V zadnjih 50 letih se je svetovna poraba električne energije nenehno povečevala, pri čemer je bila leta 2021 ocenjena poraba približno 25.300 teravatnih ur. S prehodom na industrijo 4.0 se po vsem svetu povečujejo potrebe po energiji. Te številke se vsako leto povečujejo, ne da bi pri tem upoštevali potrebe po energiji industrijskih in drugih gospodarskih sektorjev. Ta industrijski premik in visoka poraba energije sta povezana z bolj oprijemljivimi učinki podnebnih sprememb zaradi prekomernih emisij toplogrednih plinov. Trenutno se večina elektrarn in obratov za proizvodnjo energije močno zanaša na fosilna goriva (nafto in plin), da bi zadostila takim potrebam. Ti podnebni pomisleki preprečujejo dodatno proizvodnjo energije s konvencionalnimi metodami. Zato je razvoj učinkovitih in zanesljivih sistemov za shranjevanje energije postal vse pomembnejši za zagotavljanje neprekinjene in zanesljive oskrbe z energijo iz obnovljivih virov.
Energetski sektor se je odzval s preusmeritvijo k obnovljivim virom energije ali »zelenim« rešitvam. Prehod so olajšale izboljšane proizvodne tehnike, ki so na primer vodile do učinkovitejše izdelave lopatic vetrnih turbin. Raziskovalcem je uspelo izboljšati tudi učinkovitost fotovoltaičnih celic, kar je privedlo do boljše proizvodnje energije na površino uporabe. Leta 2021 se je proizvodnja električne energije iz sončnih fotovoltaičnih (PV) virov znatno povečala in dosegla rekordnih 179 TWh, kar predstavlja 22-odstotno rast v primerjavi z letom 2020. Tehnologija sončne fotovoltaike zdaj predstavlja 3,6 % svetovne proizvodnje električne energije in je trenutno tretji največji obnovljivi vir energije za hidroenergijo in vetrno energijo.
Vendar pa ti preboji ne odpravljajo nekaterih inherentnih pomanjkljivosti sistemov obnovljivih virov energije, predvsem razpoložljivosti. Večina teh metod ne proizvaja energije po potrebi kot termoelektrarne na premog in nafto. Sončna energija je na primer na voljo čez dan, z nihanji, odvisno od kotov sončnega obsevanja in položaja sončnih panelov. Ponoči ne morejo proizvajati energije, medtem ko je njihova proizvodnja znatno zmanjšana pozimi in v zelo oblačnih dneh. Tudi vetrna energija trpi zaradi nihanj, odvisno od hitrosti vetra. Zato je treba te rešitve povezati s sistemi za shranjevanje energije, da se ohrani oskrba z energijo v obdobjih nizke proizvodnje.
Kaj so sistemi za shranjevanje energije?
Sistemi za shranjevanje energije lahko shranjujejo energijo za kasnejšo uporabo. V nekaterih primerih pride do pretvorbe energije med shranjeno energijo in oddano energijo. Najpogostejši primer so električne baterije, kot so litij-ionske baterije ali svinčevo-kislinske baterije. Električno energijo zagotavljajo s kemičnimi reakcijami med elektrodami in elektrolitom.
Baterije ali BESS (sistem za shranjevanje energije v baterijah) predstavljajo najpogostejšo metodo shranjevanja energije, ki se uporablja v vsakdanjem življenju. Obstajajo tudi drugi sistemi za shranjevanje, kot so hidroelektrarne, ki pretvarjajo potencialno energijo vode, shranjene v jezu, v električno energijo. Voda, ki pada navzdol, vrti vztrajnik turbine, ki proizvaja električno energijo. Drug primer je stisnjen plin, ki ob sprostitvi zavrti kolo turbine, ki proizvaja energijo.
Kar loči baterije od drugih metod shranjevanja, so njihova potencialna področja delovanja. Od majhnih naprav in avtomobilskih napajalnikov do gospodinjskih aplikacij in velikih sončnih elektrarn, baterije je mogoče brezhibno integrirati v katero koli aplikacijo za shranjevanje zunaj omrežja. Po drugi strani pa hidroelektrarne in metode stisnjenega zraka zahtevajo zelo veliko in kompleksno infrastrukturo za shranjevanje. To vodi do zelo visokih stroškov, ki zahtevajo zelo velike aplikacije, da bi bile upravičene.
Primeri uporabe za sisteme za shranjevanje brez povezave z omrežjem.
Kot smo že omenili, lahko sistemi za shranjevanje energije izven omrežja olajšajo uporabo in odvisnost od obnovljivih virov energije, kot sta sončna in vetrna energija. Kljub temu obstajajo tudi druge aplikacije, ki lahko od takšnih sistemov močno koristijo.
Mestna elektroenergetska omrežja si prizadevajo zagotavljati pravo količino energije glede na ponudbo in povpraševanje posameznega mesta. Potrebna energija lahko čez dan niha. Za ublažitev nihanj in zagotavljanje večje stabilnosti v primerih največjega povpraševanja se uporabljajo sistemi za shranjevanje energije zunaj omrežja. Z drugega zornega kota so lahko sistemi za shranjevanje energije zunaj omrežja zelo koristni za kompenzacijo morebitnih nepredvidenih tehničnih napak v glavnem elektroenergetskem omrežju ali med načrtovanimi vzdrževalnimi obdobji. Zadovoljujejo lahko potrebe po električni energiji, ne da bi bilo treba iskati alternativne vire energije. Na primer, teksaški ledeni vihar v začetku februarja 2023 je pustil približno 262.000 ljudi brez elektrike, popravila pa so bila zaradi težkih vremenskih razmer odložena.
Električna vozila so še ena aplikacija. Raziskovalci so vložili veliko truda v optimizacijo proizvodnje baterij in strategij polnjenja/praznjenja, da bi podaljšali življenjsko dobo in gostoto moči baterij. Litij-ionske baterije so bile v ospredju te majhne revolucije in se pogosto uporabljajo v novih električnih avtomobilih, pa tudi v električnih avtobusih. Boljše baterije lahko v tem primeru privedejo do večjega prevoženega kilometra, a s pravimi tehnologijami tudi do krajšega časa polnjenja.
Drugi tehnološki napredki, kot so brezpilotni letalniki (UAV) in mobilni roboti, so imeli velike koristi od razvoja baterij. Njihove strategije gibanja in strategije krmiljenja so močno odvisne od zmogljivosti in zagotovljene moči baterije.
Kaj je BESS
BESS ali sistem za shranjevanje energije v baterijah je sistem za shranjevanje energije, ki se lahko uporablja za shranjevanje energije. Ta energija lahko prihaja iz glavnega omrežja ali iz obnovljivih virov energije, kot sta vetrna in sončna energija. Sestavljen je iz več baterij, razporejenih v različnih konfiguracijah (zaporedno/vzporedno) in dimenzioniranih glede na potrebe. Povezane so z razsmernikom, ki se uporablja za pretvorbo enosmernega toka v izmenični tok za uporabo.sistem za upravljanje baterij (BMS)se uporablja za spremljanje stanja baterije in postopka polnjenja/praznjenja.
V primerjavi z drugimi sistemi za shranjevanje energije so še posebej prilagodljivi pri postavitvi/priklopu in ne zahtevajo zelo drage infrastrukture, vendar so še vedno precej dragi in zahtevajo bolj redno vzdrževanje glede na uporabo.
Velikost in navade uporabe BESS
Ključna točka, ki jo je treba upoštevati pri namestitvi sistema za shranjevanje energije v baterijah, je dimenzioniranje. Koliko baterij je potrebnih? V kakšni konfiguraciji? V nekaterih primerih lahko vrsta baterije dolgoročno igra ključno vlogo pri prihranku stroškov in učinkovitosti.
To se naredi za vsak primer posebej, saj se lahko aplikacije gibljejo od majhnih gospodinjstev do velikih industrijskih obratov.
Najpogostejši obnovljivi vir energije za majhna gospodinjstva, zlasti v urbanih območjih, je sončna energija z uporabo fotovoltaičnih panelov. Inženir bi na splošno upošteval povprečno porabo energije gospodinjstva in ocenil sončno obsevanje skozi vse leto za določeno lokacijo. Število baterij in njihova konfiguracija omrežja se izbereta tako, da ustrezata potrebam gospodinjstva med najnižjo sončno porabo energije v letu, hkrati pa se baterije ne izpraznijo v celoti. To predpostavlja rešitev s popolno energetsko neodvisnostjo od glavnega omrežja.
Ohranjanje relativno zmernega stanja napolnjenosti ali nepopolno praznjenje baterij je sprva morda nelogično. Navsezadnje, zakaj bi uporabljali sistem za shranjevanje, če ne moremo izkoristiti njegovega polnega potenciala? Teoretično je to mogoče, vendar morda ni strategija, ki bi maksimizirala donosnost naložbe.
Ena glavnih pomanjkljivosti BESS so relativno visoki stroški baterij. Zato je bistvenega pomena izbrati navado uporabe ali strategijo polnjenja/praznjenja, ki maksimizira življenjsko dobo baterije. Na primer, svinčeno-kislinskih baterij ni mogoče izprazniti pod 50 % kapacitete, ne da bi pri tem utrpele nepopravljivo škodo. Litij-ionske baterije imajo večjo energijsko gostoto in dolgo življenjsko dobo. Prav tako jih je mogoče prazniti z večjimi razponi, vendar to pomeni višjo ceno. Med različnimi kemijskimi sestavami obstajajo velike razlike v stroških, svinčeno-kislinske baterije so lahko od sto do tisoč dolarjev cenejše od litij-ionskih baterij enake velikosti. Zato se svinčeno-kislinske baterije najpogosteje uporabljajo v sončnih aplikacijah v državah tretjega sveta in revnih skupnostih.
Na delovanje baterije močno vpliva degradacija med njeno življenjsko dobo, saj nima stabilne zmogljivosti, ki se konča z nenadno odpovedjo. Namesto tega se lahko njena zmogljivost postopoma zmanjšuje. V praksi se šteje, da je življenjska doba baterije iztekla, ko njena zmogljivost doseže 80 % prvotne zmogljivosti. Z drugimi besedami, ko se zmogljivost zmanjša za 20 %. V praksi to pomeni, da je mogoče zagotoviti manjšo količino energije. To lahko vpliva na obdobja uporabe popolnoma neodvisnih sistemov in na količino prevoženih kilometrov, ki jih lahko prevozi električno vozilo.
Druga točka, ki jo je treba upoštevati, je varnost. Z napredkom v proizvodnji in tehnologiji so novejše baterije na splošno kemično stabilnejše. Vendar pa lahko zaradi degradacije in zgodovine zlorabe celice postanejo toplotno nestabilne, kar lahko povzroči katastrofalne posledice in v nekaterih primerih ogroža življenje potrošnikov.
Zato so podjetja razvila boljšo programsko opremo za spremljanje baterij (BMS) za nadzor porabe baterij, hkrati pa tudi za spremljanje njihovega stanja, da bi zagotovila pravočasno vzdrževanje in se izognila hujšim posledicam.
Zaključek
Sistemi za shranjevanje energije v omrežju ponujajo odlično priložnost za doseganje energetske neodvisnosti od glavnega omrežja, hkrati pa zagotavljajo rezervni vir energije med izpadi in obdobji največjih obremenitev. Njihov razvoj bi olajšal prehod na bolj zelene vire energije, s čimer bi omejil vpliv proizvodnje energije na podnebne spremembe, hkrati pa bi še vedno izpolnjeval energetske potrebe ob stalni rasti porabe.
Sistemi za shranjevanje energije v baterijah so najpogosteje uporabljeni in najlažje konfigurirani za različne vsakodnevne aplikacije. Njihovo visoko fleksibilnost ovirajo relativno visoki stroški, kar vodi v razvoj strategij spremljanja, s katerimi se čim bolj podaljša njihova življenjska doba. Trenutno industrija in akademski krogi vlagajo veliko truda v raziskovanje in razumevanje degradacije baterij v različnih pogojih.
Povezani članek:
Prilagojene energetske rešitve – revolucionarni pristopi k dostopu do energije
Maksimiranje obnovljive energije: vloga shranjevanja energije v baterijah
Napredek v tehnologiji baterij za sisteme za shranjevanje energije v morju
