Съвременни технологии за съхранение на енергия от възобновяеми източници

Все по-честата употреба на възобновяема енергия в електроенергийния сектор води до увеличаване на усилията за модернизиране на електропреносната мрежа, както и до зачестяване на употребата на акумулаторни батерии.

В резултат от развитието на технологиите в последните години възобновяеми мощности се инсталират с рекордни темпове. Това важи особено за възобновяемите енергийни източници като вятърната и слънчевата енергия. За периода 2006-2012 г. в световен мащаб слънчевата и вятърната енергия бележат годишен ръст от 190% и 40% съответно.

За разлика от традиционните централи, работещи с изкопаеми горива, както и някои форми на производство на електроенергия от ВЕИ (като биомаса, енергия от водноелектрически централи и геотермална енергия), вятърът и слънцето могат да захранват с енергия само тогава, когато възобновяемият ресурс е достъпен.

Това ги прави по-малко предсказуеми, а тези вариации в доставките на електроенергия трябва да бъдат отчетени, за да се увеличи максимално ефективната употреба на възобновяемата енергия в системата и да се осигури постоянно съответствие между доставка и потребление.

Модулността е друга характерна черта на някои видове възобновяема енергия, особено фотоволтаичната и вятърната. Това означава, че на място лесно могат да се добавят и пускат в експлоатация допълнителни енергийни мощности. Системите, инсталирани на място, т. е. в рамките на даден дом, офис сграда или друг търговски обект, варират от такива, работещи на малки мощности, до големи, мегаватови индустриални проекти.

Те се инсталират на покрива (най-често, когато ще се използват за битови нужди) или в непосредствена близост до търговски или промишлен обект. Това т. нар. разпределено производство измества традиционния модел на свързване на големи съоръжения за електроенергия към крайния потребител на големи разстояния.

Променливият, децентрализиран характер на възобновяемите мощности прави осигуряването на максимално надеждната доставка на електроенергия изключително предизвикателство. Системните оператори трябва постоянно да отчитат баланса между произвежданата и необходимата електроенергия, като следят нейната честота. В Европа целевата стойност на честотата на електромрежата е 50 Hz.

Съществуват много съоръжения, които играят важна роля в осигуряването на гъвкавост на електроенергийната система, сред които са и съоръженията за съхранение на енергия. Употребата им трябва да бъде преценена индивидуално за всяка различна система, като се взимат предвид характеристиките на отделните части на света. Акумулаторните батерии са често срещан вариант, но тяхната употреба може да не е напълно подходяща във всички системи.

Акумулаторните батерии могат да регулират честотните отклонения в мрежата и да улеснят употребата на променливите възобновяеми източници, като съхраняват излишната произведена енергия за по-късна употреба в рамките на съоръжението.

Съхранението на енергия включва набор от технологии, които към настоящия момент са в различен етап от своето развитие. Най-старата и развита такава технология са т. нар. помпено-акумулиращи водноелектрически централи (ПАВЕЦ), които обикновено се предпочитат при по-дълги периоди на зареждане и разтоварване (в обсега на няколко часа).

Тези централи представляват 99% от използваната технология за съхранение на енергия и са с доказани икономически и технически предимства в целия свят. От друга страна, съхранението чрез акумулаторни батерии е ново пазарно развитие. Други нововъзникващи технологии са съхранението на енергия чрез адиабатно сгъстяване на въздуха, чрез водородни генератори, както и чрез суперкондензатори.

Енергията може да се съхранява и под формата на топлинна енергия чрез котли, термопомпи, ледена или охладена вода. Този вид съхранение на енергия може да бъде използван при комбинирано производство на топлинна и електроенергия, за да се постигне максимално оползотворяване на вятърната енергия. Съхранението като топлинна енергия често е по-евтин вариант от останалите, въпреки че е по-неефективно топлинната енергия да се преобразува в електрическа. Затова обикновено електрическата енергия, превърната в топлинна, се използва като такава по-късно за отопление, охлаждане или в промишлените процеси.

Акумулаторни батерии

Батериите преобразуват електроенергията в химична потенциална енергия за съхранение и обратно в електрическа енергия, когато е необходимо. Те могат да изпълняват различни функции на различни етапи от работата на електрическата мрежа. При слънчевите фотоволтаични системи и вятърните турбини, батериите могат да уравновесят променливия енергиен поток и да съхранят излишната енергия за употреба, когато натоварването е по-голямо.

Понастоящем колебанията се уравновесяват с помощта на енергия от природен газ, ядрени съоръжения или електроцентрали на въглища, но този вид централи обикновено изискват повече време за достигане на максимална мощност. За сметка на това акумулаторните батерии реагират бързо на нуждите на съоръжението, а когато се използват като заместител на централите, работещи с изкопаеми горива, намаляват емисиите на CO2.

Батериите могат да съхраняват изходната енергия от възобновяемите източници, когато тя надвишава капацитета на местните консуматори, и да я освобождават, когато наличната енергия е по-малко. При ниски продажни цени на електроенергията, акумулаторните батерии могат да я складират, докато цените не се покачат. В домакинствата батериите могат да съхраняват енергия за използване по всяко време, както и да осигуряват резервно захранване в случай на аварии.

Един от видовете такива батерии са алуминиево-въздушните батерии. Технологията обръща процеса на топене, използван при производството на алуминий. Батериите са направени от евтини материали и имат по-висока енергийна плътност от литиево-йонните клетки. За сметка на това се нуждаят от ръчно презареждане - потребителите сами трябва да сменят алуминиевите плочи, за да могат да заредят батерията.

Друга стратегия за съхранение на енергия са т.нар. “поточни” батерии. Поточните батерии са особено подходящи за съхранение на енергия на ниво мрежа, тъй като са лесно мащабируеми. Те произвеждат електроенергия като изпомпват разтвор електролити през клетка, така че увеличаването на капацитетът им е въпрос на увеличаване размера на резервоарите за съхранение на електролити.

Тъй като активните им компоненти са отделни, поточните батерии са по-безопасни за употреба в големи мащаби в сравнение с конвенционалните батерии. Те също така се зареждат бързо и са с дълъг експлоатационен живот, но необходимите за тях материали като електролити с висока енергийна плътност и йонообменни мембрани остават скъпи.

Някои фирми на пазара разработват начини за повишаване на енергийните плътности в поточните батерии чрез устойчиви материали и с по-малко разходи. Но електроенергията не е единствената рентабилна форма на енергия - научните изследователи търсят и по-добри начини за съхранение и по-късна употреба на топлина.

Екип от Калифорнийския университет в Лос Анджелис разработва метод за съхранение на топлина от електроцентрали с концентриране на слънчева енергия, при който се използват “свръхкритични флуиди”, или течности, нагрети до високи температури и под високо налягане. Повечето централи с концентриране на слънчевата енергия, които имат компонент за съхранение на енергия, използват разтопена сол, която задържа топлината и я освобождава през нощта, за да загрее водата, която върти турбината.

С помощта на свръхкритични флуиди тези електроцентрали могат да намалят разходите си за съхранение на енергия с до 40%, като използват по-евтина, проста и надеждна конструкция. Така слънчевите централи могат да осигуряват по-сигурна и постоянна енергия, както и да станат по-конкурентни с ядрените централи и електроцентралите на въглища.

Система за съхранение на енергия

Батерията е само част от една по-голяма система, състояща се от няколко основни компонента, включително самата батерия, системи за контрол и мониторинг, както и система за преобразуване на енергията. Системите за контрол и мониторинг се наричат общо “Система за управление на батерията” и гарантират нейната сигурност и максимална производителност.

Системата предотвратява пренатоварването на индивидуалните клетки и контролира зареждането и разтоварването на батерията, което е важно за безопасността и ефективността на работата. Компонентите на тази система се различават в зависимост от конкретните фактори, които изискват повече внимание в дадена инсталация.

Например при литиево-йонните батерии важен акцент е мониторингът на топлината, тъй като те имат склонност към прегряване. При много от новите устройства, които навлизат на пазара, системата за съхранение на енергия е свързана и с инвертор, за да се предостави един цялостен, интегриран продукт.

Акумулаторни батерии -децентрализирани приложения

Електрификацията на острови и отдалечени селски райони представлява предизвикателство и в същото време уникална възможност за интеграция на променлива възобновяема енергия. Много отдалечени от мрежата региони разчитат на захранване от дизелови генератори, но тази форма на енергопроизводство е скъпа и генерира голямо количество вредни емисии.

Отдалеченото местоположение и липсата на инфраструктура означават, че постоянната доставка на дизелово гориво е скъпа и рискова. В същото време дизеловите генератори широко се считат за най-достъпното и рентабилно решение за производство на енергия в отдалечени райони - те отговарят гъвкаво на променливото натоварване на мрежата, когато количеството необходима енергия се променя на всеки час, ден или сезон в зависимост от времето, туризма или недостатъчното натоварване на обслужваното предприятие или съоръжение.

Островите са отлична възможност за оползотворяване на акумулаторните батерии. Технологията може да се използва, за да подпомогне интегрирането на възобновяеми източници, намаляване на зависимостта от производството на енергия от дизел и газ, а в някои случаи и за постигане на по-ниски разходи.

В някои отдалечени райони функционират микромрежи със слаба мрежова връзка и недостатъчно гъвкави източници на енергия. Тези места биха имали полза от съхранението на енергия с цел надеждна употреба на значително количество слънчева или вятърна енергия - в някои случаи началната стойност на дяла променлива възобновяема енергия от общото енергопроизводство е 15%.

Съхранение на енергия в битови условия

Акумулаторните батерии позволяват оползотворяването на по-големи количества слънчева енергия за нуждите на домакинствата. Те могат да бъдат полезни и в облекчаването на ограниченията, произлизащи от капацитета на местната мрежа, тъй като могат да използват съхранената енергия, за да приведат произведената слънчева енергия до необходимото на потребителя количество. Слънчевата енергия, подавана в мрежата, може да е ограничена, ако не съвпада с периодите на върхово потребление.

Атрактивността на употребата на акумулаторни батерии в жилищата зависи от съответствието между времената на върхово производство и потребление на слънчева енергия. В някои страни от Персийския залив например тези количества си съответстват заради необходимостта от климатизация. Освен това върховото потребление за някои домакинства също е през деня. Затова оптималните начини за зареждане и разтоварване се менят в зависимост от конкретната електроенергийна система и областта, домакинството, както и периода от годината.

Уравновесяване на променливата възобновяема енергия

Акумулаторните батерии могат да се разполагат в централизирани съоръжения за вятърна и слънчева енергия, за да уравновесят тяхното непостоянно производство на енергия. Те могат и да съхраняват излишната възобновяема енергия за по-късна употреба. Процесът, в който излишната генерирана енергия се прехвърля за употреба през периоди с по-високо натоварване, се нарича “изместване на енергийните доставки”. Тези дейности се извършват от страна на производителя на възобновяема енергия, който директно съхранява енергията, произведена от съответния възобновяем източник.

Съхранение на енергия в енергийния сектор

Първоначално подпомагани от държавни субсидии и научноизследователски и демонстрационни програми, много от техническите предизвикателства, свързани със съхранението на енергия чрез акумулаторни батерии, вече се преодоляват. Повишените знания относно работата на тези инсталации позволява по-лесното им оползотворяване от комуналните услуги.

Ниските разходи позволяват на акумулаторните батерии да са все по-конкурентни на пазара - цената на системите за съхранение на енергия значително спада през последните години заради все по-честото им инсталиране и повишения интерес към тях. Всички тези фактори ще продължат да популяризират употребата на акумулаторни батерии в електрическите мрежи до безпрецедентни нива.