Как хранить возобновляемую энергию в аккумуляторе

Микросети и глобальное развитие

Экономисты прогнозируют быстрый рост технологии микросетей с использованием аккумуляторов. Экологически сознательные страны, такие как Германия, Япония, Австралия и другие, уже много лет применяют солнечные панели для снижения затрат на энергию. В некоторых частях Африки, где сеть переменного тока недостаточно развита для поддержки всей бытовой деятельности, солнечные панели с резервным питанием от аккумуляторов стали обязательным решением.

Рисунок 1: Солнечная электростанция Сьюзан-Ривер в Квинсленде, Австралия
Солнечная электростанция площадью 176 гектаров производит 180 000 МВт·ч в год с помощью 290 000 солнечных панелей.

Солнечная электростанция Сьюзан-Ривер в Квинсленде, Австралия, является ярким примером масштабного внедрения ВИЭ. На площади в 176 гектаров установлено 290 000 панелей, которые производят около 180 000 МВт·ч электроэнергии в год. Подобные объекты свидетельствуют, что генерация энергии для личного и промышленного использования постепенно перемещается в солнечный пояс США и других стран. Более дешевые солнечные панели и более долговечные аккумуляторы делают эту технологию еще более привлекательной.

Солнечные панели

Надежные и долговечные солнечные панели для поддержки энергосистемы

Солнечная панель JA Solar Deep Blue 4.0 black Frame 455W

 Современная двусторонняя (bifacial) панель на базе N-Type технологии с двойным закалённым стеклом и чёрной рамой, которая сочетает высокую эффективность, эстетику и долгий срок службы даже в сложных климатических условиях.

Купить

Солнечная панель BlueSolar 330W-24V Poly Victron Energy

 Сочетает высокую эффективность в пасмурные дни, защиту от влаги и надёжность монтажа, что делает её идеальным выбором для дач, кемперов, лодок или систем резервного электропитания. 

Купить

Солнечная панель JA Solar Deep Blue 4.0 600W

 Объединяет в себе передовые инновации серии Deep Blue 4.0, обеспечивая исключительно высокую эффективность, долговечность и стабильную генерацию даже в сложных климатических условиях.

Купить

Посмотреть больше

Экономика солнечной энергетики

Производство энергии для личного пользования перемещается в солнечный пояс США; более дешевые солнечные панели и более долговечные аккумуляторы делают это привлекательным. Батареи накапливают энергию во время пикового производства, когда производство избыточно, чтобы преодолеть разрыв, когда бесплатная энергия переходит в режим покоя ночью или когда ветер прекращается. Батареи будут смягчать пиковое потребление, когда сеть переменного тока нагружена до предела.

Возобновляемая энергия имеет экономический смысл, но она дорога. Большинство Западного мира обеспечивается дешевой и надежной электроэнергией из сети переменного тока, стоимость которой составляет от 0,06 доллара США за киловатт-час в некоторых частях Канады до 0,15 доллара США во многих городах и до 0,40 доллара США в некоторых европейских странах. Электроэнергия, произведенная солнечной панелью, стоит около 0,20 доллара США за кВт·ч. С учетом дополнительных затрат солнечная энергия в большинстве частей мира дороже, чем покупка электроэнергии у коммунальных предприятий, и, в качестве приблизительного ориентира, накопленная энергия удваивает цену.

Технические особенности панелей

Несмотря на очевидную более высокую стоимость, установка солнечных панелей на домах становится модной. Цены на оборудование падают, как и на его установку. Самыми распространенными фотоэлектрическими (ФЭ) солнечными элементами являются кристаллические кремниевые с КПД около 20 процентов. Гибкие панели для портативного использования, для сравнения, имеют КПД всего около 10 процентов. Стоимость оборудования для генерации 1 ватта электроэнергии с твердотельными панелями составляет 2,00–2,50 доллара США, при этом стоимость имеет тенденцию к снижению.

В странах, богатых солнечной энергией, где электроэнергия дорога, энергия от солнечных панелей подается обратно в сеть переменного тока. Это приводит к обратному вращению счетчика электроэнергии, компенсируя ранее потребленную энергию, но это также может вызвать проблему. Количество произведенной энергии не может превышать потребление. Сброс в сеть большего количества энергии, чем потребляется, делает систему нестабильной, что приводит к колебаниям напряжения, которые могут перегрузить цепь и привести к падению напряжения.

Возобновляемая энергетика имеет друзей и врагов на руководящих должностях. С одной стороны, правительства предоставляют субсидии на установку систем возобновляемой энергетики, тогда как с другой стороны, коммунальные предприятия отчаянно пытаются остановить переход производства электроэнергии в домах, уменьшая стимулы и добавляя плату. Коммунальные предприятия утверждают, что незаконное производство энергии домовладельцами усложняет контроль и сокращает поток доходов. Они рассматривают это как создание избытка и голода из-за избыточного предложения в периоды изобилия и голода, когда спрос высок, но возобновляемые источники энергии недоступны.

Конфликт понятен, поскольку коммунальные компании отвечают за стабильное снабжение энергией в любое время, тогда как независимые производители не могут уменьшить беспокойство по поводу неизбежных сбоев, вызванных стареющей сетью, которая стонет во время пикового спроса. Правильно это или нет, производство чистой энергии из возобновляемых ресурсов никогда не должно ограничиваться, особенно если ресурс можно хранить, а солнечные компании борются за это через регуляторов, законодателей и суды.

Хранение энергии: гидро, маховики и другие системы

Гидроэлектростанции: Хранение электроэнергии не является чем-то новым. Одним из самых эффективных способов хранения энергии для крупных гидроэлектростанций является перекачка воды обратно в резервуар во время низкого спроса на электроэнергию и ее обеспечение в часы пиковой нагрузки. С коэффициентом полезного действия 70–85 процентов, гидроэлектростанциями легче управлять, чем настраивать генераторы для удовлетворения колеблющихся потребностей в электроэнергии. Маховики также служат накопителями энергии. Большие электродвигатели вращают маховики весом в одну тонну, когда доступна избыточная энергия, чтобы восполнить кратковременный дефицит энергии и стабилизировать сеть. Перекачка сжатого воздуха в большие подземные полости – это еще один способ хранения энергии, но для малых и средних установок лучше всего подходят аккумуляторы.

Рисунок 2: «Водяная батарея» мощностью 20 миллионов кВт·ч в Швейцарии
Система гидроаккумулирующих электростанций помогает стабилизировать энергосистему Европы.

Маховики служат накопителями энергии вместо аккумуляторов. Большие электродвигатели вращают маховики весом в одну тонну, когда доступна избыточная энергия, чтобы восполнить кратковременный дефицит энергии и стабилизировать сеть. Высокоскоростные маховики вращаются со скоростью 30 000–50 000 об/мин, часто на магнитных подшипниках в вакуумной камере. Электродвигатели/генераторы с постоянными магнитами заряжают и разряжают кинетическую энергию по мере необходимости.

Маховики обеспечивают высокую плотность мощности, а не избыточную энергию. В то время как современный литий-ионный аккумулятор имеет удельную энергию 250 Вт·ч/кг, эквивалент в маховике составляет около 5 Вт·ч/кг, но удельная мощность достигает 2500 Вт/кг, что в 10 раз выше, чем у литий-ионного аккумулятора.

Что касается подачи мощности, маховик имеет качества, сопоставимые с суперконденсатором. Производитель маховиков говорит: « Для применений <20–30 кВт лучше использовать суперконденсаторы. Для мощности, превышающей это требование, маховик предлагает преимущества ». Что касается долговечности, маховик обеспечивает несколько миллионов полных циклов, тогда как долговечность суперконденсатора составляет около 500 000 циклов. Недостатком маховика является механический износ механических подшипников.

Сжатый воздух: Закачка сжатого воздуха в большие подземные полости – это еще один способ хранения энергии. Такие системы обеспечивают энергией крупные установки вместо аккумуляторов. Сжатый воздух используется нечасто. Для него нужен доступ к большому количеству воды, а полость в форме воздушного шара может быть пробита.

Сжатый воздух в подземных пещерах – это интересная инициатива, которая не сработала по плану. Неэффективность, вызванная турбулентными потерями, утечками из подземных пещер и затратами на строительство системы, препятствуют этой инновационной инициативе. Деньги и таланты не могут решить все проблемы.

Другие системы механического накопления энергии - это подъем груза в башне и строительство железной дороги, которая тянет загруженный автомобиль по рельсам, а также высвобождение энергии для накопления энергии. Приливные турбины также используются с различной степенью успеха.

Химический состав аккумуляторов: Аккумуляторы в основном были свинцово-кислотными, и пользователи жалуются на их короткий срок службы. Частично это связано с чрезмерной циклической зарядкой, поскольку аккумулятор заряжается днем и разряжается ночью. Свинцово-кислотные аккумуляторы имеют ограниченное количество циклов зарядки и страдают от сульфатации, если их периодически не полностью заряжать. Полный насыщенный заряд занимает 16 часов, и ни одна солнечная система не может поставлять энергию так долго. Кроме того, потребление электроэнергии со временем имеет тенденцию расти, тогда как солнечные панели уменьшают свою мощность из-за накопления грязи и старения. Из-за этого свинцово-кислотные аккумуляторы часто имеют недостаточный заряд.

Переход на литий-ионный аккумулятор частично решает эту проблему. Литий-ионный аккумулятор более устойчив к циклической разрядке/зарядке, чем свинцово-кислотный, и его не нужно полностью заряжать; на самом деле частичный заряд лучше, поскольку он снимает нагрузку. Но литий-ионный аккумулятор все равно в два или три раза дороже свинцово-кислотного с точки зрения приобретения системы.

Аккумуляторы LiFePO4

Надежные литий-железо-фосфатные аккумуляторы для солнечных и резервных систем.

LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 (12В, 50Ач)

Компактный аккумулятор с встроенным BMS для безопасной работы в солнечных и резервных системах.

Купить

 LiFePO4 Victron Lithium SuperPack 12.8В 100Аг

Современная литий-железо-фосфатная батарея (LiFePO4) со встроенным BMS и защитой от перегрузки

Купить

LiFePO4 Victron Smart Battery 12.8V/100Ah 

Высококачественный источник энергии с длительным сроком службы, высокой безопасностью и совместимостью с экосистемой Victron Energy

Купить

Посмотреть больше

Tesla Powerwall предлагает аккумуляторы емкостью 7 кВт·ч и 10 кВт·ч, чего достаточно, чтобы освещать дом в течение нескольких часов. Оба блока имеют одинаковое количество элементов; аккумулятор емкостью 7 кВт·ч использует надежный NMC, который используется во многих промышленных применениях, тогда как 10 кВт·ч использует NCA, который питает модели Tesla S. NCA предлагает высокую плотность энергии и короткое время зарядки, тогда как NMC обеспечивает высокое количество циклов разрядки/зарядки при меньшей емкости.

Как NCA, так и NMC – это энергетические элементы, которые не любят больших нагрузок. Мощность Powerwall ограничена 2 кВт. Этого достаточно, чтобы запустить холодильник, поджарить тосты и, возможно, погладить рубашку, но мощность слишком низкая, чтобы приготовить еду на электрической плите, запустить электрическую сушилку или поддерживать работу кондиционера; высокоэнергетические приборы потребляют более 2 кВт. Чтобы восполнить пробел, сеть переменного тока беспрепятственно включается во время пиковой активности дома. Аккумулятор мощностью 10 кВт·ч с пиковой мощностью 2 кВт не может отключить домохозяйство от сети, но он уменьшает счета за электроэнергию на треть-половину.

Финансовая перспектива

Для полной зарядки аккумулятора емкостью 10 кВт·ч в течение 5 часов оптимального солнечного света требуется солнечная система, которая обеспечивает мощность 5–12 кВт. При ориентировочной стоимости 2 доллара за ватт, солнечное оборудование мощностью 10 кВт стоит 20 000 долларов. Установка и инвертор постоянного тока в переменный ток для преобразования солнечной энергии в совместимый переменный ток и синхронизации его с сетью могут удвоить стоимость. Аккумулятор также будет оплачиваться дополнительно.

Еще одной скрытой затратой, которую часто не учитывают, является окончание срока службы. Солнечные панели имеют срок службы 25 лет, а на батареи обычно предоставляется гарантия 10 лет. При себестоимости 5 процентов и 20-летней амортизации система стоимостью 25 000 долларов может стоить владельцу 2500 долларов в год. Экономия энергии должна быть больше, иначе результат может быть неправильно истолкован. Еще большей экономии энергии можно достичь, уменьшив личный транспорт или уменьшив размер и мощность такого транспортного средства.