Sprawdzałemmagazynowanie energiiod jakiegoś czasu i szczerze? Cała sprawa była zagmatwana, dopóki nie natknąłem się na systemy hybrydowe. Oto rozwiązanie -, nad którym od zbyt długiego czasu próbowaliśmy rozwiązać problem magazynowania energii za pomocą pojedynczych rozwiązań, ale nie działało to tak, jak tego potrzebowaliśmy.
Problem, o którym nikt nie mówi
Bateria może utrzymywać energię przez kilka dni. Świetnie. Kiedy jednak potrzebujesz nagłego przypływu energii, - na przykład wtedy, gdy panele słoneczne przestają wytwarzać energię, a w tym samym momencie włącza się prąd zmienny, - występuje problem z akumulatorem. Nie jest do tego przeznaczony. Tymczasem superkondensatory mogą wyładować energię w ciągu milisekund, ale wyciekają energię szybciej niż sito zatrzymuje wodę.
Pamiętam, że czytałem o konfiguracji SMES (nadprzewodnikowego magazynowania energii magnetycznej) w połączeniu ze zwykłym zestawem akumulatorów i pomyślałem: „czekaj, dlaczego nikt nie zrobił tego wcześniej?” Okazuje się, że mają. Po prostu za mało ludzi zwraca na to uwagę.
Podejście hybrydowe zasadniczo mówi: dlaczego nie zastosować obu? Pozwól baterii robić to, co potrafią najlepiej, - magazynować energię-w długim okresie. Pozwól superkondensatorowi poradzić sobie z szalonymi skokami mocy. Brzmi oczywiste, kiedy mówisz to na głos, prawda?
Kiedy dwie technologie rzeczywiście mają sens razem
Więc tutaj robi się interesująco. Cała idea hybrydowych systemów magazynowania energii nie polega tylko na połączeniu dwóch różnych typów magazynowania i skończeniu z tym. Kryje się za tym myśl inżynierska, chociaż niektóre wdrożenia są zdecydowanie lepsze od innych.
Weź kombinację SMES/bateria. Część nadprzewodząca ma niesamowitą gęstość mocy. - Mówimy o czasach reakcji mierzonych w milisekundach. Ale jest drogi i nie pochłania dużo energii jak na swój rozmiar. Baterie? Całkowicie odwrotny problem. Połącz je w parę, a otrzymasz urządzenie, które poradzi sobie zarówno z krótkimi wahaniami napięcia, jak i-długoterminowym dostarczaniem energii. Widziałem specyfikacje jednego systemu, które wykazały, że mogą obniżyć koszty inwestycji o prawie 30% w porównaniu z powiększeniem jednego typu pamięci masowej. To prawdziwe pieniądze.
Koła zamachowe w połączeniu z akumulatorami to kolejna kombinacja, która mnie fascynuje, prawdopodobnie dlatego, że aspekt mechaniczny przemawia do mnie bardziej niż czysta elektrochemia. Koło zamachowe radzi sobie z-wahaniami mocy o wysokiej częstotliwości, - w- sekundach -, podczas gdy akumulator radzi sobie z dłuższymi i wolniejszymi wahaniami. Regulacja częstotliwości sieci uwielbia tę konfigurację.
Część, która naprawdę ma znaczenie (dla większości ludzi)
Oto, co moim zdaniem gubi się we wszystkich dokumentach technicznych i oficjalnych dokumentach: energia odnawialna jest bezużyteczna, jeśli nie potrafimy jej odpowiednio magazynować. Panele słoneczne wytwarzają energię, gdy świeci słońce. Wiem, że przełomowa obserwacja. Ale prądu potrzebujesz także w nocy, a wiatr nie wieje zgodnie z harmonogramem dogodnym dla Twoich planów obiadowych.
Odpowiednio zaprojektowany system hybrydowy może zoptymalizować sposób wychwytywania i uwalniania tej energii. Kiedy produkcja energii słonecznej nagle spada z powodu przesunięcia się chmury (lub, no wiesz, zachodu słońca), komponent superkondensatora włącza się natychmiast, podczas gdy akumulator rośnie. Zapobiega to spadkom napięcia i sprawia, że światła są włączone bez irytującego migotania.
Magazynowanie energii w postaci sprężonego powietrza (CAES) za pomocą superkondensatorów również jest szalone, choć przyznam, że nie widzę takiego zastosowania w zbyt dużym stopniu. CAES magazynuje energię, dosłownie sprężając powietrze do podziemnych jaskiń lub zbiorników. Jest mechaniczny, dziwny, a kiedy połączysz go z superkondensatorami w celu uzyskania szybkiej reakcji... całkiem nieźle sprawdza się w stabilizacji siatki. Chociaż znalezienie odpowiedniej geologii na potrzeby CAES-na dużą skalę to koszmar.
Prawdziwy-światowy bałagan
Muszę wspomnieć o czymś, co nie pojawia się w większości dyskusji technicznych: zarządzanie tymi systemami jest skomplikowane. Naprawdę skomplikowane. Potrzebujesz wyrafinowanych systemów kontroli, aby decydować, który komponent pamięci masowej obsługuje jaki ładunek i w jakim momencie. Jeśli się pomylisz, po prostu zmarnujesz pieniądze i wydajność.
System zarządzania energią - nazwijmy go EMS, bo jest krótszy, - musi monitorować zapotrzebowanie na moc w czasie rzeczywistym- i odpowiednio dzielić obciążenie. Wysoka moc, krótki czas działania? Poprowadź go do superkondensatora lub koła zamachowego. Stałe obciążenie? Bateria sobie z tym radzi. Brzmi prosto. To nie jest.
Istnieje również sytuacja, w której różne technologie przechowywania mają różne wzorce degradacji. Baterie litowe-nie znoszą całkowitego rozładowania. Superkondensatory mogą wytrzymać miliony cykli, ale powoli tracą pojemność. Twój system sterowania musi to uwzględnić, równoważąc dzisiejszą wydajność z długowiecznością w przyszłości. To tak, jakby... można biegać wszędzie i obciążać kolana, albo biec własnym tempem. EMS musi podejmować tę decyzję tysiące razy dziennie.
Dlaczego dbamy o pojazdy elektryczne (może bardziej niż myślisz)
Pojazdy elektryczne borykają się z zasadniczo tym samym problemem, co w przypadku magazynowania sieciowego, tyle że są zmniejszone i mobilne. Potrzebujesz zasięgu -, który wymaga akumulatorów o dużej gęstości energii. Ale potrzebujesz także przyspieszania i hamowania regeneracyjnego, które mogą szybko pochłonąć ogromne ilości mocy. Jeden typ baterii nie może optymalnie obsłużyć obu funkcji.
Niektórzy producenci pojazdów elektrycznych eksperymentują z hybrydowym magazynowaniem - dużego pakietu litowo-jonowego zapewniającego zasięg, uzupełnionego superkondensatorami na potrzeby impulsów mocy. Superkondensatory wychwytują energię hamowania regeneracyjną, która w przeciwnym razie zostałaby utracona (ponieważ akumulatorów nie można ładować tak szybko) i zapewniają dodatkowy impuls do przyspieszania bez obciążania głównego akumulatora.
Czy dzięki temu pojazdy elektryczne będą tańsze? Nie. Właściwie to z góry czyni je droższymi. Ale degradacja baterii znacznie spowalnia, co w ciągu 10-letniej żywotności… prawdopodobnie jest tego warte? Nadal toczy się dyskusja na temat matematyki.
Kontrola rzeczywistości kosztowej
Porozmawiajmy o pieniądzach, bo udawanie, że koszty nie mają znaczenia, jest głupie. Systemy hybrydowe są początkowo droższe. Kupujesz dwie lub więcej technologii przechowywania danych zamiast jednej, a także systemy kontroli do zarządzania nimi. W Australii instalują prawdopodobnie największy system akumulatorów hybrydowych ze sprzężeniem prądu stałego-na ich krajowym rynku energii elektrycznej. Skala jest ogromna, - wystarczająca do zasilenia 120 000 domów.
Tego rodzaju projekt ma sens ekonomiczny ze względu na skalę i wartość usług stabilności sieci. Do zamieszkania? Znacznie trudniej jest to uzasadnić, chyba że jesteś naprawdę zaangażowany lub masz szczególne potrzeby w zakresie niezawodności. Chociaż podejrzewam, że to się zmieni wraz ze spadkiem kosztów komponentów i wzrostem stawek za energię elektryczną.
Oszczędności operacyjne wynikają z dłuższej żywotności sprzętu i lepszej wydajności. Jeśli bateria nie jest obciążona szybkimi cyklami-rozładowywania, wytrzyma dłużej. Jeśli superkondensator radzi sobie ze skokami mocy, dla których został zaprojektowany, zamiast zapewniać-długoterminowe przechowywanie danych (co byłoby głupie), cały system działa lepiej. Ale musisz go używać wystarczająco długo, aby odzyskać tę początkową składkę.
Dane techniczne, które mają znaczenie
Gęstość mocy w stosunku do gęstości energii to podstawowy kompromis, który sprawia, że systemy hybrydowe działają. Pomyśl o gęstości mocy jako o szybkości dostępu do zmagazynowanej energii - mierzonej w watach na kilogram. Gęstość energii to całkowita ilość energii, którą możesz zmagazynować -, mierzona w watogodzinach-na kilogram.
Superkondensatory: wysoka gęstość mocy (10,000+ W/kg), niska gęstość energii (~5 Wh/kg). To sprinterzy.
Baterie litowe-jonowe: średnio-wysoka gęstość mocy (~300-500 W/kg), wysoka gęstość energii (~250 Wh/kg). To maratończycy.
W zależności od rasy potrzebujesz obu typów sportowców w swoim zespole.
Stopień samorozładowania-również ma znaczenie. Baterie wytrzymują tygodnie lub miesiące. Superkondensatory szybko tracą energię -, jeśli nie są podłączone do obciążenia, tracisz znaczny procent dziennie. Właśnie dlatego nie należy używać superkondensatorów do-długoterminowego zasilania rezerwowego, mimo że niektórzy ludzie w Internecie wydają się być co do tego zdezorientowani.
Strategie kontroli
OK, ta sekcja może być techniczna, ale jest dość ważna. Strategia sterowania określa sposób przepływu mocy pomiędzy różnymi komponentami magazynu, obciążeniem i źródłem zasilania (sieć, odnawialne źródła energii lub cokolwiek innego).
Jednym ze sposobów jest ograniczanie wartości szczytowych. - System hybrydowy wygładza skoki zapotrzebowania na moc, dzięki czemu główne źródło zasilania ma bardziej stałe obciążenie. Składnik magazynujący dużą-energię pochłania szczyty, składnik-wysokoenergetyczny obsługuje linię bazową. Ma to ogromne znaczenie dla integracji odnawialnych źródeł energii, ponieważ sprawia, że energia wiatrowa i słoneczna bardziej przypominają konwencjonalne elektrownie z możliwością podłączenia do sieci.
Inną metodą jest-filtrowanie dolnoprzepustowe. Wahania mocy o wysokiej-częstotliwości (szybkie zmiany) są kierowane do-magazynu o dużej gęstości mocy. Wahania-niskiej częstotliwości (powolne zmiany) są wykorzystywane do-magazynu o dużej gęstości energii. Jest matematycznie elegancki, chociaż wdrożenie może być trudne.
Niektóre systemy wykorzystują algorytmy predykcyjne oparte na historycznych wzorcach obciążenia. Jeśli system wie, że w Twoim obiekcie zazwyczaj występują skoki napięcia codziennie o 14:00, może-umieścić energię w odpowiednim elemencie magazynowania. Działa świetnie, dopóki nie zmieni się Twój wzorzec użytkowania i algorytm nie zacznie nagle optymalizować pod kątem niewłaściwego scenariusza.
Gdzie jesteśmy teraz
Technologia jest na tyle dojrzała, że duże instalacje mają sens w określonych zastosowaniach. Usługi sieciowe, obiekty przemysłowe o wysokich wymaganiach dotyczących zasilania,-integracja odnawialnych źródeł energii na dużą skalę- – to sprawdzone przypadki użycia. Oprogramowanie GEMS firmy Wärtsilä i podobne platformy do zarządzania energią stały się dość zaawansowane w zakresie łączenia wielu technologii magazynowania.
Zastosowania mieszkaniowe na mniejszą skalę-w dalszym ciągu znajdują zastosowanie. Ekonomika nie do końca sprawdza się w przypadku większości ludzi, chociaż instalują je pierwsi użytkownicy i osoby z zawodnymi połączeniami sieciowymi. Ceny akumulatorów stale spadają, co pomaga, ale systemy sterowania i złożoność instalacji sprawiają, że całkowity koszt jest wysoki.
Pojazdy elektryczne to prawdopodobnie miejsce, w którym zobaczymy kolejną falę innowacji. Ograniczenia wagowe i przestrzenne wymuszają wydajne projekty, a potencjał produkcji masowej wpływa na redukcję kosztów. To, co sprawdza się w pojazdach elektrycznych, ostatecznie trafi do zastosowań stacjonarnych.
Pytanie o efektywność
Wróćmy zatem do pierwotnego pytania: czy hybrydowe systemy magazynowania energii mogą zoptymalizować wydajność?
Tak. Ale nie powszechnie, nie automatycznie i nie zawsze ekonomicznie.
Dobrze-zaprojektowany system hybrydowy z odpowiednim sterowaniem może osiągnąć-w obie strony sprawność na poziomie 85-90% lub lepszą - porównywalną lub przekraczającą rozwiązania oparte na jednej technologii. Co ważniejsze, może skutecznie radzić sobie z szerszym zakresem warunków pracy. Ta elastyczność jest często cenniejsza niż maksymalna wydajność.
Wzrost wydajności wynika z wykorzystania każdej technologii magazynowania w jej optymalnym zakresie operacyjnym. Baterie nie są niszczone przez szybkie cykle. Superkondensatory nie pozostają bezczynne, z wyjątkiem skoków napięcia. Cały system działa płynniej, co oznacza mniej ciepła odpadowego, mniejszą degradację i lepszą-terminową wydajność.
Ale - i to jest ważne, - źle zaprojektowany system hybrydowy może w rzeczywistości być mniej wydajny niż pojedyncza,-dobrze dobrana technologia przechowywania danych. Jeśli algorytmy sterujące walczą ze sobą, jeśli rozmiary komponentów są niedopasowane, jeśli elektronika mocy powoduje nadmierne straty w wyniku konwersji... po prostu wydałeś więcej pieniędzy, aby uzyskać gorszą wydajność.
Co naprawdę musi się wydarzyć
Branża potrzebuje standaryzacji. Obecnie każdy system hybrydowy jest w pewnym stopniu „szyty na miarę” -niestandardowy-zaprojektowany pod kątem konkretnego zastosowania. Jest to w porządku w przypadku instalacji-w skali sieci z zespołami inżynierów, ale uniemożliwia szersze zastosowanie. Potrzebujemy modułowych, skalowalnych projektów, które można wdrożyć bez konieczności wymyślania koła na nowo za każdym razem.
Oczywiście redukcja kosztów. Superkondensatory są nadal drogie w przeliczeniu na-godzinę przechowywania, mimo że potrzebujemy ich tylko ze względu na gęstość mocy. Skala produkcji by tu pomogła. Podobnie byłoby z alternatywnymi technologiami superkondensatorów (projekty oparte na grafenie-wyglądają obiecująco, ale nadal są głównie w laboratoriach).
Lepsze algorytmy sterowania, które potrafią dostosować się do zmieniających się warunków bez interwencji człowieka. Uczenie maszynowe może być tutaj naprawdę przydatne, w przeciwieństwie do większości aplikacji, w których jest to tylko szum. System, który uczy się konkretnych wzorców użytkowania i odpowiednio optymalizuje, może znacznie poprawić wydajność w porównaniu z programowaniem statycznym.
I szczerze? Lepsza edukacja. Większość wykonawców i instalatorów instalacji elektrycznych tak naprawdę nie rozumie hybrydowych systemów magazynowania. Większość konsumentów zdecydowanie tego nie robi. Dopóki systemy hybrydowe nie staną się w powszechnej świadomości tak znane jak „zapasowe akumulatory”, ich adopcja pozostanie ograniczona do specjalistów i entuzjastów.
Losowe obserwacje
Ciągle myślę o tym, jak dotarliśmy tutaj, - od dziesięcioleci próbując rozwiązywać problemy związane z magazynowaniem energii za pomocą pojedynczych rozwiązań, a dopiero niedawno wprowadziliśmy na dużą skalę podejścia hybrydowe. Przypomina to przejście z procesorów jedno-na wielordzeniowe-, gdy osiągnęliśmy limity skalowania częstotliwości. Czasami odpowiedzią nie jest ulepszenie jednej rzeczy, ale inteligentne wykorzystanie wielu rzeczy razem.
Cały trend łączenia-prądu stałego w przypadku energii słonecznej-plus-magazynowania jest z tym powiązany. Zamiast przekształcać prąd stały z energii słonecznej na prąd przemienny, a następnie z powrotem na prąd stały w celu magazynowania w akumulatorze (co powoduje marnowanie energii w obu przypadkach), sprzężenie prądu stałego- utrzymuje wszystko w stanie prądu stałego, dopóki nie będzie musiało zostać przesłane do sieci prądu przemiennego. Zmniejsza straty o kilka punktów procentowych. To właśnie tego rodzaju optymalizacje na poziomie systemu-sprawiają, że podejście hybrydowe jest opłacalne.
Warto również zauważyć: wyzwania związane z zarządzaniem ciepłem w systemach hybrydowych nie są-trywialne. Baterie wytwarzają ciepło podczas pracy. Superkondensatory wytwarzają ciepło. Koła zamachowe wytwarzają ciepło w wyniku tarcia łożyska. Spakuj wszystko razem i potrzebujesz poważnego chłodzenia. Widziałem instalacje, w których układ chłodzenia pobiera wystarczającą ilość energii, aby zauważalnie zmniejszyć ogólną wydajność. Coś do rozważenia.
Część dotycząca przyszłości (wymagana, ale spekulacyjna)
Baterie półprzewodnikowe-mogą całkowicie zmienić grę. Jeśli otrzymamy akumulatory charakteryzujące się zarówno dużą gęstością energii, jak i dużą gęstością mocy przy długim cyklu życia… być może systemy hybrydowe staną się niepotrzebne. A może stają się jeszcze bardziej wyrafinowane, łącząc-baterie półprzewodnikowe z innymi technologiami w celu uzyskania jeszcze lepszej wydajności. Trudno powiedzieć.
W tle czai się również magazynowanie wodoru. Niektóre systemy hybrydowe badają konwersję energii-na-gaz na potrzeby-długiego czasu przechowywania (tygodnie lub miesiące) w połączeniu z akumulatorami i superkondensatorami na potrzeby-krótkoterminowe. Jest to skomplikowane i powoduje straty wydajności, ale w przypadku prawdziwie sezonowego przechowywania może być jedyną realną opcją na dużą skalę.
Sama sieć staje się hybrydowym systemem energetycznym - nie tylko magazynującym, ale także wytwarzającym, przesyłającym i dystrybuującym, a wszystkie te elementy działają razem i są coraz bardziej zaawansowane. Integracja pojazdu-z-siecią stanowi kolejną warstwę. Być może w końcu przestaniemy myśleć o dyskretnych „systemach” i zaczniemy myśleć o w pełni zintegrowanym ekosystemie energetycznym.
Ale chyba wyprzedzę siebie. W tej chwili wciąż zastanawiamy się, jak niezawodnie połączyć akumulatory z superkondensatorami, aby uniknąć stopienia systemów sterowania.
Wniosek
Hybrydowe systemy magazynowania energii działają. Optymalizują wydajność w sposób, któremu nie są w stanie sprostać pojedyncze-rozwiązania technologiczne. Technologia jest sprawdzona, korzyści są realne, a liczba zastosowań rośnie.
To, czy mają one sens w konkretnej sytuacji, zależy od wymagań technicznych, czynników ekonomicznych i, szczerze mówiąc, od tego, z jaką złożonością chcesz sobie poradzić. W przypadku integracji odnawialnych źródeł energii w skali sieci i zastosowań przemysłowych stają się one coraz częściej wyborem domyślnym. Jeśli chodzi o budynki mieszkalne i małe obiekty komercyjne, to jeszcze nie wszystko.
Zasadniczy pogląd, - że łączenie uzupełniających się technologii daje lepsze wyniki niż próba udoskonalenia pojedynczego rozwiązania -, wydaje się oczywisty z perspektywy czasu. Większość dobrych pomysłów tak ma. Wyzwaniem jest obecnie uczynienie systemów hybrydowych tańszymi, prostszymi i bardziej dostępnymi, aby mogły szerzej zapewniać korzyści.
A jeśli myślisz o zainstalowaniu takiego rozwiązania, porozmawiaj z kimś, kto naprawdę rozumie energoelektronikę i systemy zarządzania energią. Nie tylko sprzedawca. Sprawa jest skomplikowana, a błędne podejście jest kosztowne.