Як зберігати електроенергію поза мережею?

Протягом останніх 50 років спостерігається постійне зростання світового споживання електроенергії, при цьому, за оцінками, у 2021 році воно становило близько 25 300 терават-годин. З переходом до Індустрії 4.0 спостерігається зростання попиту на енергію в усьому світі. Ці цифри зростають щороку, не враховуючи потреби в енергії промислового та інших секторів економіки. Цей промисловий зсув та високе споживання енергії поєднуються з більш відчутними наслідками зміни клімату через надмірні викиди парникових газів. Наразі більшість електростанцій та об'єктів значною мірою залежать від джерел викопного палива (нафти та газу) для задоволення таких потреб. Ці кліматичні проблеми забороняють додаткове виробництво енергії за допомогою традиційних методів. Таким чином, розробка ефективних та надійних систем накопичення енергії стає дедалі важливішою для забезпечення безперервного та надійного постачання енергії з відновлюваних джерел.

Енергетичний сектор відреагував переходом до відновлюваної енергії або «зелених» рішень. Переходу сприяло вдосконалення виробничих технологій, що призвело, наприклад, до більш ефективного виробництва лопатей вітрових турбін. Крім того, дослідникам вдалося підвищити ефективність фотоелектричних елементів, що призвело до кращого виробництва енергії на площу використання. У 2021 році виробництво електроенергії з сонячних фотоелектричних (ФЕ) джерел значно зросло, досягнувши рекордних 179 ТВт·год, що становить зростання на 22% порівняно з 2020 роком. Технологія сонячних ФЕ зараз становить 3,6% світового виробництва електроенергії та є третім за величиною джерелом відновлюваної енергії після гідроенергетики та вітру.

Однак ці прориви не вирішують деяких притаманних недоліків систем відновлюваної енергії, головним чином їхньої доступності. Більшість цих методів не виробляють енергію на вимогу, як вугільні та нафтові електростанції. Сонячна енергія, наприклад, доступна протягом дня з варіаціями залежно від кутів сонячного випромінювання та розташування фотоелектричних панелей. Вона не може виробляти енергію вночі, тоді як її виробництво значно знижується взимку та в дуже похмурі дні. Вітрова енергетика також страждає від коливань залежно від швидкості вітру. Тому ці рішення необхідно поєднувати з системами накопичення енергії, щоб підтримувати енергопостачання в періоди низької потужності.

Що таке системи накопичення енергії?

Системи накопичення енергії можуть накопичувати енергію для подальшого використання. У деяких випадках відбувається певна форма перетворення енергії між накопиченою енергією та наданою енергією. Найпоширенішим прикладом є електричні акумулятори, такі як літій-іонні акумулятори або свинцево-кислотні акумулятори. Вони забезпечують електричну енергію шляхом хімічних реакцій між електродами та електролітом.

Акумулятори, або BESS (система накопичення енергії в акумуляторах), є найпоширенішим методом накопичення енергії, що використовується в повсякденному житті. Існують й інші системи накопичення, такі як гідроелектростанції, які перетворюють потенційну енергію води, що зберігається в греблі, на електричну енергію. Вода, що падає, обертатиме маховик турбіни, яка виробляє електричну енергію. Іншим прикладом є стиснений газ, після вивільнення якого газ обертатиме колесо турбіни, виробляючи енергію.

Що відрізняє акумулятори від інших методів зберігання, так це їхні потенційні сфери застосування. Від невеликих пристроїв та автомобільних джерел живлення до побутового застосування та великих сонячних електростанцій, акумулятори можна безперешкодно інтегрувати в будь-яке автономне застосування зберігання. З іншого боку, гідроенергетика та методи стисненого повітря вимагають дуже великої та складної інфраструктури для зберігання. Це призводить до дуже високих витрат, які вимагають дуже великих застосувань, щоб їхнє використання було виправданим.

Варіанти використання автономних систем зберігання даних.

Як згадувалося раніше, автономні системи зберігання енергії можуть сприяти використанню та залежності від відновлюваних джерел енергії, таких як сонячна та вітрова енергія. Тим не менш, існують інші способи застосування, які можуть отримати значну користь від таких систем.

Електромобілі – це ще одне застосування. Дослідники доклали багато зусиль для оптимізації виробництва акумуляторів та стратегій заряджання/розряджання, щоб подовжити термін служби та щільність потужності акумуляторів. Літій-іонні акумулятори були на передовій цієї невеликої революції та широко використовуються в нових електромобілях, а також в електричних автобусах. У цьому випадку кращі акумулятори можуть призвести до більшого пробігу, але також скоротити час заряджання за допомогою правильних технологій.

Інші технологічні досягнення, такі як безпілотні літальні апарати та мобільні роботи, отримали велику користь від розвитку акумуляторів. Їхні стратегії руху та керування значною мірою залежать від ємності та потужності акумулятора.

Що таке BESS

BESS або система акумуляторного накопичення енергії – це система накопичення енергії, яка може використовуватися для зберігання енергії. Ця енергія може надходити з основної мережі або з відновлюваних джерел енергії, таких як енергія вітру та сонячна енергія. Вона складається з кількох батарей, розташованих у різних конфігураціях (послідовно/паралельно) та підібраних за розміром залежно від потреб. Вони підключені до інвертора, який використовується для перетворення постійного струму в змінний для подальшого використання.система керування акумуляторами (BMS)використовується для контролю стану акумулятора та процесу заряджання/розряджання.

Порівняно з іншими системами накопичення енергії, вони особливо гнучкі в розміщенні/підключенні та не потребують дуже дорогої інфраструктури, але все ж мають значну вартість і потребують більш регулярного обслуговування залежно від використання.

Розміри та звички використання BESS

Важливим моментом, який слід врахувати під час встановлення системи накопичення енергії на акумуляторах, є вибір розміру. Скільки акумуляторів потрібно? У якій конфігурації? У деяких випадках тип акумулятора може відігравати вирішальну роль у довгостроковій перспективі з точки зору економії коштів та ефективності.

Це робиться в кожному окремому випадку, оскільки застосування може варіюватися від невеликих домогосподарств до великих промислових підприємств.

Найпоширенішим джерелом відновлюваної енергії для невеликих домогосподарств, особливо в міських районах, є сонячна енергія з використанням фотоелектричних панелей. Інженер, як правило, враховує середнє споживання енергії домогосподарством та оцінює сонячну радіацію протягом року для конкретного місця. Кількість батарей та конфігурація їх мережі вибираються таким чином, щоб відповідати потребам домогосподарства під час найнижчого сонячного енергопостачання в році, не розряджаючи батареї повністю. Це передбачає повну незалежність живлення від основної мережі.

Підтримка відносно помірного рівня заряду або неповне розрядження акумуляторів спочатку може здатися нелогічним. Зрештою, навіщо використовувати систему зберігання енергії, якщо ми не можемо розкрити її повний потенціал? Теоретично це можливо, але це може бути не та стратегія, яка максимізує рентабельність інвестицій.

Одним з головних недоліків BESS є відносно висока вартість акумуляторів. Тому вибір способу використання або стратегії заряджання/розряджання, яка максимізує термін служби акумулятора, є надзвичайно важливим. Наприклад, свинцево-кислотні акумулятори не можна розряджати нижче 50% ємності без незворотних пошкоджень. Літій-іонні акумулятори мають вищу щільність енергії та тривалий термін служби. Їх також можна розряджати з використанням більших діапазонів, але це пов'язано з підвищенням ціни. Існує велика різниця у вартості між різними хімічними складами, свинцево-кислотні акумулятори можуть бути на сотні-тисячі доларів дешевшими, ніж літій-іонні акумулятори того ж розміру. Ось чому свинцево-кислотні акумулятори найчастіше використовуються в сонячній енергетиці в країнах третього світу та бідних громадах.

Продуктивність акумулятора значною мірою залежить від деградації протягом терміну служби, він не має стабільної роботи, яка закінчується раптовим виходом з ладу. Натомість, ємність та її забезпечення можуть поступово зменшуватися. На практиці термін служби акумулятора вважається вичерпаним, коли його ємність досягає 80% від початкової ємності. Іншими словами, коли спостерігається зниження ємності на 20%. На практиці це означає, що може бути забезпечена менша кількість енергії. Це може вплинути на періоди використання повністю незалежних систем та пробіг, який може подолати електромобіль.

Ще один момент, який слід враховувати, це безпека. Завдяки розвитку виробництва та технологій, новітні акумулятори загалом стали хімічно стабільнішими. Однак через деградацію та історію зловживання, елементи можуть переходити в тепловий режим, що може призвести до катастрофічних наслідків, а в деяких випадках і наражати на небезпеку життя споживачів.

Саме тому компанії розробили вдосконалене програмне забезпечення для моніторингу заряду акумуляторів (BMS), щоб контролювати використання акумулятора, а також відстежувати його стан, щоб забезпечити своєчасне технічне обслуговування та уникнути серйозних наслідків.

Висновок

Системи накопичення енергії в мережах надають чудову можливість досягти енергетичної незалежності від основної мережі, а також забезпечують резервне джерело живлення під час простоїв та пікових навантажень. Їхній розвиток сприятиме переходу до більш екологічних джерел енергії, тим самим обмежуючи вплив виробництва енергії на зміну клімату, водночас задовольняючи потреби в енергії за постійного зростання споживання.

Системи накопичення енергії на основі акумуляторів є найпоширенішими та найпростішими в налаштуванні для різних повсякденних застосувань. Їхня висока гнучкість компенсується відносно високою вартістю, що призводить до розробки стратегій моніторингу для максимального продовження терміну служби. Наразі промисловість та наукові кола докладають багато зусиль для дослідження та розуміння деградації акумуляторів за різних умов.