Jinsi ya kuhifadhi umeme nje ya gridi ya taifa?

Katika kipindi cha miaka 50 iliyopita, kumekuwa na ongezeko endelevu la matumizi ya umeme duniani, huku matumizi yakikadiriwa kuwa takriban saa 25,300 za terawati mwaka wa 2021. Kwa mabadiliko kuelekea sekta ya 4.0, kuna ongezeko la mahitaji ya nishati duniani kote. Idadi hii inaongezeka kila mwaka, bila kujumuisha mahitaji ya umeme ya sekta za viwanda na uchumi. Mabadiliko haya ya viwanda na matumizi ya nguvu nyingi yanaambatana na athari zinazoonekana zaidi za mabadiliko ya hali ya hewa kutokana na uzalishaji mwingi wa gesi chafuzi. Hivi sasa, mitambo na vifaa vingi vya uzalishaji wa umeme hutegemea sana vyanzo vya mafuta ya visukuku (mafuta na gesi) ili kukidhi mahitaji hayo. Masuala haya ya hali ya hewa yanazuia uzalishaji wa nishati zaidi kwa kutumia njia za kawaida. Hivyo, maendeleo ya mifumo bora na ya kuaminika ya kuhifadhi nishati yamekuwa muhimu zaidi ili kuhakikisha usambazaji endelevu na wa kuaminika wa nishati kutoka kwa vyanzo vinavyoweza kutumika tena.

Sekta ya nishati imejibu kwa kuhamia kwenye nishati mbadala au suluhisho za "kijani". Mabadiliko hayo yamesaidiwa na mbinu bora za utengenezaji, na kusababisha kwa mfano utengenezaji bora zaidi wa vile vya turbine za upepo. Pia, watafiti wameweza kuboresha ufanisi wa seli za fotovoltaic, na kusababisha uzalishaji bora wa nishati kwa kila eneo la matumizi. Mnamo 2021, uzalishaji wa umeme kutoka kwa vyanzo vya fotovoltaic vya jua (PV) uliongezeka kwa kiasi kikubwa, na kufikia rekodi ya 179 TWh na kuwakilisha ukuaji wa 22% ikilinganishwa na 2020. Teknolojia ya PV ya jua sasa inachangia 3.6% ya uzalishaji wa umeme duniani na kwa sasa ni chanzo cha tatu kwa ukubwa cha nishati mbadala baada ya umeme wa maji na upepo.

Hata hivyo, mafanikio haya hayatatui baadhi ya mapungufu ya asili ya mifumo ya nishati mbadala, hasa upatikanaji. Mbinu nyingi hizi hazitoi nishati inapohitajika kama mitambo ya makaa ya mawe na mafuta. Kwa mfano, matokeo ya nishati ya jua yanapatikana siku nzima na tofauti kulingana na pembe za mionzi ya jua na uwekaji wa paneli za PV. Haiwezi kutoa nishati yoyote wakati wa usiku huku matokeo yake yakipunguzwa sana wakati wa msimu wa baridi na siku zenye mawingu mengi. Nguvu ya upepo pia inakabiliwa na mabadiliko kulingana na kasi ya upepo. Kwa hivyo, suluhisho hizi zinahitaji kuunganishwa na mifumo ya kuhifadhi nishati ili kudumisha usambazaji wa nishati wakati wa vipindi vya uzalishaji mdogo.

Mifumo ya kuhifadhi nishati ni nini?

Mifumo ya kuhifadhi nishati inaweza kuhifadhi nishati ili itumike baadaye. Katika baadhi ya matukio, kutakuwa na aina ya ubadilishaji wa nishati kati ya nishati iliyohifadhiwa na nishati inayotolewa. Mfano unaojulikana zaidi ni betri za umeme kama vile betri za lithiamu-ion au betri za asidi-risasi. Hutoa nishati ya umeme kwa njia ya athari za kemikali kati ya elektrodi na elektroliti.

Betri, au BESS (mfumo wa kuhifadhi nishati ya betri), zinawakilisha njia ya kawaida ya kuhifadhi nishati inayotumika katika matumizi ya kila siku. Mifumo mingine ya kuhifadhi ipo kama vile mitambo ya umeme wa maji ambayo hubadilisha nishati inayowezekana ya maji iliyohifadhiwa kwenye bwawa kuwa nishati ya umeme. Maji yanayoanguka chini yatageuza gurudumu la turbine inayozalisha nishati ya umeme. Mfano mwingine ni gesi iliyobanwa, ikitolewa gesi itageuza gurudumu la nguvu inayozalisha turbine.

Kinachotenganisha betri na njia zingine za kuhifadhi ni maeneo yao ya uendeshaji. Kuanzia vifaa vidogo na usambazaji wa umeme wa magari hadi matumizi ya nyumbani na mashamba makubwa ya nishati ya jua, betri zinaweza kuunganishwa bila mshono na matumizi yoyote ya kuhifadhi nje ya gridi ya taifa. Kwa upande mwingine, mbinu za umeme wa maji na hewa iliyoshinikizwa zinahitaji miundombinu mikubwa na changamano sana kwa ajili ya kuhifadhi. Hii husababisha gharama kubwa sana zinazohitaji matumizi makubwa sana ili iweze kuhesabiwa haki.

Tumia visanduku kwa mifumo ya kuhifadhi nje ya gridi ya taifa.

Kama ilivyotajwa hapo awali, mifumo ya kuhifadhi nje ya gridi ya taifa inaweza kurahisisha matumizi na utegemezi wa mbinu za nishati mbadala kama vile nishati ya jua na upepo. Hata hivyo, kuna matumizi mengine ambayo yanaweza kufaidika sana na mifumo kama hiyo.

Gridi za umeme za jiji zinalenga kutoa kiasi sahihi cha umeme kulingana na usambazaji na mahitaji ya kila jiji. Nguvu inayohitajika inaweza kubadilika siku nzima. Mifumo ya kuhifadhi nje ya gridi ya umeme imetumika kupunguza mabadiliko ya hali ya hewa na kutoa utulivu zaidi katika visa vya mahitaji ya juu. Kwa mtazamo tofauti, mifumo ya kuhifadhi nje ya gridi ya umeme inaweza kuwa na manufaa makubwa kufidia hitilafu yoyote ya kiufundi isiyotarajiwa katika gridi kuu ya umeme au wakati wa vipindi vya matengenezo vilivyopangwa. Inaweza kukidhi mahitaji ya umeme bila kulazimika kutafuta vyanzo mbadala vya nishati. Mtu anaweza kutaja kwa mfano dhoruba ya barafu ya Texas mapema Februari 2023 ambayo iliwaacha takriban watu 262,000 bila umeme, huku matengenezo yakicheleweshwa kutokana na hali ngumu ya hewa.

Magari ya umeme ni matumizi mengine. Watafiti wamejitahidi sana kuboresha utengenezaji wa betri na mikakati ya kuchaji/kutoa betri ili kuongeza muda wa matumizi na msongamano wa nguvu wa betri. Betri za lithiamu-ion zimekuwa mstari wa mbele katika mapinduzi haya madogo na zimetumika sana katika magari mapya ya umeme lakini pia mabasi ya umeme. Betri bora katika kesi hii zinaweza kusababisha umbali mrefu zaidi lakini pia kupunguza muda wa kuchaji kwa kutumia teknolojia sahihi.

Maendeleo mengine ya kiteknolojia kama vile ndege zisizo na rubani na roboti zinazoweza kuhamishika yamefaidika sana kutokana na utengenezaji wa betri. Mikakati ya mwendo na mikakati ya udhibiti hutegemea sana uwezo wa betri na nguvu inayotolewa.

BESS ni nini?

BESS au mfumo wa kuhifadhi nishati ya betri ni mfumo wa kuhifadhi nishati ambao unaweza kutumika kuhifadhi nishati. Nishati hii inaweza kutoka kwa gridi kuu au kutoka kwa vyanzo vya nishati mbadala kama vile nishati ya upepo na nishati ya jua. Imeundwa na betri nyingi zilizopangwa katika usanidi tofauti (mfululizo/sambamba) na ukubwa kulingana na mahitaji. Zimeunganishwa na kibadilishaji umeme kinachotumika kubadilisha nguvu ya DC kuwa nguvu ya AC kwa matumizi.mfumo wa usimamizi wa betri (BMS)hutumika kufuatilia hali ya betri na uendeshaji wa kuchaji/kutoa chaji.

Ikilinganishwa na mifumo mingine ya kuhifadhi nishati, ni rahisi zaidi kuweka/kuunganisha na haihitaji miundombinu ya gharama kubwa, lakini bado huja kwa gharama kubwa na inahitaji matengenezo ya mara kwa mara zaidi kulingana na matumizi.

Ukubwa wa BESS na tabia za matumizi

Jambo muhimu la kushughulikia wakati wa kusakinisha mfumo wa kuhifadhi nishati ya betri ni ukubwa. Je, betri ngapi zinahitajika? Katika usanidi gani? Katika baadhi ya matukio, aina ya betri inaweza kuchukua jukumu muhimu kwa muda mrefu katika suala la kuokoa gharama na ufanisi.

Hili linafanywa kwa kila kesi kwani matumizi yanaweza kuanzia kaya ndogo hadi viwanda vikubwa.

Chanzo cha kawaida cha nishati mbadala kwa kaya ndogo, hasa katika maeneo ya mijini, ni nishati ya jua kwa kutumia paneli za photovoltaic. Kwa ujumla, mhandisi atazingatia wastani wa matumizi ya nguvu ya kaya na kutathmini mwangaza wa jua kwa mwaka mzima kwa eneo maalum. Idadi ya betri na usanidi wao wa gridi huchaguliwa ili kuendana na mahitaji ya kaya wakati wa usambazaji mdogo wa umeme wa jua wa mwaka huku betri zikishindwa kuzitumia kabisa. Hii ni kudhani suluhisho la kuwa na uhuru kamili wa umeme kutoka kwa gridi kuu.

Kudumisha hali ya wastani ya chaji au kutotoa betri kabisa ni jambo ambalo mwanzoni linaweza kuwa kinyume na matarajio. Baada ya yote, kwa nini tutumie mfumo wa kuhifadhi ikiwa hatuwezi kuutumia kikamilifu? Kinadharia inawezekana, lakini huenda isiwe mkakati unaoongeza faida ya uwekezaji.

Mojawapo ya hasara kuu za BESS ni gharama kubwa ya betri. Kwa hivyo, kuchagua tabia ya matumizi au mkakati wa kuchaji/kutoa chaji unaoongeza muda wa matumizi ya betri ni muhimu. Kwa mfano, betri za asidi ya risasi haziwezi kutolewa chini ya uwezo wa 50% bila kupata uharibifu usioweza kurekebishwa. Betri za Lithium-ion zina msongamano mkubwa wa nishati, maisha ya mzunguko mrefu. Pia zinaweza kutolewa kwa kutumia masafa makubwa, lakini hii inakuja kwa gharama ya bei iliyoongezeka. Kuna tofauti kubwa ya gharama kati ya kemia tofauti, betri za asidi ya risasi zinaweza kuwa mamia hadi maelfu ya dola nafuu kuliko betri ya lithiamu-ion ya ukubwa sawa. Hii ndiyo sababu betri za asidi ya risasi ndizo zinazotumika zaidi katika matumizi ya jua katika nchi za dunia ya tatu na jamii maskini.

Utendaji wa betri huathiriwa sana na uharibifu wakati wa maisha yake, haina utendaji thabiti unaoishia na hitilafu ya ghafla. Badala yake, uwezo na zinazotolewa zinaweza kufifia hatua kwa hatua. Kwa vitendo, muda wa matumizi ya betri unachukuliwa kuwa umeisha wakati uwezo wake unafikia 80% ya uwezo wake wa awali. Kwa maneno mengine, inapopata upungufu wa uwezo wa 20%. Kwa vitendo, hii ina maana kwamba kiasi kidogo cha nishati kinaweza kutolewa. Hii inaweza kuathiri vipindi vya matumizi kwa mifumo huru kikamilifu na kiasi cha umbali ambao EV inaweza kufunika.

Jambo lingine la kuzingatia ni usalama. Kwa maendeleo katika utengenezaji na teknolojia, betri za hivi karibuni kwa ujumla zimekuwa thabiti zaidi katika kemikali. Hata hivyo, kutokana na uharibifu na historia ya matumizi mabaya, seli zinaweza kupotea kutokana na joto, jambo ambalo linaweza kusababisha matokeo mabaya na katika baadhi ya matukio kuweka maisha ya watumiaji hatarini.

Hii ndiyo sababu makampuni yameunda programu bora ya ufuatiliaji wa betri (BMS) ili kudhibiti matumizi ya betri lakini pia kufuatilia hali ya afya ili kutoa matengenezo kwa wakati na kuepuka matokeo mabaya zaidi.

Hitimisho

Kati ya mifumo ya kuhifadhi nishati ya gridi ya taifa, hutoa fursa nzuri ya kufikia uhuru wa umeme kutoka kwa gridi kuu lakini pia hutoa chanzo mbadala cha umeme wakati wa vipindi vya kutofanya kazi na vipindi vya mzigo mkubwa. Maendeleo hayo yangewezesha mabadiliko kuelekea vyanzo vya nishati vya kijani kibichi, hivyo kupunguza athari za uzalishaji wa nishati kwenye mabadiliko ya hali ya hewa huku bado ikikidhi mahitaji ya nishati kwa ukuaji wa mara kwa mara wa matumizi.

Mifumo ya kuhifadhi nishati ya betri ndiyo inayotumika sana na rahisi zaidi kusanidi kwa matumizi tofauti ya kila siku. Unyumbufu wao mkubwa unadhibitiwa na gharama kubwa kiasi, na hivyo kusababisha maendeleo ya mikakati ya ufuatiliaji ili kuongeza muda wa matumizi husika iwezekanavyo. Hivi sasa, tasnia na wasomi wanajitahidi sana kuchunguza na kuelewa uharibifu wa betri chini ya hali tofauti.