Я розглядавзберігання енергіїна деякий час, і чесно? Все було збентежено, поки я не натрапив на гібридні системи. Ось угода - ми надто довго намагалися вирішити проблему накопичення енергії за допомогою єдиних рішень, і це просто не працює так, як нам потрібно.
Проблема, про яку ніхто не говорить
Акумулятор може зберігати енергію протягом кількох днів. чудово Але коли вам потрібен раптовий сплеск енергії -, наприклад, коли ваші сонячні батареї перестають виробляти й одночасно вмикається змінний струм - той самий акумулятор не справляється. Він не призначений для цього. Тим часом суперконденсатори можуть скидати енергію за мілісекунди, але вони витікають енергії швидше, ніж сито утримує воду.
Я пам’ятаю, як читав про цю установку SMES (надпровідний накопичувач магнітної енергії) у поєднанні зі звичайним акумулятором і думав: «Почекай, чому ніхто раніше цього не зробив?» Виявляється, мають. Просто мало людей звертають увагу.
Гібридний підхід в основному говорить: чому б не використовувати обидва? Дозвольте акумулятору робити те, що найкраще - зберігати енергію надовго-. Дозвольте суперконденсатору впоратися з божевільними стрибками потужності. Звучить очевидно, якщо сказати це вголос, чи не так?
Коли дві технології справді мають сенс разом
Отже, ось де це стає цікавим. Загальна ідея гібридних систем накопичення енергії полягає не в тому, щоб просто з’єднати два різних типи накопичувачів і припинити це. За цим стоїть справжня інженерна думка, хоча деякі реалізації безперечно кращі за інші.
Візьміть комбінацію SMES/акумулятор. Надпровідна частина має шалену щільність потужності - ми говоримо про час відгуку, який вимірюється в мілісекундах. Але він дорогий і не містить багато енергії для свого розміру. Акумулятори? Повністю протилежна проблема. Об’єднайте їх у пару, і ви отримаєте щось, що може впоратися як з короткими коливаннями напруги, так і з довгостроковим-постачанням енергії. Я бачив технічні характеристики однієї системи, які показали, що вони можуть зменшити інвестиційні витрати майже на 30% порівняно зі збільшенням розміру одного типу сховища. Це справжні гроші.
Маховики в поєднанні з батареями — ще одна комбінація, яку я вважаю захоплюючою, ймовірно тому, що механічний аспект приваблює мене більше, ніж чиста електрохімія. Маховик справляється з високочастотними-коливаннями потужності - думайте про-другі речі -, а акумулятор керує довшими та повільнішими змінами. Регулювання частоти мережі любить таке налаштування.
Частина, яка насправді має значення (для більшості людей)
Ось що, на мою думку, губиться в усіх технічних документах і офіційних документах: відновлювана енергія марна, якщо ми не можемо її правильно зберігати. Сонячні панелі виробляють електроенергію, коли світить сонце. Я знаю, новаторське спостереження. Але електрика потрібна і вночі, а вітер не дме за графіком, зручним для ваших обідніх планів.
Правильно розроблена гібридна система може оптимізувати те, як ми захоплюємо та вивільняємо цю енергію. Коли сонячна генерація раптово падає через хмару (або через, знаєте, захід сонця), компонент суперконденсатора починає працювати миттєво, поки батарея розряджається. Це запобігає падінням напруги та підтримує освітлення без дратівливого мерехтіння.
Накопичувач енергії на стисненому повітрі (CAES) із суперконденсаторами теж дивний, хоча я визнаю, що не бачу його розгортання настільки. CAES зберігає енергію, буквально стискаючи повітря в підземні печери або резервуари. Це механічно, це дивно, і коли ви поєднуєте його з суперкапами для швидкого реагування... насправді працює досить добре для стабілізації мережі. Хоча пошук відповідної геології для великомасштабної-CAES — це власний кошмар.
Справжній-світовий безлад
Мені потрібно згадати те, про що не йдеться в більшості технічних дискусій: цими системами складно керувати. Справді складно. Вам потрібні складні системи керування, щоб вирішити, який компонент зберігання обробляє яке навантаження в який момент. Зробите це неправильно, і ви просто витратите гроші та ефективність.
Система керування енергією -, назвемо її EMS, оскільки вона коротша - має відстежувати споживання електроенергії в реальному-часі та відповідно розподіляти навантаження. Висока потужність, короткий термін служби? Проведіть його до суперконденсатора або маховика. Стійке навантаження? Акумулятор справляється. Звучить просто. Це не так.
Існує також така річ, коли різні технології зберігання мають різні моделі деградації. Літій-іонні батареї ненавидять бути повністю розрядженими. Суперконденсатори можуть витримувати мільйони циклів, але повільно втрачають ємність. Ваша система керування має враховувати це, збалансовуючи ефективність сьогодні та довговічність завтра. Це як... ти можеш спринтувати скрізь і втомлювати коліна, або рухатися самостійно. Швидка допомога має приймати це рішення тисячі разів на день.
Навіщо доглядати за електромобілями (можливо, більше, ніж ви думаєте)
Електромобілі мають справу з тією ж проблемою, яку ми бачимо в мережевому сховищі, лише зменшеному та мобільному. Вам потрібен діапазон -, для якого потрібні батареї з високою щільністю енергії. Але вам також потрібні прискорення та рекуперативне гальмування, які можуть швидко поглинати величезну кількість енергії. Один тип батареї не може працювати одночасно оптимально.
Деякі виробники електромобілів експериментують із гібридним накопичувачем - великою літій-іонною батареєю для збільшення діапазону, доповненою суперконденсаторами для стрибків потужності. Суперковпаки вловлюють енергію рекуперативного гальмування, яка інакше була б втрачена (оскільки батареї не можуть заряджатися так швидко), і вони забезпечують додатковий поштовх для прискорення, не навантажуючи основний акумуляторний блок.
Це робить електромобілі дешевшими? Ні. Фактично це робить їх дорожчими заздалегідь. Але розряд батареї значно сповільнюється, що протягом 10 років життя... мабуть, воно того варте? Про математику досі сперечаються.
Перевірка реальності вартості
Давайте поговоримо про гроші, тому що вдавати, що вартість не має значення, безглуздо. Гібридні системи спочатку дорожчі. Ви купуєте дві або більше технологій зберігання даних замість однієї, а також системи керування ними. В Австралії вони встановлюють, очевидно, найбільшу гібридну акумуляторну систему зі з’єднанням постійного струму на національному ринку електроенергії. Масштаб величезний -, щоб забезпечити енергією 120 000 будинків.
Такий проект має економічний сенс через масштаб і цінність послуг стабільності мережі. Для житлових? Набагато важче виправдати, якщо ви не дуже віддані справі або не маєте особливих потреб у надійності. Хоча я підозрюю, що це зміниться, оскільки витрати на компоненти падають, а тарифи на електроенергію зростають.
Експлуатаційна економія забезпечується подовженням терміну служби обладнання та кращою ефективністю. Якщо ваш акумулятор не страждає від швидких циклів заряду-розряду, він служить довше. Якщо ваш суперконденсатор справляється зі стрибками напруги, для яких він був розроблений, а не намагається забезпечити довго-зберігання (що було б безглуздо), уся система працює краще. Але вам потрібно експлуатувати його досить довго, щоб окупити початкову премію.
Важливі технічні характеристики
Щільність потужності проти щільності енергії є основним компромісом, завдяки якому гібридні системи працюють. Подумайте про щільність потужності як про те, як швидко ви можете отримати доступ до накопиченої енергії -, яка вимірюється у ватах на кілограм. Щільність енергії – це кількість загальної енергії, яку ви можете накопичити -, виміряна у ват-годинах на кілограм.
Суперконденсатори: висока щільність потужності (10,000+ Вт/кг), низька щільність енергії (~5 Вт·год/кг). Вони спринтери.
Літій-іонні акумулятори: середньо-висока щільність потужності (~300-500 Вт/кг), висока щільність енергії (~250 Вт·год/кг). Вони марафонці.
Вам потрібні обидва типи спортсменів у вашій команді, залежно від раси.
Швидкість само{0}}розряду також має значення. Акумулятори зберігають заряд тижнями або місяцями. Суперконденсатори швидко втрачають енергію - ви втрачатимете значний відсоток на день, якщо їх не під’єднати до навантаження. Ось чому ви не будете використовувати суперконденсатори для довгострокового-резервного живлення, хоча деякі люди в Інтернеті, здається, це бентежать.
Стратегії контролю
Гаразд, цей розділ може бути технічним, але він дуже важливий. Стратегія контролю визначає, як енергія перетікає між різними компонентами накопичувачів, навантаженням і джерелом живлення (мережа, відновлювані джерела чи інше).
Зменшення пікових навантажень – це один із підходів - гібридна система згладжує стрибки споживання електроенергії, тому основне джерело живлення отримує більш постійне навантаження. Високо-компонент накопичення енергії поглинає піки,-компонент високої{3}}енергії керує базовою лінією. Це дуже важливо для інтеграції відновлюваних джерел енергії, тому що це робить вітрову та сонячну енергію більш схожими на звичайні диспетчерські електростанції в мережу.
Низькочастотна-фільтрація — ще один метод. Високочастотні-варіації потужності (швидкі зміни) спрямовуються до енерго-сховища. Низькочастотні-варіації (повільні зміни) надходять до енергетично-сховища. Це математично елегантно, хоча реалізація може бути складною.
Деякі системи використовують прогнозні алгоритми на основі історичних моделей навантаження. Якщо система знає, що у вашому закладі зазвичай відбувається стрибок електроенергії щодня о 14:00, вона може заздалегідь-розташувати енергію у відповідному компоненті накопичувача. Чудово працює, поки ваш шаблон використання не зміниться, і алгоритм раптово оптимізується для неправильного сценарію.
Де ми зараз
Технологія достатньо зріла, щоб великі установки були доцільними в конкретних програмах. Мережні послуги, промислові об’єкти з високими вимогами до електроенергії, широкомасштабна-інтеграція відновлюваних джерел - це перевірені випадки використання. Програмне забезпечення GEMS від Wärtsilä та подібні платформи управління енергією стали досить складними для жонглювання кількома технологіями зберігання.
Менші-побутові програми все ще знаходять своє підґрунтя. Економіка ще не зовсім працює для більшості людей, хоча перші користувачі та люди з ненадійним підключенням до мережі встановлюють їх. Ціни на батареї постійно падають, що допомагає, але системи керування та складність встановлення зберігають загальну вартість високою.
Ймовірно, електричні транспортні засоби є місцем, де ми побачимо наступну хвилю інновацій. Обмеження ваги та простору вимагають ефективних конструкцій, а потенціал масового виробництва сприяє зниженню витрат. Те, що працює в електромобілях, з часом потрапить у стаціонарні додатки.
Питання ефективності
Отже, повернемося до початкового запитання: чи можуть гібридні системи зберігання енергії оптимізувати ефективність?
так Але не повсюдно, не автоматично і не завжди економічно.
Добре-спроектована гібридна система з належним керуванням може досягти-ефективності 85-90% або вище-90% -, що можна порівняти або навіть перевищити однотехнологічні рішення. Що ще важливіше, він може ефективно справлятися з широким діапазоном робочих умов. Така гнучкість часто є ціннішою за максимальну ефективність.
Підвищення ефективності відбувається завдяки використанню кожної технології зберігання в її оптимальному робочому діапазоні. Батареї не псуються під час швидкого циклу. Суперконденсатори не простоюють, за винятком стрибків напруги. Уся система працює більш плавно, що означає менше відпрацьованого тепла, менше погіршення та кращу -тривалу продуктивність.
Але - і це важливо - погано спроектована гібридна система насправді може бути менш ефективною, ніж одна добре-вибрана технологія зберігання. Якщо ваші алгоритми керування борються один з одним, якщо розміри компонентів не відповідають, якщо ваша силова електроніка вносить надмірні втрати перетворення... ви просто витратили більше грошей, щоб отримати гіршу продуктивність.
Що насправді має статися
Галузь потребує стандартизації. Наразі кожна гібридна система певною мірою - розроблена на замовлення-для конкретного застосування. Це добре для мереж-установок з командою інженерів, але це заважає ширшому застосуванню. Нам потрібні модульні, масштабовані проекти, які можна розгортати, не винаходячи кожного разу велосипед.
Зниження витрат, очевидно. Суперконденсатори все ще дорогі за ват-годину зберігання, хоча вони нам потрібні лише через щільність потужності. Тут би допоміг масштаб виробництва. Так само й альтернативні технології суперконденсаторів (конструкції на основі-графену виглядають багатообіцяючими, але все ще переважно в лабораторіях).
Кращі алгоритми керування, які можуть адаптуватися до мінливих умов без втручання людини. Машинне навчання насправді може бути тут корисним, на відміну від більшості програм, де це просто реклама. Система, яка вивчає ваші конкретні моделі використання та оптимізує відповідно, може значно підвищити продуктивність порівняно зі статичним програмуванням.
А чесно? Краща освіта. Більшість підрядників і монтажників електрики насправді не розуміють гібридних систем зберігання. Більшість споживачів точно ні. Поки гібридні системи не стануть настільки ж звичними, як «резервне живлення від акумулятора» в загальній свідомості, впровадження залишатиметься обмеженим фахівцями та ентузіастами.
Випадкові спостереження
Я постійно думаю про те, як ми дійшли до цього -, намагаючись розв’язати накопичення енергії за допомогою єдиних рішень протягом десятиліть, і лише нещодавно застосували гібридні підходи в масштабах. Це схоже на те, як ми перейшли від одно{2}}ядерних до багатоядерних-процесорів, коли ми досягли обмежень масштабування частоти. Іноді відповідь полягає не в тому, щоб щось покращити, а в розумному використанні кількох речей разом.
Уся тенденція сполучення-постійного струму для сонячної-і-акумуляцій пов’язана з цим. Замість того, щоб перетворювати сонячний постійний струм на змінний, а потім назад на постійний для накопичення батареї (що витрачає енергію в обох перетвореннях), зв’язок постійного струму-зберігає все в постійному струмі, доки йому не знадобиться перейти до мережі змінного струму. Зменшує втрати на кілька відсотків. Саме такі оптимізації-на системному рівні роблять гібридні підходи вартими уваги.
Також варто зауважити: проблеми з керуванням теплом у гібридних системах не-тривіальні. Акумулятори під час роботи виділяють тепло. Суперконденсатори виділяють тепло. Маховики виділяють тепло від тертя підшипників. Упакуйте все разом, і вам потрібно серйозне охолодження. Я бачив установки, де система охолодження споживає достатньо енергії, щоб помітно знизити загальну ефективність. Щось для розгляду.
Майбутня частина (обов’язкова, але спекулятивна)
Твердотільні-батареї можуть повністю змінити гру. Якщо ми отримаємо батареї як з високою щільністю енергії, так і з високою щільністю потужності з тривалим терміном служби... можливо, гібридні системи стануть непотрібними. Або, можливо, вони стають ще складнішими, поєднуючи твердотільні-батареї з іншими технологіями для ще кращої продуктивності. Важко сказати.
Зберігання водню також ховається на задньому плані. Деякі гібридні системи досліджують можливість перетворення електроенергії-на-газ для тривалого-зберігання (тижнів або місяців) у поєднанні з батареями та суперконденсаторами для короткострокових-потреб. Це складно і має втрату ефективності, але для справді сезонного зберігання це може бути єдиним життєздатним варіантом у великих масштабах.
Сама мережа стає гібридною енергетичною системою - не лише для зберігання, але й для виробництва, передачі, розподілу, і все це працює разом із дедалі більшою складністю. Інтеграція транспортного засобу-до-мережі додає ще один рівень. Зрештою, можливо, ми перестанемо думати про окремі «системи» і почнемо думати про повністю інтегровану енергетичну екосистему.
Але я, мабуть, забігаю. Наразі ми все ще з’ясовуємо, як надійно з’єднати батареї з суперконденсаторами, щоб системи керування не виходили з ладу.
Висновок
Працюють гібридні системи зберігання енергії. Вони оптимізують ефективність так, як-одні технологічні рішення не можуть зрівнятися. Технологія перевірена, переваги реальні, а застосування зростає.
Те, чи мають вони сенс у будь-якій конкретній ситуації, залежить від технічних вимог, економічних факторів і, чесно кажучи, від того, наскільки складно ви готові мати справу. Для інтеграції відновлюваних джерел енергії в мережевому- масштабі та промислових застосувань вони все частіше стають вибором за умовчанням. Що стосується житлових і невеликих комерційних об’єктів, ми ще не досягли успіху.
Фундаментальна думка - про те, що поєднання взаємодоповнюючих технологій дає кращі результати, ніж спроба вдосконалити єдине рішення -, виглядає ретроспективно очевидною. Більшість хороших ідей підходять. Завдання зараз полягає в тому, щоб зробити гібридні системи дешевшими, простішими та доступнішими, щоб вони могли забезпечувати свої переваги ширше.
І якщо ви думаєте про його встановлення, поговоріть з тим, хто справді розуміється на силовій електроніці та системах управління енергією. Не просто продавець. Цей матеріал складний, і помилитися в ньому дорого.