Pēdējo 50 gadu laikā globālais elektroenerģijas patēriņš ir nepārtraukti pieaudzis, un tiek lēsts, ka 2021. gadā tas tiks izmantots aptuveni 25 300 teravatstundu apmērā. Pārejot uz 4.0 rūpniecību, visā pasaulē pieaug enerģijas pieprasījums. Šie skaitļi katru gadu pieaug, neieskaitot rūpniecības un citu ekonomikas nozaru enerģijas vajadzības. Šī rūpniecības maiņa un lielais enerģijas patēriņš ir saistīts ar jūtamākām klimata pārmaiņu sekām, ko rada pārmērīgas siltumnīcefekta gāzu emisijas. Pašlaik lielākā daļa enerģijas ražošanas staciju un iekārtu lielā mērā paļaujas uz fosilā kurināmā avotiem (naftu un gāzi), lai apmierinātu šādu pieprasījumu. Šīs bažas par klimatu neļauj ražot papildu enerģiju, izmantojot tradicionālās metodes. Tādēļ efektīvu un uzticamu enerģijas uzkrāšanas sistēmu izstrāde ir kļuvusi arvien svarīgāka, lai nodrošinātu nepārtrauktu un uzticamu enerģijas piegādi no atjaunojamiem avotiem.
Enerģētikas sektors ir reaģējis, pārejot uz atjaunojamo enerģiju jeb “zaļajiem” risinājumiem. Pāreju ir veicinājušas uzlabotas ražošanas metodes, piemēram, vēja turbīnu lāpstiņu efektīvāka ražošana. Tāpat pētnieki ir spējuši uzlabot fotoelektrisko elementu efektivitāti, tādējādi uzlabojot enerģijas ražošanu uz vienu izmantošanas zonu. 2021. gadā elektroenerģijas ražošana no saules fotoelektriskajiem (FV) avotiem ievērojami palielinājās, sasniedzot rekordlielu 179 TWh, kas ir par 22 % vairāk nekā 2020. gadā. Saules FV tehnoloģija tagad veido 3,6 % no pasaules elektroenerģijas ražošanas un pašlaik ir trešais lielākais atjaunojamo energoresursu avots pēc hidroenerģijas un vēja enerģijas.
Tomēr šie sasniegumi neatrisina dažus no atjaunojamo energoresursu sistēmu trūkumiem, galvenokārt pieejamību. Lielākā daļa šo metožu neražo enerģiju pēc pieprasījuma, kā tas ir ar oglēm un naftu darbināmās elektrostacijās. Piemēram, saules enerģijas ražošana ir pieejama visu dienu, un tā variē atkarībā no saules starojuma leņķiem un fotoelektrisko paneļu novietojuma. Naktī tā nevar ražot enerģiju, savukārt ziemas sezonā un ļoti mākoņainās dienās tās ražošana ir ievērojami samazināta. Arī vēja enerģija cieš no svārstībām atkarībā no vēja ātruma. Tāpēc šie risinājumi ir jāapvieno ar enerģijas uzkrāšanas sistēmām, lai uzturētu enerģijas piegādi zemas ražošanas periodos.
Kas ir enerģijas uzkrāšanas sistēmas?
Enerģijas uzkrāšanas sistēmas var uzglabāt enerģiju, lai to izmantotu vēlāk. Dažos gadījumos notiks enerģijas pārveidošana starp uzkrāto enerģiju un piegādāto enerģiju. Visizplatītākais piemērs ir elektriskās baterijas, piemēram, litija jonu baterijas vai svina-skābes baterijas. Tās nodrošina elektroenerģiju, izmantojot ķīmiskas reakcijas starp elektrodiem un elektrolītu.
Baterijas jeb BESS (akumulatoru enerģijas uzkrāšanas sistēma) ir visizplatītākā enerģijas uzkrāšanas metode, ko izmanto ikdienas dzīvē. Pastāv arī citas uzkrāšanas sistēmas, piemēram, hidroelektrostacijas, kas pārveido dambī uzkrātā ūdens potenciālo enerģiju elektroenerģijā. Krītošais ūdens griezīs turbīnas spararatu, kas ražo elektroenerģiju. Vēl viens piemērs ir saspiesta gāze — izlaižot gāzi, tā griezīs turbīnas ratu, radot enerģiju.
Tas, kas atšķir baterijas no citām uzglabāšanas metodēm, ir to potenciālās darbības jomas. Sākot ar mazām ierīcēm un automašīnu barošanas avotiem līdz mājsaimniecības lietojumiem un lielām saules bateriju fermām, baterijas var nemanāmi integrēt jebkurā ārpustīkla uzglabāšanas lietojumprogrammā. No otras puses, hidroenerģijas un saspiestā gaisa metodēm ir nepieciešama ļoti liela un sarežģīta uzglabāšanas infrastruktūra. Tas rada ļoti augstas izmaksas, kuru attaisnošanai nepieciešami ļoti lieli pielietojumi.
Lietošanas gadījumi bezsaistes uzglabāšanas sistēmām.
Kā jau minēts iepriekš, bezsaistes enerģijas uzglabāšanas sistēmas var veicināt atjaunojamo energoresursu metožu, piemēram, saules un vēja enerģijas, izmantošanu un paļaušanos uz tām. Tomēr ir arī citi pielietojumi, kas var ievērojami gūt labumu no šādām sistēmām.
Pilsētu elektrotīklu mērķis ir nodrošināt atbilstošu elektroenerģijas daudzumu, pamatojoties uz katras pilsētas piedāvājumu un pieprasījumu. Nepieciešamā jauda var svārstīties visas dienas garumā. Lai mazinātu svārstības un nodrošinātu lielāku stabilitāti maksimālā pieprasījuma gadījumos, tiek izmantotas ārpus tīkla esošas uzglabāšanas sistēmas. No cita skatupunkta ārpus tīkla esošas uzglabāšanas sistēmas var būt ļoti noderīgas, lai kompensētu jebkādus neparedzētus tehniskus bojājumus galvenajā elektrotīklā vai plānoto apkopes periodos. Tās var apmierināt elektroenerģijas vajadzības, nemeklējot alternatīvus enerģijas avotus. Kā piemēru var minēt Teksasas ledus vētru 2023. gada februāra sākumā, kuras rezultātā aptuveni 262 000 cilvēku palika bez elektroenerģijas, savukārt remontdarbi aizkavējās sarežģīto laika apstākļu dēļ.
Vēl viens pielietojums ir elektrotransportlīdzekļi. Pētnieki ir ieguldījuši daudz pūļu, lai optimizētu akumulatoru ražošanu un uzlādes/izlādes stratēģijas, lai pagarinātu akumulatoru kalpošanas laiku un jaudas blīvumu. Litija jonu akumulatori ir bijuši šīs mazās revolūcijas priekšgalā un tiek plaši izmantoti gan jaunās elektroautomašīnās, gan arī elektriskajos autobusos. Labāki akumulatori šajā gadījumā var nodrošināt lielāku nobraukumu, bet arī samazināt uzlādes laiku, izmantojot pareizās tehnoloģijas.
Citi tehnoloģiskie sasniegumi, piemēram, bezpilota lidaparāti (UAV) un mobilie roboti, ir ievērojami ieguvuši no akumulatoru izstrādes. To kustības stratēģijas un vadības stratēģijas lielā mērā ir atkarīgas no akumulatora ietilpības un nodrošinātās jaudas.
Kas ir BESS?
BESS jeb akumulatora enerģijas uzkrāšanas sistēma ir enerģijas uzkrāšanas sistēma, ko var izmantot enerģijas uzglabāšanai. Šī enerģija var nākt no galvenā elektrotīkla vai no atjaunojamiem enerģijas avotiem, piemēram, vēja enerģijas un saules enerģijas. Tā sastāv no vairākām baterijām, kas izvietotas dažādās konfigurācijās (virknē/paralēli) un kuru izmēri ir pielāgoti prasībām. Tās ir savienotas ar invertoru, kas pārveido līdzstrāvu maiņstrāvā lietošanai.akumulatora pārvaldības sistēma (BMS)tiek izmantots, lai uzraudzītu akumulatora stāvokli un uzlādes/izlādes darbību.
Salīdzinot ar citām enerģijas uzkrāšanas sistēmām, tās ir īpaši elastīgas izvietošanas/pieslēgšanas ziņā un tām nav nepieciešama ļoti dārga infrastruktūra, taču tās joprojām ir ievērojamas izmaksas un prasa regulārāku apkopi atkarībā no lietošanas.
BESS izmēru noteikšana un lietošanas paradumi
Izšķirošs aspekts, kas jāņem vērā, uzstādot akumulatora enerģijas uzkrāšanas sistēmu, ir izmēra izvēle. Cik akumulatoru ir nepieciešams? Kādā konfigurācijā? Dažos gadījumos akumulatora tipam ilgtermiņā var būt izšķiroša nozīme izmaksu ietaupījuma un efektivitātes ziņā.
Tas tiek darīts katrā gadījumā atsevišķi, jo pielietojums var būt gan mazas mājsaimniecības, gan lielas rūpniecības iekārtas.
Visizplatītākais atjaunojamās enerģijas avots mazām mājsaimniecībām, īpaši pilsētu teritorijās, ir saules enerģija, izmantojot fotoelektriskos paneļus. Inženieris parasti ņem vērā mājsaimniecības vidējo enerģijas patēriņu un novērtē saules starojumu gada laikā konkrētajā vietā. Bateriju skaits un to tīkla konfigurācija tiek izvēlēta tā, lai tā atbilstu mājsaimniecības pieprasījumam gada zemākās saules enerģijas piegādes laikā, vienlaikus pilnībā neiztukšojot baterijas. Tas pieņem, ka risinājums ir pilnībā neatkarīgs no galvenā tīkla.
Uzturēt relatīvi mērenu uzlādes līmeni vai pilnībā neizlādēt akumulatorus sākumā varētu šķist neintuitīvi. Galu galā, kāpēc izmantot uzglabāšanas sistēmu, ja mēs nevaram izmantot tās pilnu potenciālu? Teorētiski tas ir iespējams, taču tā var nebūt stratēģija, kas maksimāli palielina ieguldījumu atdevi.
Viens no galvenajiem BESS trūkumiem ir akumulatoru relatīvi augstās izmaksas. Tāpēc ir svarīgi izvēlēties lietošanas paradumu vai uzlādes/izlādes stratēģiju, kas maksimāli palielina akumulatora kalpošanas laiku. Piemēram, svina-skābes akumulatorus nevar izlādēt zem 50% ietilpības, neradot neatgriezeniskus bojājumus. Litija jonu akumulatoriem ir lielāks enerģijas blīvums un ilgs cikla kalpošanas laiks. Tos var izlādēt arī lielākā diapazonā, taču tas ir saistīts ar lielāku cenu. Dažādu ķīmisko vielu izmaksas ievērojami atšķiras, svina-skābes akumulatori var būt simtiem līdz tūkstošiem dolāru lētāki nekā tāda paša izmēra litija jonu akumulatori. Tāpēc svina-skābes akumulatori visvairāk tiek izmantoti saules enerģijas pielietojumos trešās pasaules valstīs un nabadzīgās kopienās.
Akumulatora veiktspēju būtiski ietekmē tā kalpošanas laika degradācija, tam nav stabilas veiktspējas, kas beidzas ar pēkšņu atteici. Tā vietā nodrošinātā jauda var pakāpeniski samazināties. Praksē akumulatora kalpošanas laiks tiek uzskatīts par beigušos, kad tā jauda sasniedz 80% no sākotnējās ietilpības. Citiem vārdiem sakot, kad tā ietilpība samazinās par 20%. Praksē tas nozīmē, ka var nodrošināt mazāku enerģijas daudzumu. Tas var ietekmēt pilnībā neatkarīgu sistēmu lietošanas periodus un nobraukumu, ko var nobraukt ar elektromobili.
Vēl viens apsvēršanas vērts aspekts ir drošība. Līdz ar ražošanas un tehnoloģiju attīstību jaunākie akumulatori kopumā ir ķīmiski stabilāki. Tomēr degradācijas un ļaunprātīgas izmantošanas dēļ elementi var pārkarst, kas var izraisīt katastrofālas sekas un dažos gadījumos apdraudēt patērētāju dzīvību.
Tāpēc uzņēmumi ir izstrādājuši labāku akumulatoru uzraudzības programmatūru (BMS), lai kontrolētu akumulatora lietojumu, kā arī uzraudzītu tā stāvokli, lai nodrošinātu savlaicīgu apkopi un izvairītos no nopietnām sekām.
Secinājums
Tīkla enerģijas uzkrāšanas sistēmas sniedz lielisku iespēju panākt elektroenerģijas neatkarību no galvenā tīkla, kā arī nodrošina rezerves enerģijas avotu dīkstāves un maksimālās slodzes periodos. To attīstība veicinātu pāreju uz videi draudzīgākiem enerģijas avotiem, tādējādi ierobežojot enerģijas ražošanas ietekmi uz klimata pārmaiņām, vienlaikus apmierinot enerģijas vajadzības, pastāvīgi pieaugot patēriņam.
Akumulatoru enerģijas uzkrāšanas sistēmas ir visbiežāk izmantotās un visvieglāk konfigurējamās dažādiem ikdienas lietojumiem. To augsto elastību kompensē salīdzinoši augstās izmaksas, kas noved pie uzraudzības stratēģiju izstrādes, lai pēc iespējas pagarinātu attiecīgo kalpošanas laiku. Pašlaik rūpniecība un akadēmiskās aprindas pieliek daudz pūļu, lai izpētītu un izprastu akumulatoru degradāciju dažādos apstākļos.
Saistīts raksts:
Pielāgoti enerģijas risinājumi — revolucionāras pieejas enerģijas piekļuvei
Atjaunojamās enerģijas maksimāla izmantošana: akumulatora enerģijas uzglabāšanas loma
Jūras enerģijas uzkrāšanas sistēmu akumulatoru tehnoloģiju attīstība
