Hur lagrar man el utanför elnätet?

Under de senaste 50 åren har den globala elförbrukningen kontinuerligt ökat, med en uppskattad användning på cirka 25 300 terawattimmar år 2021. Med övergången till industri 4.0 ökar energibehovet över hela världen. Dessa siffror ökar varje år, exklusive energibehovet inom industri och andra ekonomiska sektorer. Denna industriella förskjutning och höga energiförbrukning kombineras med mer påtagliga klimatförändringseffekter på grund av alltför stora utsläpp av växthusgaser. För närvarande är de flesta kraftverk och anläggningar starkt beroende av fossila bränslekällor (olja och gas) för att möta sådana behov. Dessa klimatproblem förhindrar ytterligare energiproduktion med konventionella metoder. Därför har utvecklingen av effektiva och tillförlitliga energilagringssystem blivit allt viktigare för att säkerställa en kontinuerlig och tillförlitlig energiförsörjning från förnybara källor.

Energisektorn har reagerat genom att övergå till förnybar energi eller "gröna" lösningar. Övergången har underlättats av förbättrade tillverkningstekniker, vilket till exempel lett till effektivare tillverkning av vindturbinsblad. Forskare har också kunnat förbättra effektiviteten hos solceller, vilket har lett till bättre energiproduktion per användningsområde. År 2021 ökade elproduktionen från solceller (PV) avsevärt och nådde rekordnivåer på 179 TWh, vilket motsvarar en tillväxt på 22 % jämfört med 2020. Solcellstekniken står nu för 3,6 % av den globala elproduktionen och är för närvarande den tredje största förnybara energikällan efter vattenkraft och vindkraft.

Dessa genombrott löser dock inte några av de inneboende nackdelarna med förnybara energisystem, främst tillgängligheten. De flesta av dessa metoder producerar inte energi vid behov som kol- och oljekraftverk. Solenergiproduktionen är till exempel tillgänglig under hela dagen med variationer beroende på solinstrålningsvinklar och placering av solpaneler. Den kan inte producera någon energi under natten medan dess produktion minskar avsevärt under vintersäsongen och på mycket molniga dagar. Vindkraft lider också av fluktuationer beroende på vindhastigheten. Därför måste dessa lösningar kopplas till energilagringssystem för att upprätthålla energiförsörjningen under perioder med låg produktion.

Vad är energilagringssystem?

Energilagringssystem kan lagra energi för att kunna användas i ett senare skede. I vissa fall sker en form av energiomvandling mellan lagrad energi och tillförd energi. Det vanligaste exemplet är elektriska batterier som litiumjonbatterier eller blybatterier. De tillhandahåller elektrisk energi genom kemiska reaktioner mellan elektroderna och elektrolyten.

Batterier, eller BESS (batterienergilagringssystem), representerar den vanligaste energilagringsmetoden som används i vardagliga tillämpningar. Andra lagringssystem finns, såsom vattenkraftverk, som omvandlar den potentiella energin i vatten lagrat i en damm till elektrisk energi. Vattnet som faller ner vrider svänghjulet på en turbin som producerar elektrisk energi. Ett annat exempel är komprimerad gas, när gasen släpps ut vrider den turbinens hjul och producerar kraft.

Det som skiljer batterier från andra lagringsmetoder är deras potentiella användningsområden. Från små apparater och bilströmförsörjning till hushållsapplikationer och stora solcellsparker kan batterier integreras sömlöst i alla typer av lagringsapplikationer utanför elnätet. Å andra sidan kräver vattenkraft och tryckluftsmetoder mycket stora och komplexa infrastrukturer för lagring. Detta leder till mycket höga kostnader som kräver mycket stora tillämpningar för att det ska vara motiverat.

Användningsfall för off-grid lagringssystem.

Som tidigare nämnts kan off-grid lagringssystem underlätta användningen och beroendet av förnybara energimetoder som sol- och vindkraft. Det finns dock andra tillämpningar som kan dra stor nytta av sådana system.

Städernas elnät syftar till att tillhandahålla rätt mängd el baserat på utbud och efterfrågan i varje stad. Den el som behövs kan fluktuera under dagen. Off-grid lagringssystem har använts för att dämpa fluktuationer och ge mer stabilitet vid hög efterfrågan. Ur ett annat perspektiv kan off-grid lagringssystem vara mycket fördelaktiga för att kompensera för oförutsedda tekniska fel i huvudelnätet eller under schemalagda underhållsperioder. De kan uppfylla elbehovet utan att behöva leta efter alternativa energikällor. Man kan till exempel nämna isstormen i Texas i början av februari 2023 som lämnade cirka 262 000 människor utan ström, medan reparationer försenades på grund av de svåra väderförhållandena.

Elfordon är en annan tillämpning. Forskare har lagt ner mycket arbete på att optimera batteritillverkning och laddnings-/urladdningsstrategier för att förlänga batteriernas livslängd och effekttäthet. Litiumjonbatterier har legat i framkant av denna lilla revolution och har använts i stor utsträckning i nya elbilar men även elbussar. Bättre batterier kan i detta fall leda till längre körsträcka men också minskade laddningstider med rätt teknik.

Andra tekniska framsteg, som drönare och mobila robotar, har gynnats av batteriutvecklingen. Deras rörelse- och kontrollstrategier är starkt beroende av batteriets kapacitet och strömförsörjning.

Vad är en BESS

BESS eller batterilagringssystem är ett energilagringssystem som kan användas för att lagra energi. Denna energi kan komma från huvudnätet eller från förnybara energikällor som vindkraft och solenergi. Det består av flera batterier arrangerade i olika konfigurationer (serie/parallell) och dimensionerade baserat på behovet. De är anslutna till en växelriktare som används för att omvandla likström till växelström för användning.batterihanteringssystem (BMS)används för att övervaka batteriets skick och laddnings-/urladdningsoperationen.

Jämfört med andra energilagringssystem är de särskilt flexibla att placera/ansluta och kräver inte en särskilt dyr infrastruktur, men de har fortfarande en avsevärd kostnad och kräver mer regelbundet underhåll baserat på användningen.

BESS-storlekar och användningsvanor

En viktig punkt att ta itu med när man installerar ett batterilagringssystem är dimensionering. Hur många batterier behövs? I vilken konfiguration? I vissa fall kan batteritypen spela en avgörande roll på lång sikt när det gäller kostnadsbesparingar och effektivitet.

Detta görs från fall till fall eftersom tillämpningarna kan variera från små hushåll till stora industrianläggningar.

Den vanligaste förnybara energikällan för små hushåll, särskilt i stadsområden, är solenergi med hjälp av solpaneler. Ingenjören skulle i allmänhet ta hänsyn till hushållets genomsnittliga elförbrukning och bedöma solinstrålningen under året för den specifika platsen. Antalet batterier och deras nätkonfiguration väljs för att matcha hushållets behov under årets lägsta solenergiförsörjning, samtidigt som batterierna inte helt töms. Detta förutsätter en lösning som ger fullständigt eloberoende från huvudnätet.

Att hålla batterierna relativt måttligt laddade eller att inte ladda ur dem helt kan verka kontraintuitivt till en början. Varför använda ett lagringssystem om vi inte kan utnyttja dess fulla potential? I teorin är det möjligt, men det kanske inte är den strategi som maximerar avkastningen på investeringen.

En av de största nackdelarna med BESS är den relativt höga kostnaden för batterier. Därför är det viktigt att välja en användningsvana eller en laddnings-/urladdningsstrategi som maximerar batteriets livslängd. Till exempel kan blysyrabatterier inte urladdas under 50 % kapacitet utan att drabbas av irreversibla skador. Litiumjonbatterier har högre energitäthet och lång livslängd. De kan också urladdas med större räckvidder, men detta kommer till ett högre pris. Det finns en stor kostnadsskillnad mellan olika kemiska anläggningar, blysyrabatterier kan vara hundratals till tusentals dollar billigare än ett litiumjonbatteri av samma storlek. Det är därför blysyrabatterier är de mest använda i solcellsapplikationer i tredje världens länder och fattiga samhällen.

Batteriets prestanda påverkas kraftigt av försämring under sin livslängd, det har inte en stabil prestanda som slutar med plötsligt fel. Istället kan kapaciteten och den tillförda kapaciteten avta gradvis. I praktiken anses ett batteri ha tagit slut när dess kapacitet når 80 % av sin ursprungliga kapacitet. Med andra ord, när det upplever en kapacitetsminskning på 20 %. I praktiken innebär detta att en lägre mängd energi kan tillhandahållas. Detta kan påverka användningsperioderna för helt oberoende system och hur mycket körsträcka en elbil kan köra.

En annan punkt att tänka på är säkerhet. Med framsteg inom tillverkning och teknik har nyare batterier generellt sett varit kemiskt stabilare. Men på grund av nedbrytning och tidigare missbruk kan cellerna få termisk rusning, vilket kan leda till katastrofala resultat och i vissa fall försätta konsumenternas liv i fara.

Det är därför företag har utvecklat bättre programvara för batteriövervakning (BMS) för att kontrollera batterianvändningen men också övervaka hälsotillståndet för att kunna tillhandahålla snabb underhåll och undvika förvärrade konsekvenser.

Slutsats

Av nätets energilagringssystem ger det en utmärkt möjlighet att uppnå oberoende av huvudnätet, men det fungerar också som en reservkraftkälla under driftstopp och toppbelastningsperioder. Utvecklingen skulle underlätta övergången till grönare energikällor och därmed begränsa energiproduktionens inverkan på klimatförändringarna, samtidigt som energibehovet uppfylls med en konstant ökad konsumtion.

Batterilagringssystem är de vanligaste och enklaste att konfigurera för olika vardagliga tillämpningar. Deras höga flexibilitet motverkas av en relativt hög kostnad, vilket leder till utveckling av övervakningsstrategier för att förlänga respektive livslängd så mycket som möjligt. För närvarande lägger industri och akademi ner mycket arbete på att undersöka och förstå batterinedbrytning under olika förhållanden.