Hvernig á að geyma rafmagn utan raforkukerfisins?

Undanfarin 50 ár hefur orðið stöðug aukning á raforkunotkun í heiminum, og er áætlað að hún verði um 25.300 teravattstundir árið 2021. Með umbreytingunni í átt að iðnaði 4.0 hefur orkuþörf aukist um allan heim. Þessar tölur eru að aukast ár frá ári, án þess að taka með orkuþörf iðnaðar og annarra efnahagsgeiranna. Þessi iðnaðarbreyting og mikil orkunotkun eru tengd áþreifanlegri áhrifum loftslagsbreytinga vegna mikillar losunar gróðurhúsalofttegunda. Eins og er reiða flestar orkuver sig mjög á jarðefnaeldsneyti (olíu og gas) til að mæta slíkri eftirspurn. Þessar áhyggjur af loftslagsbreytingum koma í veg fyrir frekari orkuframleiðslu með hefðbundnum aðferðum. Því hefur þróun skilvirkra og áreiðanlegra orkugeymslukerfa orðið sífellt mikilvægari til að tryggja samfellda og áreiðanlega orkuframboð frá endurnýjanlegum orkugjöfum.

Orkugeirinn hefur brugðist við með því að færa sig yfir í endurnýjanlega orku eða „grænar“ lausnir. Bættar framleiðsluaðferðir hafa hjálpað til við að auka skilvirkni framleiðslu vindmyllublaða. Rannsakendum hefur einnig tekist að bæta skilvirkni sólarsella, sem leiðir til betri orkuframleiðslu á hverju notkunarsvæði. Árið 2021 jókst raforkuframleiðsla frá sólarorkuverum verulega og náði metframleiðslu um 179 TWh, sem er 22% vöxtur samanborið við árið 2020. Sólarorkutækni nemur nú 3,6% af alþjóðlegri raforkuframleiðslu og er nú þriðja stærsta endurnýjanlega orkulindin á eftir vatnsafli og vindi.

Þessi byltingarkennd uppgötvun leysa þó ekki suma af þeim innbyggðu göllum sem fylgja endurnýjanlegum orkukerfum, einkum framboði orku. Flestar þessara aðferða framleiða ekki orku eftir þörfum eins og kola- og olíuorkuver. Sólarorka er til dæmis tiltæk allan daginn með breytingum eftir því hvernig sólin geislar og staðsetningu sólarrafhlöðu er. Hún getur ekki framleitt neina orku á nóttunni og framleiðsla hennar er verulega minnkuð á veturna og á mjög skýjuðum dögum. Vindorka þjáist einnig af sveiflum eftir vindhraða. Þess vegna þarf að para þessar lausnir við orkugeymslukerfi til að viðhalda orkuframboði á tímabilum með litla orkuframleiðslu.

Hvað eru orkugeymslukerfi?

Orkugeymslukerfi geta geymt orku til að nota hana síðar. Í sumum tilfellum verður einhvers konar orkubreyting á milli geymdrar orku og orku sem er veitt. Algengasta dæmið eru rafmagnsrafhlöður eins og litíumjónarafhlöður eða blýsýrurafhlöður. Þær veita raforku með efnahvörfum milli rafskautanna og rafvökvans.

Rafhlöður, eða BESS (battery energy storage system, rafhlöðuorkugeymslukerfi), eru algengasta orkugeymsluaðferðin sem notuð er í daglegu lífi. Önnur geymslukerfi eru til, svo sem vatnsaflsvirkjanir, sem breyta stöðuorku vatns sem geymt er í stíflu í raforku. Vatnið sem fellur niður snýr svinghjóli túrbínu sem framleiðir raforku. Annað dæmi er þjappað gas, þegar það losnar snýr það hjóli túrbínunnar og framleiðir orku.

Það sem greinir rafhlöður frá öðrum geymsluaðferðum eru möguleg notkunarsvið þeirra. Rafhlöður geta verið samþættar óaðfinnanlega við hvaða geymsluforrit sem er utan raforkukerfisins, allt frá litlum tækjum og bílaaflsgjöfum til heimilisnota og stórra sólarorkuvera. Hins vegar krefjast vatnsafls- og þrýstiloftsaðferðir mjög stórra og flókinna innviða fyrir geymslu. Þetta leiðir til mjög mikils kostnaðar sem krefst mjög stórra nota til þess að það sé réttlætanlegt.

Notkunartilvik fyrir geymslukerfi utan nets.

Eins og áður hefur komið fram geta geymslukerfi utan raforkukerfisins auðveldað notkun og traust á endurnýjanlegum orkugjöfum eins og sólar- og vindorku. Engu að síður eru önnur forrit sem geta notið góðs af slíkum kerfum.

Rafmagnskerfi borgarinnar miða að því að veita rétt magn af orku út frá framboði og eftirspurn í hverri borg. Rafmagnsþörfin getur sveiflast yfir daginn. Geymslukerfi utan raforkukerfisins hafa verið notuð til að draga úr sveiflum og veita meiri stöðugleika í hámarkseftirspurn. Frá öðru sjónarhorni geta geymslukerfi utan raforkukerfisins verið mjög gagnleg til að bæta upp fyrir ófyrirséð tæknileg bilun í aðalraforkukerfinu eða á áætluðum viðhaldstímabilum. Þau geta uppfyllt orkuþarfir án þess að þurfa að leita að öðrum orkugjöfum. Má sem dæmi nefna ísstorminn í Texas í byrjun febrúar 2023 sem skildi um það bil 262.000 manns eftir án rafmagns, en viðgerðir tafðist vegna erfiðra veðurskilyrða.

Rafknúin ökutæki eru önnur notkun. Rannsakendur hafa lagt mikla vinnu í að hámarka framleiðslu rafhlöðu og hleðslu-/afhleðsluaðferðir til að lengja líftíma og orkuþéttleika rafhlöðu. Lithium-jón rafhlöður hafa verið í fararbroddi þessarar litlu byltingar og hafa verið mikið notaðar í nýjum rafmagnsbílum en einnig rafknúnum strætisvögnum. Betri rafhlöður geta í þessu tilfelli leitt til meiri aksturs en einnig styttri hleðslutíma með réttri tækni.

Aðrar tækniframfarir eins og ómönnuð loftför og færanleg vélmenni hafa notið góðs af þróun rafhlöðu. Hreyfiaðferðir þeirra og stjórnunaraðferðir eru mjög háðar rafhlöðugetu og afli sem veitt er.

Hvað er BESS

BESS eða rafhlöðuorkugeymslukerfi er orkugeymslukerfi sem hægt er að nota til að geyma orku. Þessi orka getur komið frá aðalnetinu eða frá endurnýjanlegum orkugjöfum eins og vindorku og sólarorku. Það er samsett úr mörgum rafhlöðum sem eru raðaðar í mismunandi stillingar (raðtengdar/samsíða) og stærðarflokkaðar eftir þörfum. Þær eru tengdar við inverter sem er notaður til að breyta jafnstraumi í riðstraum til notkunar.rafhlöðustjórnunarkerfi (BMS)er notað til að fylgjast með ástandi rafhlöðunnar og hleðslu-/afhleðsluferlinu.

Í samanburði við önnur orkugeymslukerfi eru þau sérstaklega sveigjanleg í uppsetningu/tengingu og þurfa ekki mjög dýra innviði, en þau eru samt töluvert dýr og þurfa reglulegra viðhald eftir notkun.

Stærðarval og notkunarvenjur BESS

Mikilvægt atriði þegar kemur að því að setja upp rafhlöðugeymslukerfi er stærðarvalið. Hversu margar rafhlöður þarf? Í hvaða stillingu? Í sumum tilfellum getur gerð rafhlöðunnar gegnt lykilhlutverki til lengri tíma litið hvað varðar sparnað og skilvirkni.

Þetta er gert í hverju tilviki fyrir sig þar sem notkun getur verið allt frá litlum heimilum til stórra iðnaðarverksmiðja.

Algengasta endurnýjanlega orkulindin fyrir lítil heimili, sérstaklega í þéttbýli, er sólarorka með sólarsellum. Verkfræðingurinn myndi almennt taka mið af meðalorkunotkun heimilisins og meta sólargeislunina yfir árið á hverjum stað. Fjöldi rafhlöðu og uppsetning þeirra á raforkukerfinu er valin til að passa við eftirspurn heimilisins á þeim tíma sem sólarorkuframboðið er lægst á árinu, án þess að tæma rafhlöðurnar alveg. Þetta gerir ráð fyrir lausn sem tryggir algjöra orkuóháðni frá aðalrafkerfinu.

Að viðhalda tiltölulega hóflegri hleðslu eða ekki tæma rafhlöðurnar alveg getur virst óskynsamlegt í fyrstu. Hvers vegna að nota geymslukerfi ef við getum ekki nýtt það til fulls? Í orði kveðnu er það mögulegt, en það er kannski ekki sú aðferð sem hámarkar arðsemi fjárfestingarinnar.

Einn helsti ókosturinn við BESS er tiltölulega hár kostnaður við rafhlöður. Þess vegna er mikilvægt að velja notkunarvenjur eða hleðslu-/afhleðslustefnu sem hámarkar endingu rafhlöðunnar. Til dæmis er ekki hægt að tæma blýsýrurafhlöður undir 50% afkastagetu án þess að valda óafturkræfum skemmdum. Litíum-jón rafhlöður hafa hærri orkuþéttleika og langan líftíma. Þær er einnig hægt að tæma með lengri drægni, en það kostar meira. Mikill munur er á kostnaði milli mismunandi efnaframleiðenda og blýsýrurafhlöður geta verið hundruðum til þúsunda dollara ódýrari en litíum-jón rafhlöður af sömu stærð. Þess vegna eru blýsýrurafhlöður mest notaðar í sólarorkuforritum í þriðja heims löndum og fátækum samfélögum.

Rafhlöðuafköst verða fyrir miklum áhrifum af hnignun á líftíma hennar, hún hefur ekki stöðuga afköst sem enda með skyndilegri bilun. Þess í stað getur afkastageta rafhlöðunnar minnkað smám saman. Í reynd telst endingartími rafhlöðu vera búinn þegar afkastageta hennar nær 80% af upprunalegri afkastagetu. Með öðrum orðum, þegar afkastageta hennar minnkar um 20%. Í reynd þýðir þetta að hægt er að framleiða minni orku. Þetta getur haft áhrif á notkunartíma fyrir fullkomlega sjálfstæð kerfi og kílómetrafjölda sem rafbíll getur ekið.

Annað atriði sem þarf að hafa í huga er öryggi. Með framþróun í framleiðslu og tækni hafa nýrri rafhlöður almennt verið efnafræðilega stöðugri. Hins vegar, vegna niðurbrots og misnotkunar, geta rafhlöður farið í hitaupphlaup sem getur leitt til hörmulegra afleiðinga og í sumum tilfellum sett líf neytenda í hættu.

Þess vegna hafa fyrirtæki þróað betri hugbúnað til eftirlits með rafhlöðum (BMS) til að stjórna notkun rafhlöðunnar en einnig til að fylgjast með heilsufari hennar til að tryggja tímanlegt viðhald og forðast verri afleiðingar.

Niðurstaða

Geymslukerfi orkukerfisins bjóða upp á frábært tækifæri til að ná orkuóháðni frá aðalnetinu en veita einnig varaaflgjafa á stöðvunartíma og álagstímum. Þróun þessarar þróunar myndi auðvelda breytinguna yfir í grænni orkugjafa og þar með takmarka áhrif orkuframleiðslu á loftslagsbreytingar en samt sem áður mæta orkuþörf með stöðugum vexti í notkun.

Rafhlöðugeymslukerfi eru algengust og auðveldast í uppsetningu fyrir mismunandi dagleg verkefni. Mikill sveigjanleiki þeirra vegur upp á móti tiltölulega miklum kostnaði, sem leiðir til þróunar á eftirlitsaðferðum til að lengja líftíma þeirra eins mikið og mögulegt er. Eins og er leggja atvinnulífið og fræðasamfélagið mikla vinnu í að rannsaka og skilja hnignun rafhlöðu við mismunandi aðstæður.