Съхранение на енергията от фотоволтаични системи

Пазарът на технологии за съхранение на зелена енергия ще нарасне три пъти през следващите 20 години, твърдят анализатори

Оптималното използване на енергията, генерирана от фотоволтаични и други ВЕИ системи, изисква нейната употреба възможно най-близо до източника на производство. В Германия, например, се предлагат специални финансови стимули за собствениците на подобен тип системи, които консумират произведената електроенергия в непосредствена близост до инсталацията. От една страна, тази политика цели облекчаване на натоварването върху електропреносната мрежа, а от друга - снижаване до минимум на генерирания излишък от енергия. Силният ръст на фотоволтаиката в Германия обаче вече е довел до ситуация, в която в някои региони по средата на деня се произвежда повече слънчева енергия, отколкото в други и това обуславя регионалната концентрация на генерирана електроенергия, която далеч надвишава търсенето на близките потребители. Това, от своя страна, прави невъзможно да се избегне създаването на такъв излишък просто чрез въвеждане на разпоредби и стимули за консумация на място. С оглед на факта, че броят на фотоволатичните системи постоянно нараства, което ще доведе до увеличаване и на регионите с енергийна концентрация, проблемът с неконсумираната екоенергия остава и дори се задълбочава. Според специалистите, когато страните от еврозоната достигнат целите за производство на 20% електроенергия от ВЕИ, ще са нужни балансиращи мощности, равни на 40% от средното натоварване на мрежата. За да се тушират колебанията в енергийните доставки, възниква нуждата от системи за съхранение, които да пазят резервите от екологично чиста енергия.

Технологии за съхранение на енергията

Сред утвърдените днес технологии за съхранение на енергията от фотоволтаични централи и други ВЕИ системи са акумулаторните батерии и помпено-акумулиращите станции. Технологиите в процес на разработка и доусъвършенстване включват различни съоръжения за компресиран въздух и производство на водород, инсталации за термично съхранение, маховици, наноматериали, изработени на базата на графен, системи със свръхпроводими магнити (SMES) и дори гигантски батерии, пълни с чакъл и аргон.

Постоянното развитие в технологиите за съхранение не позволява да се прогнозира коя от тях ще триумфира в дългосрочен план. За момента, основни претенденти са батериите. Качествата им са доказани в течение на десетилетия и намират активно приложение в автономните фотоволтаични централи. Използването на помпено-акумулиращи станции е силно ограничено от топографските особености на региона, а технологията за съхранение с компресиран въздух изисква специфични и редки геоложки образувания, както и големи капиталови инвестиции.

Преобразуването на слънчевата енергия в химична (например с помощта на електрохимичното производство на водород) също е сред обещаващите нови технологии, но не предлага дългосрочно съхранение на енергията.

Най-вероятният сценарий ще включва комбинация от малки, разпределени системи за краткотрайно съхранение и големи системи за сезонно складиране на енергията.

Акумулаторни батерии

Акумулаторните батерии в соларните системи е необходимо да притежават възможност за дълготраен живот при условия на ежедневно зареждане и разреждане, т. е. пълни (дълбоки) цикли “разряд-заряд”. Най-масово използваният тип са оловно-киселинните батерии. При тях активната маса на положителния електрод е оловен двуокис, а на отрицателния - чисто олово. В качеството на електролит се използва воден разтвор на акумулаторна сярна киселина. При разряд активната маса се преобразува в оловен сулфат. При заряд се наблюдава обратният процес. Обичайна практика е легирането на решетките на електродите, задържащи активната маса с 5,0 - 6,5 % антимон и 0,1 - 0,2 % арсен. Добавките подобряват експлоатационните параметри, но и повишават някои разходи. Предлагат се и батерии с понижено съдържание на антимон до 2,5% и по-малко, които са с повишен ресурс. Разработени са и модели, при които антимонът на отрицателните електроди е заменен с калций. По този начин се понижава разходът на вода, а след легиране с калций и на положителните електроди, практически акумулаторните батерии не се нуждаят от доливане на вода през целия им експлоатационен срок.

През последните години все по-широко се използват т. нар. VRLA (valve-regulated lead-acid battery) или клапанно регулирани оловно-киселинни батерии. Те използват две технологии - SLA и, по-новата - AGM. Характерно за тях е, че отделеният кислород на положителните електроди и водород на отрицателните електроди влизат в реакция. Резултатът е образуване на вода.

SLA представляват клапанно регулирани оловно-киселинни батерии с гелов електролит.

Геловите клапанно-регулирани оловно кисели батерии са много по-различни от класическите оловно-киселинни батерии. Те използват по-малко електролит (акумулаторна сярна киселина). Характерно за тях е, че кислородът, отделен на положителния полюс, и водородът, отделен на отрицателния, подпомогнати от високото налягане и катализатор, се свързват отново. Резултатът е образуването на вода. Ролята на клапана е да защитава батерията от свръх налягане.

Сред по-съвременните постижения в акумулаторните технологии, приложими и при електромобилите, са натрий-серните и натрий-металхлоридните батерии. Натрият, подобно на лития, има висок електрохимичен потенциал (2,71 V) и ниска атомна маса (22,9898). Това е основната причина да се използва като отрицателен електрод в акумулаторните батерии. Освен това натрият е широко разпространен в природата и има ниска цена. Сярата, която е най-подходяща за положителен електрод, също е лесно достъпна и струва евтино. Тази двойка елементи е много подходяща за създаване на акумулаторни батерии с твърд електролит, който не се разрушава под въздействието на натрия и сярата, но е чувствителен към механични и топлинни удари. Положителните страни на натрий-сярната акумулаторна батерия са високата специфична енергия (пет пъти по-голяма от тази на оловните акумулаторни батерии) и ниската цена. При нормална околна температура реакциите в акумулаторната батерия протичат бавно. Тяхната скорост нараства с увеличаване на температурата. При температура около 300 оС проводимостта на батерията е вече голяма и тогава тя може да отдаде голям ток. Оттук идва и един съществен проблем - поддържането на висока работна температура. Освен това при експлоатацията на тези акумулаторни батерии е необходимо да се спазват противопожарните мерки. Натрият влиза във взаимодействие с водата в твърдо и течно състояние, което е опасно. Реакцията протича бързо под формата на взрив. Сярата в течно състояние при контакт с въздуха образува отровен газ. Тези недостатъци и редица производствени трудности в момента извеждат на преден план натрий-металхлоридните акумулаторни батерии.

По конструкция те са подобни на натриево-серните, като положителният серен електрод е заменен от никелов хлорид (NiCl2) или комбинация от никелов хлорид и железен хлорид (FeCl2). Отрицателният електрод и електролитът са същите както при натрий-серните акумулаторни батерии. С цел да се осигури по-добър йонен контакт между положителния електрод и електролита, последният представлява натриев хлоралуминат (NaAlCl4). Работната температура отново е висока, близка до тази на NаS акумулаторните батерии.

Сравнително нова технология за съхранение на енергията от ВЕИ са поточните или ванадиеви батерии (Vanadium redox flow batteries - VRFB). Според някои специалисти, този тип батерии съчетават свойствата на акумулатор с тези на горивната клетка. Характеризират се с висока ефективност, дълъг експлоатационен срок и добри характеристики за зареждане и разреждане. За разлика от конвенционалните батерии, които съхраняват своите реактивни материали в клетките, тези батерии съхраняват електролитите в резервоари, един положителен и един отрицателен. Когато е необходима енергия тези батерии имат тънка мембрана, където протича химична реакция, която произвежда електричество.

В VRFB електролита е ванадий и в положителния, и в отрицателния резервоар, което не позволява кръстосано замърсяване чрез дифузия на йони през мембраната. Терминът "redox" идва от способността на ванадиевия електролит да променя своята степен на окисление.

Като цяло съхранението на енергия от фотоволтаичните централи е доста скъпо начинание. В момента цената за съхранение на киловатчас електроенергия е приблизително толкова, колкото и разходите по производството й. Разходите за съхранение на енергията (измервани в Euro cents/kWh) не са единственият проблем, обаче. Включването на батериите в PV системата изисква внедряването на силова електроника, което допълнително оскъпява инсталацията. Електронните компоненти се подбират в зависимост от типа батерия и спецификите на монтажа им във фотоволтаичната инсталация. Някои системи за съхранение са интегрирани в променливотоковата ел. верига на сградната инсталация, докато други - в DC кръга на самата PV система.

Интегрирането на системата за съхранение на енергията в AC ел. веригата (фиг. 1) дава възможност за надграждане на системата на по-късен етап, независимо от инсталирания PV капацитет. Този тип свързване изисква инвертор за батерията в допълнение към PV инвертора. Включването в DC верига (фиг. 2) също има своите предимства: разходите за системата са ниски и ефективността на съхранението на енергията е по-висока. Този метод изисква инсталирането на PV инвертор и двойка DC /DC преобразуватели, които ще се грижат нивата на напрежение на батерията и фотоволтаичната система да са оптимални за инвертора.

С цел опростяване на инсталацията те могат да се монтират в металния шкаф, в който се помещава батерията.

Въпреки високите инвестиционни разходи, капацитетът на батерията трябва да бъде подбран така, че да даде възможност за съхранение на възможно най-много слънчева енергия, както и да има опция за консумация на място. Например, за 4 kW фотоволтаична система и енергийна консумация от 4000 kWh се препоръчва капацитет на батерията 6 -7 kWh, когато очакваният дял на локално потребление е 70%. Практически, консумация над 30% е трудно да се постигне без система за съхранение, освен ако слънчевата енергия не се използва също за подгряване на вода. Комбинацията от фотоволтаични модули, термопомпи и интелигентен енергиен мениджмънт, например, може да постигне нива от 50% енергийна консумация на място, дори и без система за съхранение на енергията.

Статията продължава в брой 5/2012 на сп. Енерджи ревю.