Как хранить электроэнергию вне сети?

За последние 50 лет наблюдается непрерывный рост мирового потребления электроэнергии, и, по оценкам, в 2021 году его потребление составит около 25 300 тераватт-часов. С переходом к промышленности 4.0 во всем мире растет спрос на энергию. Эти цифры растут с каждым годом, не включая потребности в электроэнергии промышленных и других секторов экономики. Этот промышленный сдвиг и высокое потребление электроэнергии сочетаются с более ощутимыми последствиями изменения климата из-за чрезмерных выбросов парниковых газов. В настоящее время большинство электростанций и объектов по производству электроэнергии в значительной степени зависят от ископаемых источников топлива (нефти и газа) для удовлетворения таких потребностей. Эти климатические проблемы не позволяют производить дополнительную энергию с использованием традиционных методов. Таким образом, разработка эффективных и надежных систем хранения энергии становится все более важной для обеспечения непрерывной и надежной поставки энергии из возобновляемых источников.

Энергетический сектор отреагировал переходом на возобновляемые источники энергии или «зеленые» решения. Переходу способствовали усовершенствованные технологии производства, что привело, например, к более эффективному производству лопастей ветряных турбин. Кроме того, исследователи смогли повысить эффективность фотоэлектрических элементов, что привело к лучшей выработке энергии на единицу площади использования. В 2021 году выработка электроэнергии из солнечных фотоэлектрических (PV) источников значительно возросла, достигнув рекордных 179 ТВт·ч и представив рост на 22% по сравнению с 2020 годом. Технология солнечных фотоэлектрических установок в настоящее время составляет 3,6% от мирового производства электроэнергии и в настоящее время является третьим по величине возобновляемым источником энергии после гидроэнергетики и ветра.

Однако эти прорывы не решают некоторые из присущих возобновляемым источникам энергии недостатков, в основном, доступности. Большинство этих методов не производят энергию по требованию, как угольные и нефтяные электростанции. Например, солнечная энергия доступна в течение дня с изменениями в зависимости от углов солнечного облучения и расположения фотоэлектрических панелей. Она не может производить энергию ночью, а ее выход значительно снижается в зимний сезон и в очень пасмурные дни. Ветровая энергия также страдает от колебаний в зависимости от скорости ветра. Поэтому эти решения должны сочетаться с системами хранения энергии, чтобы поддерживать энергоснабжение в периоды низкой выработки.

Что такое системы хранения энергии?

Системы хранения энергии могут хранить энергию для использования на более позднем этапе. В некоторых случаях будет иметь место форма преобразования энергии между сохраненной энергией и предоставленной энергией. Наиболее распространенным примером являются электрические батареи, такие как литий-ионные батареи или свинцово-кислотные батареи. Они обеспечивают электроэнергию посредством химических реакций между электродами и электролитом.

Аккумуляторы, или BESS (система хранения энергии аккумуляторов), представляют собой наиболее распространенный метод хранения энергии, используемый в повседневной жизни. Существуют и другие системы хранения, такие как гидроэлектростанции, которые преобразуют потенциальную энергию воды, хранящейся в плотине, в электрическую энергию. Падающая вниз вода будет вращать маховик турбины, которая вырабатывает электрическую энергию. Другим примером является сжатый газ, при высвобождении газ будет вращать колесо турбины, вырабатывая энергию.

Что отличает батареи от других методов хранения, так это их потенциальные области применения. От небольших устройств и автомобильных источников питания до бытовых приложений и крупных солнечных ферм, батареи могут быть легко интегрированы в любое автономное хранилище. С другой стороны, методы гидроэнергетики и сжатого воздуха требуют очень больших и сложных инфраструктур для хранения. Это приводит к очень высоким затратам, которые требуют очень больших приложений, чтобы быть оправданными.

Варианты использования автономных систем хранения.

Как упоминалось ранее, системы хранения вне сети могут облегчить использование и зависимость от возобновляемых источников энергии, таких как солнечная и ветровая энергия. Тем не менее, есть и другие приложения, которые могут получить большую выгоду от таких систем

Городские электросети стремятся обеспечить необходимое количество электроэнергии на основе спроса и предложения каждого города. Требуемая мощность может колебаться в течение дня. Системы автономного хранения используются для смягчения колебаний и обеспечения большей стабильности в случаях пикового спроса. С другой стороны, системы автономного хранения могут быть весьма полезны для компенсации любых непредвиденных технических неисправностей в основной электросети или во время плановых периодов технического обслуживания. Они могут удовлетворить потребности в электроэнергии без необходимости искать альтернативные источники энергии. Можно привести в пример техасский ледяной шторм в начале февраля 2023 года, который оставил без электроэнергии около 262 000 человек, а ремонтные работы были отложены из-за сложных погодных условий.

Электромобили — еще одно применение. Исследователи приложили немало усилий для оптимизации производства аккумуляторов и стратегий зарядки/разрядки, чтобы продлить срок службы и плотность мощности аккумуляторов. Литий-ионные аккумуляторы были на переднем крае этой небольшой революции и широко использовались в новых электромобилях, а также в электробусах. В этом случае более качественные аккумуляторы могут привести к большему пробегу, но также и к сокращению времени зарядки при использовании правильных технологий.

Другие технологические достижения, такие как беспилотные летательные аппараты и мобильные роботы, значительно выиграли от разработки аккумуляторов. Их стратегии движения и управления в значительной степени зависят от емкости аккумулятора и предоставляемой мощности.

Что такое БЭСС?

BESS или система хранения энергии на основе аккумуляторов — это система хранения энергии, которая может использоваться для хранения энергии. Эта энергия может поступать из основной сети или из возобновляемых источников энергии, таких как энергия ветра и солнца. Она состоит из нескольких аккумуляторов, расположенных в различных конфигурациях (последовательно/параллельно) и имеющих размер в зависимости от требований. Они подключены к инвертору, который используется для преобразования постоянного тока в переменный для использования. Aсистема управления аккумуляторными батареями (BMS)используется для контроля состояния аккумулятора и процесса зарядки/разрядки.

По сравнению с другими системами хранения энергии они особенно гибки в размещении/подключении и не требуют дорогостоящей инфраструктуры, но они все равно обходятся дорого и требуют более регулярного обслуживания в зависимости от использования.

Размеры BESS и привычки использования

Важным моментом при установке системы хранения энергии на основе аккумуляторов является определение размера. Сколько аккумуляторов необходимо? В какой конфигурации? В некоторых случаях тип аккумулятора может играть решающую роль в долгосрочной перспективе с точки зрения экономии затрат и эффективности

Это делается в каждом конкретном случае, поскольку сферы применения могут быть разными: от небольших домохозяйств до крупных промышленных предприятий.

Наиболее распространенным возобновляемым источником энергии для небольших домохозяйств, особенно в городских районах, является солнечная энергия, использующая фотоэлектрические панели. Инженер обычно учитывает среднее потребление энергии домохозяйством и оценивает солнечную освещенность в течение года для конкретного местоположения. Количество батарей и их конфигурация сетки выбираются так, чтобы соответствовать потребностям домохозяйства в период самого низкого уровня солнечной энергии в году, не разряжая батареи полностью. Это предполагает решение, обеспечивающее полную независимость от основной сети.

Поддержание относительно умеренного уровня заряда или неполная разрядка аккумуляторов может показаться на первый взгляд нелогичным. В конце концов, зачем использовать систему хранения, если мы не можем извлечь из нее весь потенциал? Теоретически это возможно, но это может быть не та стратегия, которая максимизирует окупаемость инвестиций.

Одним из главных недостатков BESS является относительно высокая стоимость батарей. Поэтому важно выбрать привычку использования или стратегию зарядки/разрядки, которая максимально увеличивает срок службы батареи. Например, свинцово-кислотные батареи нельзя разрядить ниже 50% емкости без необратимых повреждений. Литий-ионные батареи имеют более высокую плотность энергии, длительный срок службы. Их также можно разряжать с использованием больших диапазонов, но это приводит к увеличению цены. Существует большой разброс в стоимости между различными химическими составами, свинцово-кислотные батареи могут быть на сотни или тысячи долларов дешевле литий-ионной батареи того же размера. Вот почему свинцово-кислотные батареи чаще всего используются в солнечных батареях в странах третьего мира и бедных общинах.

Производительность аккумулятора сильно зависит от деградации в течение срока службы, у него нет стабильной производительности, которая заканчивается внезапным отказом. Вместо этого емкость и предоставляемая мощность могут постепенно снижаться. На практике срок службы аккумулятора считается истекшим, когда его емкость достигает 80% от первоначальной емкости. Другими словами, когда он испытывает снижение емкости на 20%. На практике это означает, что может быть предоставлено меньшее количество энергии. Это может повлиять на периоды использования полностью независимых систем и на пробег электромобиля.

Еще один момент, который следует учитывать, — это безопасность. Благодаря достижениям в производстве и технологиях, современные батареи в целом стали более стабильными химически. Однако из-за деградации и истории неправильного использования ячейки могут выйти из-под контроля, что может привести к катастрофическим результатам и в некоторых случаях подвергнуть опасности жизнь потребителей.

Вот почему компании разработали более совершенное программное обеспечение для мониторинга аккумуляторных батарей (BMS), позволяющее контролировать их использование, а также отслеживать состояние их работоспособности, чтобы обеспечить своевременное техническое обслуживание и избежать усугубляющих последствий.

Заключение

Системы хранения энергии в сети предоставляют прекрасную возможность достичь энергетической независимости от основной сети, а также обеспечивают резервный источник энергии во время простоев и периодов пиковой нагрузки. Их развитие будет способствовать переходу к более экологичным источникам энергии, тем самым ограничивая влияние генерации энергии на изменение климата, при этом по-прежнему удовлетворяя потребности в энергии при постоянном росте потребления.

Системы хранения энергии на основе аккумуляторов являются наиболее часто используемыми и наиболее простыми в настройке для различных повседневных приложений. Их высокая гибкость компенсируется относительно высокой стоимостью, что приводит к разработке стратегий мониторинга для максимального продления срока службы. В настоящее время промышленность и академические круги прилагают много усилий для исследования и понимания деградации аккумуляторов в различных условиях.