Как хранить электроэнергию вне сети?

В течение последних 50 лет наблюдается непрерывный рост мирового потребления электроэнергии, и, по оценкам, в 2021 году его потребление составит около 25 300 тераватт-часов. С переходом к промышленности 4.0 во всем мире увеличивается спрос на энергию. Эти цифры растут с каждым годом, не включая потребности в электроэнергии промышленности и других секторов экономики. Этот промышленный сдвиг и высокое потребление энергии сочетаются с более ощутимыми последствиями изменения климата из-за чрезмерных выбросов парниковых газов. В настоящее время большинство электростанций и предприятий по производству электроэнергии в значительной степени зависят от ископаемых источников топлива (нефти и газа) для удовлетворения таких потребностей. Эти климатические проблемы не позволяют производить дополнительную энергию традиционными методами. Таким образом, разработка эффективных и надежных систем хранения энергии становится все более важной для обеспечения непрерывной и надежной поставки энергии из возобновляемых источников.

Энергетический сектор отреагировал переходом на возобновляемые источники энергии или «зелёные» решения. Этому переходу способствовало совершенствование производственных технологий, что привело, например, к более эффективному производству лопастей ветряных турбин. Кроме того, исследователям удалось повысить эффективность фотоэлектрических элементов, что привело к увеличению выработки энергии на единицу площади. В 2021 году выработка электроэнергии солнечными фотоэлектрическими (ФЭ) источниками значительно увеличилась, достигнув рекордных 179 ТВт·ч, что на 22% больше, чем в 2020 году. На долю солнечных фотоэлектрических технологий в настоящее время приходится 3,6% мирового производства электроэнергии, и в настоящее время они являются третьим по величине возобновляемым источником энергии после гидроэнергетики и ветра.

Однако эти прорывы не устраняют некоторые присущие возобновляемым источникам энергии недостатки, главным образом, связанные с доступностью. Большинство этих методов не позволяют производить энергию по требованию, как угольные и нефтяные электростанции. Например, солнечная энергия доступна в течение всего дня, но её количество варьируется в зависимости от угла падения солнечных лучей и положения фотоэлектрических панелей. Ночью она не может вырабатывать энергию, а её выработка значительно снижается зимой и в пасмурные дни. Ветроэнергетика также страдает от колебаний, связанных со скоростью ветра. Поэтому эти решения необходимо сочетать с системами накопления энергии для поддержания энергоснабжения в периоды низкой выработки.

Что такое системы хранения энергии?

Системы накопления энергии могут накапливать энергию для последующего использования. В некоторых случаях происходит преобразование накопленной энергии в отдаваемую. Наиболее распространённым примером являются электрические аккумуляторы, такие как литий-ионные или свинцово-кислотные. Они вырабатывают электроэнергию посредством химических реакций между электродами и электролитом.

Аккумуляторные батареи, или системы накопления энергии на основе аккумуляторов (BESS), представляют собой наиболее распространённый способ хранения энергии, используемый в повседневной жизни. Существуют и другие системы накопления энергии, например, гидроэлектростанции, преобразующие потенциальную энергию воды, накопленной в плотине, в электрическую энергию. Падающая вода вращает маховик турбины, вырабатывающей электроэнергию. Другой пример — сжатый газ: при сбросе он вращает колесо турбины, вырабатывая электроэнергию.

Аккумуляторные батареи отличаются от других методов хранения энергии широким спектром потенциальных областей применения. От небольших устройств и автомобильных источников питания до бытовых применений и крупных солнечных электростанций – аккумуляторные батареи легко интегрируются в любые системы автономного хранения энергии. С другой стороны, гидроэнергетика и методы сжатого воздуха требуют очень обширной и сложной инфраструктуры для хранения. Это приводит к очень высоким затратам, которые, в свою очередь, требуют очень масштабных систем для их оправдания.

Варианты использования автономных систем хранения данных.

Как уже упоминалось, автономные системы хранения энергии могут облегчить использование возобновляемых источников энергии, таких как солнечная и ветровая. Тем не менее, существуют и другие области применения, где такие системы могут принести значительную пользу.

Городские электросети стремятся обеспечить необходимое количество электроэнергии в зависимости от спроса и предложения в каждом городе. Потребность в электроэнергии может меняться в течение дня. Для смягчения колебаний и обеспечения большей стабильности в периоды пикового спроса используются автономные системы хранения энергии. С другой стороны, автономные системы хранения энергии могут быть весьма полезны для компенсации любых непредвиденных технических сбоев в основной электросети или во время плановых ремонтных работ. Они позволяют удовлетворить потребности в электроэнергии без необходимости поиска альтернативных источников. В качестве примера можно привести техасский снежный шторм в начале февраля 2023 года, который оставил без электроэнергии около 262 000 человек, а ремонтные работы были отложены из-за сложных погодных условий.

Электромобили — ещё одна область применения. Исследователи приложили немало усилий для оптимизации производства аккумуляторов и стратегий зарядки/разрядки, чтобы увеличить срок их службы и удельную мощность. Литий-ионные аккумуляторы оказались в авангарде этой небольшой революции и широко используются в новых электромобилях и электробусах. В этом случае более качественные аккумуляторы могут обеспечить больший пробег, а также сократить время зарядки при использовании правильных технологий.

Другие технологические достижения, такие как беспилотные летательные аппараты и мобильные роботы, значительно выиграли от развития аккумуляторов. Стратегии движения и управления ими в значительной степени зависят от ёмкости аккумулятора и потребляемой мощности.

Что такое БЭСС?

Система накопления энергии (BESS) – это система накопления энергии, которая может использоваться для хранения энергии. Энергия может поступать из сети или из возобновляемых источников, таких как энергия ветра и солнца. Она состоит из нескольких аккумуляторов, соединенных в различных конфигурациях (последовательно/параллельно) и подбираемых по размеру в зависимости от потребностей. Они подключены к инвертору, который преобразует постоянный ток в переменный для дальнейшего использования.система управления батареями (BMS)используется для контроля состояния аккумулятора и процесса зарядки/разрядки.

По сравнению с другими системами хранения энергии они особенно гибки в размещении/подключении и не требуют дорогостоящей инфраструктуры, однако они по-прежнему обходятся дорого и требуют более регулярного обслуживания в зависимости от использования.

Размеры BESS и привычки использования

Важнейший вопрос при установке системы хранения энергии на основе аккумуляторов — это выбор их размера. Сколько аккумуляторов потребуется? В какой конфигурации? В некоторых случаях тип аккумулятора может играть решающую роль в долгосрочной перспективе с точки зрения экономии средств и эффективности.

Это делается в каждом конкретном случае, поскольку области применения могут быть разными: от небольших домохозяйств до крупных промышленных предприятий.

Наиболее распространённым возобновляемым источником энергии для небольших домохозяйств, особенно в городских районах, является солнечная энергия, использующая фотоэлектрические панели. Инженер обычно учитывает среднее энергопотребление домохозяйства и оценивает солнечную освещенность в течение года для конкретного местоположения. Количество аккумуляторов и их конфигурация сети выбираются таким образом, чтобы соответствовать потребностям домохозяйства в период наименьшей солнечной активности в году, не разряжая аккумуляторы полностью. Это предполагает полную независимость от основной сети.

Поддержание относительно умеренного уровня заряда или недопущение полной разрядки аккумуляторов может показаться на первый взгляд нелогичным. В конце концов, зачем использовать систему хранения, если мы не можем раскрыть весь её потенциал? Теоретически это возможно, но такая стратегия может не обеспечить максимальную окупаемость инвестиций.

Одним из основных недостатков BESS является относительно высокая стоимость аккумуляторов. Поэтому крайне важно выбрать режим использования или стратегию зарядки/разрядки, которая максимально продлит срок службы аккумулятора. Например, свинцово-кислотные аккумуляторы невозможно разрядить ниже 50% емкости без необратимых повреждений. Литий-ионные аккумуляторы обладают более высокой плотностью энергии и длительным циклическим ресурсом. Их также можно разряжать на больших расстояниях, но это приводит к повышению цены. Стоимость аккумуляторов с различными химическими составами сильно различается, и свинцово-кислотные аккумуляторы могут быть на сотни и тысячи долларов дешевле литий-ионных аккумуляторов того же размера. Именно поэтому свинцово-кислотные аккумуляторы наиболее часто используются в солнечных батареях в странах третьего мира и бедных районах.

Производительность аккумулятора сильно зависит от деградации в течение срока службы. Он не обладает стабильной производительностью, которая может привести к внезапному отказу. Вместо этого ёмкость и её запас хода могут постепенно снижаться. На практике срок службы аккумулятора считается истекшим, когда его ёмкость достигает 80% от первоначальной. Другими словами, когда ёмкость снижается на 20%. На практике это означает, что аккумулятор может выдавать меньше энергии. Это может повлиять на продолжительность использования полностью автономных систем и на запас хода электромобиля.

Ещё один важный момент — безопасность. Благодаря развитию производства и технологий, современные аккумуляторы, как правило, стали более стабильными химически. Однако из-за деградации и неправильной эксплуатации элементы могут выйти из строя, что может привести к катастрофическим последствиям и в некоторых случаях поставить под угрозу жизнь потребителя.

Вот почему компании разработали более совершенное программное обеспечение для мониторинга аккумуляторных батарей (BMS), позволяющее не только контролировать их использование, но и отслеживать состояние их работоспособности с целью своевременного технического обслуживания и предотвращения ухудшения последствий.

Заключение

Системы накопления энергии в энергосистемах предоставляют отличную возможность добиться энергетической независимости от основной сети, а также служат резервным источником энергии во время простоев и пиковых нагрузок. Их развитие будет способствовать переходу к более экологичным источникам энергии, тем самым ограничивая воздействие производства энергии на изменение климата и одновременно удовлетворяя потребности в энергии в условиях постоянного роста потребления.

Системы хранения энергии на основе аккумуляторов являются наиболее распространёнными и простыми в настройке для различных повседневных задач. Их высокая гибкость компенсируется относительно высокой стоимостью, что приводит к разработке стратегий мониторинга для максимального продления срока службы. В настоящее время промышленность и академические круги прилагают значительные усилия для изучения и понимания деградации аккумуляторов в различных условиях.