Батерии за съхранение на възобновяема енергия

ВЕИ енергетикaСп. Енерджи ревю - брой 3, 2022 • 19.05.2022

  • Съхранението на електроенергия ще бъде в основата на енергийния преход, предоставяйки услуги по цялата верига на стойността на електроенергийната система

  • Батерийните системи за съхранение на енергия са една от най-бързо развиващите се технологии в сферата на устойчивостта на съвременните енергийни системи

  • Предимство на групата на литиево-йонните батерии спрямо другите батерии е високата енергийна плътност


Съхранението на електроенергия ще играе решаваща роля за осигуряване на следващата фаза на енергийния преход. Наред със засилването на производството на соларна и вятърна енергия, това ще позволи бърза декарбонизация в ключови сегменти на енергийния пазар.
Конференцията на ООН за изменението на климата, провела се в Париж през 2015 г., постави рамката за глобален преход към устойчива енергийна система, за да се избегне рискът от катастрофално изменение на климата. Предизвикателството пред правителствата се измести от обсъждане на това, което може да се постигне, към определяне как да се постигнат колективните цели за устойчива енергийна система.
Предвид спада в цената на технологиите за производство на енергия от възобновяеми източници през последните години, електроенергийният сектор постига конкретен напредък в декарбонизацията. Внедряването на възобновяема енергия обаче трябва да се ускори. Декарбонизацията в секторите на крайното потребление – пряко използване на енергия в промишлеността, транспорта и сградното потребление, също трябва да се ускори, като се има предвид, че напредъкът в тези области изостава.

Това развитие на енергийния сектор повишава значението на системите за съхранение на електроенергия, тъй като те ще улеснят глобалната декарбонизация. Съхранението, базирано на бързо развиващи се батерийни технологии, ще позволи по-голяма гъвкавост на системите, тъй като делът на енергията от променливи възобновяеми източници (VRE) се увеличава. Усъвършенстваните системи за съхранение на електроенергия правят възможно разширяването на дела на електрическите транспортни средства за поддръжка на мрежи от 100% възобновяеми източници.

Перспективи за развитие

Тъй като възобновяемите източници с променлив характер на генериране на енергия нарастват до значителни нива, електрическите системи ще изискват по-голяма гъвкавост. При много високи дялове на променливи възобновяеми източници енергията трябва да се съхранява в продължение на дни, седмици или месеци. Чрез предоставянето на надеждни основни услуги за съхранение на електроенергия, това може да доведе до съществена декарбонизация на електроенергията и да помогне за трансформирането на целия енергиен сектор.

Електроенергийните системи вече изискват набор от допълнителни услуги, за да осигурят гладка и надеждна работа. Предлагането и търсенето трябва да бъдат балансирани в реално време, за да се гарантира качество на доставките (например, поддържане на постоянно напрежение и честота), да се избегнат повреди на електрическите уреди и да се поддържа захранването на всички потребители. Всички електроенергийни системи изискват определена гъвкавост на услугите, които позволяват на мрежовите оператори да реагират на неочаквани промени в търсенето или на загуби при електроснабдяването (например изключване на големи станции, загуба на междусистемна връзка). Гъвкавостта дава на операторите инструментите за бързо възстановяване на системното равновесие.

В днешните енергийни системи соларната и вятърната енергия все още имат ограничено въздействие върху функционирането на мрежата. С нарастването на дела на VRE обаче, електрическите системи ще се нуждаят не само от по-гъвкави услуги, но и от различен енергиен микс. Тези нужди ще могат да бъдат посрещнати добре, ако са налице възможности за бърза реакция по отношение на съхранението на електроенергия. Тази ключова промяна в работата на системите трябва да бъде част от процеса на енергийно планиране. Международната агенция за възобновяема енергия (IRENA) в скорошно проучване за Г-20 анализира ефектите от енергийния преход до 2050 г. и установява, че над 80% от електричеството в света може да се получава от възобновяеми източници до тогава. Енергията, добита от фотоволтаици (PV), и вятърната енергия към тази дата ще представляват 52% от общото производство на електроенергия.

Съхранението на електроенергия ще бъде в основата на енергийния преход, предоставяйки услуги по цялата верига на стойността на електроенергийната система и в секторите на крайното потребление. Капацитетът за съхранение на електроенергия може да намали ограниченията на преносната мрежа и може да отложи необходимостта от големи инвестиции в инфраструктура.

С високите дялове на вятърна и слънчева фотоволтаична енергия, очаквани след 2030 г. (70 – 80%), необходимостта от дългосрочно съхранение на енергия става решаваща за изглаждане на колебанията в снабдяването на дневна, седмична или месечна база. Наред с високата гъвкавост на системата, това изисква технологии за съхранение с ниски енергийни разходи и скорости на разреждане, като помпени хидросистеми или иновативни батерийни системи за икономично съхраняване на електроенергия за по-дълги периоди. Подобни предизвикателства трябва да се имат предвид, тъй като предвиждането на бъдещи нужди хвърля светлина върху дългосрочния пазарен потенциал. Това, от своя страна, дава необходимия тласък за развитието на технологиите за съхранение. Следователно проучванията и развитието в периода до 2030 г. са жизненоважни, за да се гарантира, че бъдещите решения са налични, тествани и готови за внедряване, когато е необходимо.

Видове батерии за възобновяема енергия

Батерийните системи за съхранение на енергия са една от най-бързо развиващите се технологии в сферата на устойчивостта на съвременните енергийни системи. Те се възприемат все по-широко като ефективна алтернатива за намаляване на зависимостта от изкопаеми горива.
Съхранението с батерии позволява пълноценно оползотворяване на енергията от възобновяеми енергийни източници, като слънчевата енергия, а внедряването на системи за съхранение в момента е в своя възход в различни индустрии.

Генерирането на възобновяема енергия чрез слънчеви панели например след първоначалната инвестиция е по същество безплатно, но ако произведената през деня енергия няма как да се употреби, системата не е толкова полезна, колкото би могла да бъде. Налага се тенденция за различни форми на договаряне за продажба на излишната енергия и включването й в мрежата, но това е приложимо и оправдано само в някои случаи.
Като основен метод за съхранение на възобновяема енергия може да се каже, че батериите като технология изостават от напредъка в добива на енергия от ветрогенератори и соларни системи. Доскоро индустрията разчиташе основно на остарели оловно-киселинни батерии. За съжаление, оловно-киселинните батерии са доста тежки, неефективни, съдържат токсични химикали и са скъпи за поддръжка и подмяна. Сравнително скорошното въвеждане на литиево-йонните батерии отвори нови възможности за мащабиране и съхранение на енергия от възобновяеми източници, като така бяха отстранени редица от недостатъците на оловно-киселинните батерии.

Има няколко типа батерии, които се използват с ВЕИ системи за добив на електроенергия – оловно-киселинни, литиево-йонни и поточни батерии.
Литиево-йонните батерии обменят литиеви йони (Li+) между анода и катода, които са направени от литиеви интеркалационни съединения. Например литиевият кобалтов оксид (LiCoO2), първоначално въведен през 80-те години на миналия век, е активният положителен материал, използван при първите литиево-йонни батерии. Тази комбинация се отличава със значително по-висока енергийна плътност в сравнение с други литиево-йонни типове, въпреки че проявява недостатъци като кратък живот, ограничени скорости на зареждане и умерена термична стабилност. Литиево-йонните батерии обикновено имат катод, направен от литиев метален оксид (LiMEO2), докато анодът често е изработен от графит.

Предимство на групата на литиево-йонните батерии спрямо другите батерии са високата енергийна плътност и мощност. Те също така се характеризират със способност за презареждане при висока мощност, отлична ефективност на циклите, относително дълъг живот и ниска степен на саморазреждане. Проблемите, свързани с топлинната стабилност и безопасността на литиево-йонните батерии, се отнасят до химични реакции, които освобождават кислород, когато катодите от литиев метален оксид прегреят. Това освобождаване на топлина може да причини изпускане на дим и газове и може да доведе до запалване на клетката. Въпреки че това е присъщ риск за литиево-йонните батерии, той може да бъде предизвикан от външни непредвидени влияния, като външни източници на нагряване, презареждане или разреждане или зареждане с ток с висока сила. Следователно литиево-йонните системи за съхранение на енергия от ВЕИ включват интегрирано управление на температурата и мониторинг на процесите и се работи усилено в посока тяхното подобряване.
Оловно-киселинните батерии са вид акумулаторни батерии, които съхраняват електрическа енергия чрез химични реакции, възникващи между олово, вода и сярна киселина. Технологията зад тези батерии е на повече от 160 години, но причината да са все още толкова популярни е, че са здрави, надеждни и евтини за производство и употреба.

Оловно-киселинните батерии могат да бъдат добър избор за съхранение на енергия, произведена от фотоволтаични системи, но по-новите технологии често са по-удобни и компактни. Те са най-старите и най-широко разпространени акумулаторни батерии по отношение на технологията.
Обикновено съотношението цена-производителност в широк спектър от приложения е много добро. Въпреки това те имат относително ниска енергийна плътност, много са тежки, не реагират добре на дълбоко разреждане и оловото може да бъде неподходящ материал в някои приложения или обекти поради своята токсичност.

Въпреки това оловно-киселинните батерии се рециклират сравнително лесно и съществува голям пазар.
Според електролита те се делят на мокри (с течен електролит), гелови и сухи. Мокрите оловно-киселинни батерии използват сярна киселина в течно състояние като електролит. Те се състоят предимно от подредени клетки, потопени във воден разтвор (обикновено 37%) на сярна киселина (H2SO4). Всяка клетка има положителен електрод, направен от оловен диоксид (PbO2), и отрицателен електрод, изработен от олово (Pb) в пореста структура с голяма повърхност. За изолиране на електродите един от друг се използва сепаратор, въпреки че те са достатъчно порести, за да позволят транспортирането на киселина.

Електрохимичните реакции по време на разрядната фаза на работа превръщат електродите в оловен сулфат (PbSO4), докато концентрацията на сярна киселина намалява, което води до електролитен разтвор, състоящ се предимно от вода. Когато батерията се зарежда от външен източник на захранване, посоката на реакцията се обръща, което води до връщане на електродите в първоначалното им състояние, както и киселинното съдържание на електролита.
Киселината при геловите акумулатори е преобразувана в гел с добавянето на вещество с абсорбционни свойства. Такъв тип батерии съдържат по-малко киселина от обикновените, което е предимство. Работят при големи температурни разлики, от много ниски до много високи – между -40°C до +60°C. Гел акумулаторите могат да издържат малко по-дълго време при работа в горещи условия, отколкото другите батерии.
AGM акумулаторите (т.нар. “сухи”) имат абсорбиращи стъклени влакна. Те са устойчиви на променливо напрежение и ниски температури. Необслужваеми са и имат живот от 10 до 15 години.

Поточните батерии може да се сравнят с регенериращи горивни клетки. Те се различават от конвенционалните акумулаторни батерии по това, че активните материали не се съхраняват в електрода, а по-скоро те са разтворени в електролитни разтвори. Електролитите се съхраняват в резервоари. Тези резервоари са отделени от блока на регенериращите клетки. Електролитите се изпомпват от резервоарите в клетъчни блокове, където протичат обратими електрохимични реакции по време на зареждане и разреждане на системата.

Механизмът за съхранение на ванадиевите поточни редукционни батерии (vanadium redox flow batteries – VRFB) включва реакции в клетката, които се захранват от активни йони ванадий от резервоарите, което води до пренос на електрони във веригата.
Предимства на ванадиевите батерии са дългият експлоатационен живот (10 000+ пълни цикъла) и относително висока енергийна ефективност (до 85%), която все пак е по-ниска от тази на литиево-йонните.



ЕКСКЛУЗИВНО


Top