За последние 50 лет наблюдается непрерывный рост мирового потребления электроэнергии, которое, по оценкам, в 2021 году составило около 25 300 тераватт-часов. В связи с переходом к Индустрии 4.0, спрос на энергию во всем мире растет. Эти цифры увеличиваются с каждым годом, не считая потребностей в электроэнергии промышленных и других экономических секторов. Этот промышленный сдвиг и высокое потребление электроэнергии сопровождаются более ощутимыми последствиями для климата из-за чрезмерных выбросов парниковых газов. В настоящее время большинство электростанций и предприятий в значительной степени полагаются на ископаемое топливо (нефть и газ) для удовлетворения таких потребностей. Эти климатические проблемы препятствуют дальнейшему производству энергии с использованием традиционных методов. Таким образом, разработка эффективных и надежных систем хранения энергии становится все более важной для обеспечения непрерывного и надежного энергоснабжения из возобновляемых источников.
Энергетический сектор отреагировал на это переходом к возобновляемым источникам энергии или «зеленым» решениям. Переходу способствовали усовершенствованные технологии производства, что привело, например, к повышению эффективности изготовления 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 от солнечных фотоэлектрических (ФЭ) источников значительно выросла, достигнув рекордных 179 ТВт·ч и показав рост на 22% по сравнению с 2020 годом. В настоящее время на солнечные ФЭ-технологии приходится 3,6% мировой выработки электроэнергии, и они являются третьим по величине возобновляемым источником энергии после гидроэнергетики и ветроэнергетики.
Однако эти прорывы не решают некоторые из присущих возобновляемым источникам энергии недостатков, главным образом, проблемы доступности. Большинство этих методов не производят энергию по требованию, как угольные и нефтяные электростанции. Например, солнечная энергия доступна в течение всего дня, но её выработка зависит от угла падения солнечного излучения и расположения фотоэлектрических панелей. Ночью она не может производить энергию, а в зимний период и в очень облачные дни её выработка значительно снижается. Ветровая энергия также страдает от колебаний в зависимости от скорости ветра. Поэтому эти решения необходимо сочетать с системами хранения энергии, чтобы поддерживать энергоснабжение в периоды низкой выработки.
Что такое системы хранения энергии?
Системы хранения энергии позволяют накапливать энергию для последующего использования. В некоторых случаях происходит преобразование накопленной энергии в исходную. Наиболее распространенный пример — электрические батареи, такие как литий-ионные или свинцово-кислотные батареи. Они вырабатывают электрическую энергию посредством химических реакций между электродами и электролитом.
Аккумуляторы, или системы хранения энергии на основе аккумуляторов (BESS), представляют собой наиболее распространенный метод хранения энергии, используемый в повседневной жизни. Существуют и другие системы хранения, такие как гидроэлектростанции, которые преобразуют потенциальную энергию воды, хранящейся в плотине, в электрическую энергию. Падающая вода вращает маховик турбины, которая вырабатывает электрическую энергию. Другой пример — сжатый газ: при высвобождении газ вращает колесо турбины, вырабатывая электроэнергию.
Отличительной чертой аккумуляторов от других методов хранения энергии является их потенциальная область применения. От небольших устройств и автомобильных источников питания до бытовых применений и крупных солнечных электростанций — аккумуляторы могут быть легко интегрированы в любую автономную систему хранения энергии. С другой стороны, гидроэнергетика и использование сжатого воздуха требуют очень больших и сложных инфраструктур для хранения. Это приводит к очень высоким затратам, для оправдания которых требуются очень масштабные проекты.
Примеры применения автономных систем хранения энергии.
Как уже упоминалось ранее, автономные системы хранения энергии могут способствовать использованию возобновляемых источников энергии, таких как солнечная и ветровая энергия, и повышению зависимости от них. Тем не менее, существуют и другие области применения, которые могут значительно выиграть от использования таких систем.
Городские энергосети стремятся обеспечивать необходимое количество электроэнергии в зависимости от спроса и предложения каждого города. Потребляемая мощность может колебаться в течение дня. Автономные системы хранения энергии используются для смягчения этих колебаний и обеспечения большей стабильности в случаях пикового спроса. С другой стороны, автономные системы хранения энергии могут быть очень полезны для компенсации любых непредвиденных технических неисправностей в основной энергосети или во время плановых ремонтных работ. Они могут удовлетворять потребности в электроэнергии без необходимости поиска альтернативных источников энергии. В качестве примера можно привести ледяной шторм в Техасе в начале февраля 2023 года, в результате которого около 262 000 человек остались без электричества, а ремонтные работы были отложены из-за сложных погодных условий.
Электромобили — еще одно направление применения. Исследователи приложили немало усилий для оптимизации производства батарей и стратегий зарядки/разрядки, чтобы продлить срок их службы и повысить удельную мощность. Литий-ионные батареи находятся на переднем крае этой небольшой революции и широко используются в новых электромобилях, а также в электробусах. В этом случае улучшенные батареи могут обеспечить больший запас хода, а также сократить время зарядки при использовании правильных технологий.
Другие технологические достижения, такие как беспилотные летательные аппараты и мобильные роботы, в значительной степени выиграли от развития аккумуляторных технологий. Их стратегии движения и управления в значительной степени зависят от емкости и мощности аккумулятора.
Что такое BESS?
Система хранения энергии на основе батарей (BESS) — это система хранения энергии, которая может использоваться для накопления энергии. Эта энергия может поступать из основной сети или из возобновляемых источников энергии, таких как энергия ветра и солнца. Она состоит из нескольких батарей, расположенных в различных конфигурациях (последовательно/параллельно) и подобранных по размеру в зависимости от потребностей. Они подключены к инвертору, который используется для преобразования постоянного тока в переменный ток для потребления. Система управления батареями (BMS) используется для мониторинга состояния батарей и операций зарядки/разрядки.
По сравнению с другими системами хранения энергии, они отличаются особой гибкостью в размещении/подключении и не требуют дорогостоящей инфраструктуры, но при этом обходятся значительно дороже и требуют более регулярного обслуживания в зависимости от интенсивности использования.
Расчет размеров и особенности использования систем накопления энергии (BESS)
Ключевым моментом при установке системы хранения энергии на основе аккумуляторов является расчет необходимого количества батарей. Сколько батарей нужно? В какой конфигурации? В некоторых случаях тип батареи может играть решающую роль в долгосрочной перспективе с точки зрения экономии средств и эффективности.
Это делается в каждом конкретном случае индивидуально, поскольку заявки могут поступать от небольших домохозяйств до крупных промышленных предприятий.
Наиболее распространенным возобновляемым источником энергии для небольших домохозяйств, особенно в городах, является солнечная энергия, получаемая с помощью фотоэлектрических панелей. Инженер, как правило, учитывает среднее потребление электроэнергии домохозяйством и оценивает уровень солнечной радиации в течение года для конкретного местоположения. Количество батарей и их конфигурация в сети выбираются таким образом, чтобы соответствовать потребностям домохозяйства в периоды наименьшего солнечного излучения в течение года, не разряжая при этом батареи полностью. Это предполагает решение, обеспечивающее полную независимость от основной электросети.
Поддержание относительно умеренного уровня заряда или предотвращение полной разрядки батарей может поначалу показаться нелогичным. В конце концов, зачем использовать систему хранения энергии, если мы не можем извлечь из нее весь потенциал? Теоретически это возможно, но это может быть не самая эффективная стратегия, позволяющая максимизировать отдачу от инвестиций.
Одним из главных недостатков систем хранения энергии на основе аккумуляторов является относительно высокая стоимость батарей. Поэтому крайне важно выбрать режим использования или стратегию зарядки/разрядки, которая максимально продлит срок службы батареи. Например, свинцово-кислотные батареи нельзя разряжать ниже 50% емкости без необратимых повреждений. Литий-ионные батареи обладают более высокой плотностью энергии и длительным сроком службы. Их также можно разряжать в более широких диапазонах, но это происходит за счет увеличения цены. Стоимость батарей разного химического состава сильно различается: свинцово-кислотные батареи могут быть на сотни и тысячи долларов дешевле, чем литий-ионные батареи того же размера. Именно поэтому свинцово-кислотные батареи наиболее широко используются в солнечных электростанциях в странах третьего мира и бедных регионах.
Производительность батареи сильно зависит от деградации в течение всего срока службы; она не демонстрирует стабильной работы, которая бы заканчивалась внезапным отказом. Вместо этого емкость и количество энергии могут постепенно снижаться. На практике срок службы батареи считается исчерпанным, когда ее емкость достигает 80% от первоначальной емкости. Другими словами, когда происходит снижение емкости на 20%. На практике это означает, что может быть обеспечено меньшее количество энергии. Это может повлиять на периоды использования полностью автономных систем и на пробег электромобиля.
Ещё один важный момент — безопасность. Благодаря достижениям в производстве и технологиях, современные батареи в целом стали более химически стабильными. Однако из-за деградации и неправильной эксплуатации элементы могут выйти из строя из-за теплового разгона, что может привести к катастрофическим последствиям, а в некоторых случаях и к угрозе жизни потребителей.
Именно поэтому компании разработали более совершенное программное обеспечение для мониторинга батарей (BMS), позволяющее контролировать не только использование батарей, но и отслеживать их состояние, чтобы своевременно проводить техническое обслуживание и избегать усугубляющих последствий.
Заключение
Системы хранения энергии, интегрированные в энергосеть, предоставляют прекрасную возможность достичь энергетической независимости от основной сети, а также обеспечить резервный источник питания 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 энергетические потребности при постоянно растущем потреблении.
Системы хранения энергии на основе батарей являются наиболее распространенными и простыми в настройке для различных повседневных применений. Их высокая гибкость компенсируется относительно высокой стоимостью, что приводит к разработке стратегий мониторинга для максимально возможного продления срока службы. В настоящее время промышленность и научные круги прилагают значительные усилия для исследования и понимания деградации батарей в различных условиях.
