Новости при системите за съхранение на енергия от ВЕИ

ВЕИ енергетикaСп. Енерджи ревю - брой 5, 2021 • 01.10.2021

  • Основно изискване към платформите за съхранение на възобновяема енергия е гъвкаво да поддържат необходимия баланс между производство и потребление

  • Сред ключовите технологии в глобалния поход към чиста енергия са и интелигентните мрежи, които позволяват постоянен двупосочен поток на електроенергия и информация между комуналните дружества и техните потребители

  • На пазара се предлагат модулни решения за промишлени приложения или микромрежи, които използват комбинация от ултракондензатори и оловно-киселинни или литиево-йонни батерии

 

Новите енергийни технологии по традиция сравнително бавно достигат етап на комерсиализация, тъй като се нуждаят от продължителни периоди на научноизследователска работа, разработка и тестване за промишлена приложимост. Същевременно тази дейност изисква множество разходи, а в редица държави едва отскоро съществуват финансови стимули за проектиране, патентоване и серийно производство на системи за съхранение на енергия от ВЕИ. И макар на пръв поглед това да са сериозни предизвикателства пред иновационните процеси в бранша, непрекъснато се генерира търсене на новаторски решения за складиране и утилизиране на био-, хидро-, соларна, геотермална и вятърна енергия за индустриални цели. А производителите успяват да отговарят адекватно на пазарната динамика с множество новости при батериите и интелигентните платформи за съхранение, включително с революционни технологии от арсенала на Industry 4.0 като изкуствен интелект, машинно самообучение, аналитични инструменти за големи обеми данни, виртуални електроцентрали и др.


Батериите и прехода към чиста енергия

Глобалното производство на възобновяема енергия непрекъснато нараства. Тази тенденция съвпада със Сценария за устойчиво развитие (SDS) на Международната агенция по енергетика (IEA). Той предвижда, че въвеждането на политики и нарастващите инвестиции в сферата на ВЕИ могат да доведат до цялостна и навременна трансформация на световната енергийна система така, че да бъдат постигнати основните заложени цели, свързани с енергетиката. Технологиите за съхранение на енергия от възобновяеми източници безспорно са сред иновациите с критично значение за този повсеместен преход към нисковъглеродно бъдеще.

За разлика от традиционните електроцентрали, които се свързват директно с преносната мрежа и регулират натоварванията спрямо търсенето, ВЕИ системите зависят от решения за съхранение на енергията, които да обезпечават захранването дори при липса на основния ресурс, например вятър или слънчева светлина.

Докладите на специалистите сочат, че към 2018 г. общият капацитет на системите за съхранение в експлоатация по света е над 156 GW. С бързите темпове на реализация на ВЕИ проекти прогнозите са, че до края на десетилетието тази цифра ще нарасне до повече от 740 GW.

Основно изискване към платформите за съхранение на възобновяема енергия е гъвкаво да поддържат необходимия баланс между производство и потребление. В духа на Сценария за устойчиво развитие именно батериите са ядрото, което може да осигури тази гъвкавост. От всички налични на пазара батерийни технологии към момента литиево-йонните са преобладаващи, като делът им е над 90% от новите инсталации на ВЕИ системи. Останалите сегменти като маховици или суперкондензатори намират нишови приложения, в които се доказват като високоефективни решения.

Иновациите при батериите обаче сами по себе си не са достатъчни да обезпечат експоненциалния ръст на системи за съхранение на енергия от ВЕИ в рамките на прехода към чисто енергийно бъдеще. Ето защо усилени разработки се правят и в сферата на т. нар. балансиращи компоненти – корпуси, вентилационни елементи, средства за мониторинг и управление, инструменти за енергиен мениджмънт и предпазно оборудване (например за топлинен мениджмънт и пожарозащита), инвертори, трансформатори, комутационна апаратура и др.


Интелигентни мрежи и системи за съхранение

Сред ключовите технологии в глобалния поход към чиста енергия са и интелигентните мрежи, които позволяват постоянен двупосочен поток на електроенергия и информация между комуналните дружества и техните потребители. С техните възможности за детайлен мониторинг и оптимизация на процеса по съхранение и утилизация на складирана енергия възобновяемите източници могат да бъдат използвани до пълния си потенциал както в битов, така и в индустриален мащаб. Една умна интегрирана система на теория би могла да употреби всеки ват произведено електричество от дадена фотоволтаична инсталация или вятърен генератор, като същевременно съхранява колкото е възможно повече и подава всеки излишък към интелигентната мрежа с цел оптимално оползотворяване на енергийния ресурс.

На база докладите за поведението на оборудването и прогнозата за времето системата предвижда какво количество електричество ще бъде произведено в рамките на даден период и го съпоставя с очакваното потребление. Така платформата може да генерира прецизни графици за работа на различните уреди и устройства, така че енергията да се използва оптимално, а накрая батерията отново да е напълно заредена.

Допълнителна функция на умните системи за съхранение е и целенасоченият енергиен мениджмънт за удължаване на сервизния им живот.

Възобновяемата енергия би била изразходвана най-рентабилно във взаимосвързана енергийна екосистема, в която всеки източник, потребител, товар и устройство за съхранение са активни участници в двупосочния процес по обмен на информация. На практика това е напълно постижимо с помощта на автономни софтуерни решения, които управляват капацитета на батерията и осъществяват непрекъснат мониторинг на слънчевите панели, вятърните генератори или източниците от друг тип. Събраните в хода му данни могат да бъдат съпоставени със статуса на основната електропреносна система, тарифните планове за електроенергията и информацията от доставчиците, за да се идентифицира дали към даден момент е налице търсене или излишък в генерираното количество и да се предприеме най-адекватният план за действие.

Що се отнася до автономния характер на софтуера, това означава, че платформата може самостоятелно да вземе решение каква част от локално произведената енергия да бъде съхранена и каква – използвана за директна консумация. Като се има предвид, че батериите обикновено се зареждат с излишната енергия от мрежата, която иначе би била загубена, или пък осигуряват захранване вместо доставчик на електричество от изкопаеми горива, потенциалът за редуциране на емисиите от въглероден диоксид вследствие на въвеждането на системи за съхранение на ВЕИ енергия е огромен. Основна функция на интелигентната платформа е да управлява този процес, за да се извлекат максимални ползи както за потребителите, така и за доставчиците, а не на последно място – и за околната среда. Голям плюс на умните решения за съхранение, интегрирани в smart grid инфраструктура, е и фактът, че значително стабилизират преноса, като елиминират до голяма степен риска от прекъсвания в захранването благодарение на възможностите за резервно подаване на електроенергия от батерията.


Пазарни иновации

Въпреки че базовите технологии, използвани за съхранение на енергия, не са се променили драстично през последните години, производителите непрекъснато намират начин да оптимизират функционалността им с редица технически иновации. На пазара се предлагат например модулни решения за промишлени приложения или микромрежи, които използват комбинация от ултракондензатори и оловно-киселинни или литиево-йонни батерии. Те могат да изпълняват едновременно функцията на системи за непрекъсваемо токозахранване (UPS), пиков резерв на мощност, регулиране на напрежението и т. н.

Ултракондензаторите са базирани на нанотехнологичния материал извит графен (curved graphene), който позволява по-висока енергийна плътност подобно на тази при никел метал-хидридните батерии, но с възможности за много по-бързо зареждане и разряд.

Друга новост са модулните платформи за съхранение на енергия от ВЕИ със солена вода, проектирани за микромрежи, домакинства, търговски и индустриални обекти. Макар батериите в тези системи да не превъзхождат суперкондензаторите, те се промотират като безопасна алтернатива за приложения, в които не е необходима извънредна ефективност, а устойчива и екологична технология. Те са разработени за експлоатация в широк температурен диапазон от -5 до 50оC и могат да се мащабират до 1 MWh, като така предлагат отличен заместител на литиево-йонните платформи.

В сегмента се нареждат стартъпи, предлагащи още по-нестандартни технологични иновации за съхранение на енергия. Такава е например система, работеща с разтопен силиций и биогаз, генериран от пречиствателните станции за отпадъчни води. Газът се преобразува в топлина в съоръжение за съхранение на топлинна енергия (TESS), която впоследствие се складира в разтопения силиций. Процесът отново е двупосочен и енергията може да бъде подадена обратно към мрежата при необходимост. Отпадната топлина се използва за захранване на биогазовите инсталации, където цикълът започва отначало.

Сред най-интересните проекти, реализирани в сферата на новите технологии за складиране на ВЕИ енергия, е и съоръжение, което съчетава система за съхранение на енергия под формата на сгъстен въздух в подземни солни пещери, модул за съхранение на водород, горивни клетки от твърд оксид и презареждащи се батерии.

Подобна система може да бъде реализирана и в стари минни галерии. С помощта на индустриални компресори, турбинни генератори и топлообменници излишното електричество от мрежата се преобразува в енергия под формата на сгъстен въздух, който се съхранява в мините в специални акумулаторни агрегати с хидростатична компенсация. Под тях са разположени водни резервоари, водата от които се изтласква нагоре с цел обратно трансформиране на енергията от сгъстения въздух в електричество. Отпадната топлина също позволява съхранение или подаване обратно към инсталацията за повишаване на ефективността.

Все още в сферата на научноизследователските разработки, подлежащи на задълбочено тестване за комунална приложимост, са технологии за ВЕИ съхранение, които използват термопомпи за преобразуване на електричеството в топлинна енергия и впоследствие я складират в големи контейнери с разтопена сол или в такива с охладен антифриз. С помощта на топлинен двигател системата може да трансформира топлината обратно в електроенергия и да я подаде към преносната мрежа при необходимост.

Друга интересна платформа с комунално приложение използва т. нар. МАГЛЕВ транспортна технология (съкратено от магнитна левитация). Системата включва още безчеткови мотори и маховици във вакуумна среда. При наличие на енергиен излишък платформата задейства ротор, който се зарежда и ускорява и може да се разреди обратно към мрежата. Инсталациите от този тип могат да бъдат изпълнени в различен мащаб, както и да бъдат съхранявани под земята.

На пазара се предлагат и иновативни мембранни технологии, които максимизират ефективността на други платформи за съхранение на енергия от ВЕИ. Такава е например мембрана, разработена да преодолее ограниченията на катионните и анионните обменници. Тя осигурява баланс между двете групи, висока протонна активност, както и бариера, която предотвратява преминаването на ванадий от сплави, катализатори и аноди в литиево-йонни батерии с висока енергийна плътност.

В помощ на разработчиците на платформи за съхранение на енергия от ново поколение идват и ключови технологични иновации като изкуственият интелект, машинното самообучение и инструментите за обработка и анализ на големи обеми данни (Big Data). Един продукт с такава функционалност би могъл лесно, бързо и автономно да се адаптира към колебанията в производството и потреблението на ВЕИ енергия. На пазара все по-масово се предлагат системи с интелигентни функции за управление на потреблението, съхранението и зареждането на батериите, както и цялостни виртуални електроцентрали, които позволяват симулация на различни сценарии, превантивна диагностика и прогнозна поддръжка, детайлен мониторинг и прецизно управление на всеки аспект от производството и оползотворяването на ВЕИ енергията. Тя може да бъде съхранявана например във високоефективни литиево-йонни батерии за последващо използване по време на периодите на пиково потребление или да бъде изтъргувана на борсов принцип. Съществуват специални облачно базирани платформи за целта по бизнес модела на софтуера за енергиен мениджмънт като услуга (SaaS). Те управляват енергийни масиви, генерирани от различни източници в интелигентни интегрирани системи за съхранение. Чрез машинно самообучение и Big Data анализ могат да бъдат извършвани отдалечен мениджмънт на активите, оптимизация на оборудването, изготвяне на различни доклади в реално време и т. н.

 

 

ЕКСКЛУЗИВНО


Top