fiecărui oraș. Puterea necesară poate fluctua pe parcursul zilei. Sistemele de stocare independente de rețea au fost utilizate pentru a atenua fluctuațiile și a oferi mai multă stabilitate în cazurile de vârf de cerere. Dintr-o altă perspectivă, sistemele de stocare independente de rețea pot fi extrem de benefice pentru a compensa orice defecțiune tehnică neprevăzută a rețelei electrice principale sau în timpul perioadelor de întreținere programată. Acestea pot satisface cerințele de energie fără a fi nevoie să se caute surse alternative de energie. Se poate cita, de exemplu, furtuna cu gheață din Texas de la începutul lunii februarie 2023, care a lăsat aproximativ 262.000 de oameni fără energie electrică, în timp ce reparațiile au fost întârziate din cauza condițiilor meteorologice dificile.

Vehiculele electrice reprezintă o altă aplicație. Cercetătorii au depus eforturi considerabile pentru a optimiza fabricarea bateriilor și strategiile de încărcare/descărcare, cu scopul de a prelungi durata de viață și densitatea de putere a acestora. Bateriile litiu-ion s-au aflat în avangarda acestei mici revoluții și au fost utilizate pe scară largă în mașinile electrice noi, dar și în autobuzele electrice. Bateriile mai bune, în acest caz, pot duce la un kilometraj mai mare, dar și la timpi de încărcare reduși cu tehnologiile potrivite.

Alte progrese tehnologice, precum dronele și roboții mobili, au beneficiat enorm de dezvoltarea bateriilor. Strategiile de mișcare și de control ale acestora se bazează în mare măsură pe capacitatea bateriei și pe puterea furnizată.

Ce este un BESS

Sistemul de stocare a energiei în baterii (BESS) este un sistem de stocare a energiei care poate fi utilizat pentru stocarea energiei. Această energie poate proveni de la rețeaua electrică principală sau din surse regenerabile de energie, cum ar fi energia eoliană și energia solară. Este compus din mai multe baterii aranjate în diferite configurații (serie/paralel) și dimensionate în funcție de cerințe. Acestea sunt conectate la un invertor care este utilizat pentru a converti curentul continuu în curent alternativ pentru utilizare.sistem de gestionare a bateriei (BMS)este utilizat pentru monitorizarea stării bateriei și a operațiunii de încărcare/descărcare.

Comparativ cu alte sisteme de stocare a energiei, acestea sunt deosebit de flexibile în ceea ce privește amplasarea/conectarea și nu necesită o infrastructură foarte costisitoare, dar totuși au un cost considerabil și necesită o întreținere mai regulată, în funcție de utilizare.

Dimensionarea și obiceiurile de utilizare ale BESS

Un punct crucial de abordat la instalarea unui sistem de stocare a energiei prin baterii este dimensionarea. Câte baterii sunt necesare? În ce configurație? În unele cazuri, tipul de baterie poate juca un rol crucial pe termen lung în ceea ce privește economiile de costuri și eficiența.

Acest lucru se face de la caz la caz, deoarece aplicațiile pot varia de la gospodării mici până la fabrici industriale mari.

Cea mai comună sursă de energie regenerabilă pentru gospodăriile mici, în special în zonele urbane, este energia solară care utilizează panouri fotovoltaice. Inginerul ar lua în considerare, în general, consumul mediu de energie al gospodăriei și ar evalua iradierea solară pe parcursul anului pentru locația specifică. Numărul de baterii și configurația rețelei lor sunt alese pentru a se potrivi cererii gospodăriei în timpul celei mai mici cantități de energie solară a anului, fără a descărca complet bateriile. Aceasta presupune o soluție care să aibă independență energetică completă față de rețeaua principală.

Menținerea unei stări de încărcare relativ moderate sau descărcarea necompletată a bateriilor este ceva ce poate părea contraintuitiv la început. La urma urmei, de ce să folosim un sistem de stocare dacă nu putem extrage întregul său potențial? În teorie, este posibil, dar s-ar putea să nu fie strategia care maximizează rentabilitatea investiției.

Unul dintre principalele dezavantaje ale sistemelor BESS (Business Energy Savings) este costul relativ ridicat al bateriilor. Prin urmare, alegerea unui obicei de utilizare sau a unei strategii de încărcare/descărcare care să maximizeze durata de viață a bateriei este esențială. De exemplu, bateriile cu plumb nu pot fi descărcate sub 50% din capacitate fără a suferi deteriorări ireversibile. Bateriile litiu-ion au o densitate energetică mai mare și un ciclu de viață lung. De asemenea, pot fi descărcate folosind distanțe mai mari, dar acest lucru vine cu costul creșterii prețului. Există o variație mare de cost între diferitele chimii, bateriile cu plumb pot fi cu sute până la mii de dolari mai ieftine decât o baterie litiu-ion de aceeași dimensiune. Acesta este motivul pentru care bateriile cu plumb sunt cele mai utilizate în aplicațiile solare în țările din lumea a treia și în comunitățile sărace.

Performanța bateriei este puternic afectată de degradare pe durata sa de viață, aceasta neavând o performanță constantă care să se termine cu o defecțiune bruscă. În schimb, capacitatea furnizată poate scădea progresiv. În practică, durata de viață a unei baterii este considerată epuizată atunci când capacitatea sa atinge 80% din capacitatea inițială. Cu alte cuvinte, atunci când înregistrează o scădere a capacității de 20%. În practică, aceasta înseamnă că poate fi furnizată o cantitate mai mică de energie. Acest lucru poate afecta perioadele de utilizare pentru sistemele complet independente și kilometrajul pe care îl poate parcurge un vehicul electric.

Un alt aspect de luat în considerare este siguranța. Odată cu progresele în producție și tehnologie, bateriile recente au fost, în general, mai stabile din punct de vedere chimic. Cu toate acestea, din cauza degradării și a utilizării excesive, celulele pot intra în fenomene de fugă termică, ceea ce poate duce la rezultate catastrofale și, în unele cazuri, poate pune în pericol viața consumatorilor.

De aceea, companiile au dezvoltat un software mai bun de monitorizare a bateriilor (BMS) pentru a controla utilizarea acestora, dar și pentru a monitoriza starea de funcționare a acestora, pentru a oferi întreținere la timp și a evita consecințele agravante.

Concluzie

Sistemele de stocare a energiei din rețea oferă o oportunitate excelentă de a obține independența energetică față de rețeaua principală, dar și de a oferi o sursă de rezervă de energie în timpul perioadelor de nefuncționare și al perioadelor de vârf de sarcină. Această dezvoltare ar facilita trecerea către surse de energie mai ecologice, limitând astfel impactul generării de energie asupra schimbărilor climatice, satisfăcând în același timp cerințele energetice cu o creștere constantă a consumului.

Sistemele de stocare a energiei în baterii sunt cele mai utilizate și cel mai ușor de configurat pentru diferite aplicații de zi cu zi. Flexibilitatea lor ridicată este contracarată de un cost relativ ridicat, ceea ce duce la dezvoltarea de strategii de monitorizare pentru a prelungi cât mai mult posibil durata de viață respectivă. În prezent, industria și mediul academic depun eforturi considerabile pentru a investiga și înțelege degradarea bateriilor în diferite condiții.