Egy tiszta és fenntartható módszer merült fel a világ energiaigényének kielégítésére, amely megújuló energiaforrásokat, mint a szél- és napenergiát használja. Azonban a megújuló energiaforrásoknak egyedi nehézségekkel kell szembenézniük, amikor állandó és megbízható áramellátásról van szó, mivel hajlamosak az ingadozásra. Ennek eredményeként szükségessé vált olyan energiatároló eszközök fejlesztése, amelyek képesek tárolni a magas termelési időszakokban feleslegesen termelt energiát, majd szükség esetén leadni azt, amikor az igény magas.
Az akkumulátoros energiatároló rendszerek (BESS) az elmúlt években nagyon népszerűvé váltak. Valójában képesek megoldani a megújuló energiaforrások ingadozásával kapcsolatos problémát, mivel hatalmas mennyiségű energiát tudnak tárolni és szükség esetén felszabadítani. Általában a BESS megoldás akkumulátorbankokból áll, amelyeket nap- és szélenergiafarmokhoz hasonló megújuló energiaforrásokhoz kapcsolnak. Ezek az akkumulátorok extra energiát tárolnak, amelyet a magas termelési időszakokban termelnek, majd azt a magas keresleti időszakokban leadják. Amikor a megújuló energiaforrások nem termelnek elegendő elektromos áramot, ezek az akkumulátorok képesek táplálni otthonokat, vállalkozásokat és iparágakat a bennük tárolt energiával.
A BESS előnyei
Skálázhatóság: A BESS technológiák egyik fő előnye a skálázhatóság. Kiválóan alkalmasak kis és nagy energia projektekhez is, mivel az energiaigények alapján növelhetőek vagy csökkenthetőek. A BESS technológiák megbízható és fenntartható energiaforrást kínálnak olyan távoli helyeken is, ahol korlátozott a hálózathoz való csatlakozás.
Környezetbarát megoldások: Elérhetők környezetbarát BESS megoldások is. Ezek segítenek csökkenteni a fosszilis tüzelőanyagokon alapuló erőművek iránti keresletet, amelyek üvegházhatású gázok kibocsátásának forrásai.
Stabilizáló hatás a hálózaton: Az intermittens jellegük miatt a szél- és napenergia olykor instabilitást okozhat a rendszerben. Azonban a BESS megoldások képesek segíteni e nehézségek leküzdésében, megbízható energiaforrást kínálva akkor, amikor a megújuló források nem tudnak elegendőt termelni.
Az elmúlt években az akkumulátorok költsége csökkent, ami megfizethetőbbé és elérhetőbbé tette a BESS megoldásokat. Ez növelte a BESS-ek használatát megújuló energia alkalmazásokban, és számítanak rá, hogy kritikus szerepet fognak játszani a fenntarthatóbb energia jövőbe való átmenetben.
A BESS blokkdiagramja
A BESS belső szerkezete látható az 1. ábrán. A megújuló energiaforrás, például napelemek vagy szélturbinák, DC teljesítményt szolgáltat a BESS-nek. A DC teljesítményt a teljesítményelektronika blokk dolgozza fel, amely tartalmaz egy invertert, egy töltőt, egy DC/DC átalakítót és egy akkumulátort kezelő rendszert (BMS).
Az inverter átalakítja a DC teljesítményt AC teljesítménnyé, amelyet közvetlenül használhat a terhelés vagy befecskendezhet a hálózatba, míg a töltő tölti az akkumulátort, ha rendelkezésre áll felesleges energia. A DC/DC átalakítót arra használják, hogy beállítsák (növeljék vagy csökkentsék) a DC teljesítmény bemenet feszültségét az akkumulátor vagy az inverter követelményeinek megfelelően.
A BMS felelős az akkumulátor állapotáért, beleértve a töltöttségi állapotát, hőmérsékletét és egészségi állapotát. Az akkumulátor töltésének és kisütésének kezelése a BMS feladata annak érdekében, hogy optimális teljesítményt és biztonságot biztosítson.
Az energiamenedzsment rendszer felelős a BESS általános működésének irányításáért, ideértve a teljesítményelektronika és a hűtőrendszerek, valamint más vezérlőrendszerek irányítását.
A BESS belső szerkezete az energiát megújuló forrásokból tárolja és felszabadítja, maximalizálva a hatékonyságot, miközben biztosítja az optimális teljesítményt és biztonságot.
Megfelelő BESS megoldások megújuló energia felhasználásához
Többféle BESS típus létezik, amelyek alkalmasak a megújuló energia felhasználására. A BESS választása számos tényezőtől függ, mint például az alkalmazás, a rendszer mérete, az energiatárolási kapacitás és a költség. Íme a fő BESS típusok, amelyek alkalmasak megújuló energia felhasználására:
- Lítium-ion (Li-ion) akkumulátorok: A lítium-ion akkumulátorok a leggyakrabban használt BESS típusok a megújuló energia alkalmazásokban. Könnyűek és kompaktok, és magas energiasűrűséggel rendelkeznek, ami ideálissá teszi őket kisebb és közepes méretű alkalmazásokhoz. A lítium-ion akkumulátoroknak magas átviteli hatásfoka van, ami azt jelenti, hogy hatékonyan tárolhatnak és felszabadíthatnak energiát. Gyakran használják lakossági és kereskedelmi alkalmazásokban, valamint elektromos járművekben.
- Áramlásos akkumulátorok: Az áramlásos akkumulátorok olyan BESS típusok, amelyek két tartály folyékony elektrolitot használnak az energia tárolására. Az elektromos áramot szállító elektrolit "áramlik" a rendszeren keresztül, ezért kapta az áramlásos akkumulátorok nevét; minden kategóriában más-más módszerrel működnek. Mint a lítium-ion akkumulátorok esetén, az áramlásos akkumulátorok is számos kémiai összetételt tartalmaznak a kategóriák között és azokon belül, beleértve a legnépszerűbb vanádiumot és a kevésbé ismert cink-brómot, poliszulfid-brómot, vas-króm és vas-vasat. Hosszú élettartammal, magas energiasűrűséggel és skálázhatósággal rendelkeznek. Az áramlásos akkumulátorokat nagyarányú megújuló energia alkalmazásokban is lehet használni, például hálózati méretű tároláshoz, magas tárolási kapacitásuk és skálázhatóságuk miatt.
- Nátrium-szulfur akkumulátorok: A nátrium-szulfur akkumulátorok olyan BESS típusok, amelyekben a pozitív és negatív elektródák között nátrium-szulfur vegyületeket használnak elektrolitként. Ezek a rendszerek magas hőmérsékleten működnek, és nagyobb tárolási kapacitással rendelkeznek. A nátrium-szulfur akkumulátorokat főként nagyobb méretű energia tárolási alkalmazásokban, például erőművekben és mikrohálózatokban használják.
- Ólom-savas akkumulátorok: Az ólom-savas akkumulátorok hagyományosabb típusú BESS-t képviselnek, amelyek már évtizedek óta használatban vannak. Viszonylag olcsók és hosszú ciklusidővel rendelkeznek, ezért alkalmasak kisebb és közepes méretű megújuló energia alkalmazásokra. Azonban az ólom-savas akkumulátoroknak alacsony energiasűrűségük van, és teljesítményük idővel romolhat.
- Nikkel-kadmium akkumulátorok: A nikkel-kadmium akkumulátorok szintén már évtizedek óta használatban vannak. Hosszú ciklusidővel, megbízhatósággal és szélsőséges hőmérsékletekkel szembeni ellenállással jellemezhetők. Azonban, mint az ólom-savas akkumulátorok esetében, a nikkel-kadmium akkumulátoroknak alacsony energiasűrűségük van, és nem olyan hatékonyak, mint az újabb BESS technológiák.
Végül is, a lítium-ion akkumulátorok a legelterjedtebb BESS típusok kis és közepes méretű alkalmazásokhoz, míg az áramlásos akkumulátorok és a nátrium-szulfur akkumulátorok alkalmasak a nagy léptékű hálózati alkalmazásokhoz.
A BESS-ek kihívásai megújuló energia alkalmazásokban
Bár a BESS-ek számos előnyt kínálnak a megújuló energia alkalmazásokban, vannak olyan kihívások is, amelyeket kezelni kell. Itt vannak a fő kihívások a BESS-ek megújuló energia alkalmazásaiban:
- Költség: A BESS-ek egyik legnagyobb kihívása az áruk. Bár az akkumulátorok költsége az elmúlt években csökkent, még mindig viszonylag drágák más energia tárolási formákhoz képest. Ez megnehezítheti a BESS-ek beruházásának igazolását, különösen nagy léptékű megújuló energia projektek esetén.
- Biztonság: Ha a BESS-eket nem megfelelően tervezik és telepítik, biztonsági kockázatot jelenthetnek. Az akkumulátorok tűzveszélyesek lehetnek vagy robbanhatnak, ha sérülnek vagy túltöltődnek. Ezt a kockázatot megfelelő tervezéssel, telepítéssel és karbantartással lehet csökkenteni, de továbbra is kihívás, amellyel foglalkozni kell.
- Hatékonyság: A BESS-ek hatékonysága változhat a használt akkumulátortípustól és a működési körülményektől függően. Vannak hatékonyabb akkumulátorok és olyan tényezők, mint a hőmérséklet, a töltés/merítés sebessége és a ciklusidő, amelyek befolyásolhatják a hatékonyságot. A BESS-ek hatékonyságának javítása segíthet csökkenteni a költségeket és javítani a teljesítményüket.
- Tartósság: A BESS-eknek tartósnak kell lenniük és ellen kell állniuk a különböző környezeti feltételeknek. Az akkumulátorok idővel romolhatnak, különösen, ha extrém hőmérsékleteknek vagy magas használati szintnek vannak kitéve. A BESS-ek tartósságának javítása segíthet csökkenteni a karbantartási költségeket és meghosszabbítani az élettartamukat.
- Integráció az elektromos hálózattal: A BESS-eket integrálni kell az elektromos hálózattal való hatékony működés érdekében. Ez kihívást jelenthet, különösen nagy léptékű megújuló energia projektek esetén. Az integrációs folyamatot gondosan meg kell tervezni és kezelni kell annak érdekében, hogy a BESS hatékonyan működjön és ne zavarja meg az elektromos hálózatot.
Magas hatásfokú BESS
A BESS-ek hatékonysága több tényezőtől függhet, például a használt akkumulátortípustól, a működési feltételektől és a konkrét alkalmazástól. Általában a lítium-ion akkumulátorokat tekintik a leg hatékonyabb típusú akkumulátornak a BESS alkalmazásokhoz. Ennek oka a következő kulcsfontosságú tényezőkben rejlik:
- A lítium-ion akkumulátorok rendelkeznek egy magas körforgásos hatékonysággal, ami azt jelenti, hogy a kisütött energiamennyiség majdnem egyenlő az akkumulátorban tárolt energiamennyiséggel a feltöltés során. Ennek oka, hogy a lítium-ion akkumulátorokban kevésbé jelentős a kikeményedési reakció, és nincs szükségük időigényes karbantartásra.
- A lítium-ion akkumulátorok magas energiasűrűséggel rendelkeznek, ami lehetővé teszi a nagyobb mennyiségű energiatárolást kisebb méretben és tömegben.
- A lítium-ion akkumulátorok nagy töltési és merítési hatékonysággal rendelkeznek, ami azt jelenti, hogy hatékonyan lehet felhasználni a tárolt energiát.
- A lítium-ion akkumulátorok gyors töltési és merítési sebességgel rendelkeznek, amely lehetővé teszi a gyors választ az elektromos hálózat igényeire.
Fontos kiemelni, hogy a BESS hatékonysága nemcsak az akkumulátor technológiától függ, hanem az egész rendszer tervezésétől és működtetésétől is.
A WBG anyagok szerepe a BESS rendszerekben
A Wide-bandgap (WBG) szigetelőanyagok kulcsfontosságú szerepet játszanak a BESS rendszerekben, mivel javítják a rendszerben használt teljesítményelektronikák hatékonyságát és teljesítményét.
A teljesítményelektronikák azzal a céllal vannak használva, hogy szabályozzák az energia áramlását az akkumulátor és az elektromos hálózat között, átalakítva az akkumulátorból származó egyenáramot váltóárammá, amelyet aztán a hálózat felhasználhat. Ezek a teljesítményelektronikák több komponensből állnak, például teljesítménytranzisztorokból, diódákból és kondenzátorokból, amelyek általában szilícium alapú félvezetőkből készülnek.
Azonban a szilícium alapú félvezetőknek korlátai vannak a magas hőmérsékleten és frekvencián történő működés terén. Ez hatékonyságveszteségekhez és korlátozásokhoz vezethet a teljesítményelektronikák teljesítményében, ezzel csökkentve a BESS összhatékonyságát és megbízhatóságát.
A széles sávú szigetelőanyagok, mint például a szilícium-karbid (SiC) és a gallium-nitrid (GaN), számos előnnyel rendelkeznek a hagyományos szilícium alapú félvezetőkkel szemben. Ezeknek az anyagoknak nagyobb a sávszélességük, ami lehetővé teszi számukra, hogy magasabb hőmérsékleten és frekvencián működjenek alacsonyabb veszteséggel.
Ez számos előnnyel jár a BESS alkalmazásokban, ideértve a magasabb hatékonyságot, javított teljesítménysűrűséget és magasabb kapcsolási frekvenciákat. Ez segíthet csökkenteni a teljesítményelektronikák méretét, súlyát és költségét, miközben javítja megbízhatóságukat és teljesítményüket. Azzal, hogy lehetővé teszik a teljesítményelektronikák működését magasabb hőmérsékleten és frekvencián alacsonyabb veszteséggel, a WBG anyagok hozzájárulnak a BESS rendszerek összhatékonyságának és megbízhatóságának javításához, ami gazdaságosabb megoldást nyújt a megújuló energia alkalmazások számára.