Ako skladovať elektrinu mimo siete?

Za posledných 50 rokov dochádza k neustálemu nárastu celosvetovej spotreby elektriny, pričom odhadovaná spotreba v roku 2021 dosiahla približne 25 300 terawatthodín. S prechodom na Priemysel 4.0 sa zvyšuje aj dopyt po energii na celom svete. Tieto čísla sa každý rok zvyšujú, nepočítajúc energetické nároky priemyselných a iných hospodárskych sektorov. Tento priemyselný posun a vysoká spotreba energie sú spojené s hmatateľnejšími účinkami zmeny klímy v dôsledku nadmerných emisií skleníkových plynov. V súčasnosti sa väčšina elektrární a zariadení na výrobu energie vo veľkej miere spolieha na zdroje fosílnych palív (ropa a plyn), aby uspokojila tento dopyt. Tieto klimatické obavy bránia dodatočnej výrobe energie pomocou konvenčných metód. Preto je vývoj efektívnych a spoľahlivých systémov skladovania energie čoraz dôležitejší pre zabezpečenie nepretržitého a spoľahlivého zásobovania energiou z obnoviteľných zdrojov.

Energetický sektor reagoval prechodom na obnoviteľné zdroje energie alebo „zelené“ riešenia. Prechodu napomohli zlepšené výrobné techniky, ktoré viedli napríklad k efektívnejšej výrobe lopatiek veterných turbín. Výskumníci tiež dokázali zlepšiť účinnosť fotovoltaických článkov, čo viedlo k lepšej výrobe energie na plochu využitia. V roku 2021 sa výroba elektriny zo solárnych fotovoltaických (FV) zdrojov výrazne zvýšila a dosiahla rekordných 179 TWh, čo predstavuje nárast o 22 % v porovnaní s rokom 2020. Technológia solárnej FV energie v súčasnosti predstavuje 3,6 % celosvetovej výroby elektriny a v súčasnosti je tretím najväčším obnoviteľným zdrojom energie po vodnej a veternej energii.

Tieto objavy však neriešia niektoré inherentné nevýhody systémov obnoviteľnej energie, najmä dostupnosť. Väčšina týchto metód nevyrába energiu na požiadanie ako uhoľné a ropné elektrárne. Výstupy solárnej energie sú napríklad k dispozícii počas celého dňa s variáciami v závislosti od uhlov slnečného žiarenia a umiestnenia fotovoltaických panelov. Počas noci nedokážu vyrábať žiadnu energiu, pričom ich výkon je počas zimnej sezóny a vo veľmi oblačných dňoch výrazne znížený. Veterná energia tiež trpí výkyvmi v závislosti od rýchlosti vetra. Preto je potrebné tieto riešenia spojiť so systémami na skladovanie energie, aby sa udržala dodávka energie počas období s nízkym výkonom.

Čo sú systémy na uskladnenie energie?

Systémy na ukladanie energie dokážu ukladať energiu na neskoršie použitie. V niektorých prípadoch dochádza k určitej forme premeny energie medzi uloženou energiou a dodanou energiou. Najbežnejším príkladom sú elektrické batérie, ako sú lítium-iónové batérie alebo olovené batérie. Elektrickú energiu dodávajú chemickými reakciami medzi elektródami a elektrolytom.

Batérie alebo BESS (systémy skladovania energie v batériách) predstavujú najbežnejšiu metódu skladovania energie používanú v každodennom živote. Existujú aj iné systémy skladovania, ako napríklad vodné elektrárne, ktoré premieňajú potenciálnu energiu vody uloženej v priehrade na elektrickú energiu. Padajúca voda otáča zotrvačník turbíny, ktorá vyrába elektrickú energiu. Ďalším príkladom je stlačený plyn, po uvoľnení ktorého plyn otáča koleso turbíny, ktorá vyrába energiu.

Čo odlišuje batérie od ostatných metód skladovania, sú ich potenciálne oblasti použitia. Od malých zariadení a napájania automobilov až po domáce aplikácie a veľké solárne farmy, batérie sa dajú bezproblémovo integrovať do akejkoľvek aplikácie skladovania mimo siete. Na druhej strane, vodná energia a metódy stlačeného vzduchu vyžadujú na skladovanie veľmi rozsiahlu a zložitú infraštruktúru. To vedie k veľmi vysokým nákladom, ktoré si vyžadujú veľmi rozsiahle aplikácie, aby sa to opodstatnilo.

Prípady použitia pre systémy skladovania mimo siete.

Ako už bolo spomenuté, systémy skladovania energie mimo siete môžu uľahčiť využívanie a spoliehanie sa na obnoviteľné zdroje energie, ako je slnečná a veterná energia. Existujú však aj iné aplikácie, ktoré môžu z takýchto systémov výrazne profitovať.

Mestské elektrické siete sa snažia poskytovať správne množstvo energie na základe ponuky a dopytu každého mesta. Požadovaná energia môže počas dňa kolísať. Na zmiernenie výkyvov a zabezpečenie väčšej stability v prípade špičkového dopytu sa používajú systémy externého skladovania energie. Z iného pohľadu môžu byť systémy externého skladovania energie veľmi prospešné na kompenzáciu akejkoľvek nepredvídanej technickej poruchy v hlavnej elektrickej sieti alebo počas plánovaných období údržby. Dokážu splniť požiadavky na energiu bez nutnosti hľadať alternatívne zdroje energie. Možno napríklad uviesť ľadovú búrku v Texase začiatkom februára 2023, ktorá nechala približne 262 000 ľudí bez elektriny, zatiaľ čo opravy sa oneskorili kvôli náročným poveternostným podmienkam.

Ďalšou aplikáciou sú elektrické vozidlá. Výskumníci vynaložili veľa úsilia na optimalizáciu výroby batérií a stratégií nabíjania/vybíjania s cieľom predĺžiť životnosť a hustotu výkonu batérií. Lítium-iónové batérie boli v popredí tejto malej revolúcie a hojne sa používali v nových elektromobiloch, ale aj v elektrických autobusoch. Lepšie batérie v tomto prípade môžu viesť k väčšiemu počtu najazdených kilometrov, ale aj k skráteniu času nabíjania so správnymi technológiami.

Ďalšie technologické pokroky, ako sú bezpilotné lietadlá (UAV) a mobilné roboty, výrazne profitovali z vývoja batérií. Ich stratégie pohybu a riadenia sa vo veľkej miere spoliehajú na kapacitu a dodávaný výkon batérie.

Čo je BESS

BESS alebo systém na uskladnenie energie v batériách je systém na uskladnenie energie, ktorý sa dá použiť na uskladnenie energie. Táto energia môže pochádzať z hlavnej siete alebo z obnoviteľných zdrojov energie, ako je veterná energia a slnečná energia. Skladá sa z viacerých batérií usporiadaných v rôznych konfiguráciách (sériové/paralelné) a dimenzovaných podľa požiadaviek. Sú pripojené k meniču, ktorý sa používa na premenu jednosmerného prúdu na striedavý prúd pre účely spotreby.systém správy batérií (BMS)používa sa na monitorovanie stavu batérie a procesu nabíjania/vybíjania.

V porovnaní s inými systémami na skladovanie energie sú obzvlášť flexibilné na umiestnenie/pripojenie a nevyžadujú si veľmi drahú infraštruktúru, ale stále sú značne nákladné a vyžadujú si pravidelnejšiu údržbu v závislosti od používania.

Veľkosti a zvyky používania BESS

Kľúčovým bodom, ktorý treba zvážiť pri inštalácii systému batériového skladovania energie, je dimenzovanie. Koľko batérií je potrebných? V akej konfigurácii? V niektorých prípadoch môže typ batérie zohrávať kľúčovú úlohu z dlhodobého hľadiska z hľadiska úspory nákladov a efektívnosti.

Robí sa to individuálne, pretože aplikácie sa môžu pohybovať od malých domácností až po veľké priemyselné závody.

Najbežnejším obnoviteľným zdrojom energie pre malé domácnosti, najmä v mestských oblastiach, je solárna energia využívajúca fotovoltaické panely. Inžinier by vo všeobecnosti mal zvážiť priemernú spotrebu energie domácnosti a posúdiť slnečné žiarenie počas celého roka pre konkrétnu lokalitu. Počet batérií a ich konfigurácia siete sa volí tak, aby zodpovedali dopytu domácnosti počas najnižšej dodávky solárnej energie v roku, pričom sa batérie úplne nevybijú. Toto riešenie predpokladá úplnú energetickú nezávislosť od hlavnej siete.

Udržiavanie relatívne mierneho stavu nabitia alebo nie úplné vybitie batérií je niečo, čo sa môže spočiatku zdať neintuitívne. Napokon, prečo používať systém úložiska, ak nedokážeme vyťažiť z neho plný potenciál? Teoreticky je to možné, ale nemusí to byť stratégia, ktorá maximalizuje návratnosť investícií.

Jednou z hlavných nevýhod BESS sú relatívne vysoké náklady na batérie. Preto je nevyhnutné zvoliť si spôsob používania alebo stratégiu nabíjania/vybíjania, ktorá maximalizuje životnosť batérie. Napríklad olovené batérie sa nedajú vybiť pod 50 % kapacity bez toho, aby utrpeli nezvratné poškodenie. Lítium-iónové batérie majú vyššiu energetickú hustotu a dlhú životnosť. Môžu sa tiež vybíjať s väčším rozsahom, ale to je spojené s vyššou cenou. Medzi rôznymi chemickými zloženiami existuje veľký rozdiel v nákladoch, olovené batérie môžu byť o stovky až tisíce dolárov lacnejšie ako lítium-iónové batérie rovnakej veľkosti. Preto sa olovené batérie najčastejšie používajú v solárnych aplikáciách v krajinách tretieho sveta a chudobných komunitách.

Výkon batérie je počas jej životnosti výrazne ovplyvnený degradáciou, nemá stabilný výkon, ktorý končí náhlym zlyhaním. Namiesto toho sa jej kapacita a poskytovaná kapacita môžu postupne znižovať. V praxi sa životnosť batérie považuje za vyčerpanú, keď jej kapacita dosiahne 80 % pôvodnej kapacity. Inými slovami, keď dôjde k poklesu kapacity o 20 %. V praxi to znamená, že je možné dodať menšie množstvo energie. To môže ovplyvniť dobu používania plne nezávislých systémov a počet najazdených kilometrov, ktoré elektromobil dokáže prejsť.

Ďalším bodom, ktorý treba zvážiť, je bezpečnosť. Vďaka pokroku vo výrobe a technológii sú moderné batérie vo všeobecnosti chemicky stabilnejšie. Avšak v dôsledku degradácie a histórie zneužívania môžu články prejsť tepelným únikom, čo môže viesť ku katastrofálnym následkom a v niektorých prípadoch ohroziť život spotrebiteľov.

Preto spoločnosti vyvinuli lepší softvér na monitorovanie batérií (BMS) na kontrolu spotreby batérie, ale aj na monitorovanie jej stavu s cieľom zabezpečiť včasnú údržbu a predísť zhoršeným následkom.

Záver

Systémy skladovania energie v sieti poskytujú skvelú príležitosť na dosiahnutie energetickej nezávislosti od hlavnej siete, ale zároveň poskytujú záložný zdroj energie počas výpadkov a špičkového zaťaženia. Ich rozvoj by uľahčil prechod na ekologickejšie zdroje energie, čím by sa obmedzil vplyv výroby energie na zmenu klímy a zároveň by sa splnili energetické požiadavky pri neustálom raste spotreby.

Systémy na skladovanie energie v batériách sú najčastejšie používané a najjednoduchšie konfigurovateľné pre rôzne každodenné aplikácie. Ich vysokú flexibilitu však brzdia relatívne vysoké náklady, čo vedie k vývoju monitorovacích stratégií na čo najväčšie predĺženie ich životnosti. V súčasnosti priemysel a akademická obec vynakladajú veľké úsilie na skúmanie a pochopenie degradácie batérií za rôznych podmienok.