Як зберігати відновлювану енергію в акумуляторі
Мікромережі та глобальний розвиток
Економісти прогнозують швидке зростання технології мікромереж з використанням акумуляторів. Екологічно свідомі країни, такі як Німеччина, Японія, Австралія та інші, вже багато років застосовують сонячні панелі для зниження витрат на енергію. У деяких частинах Африки, де мережа змінного струму недостатньо розвинена для підтримки всієї побутової діяльності, сонячні панелі з резервним живленням від акумуляторів стали обов'язковим рішенням.
Рисунок 1: Сонячна електростанція Сьюзен-Рівер у Квінсленді, Австралія
Сонячна електростанція площею 176 гектарів виробляє 180 000 МВт·год на рік з 290 000 сонячних панелей.
Сонячна електростанція Сьюзен-Рівер у Квінсленді, Австралія, є яскравим прикладом масштабного впровадження ВДЕ. На площі у 176 гектарів встановлено 290 000 панелей, які виробляють близько 180 000 МВт·год електроенергії на рік. Подібні об’єкти свідчать, що генерація енергії для особистого та промислового користування поступово переміщується у сонячний пояс США та інших країн. Дешевші сонячні панелі та довговічніші акумулятори роблять цю технологію ще більш привабливою.
Сонячні панелі
Надійні та довговічні сонячні панелі для підтримки енергосистеми
Сонячна панель JA Solar Deep Blue 4.0 black Frame 455W
Сучасна двостороння (bifacial) панель на базі N-Type технології з подвійним загартованим склом та чорною рамою, яка поєднує високу ефективність, естетику та тривалий ресурс роботи навіть у складних кліматичних умовах.
Купити
Сонячна панель BlueSolar 330W-24V Poly Victron Energy
Поєднує високу ефективність у хмарні дні, захист від впливу вологи та надійність монтажу, що робить її ідеальним вибором для дач, кемперів, човнів або систем резервного живлення.
Купити
Сонячна панель JA Solar Deep Blue 4.0 600W
Поєднує у собі передові інновації серії Deep Blue 4.0, забезпечуючи надзвичайно високу ефективність, довговічність і стабільну генерацію навіть у складних кліматичних умовах.
КупитиЕкономіка сонячної енергетики
Виробництво енергії для особистого користування переміщується до сонячного поясу США; дешевші сонячні панелі та довговічніші акумулятори роблять це привабливим. Батареї накопичують енергію під час пікового виробництва, коли виробництво надлишкове, щоб подолати розрив, коли вільна енергія переходить на режим спокою вночі або коли вітер припиняється. Батареї будуть пом'якшувати пікове споживання, коли мережа змінного струму навантажена до межі.
Відновлювана енергія має економічний сенс, але вона дорога. Більшість Західного світу забезпечується дешевою та надійною електроенергією з мережі змінного струму, вартість якої становить від 0,06 долара США за кіловат-годину в деяких частинах Канади до 0,15 долара США в багатьох містах та до 0,40 долара США в деяких європейських країнах. Електроенергія, вироблена сонячною панеллю, коштує близько 0,20 долара США за кВт-год. З урахуванням додаткових витрат сонячна енергія в більшості частин світу дорожча, ніж купівля електроенергії у комунальних підприємств, і, як приблизний орієнтир, накопичена енергія подвоює ціну.
Технічні особливості панелей
Незважаючи на очевидну вищу вартість, встановлення сонячних панелей на будинках стає модним. Ціни на обладнання падають, як і його встановлення. Найпоширенішими фотоелектричними (ФЕ) сонячними елементами є кристалічні кремнієві з ККД близько 20 відсотків. Гнучкі панелі для портативного використання, для порівняння, мають ККД лише близько 10 відсотків. Вартість обладнання для генерації 1 вата електроенергії з твердотільними панелями становить 2,00–2,50 долара США, при цьому вартість має тенденцію до зниження.
У країнах, багатих на сонячну енергію, де електроенергія дорога, енергія від сонячних панелей подається назад у мережу змінного струму. Це призводить до зворотного обертання лічильника електроенергії, компенсуючи раніше спожиту енергію, але це також може спричинити проблему. Кількість виробленої енергії не може перевищувати споживання. Скидання в мережу більшої кількості енергії, ніж споживається, робить систему нестабільною, що призводить до коливань напруги, які можуть перевантажити ланцюг і призвести до падіння напруги.
Відновлювана енергетика має друзів і ворогів на керівних посадах. З одного боку, уряди надають субсидії на встановлення систем відновлюваної енергетики, тоді як з іншого боку, комунальні підприємства відчайдушно намагаються зупинити перехід виробництва електроенергії в будинках, зменшуючи стимули та додаючи плату. Комунальні підприємства стверджують, що незаконне виробництво енергії домовласниками ускладнює контроль і скорочує потік доходів. Вони розглядають це як створення надлишку та голоду через надмірну пропозицію в періоди достатку та голоду, коли попит високий, але відновлювані джерела енергії недоступні.
Конфлікт зрозумілий, оскільки комунальні компанії відповідають за стабільне постачання енергії в будь-який час, тоді як незалежні виробники не можуть зменшити занепокоєння щодо неминучих збоїв, спричинених старіючою мережею, яка стогне під час пікового попиту. Правильно це чи ні, виробництво чистої енергії з відновлюваних ресурсів ніколи не повинно обмежуватися, особливо якщо ресурс можна зберігати, а сонячні компанії борються за це через регуляторів, законодавців та суди.
Зберігання енергії: гідро, маховики та інші системи
Гідроелектростанції: Зберігання електроенергії не є чимось новим. Одним із найефективніших способів зберігання енергії для великих гідроелектростанцій є перекачування води назад у резервуар під час низького попиту на електроенергію та її забезпечення в години пікового навантаження. З коефіцієнтом корисної дії 70–85 відсотків, гідроелектростанціями легше керувати, ніж налаштовувати генератори для задоволення коливальних потреб в електроенергії. Маховики також служать накопичувачами енергії. Великі електродвигуни обертають маховики вагою в одну тонну, коли доступна надлишкова енергія, щоб заповнити короткочасний дефіцит енергії та стабілізувати мережу. Перекачування стисненого повітря у великі підземні порожнини – це ще один спосіб зберігання енергії, але для малих та середніх установок найкраще підходять акумулятори.
Рисунок 2: «Водяний акумулятор» потужністю 20 мільйонів кВт⋅год у Швейцарії
Система гідроелектростанцій накачування допомагає стабілізувати енергомережу Європи.
Маховики служать накопичувачами енергії замість акумуляторів. Великі електродвигуни обертають маховики вагою в одну тонну, коли доступна надлишкова енергія, щоб заповнити короткочасний дефіцит енергії та стабілізувати мережу. Високошвидкісні маховики обертаються зі швидкістю 30 000–50 000 об/хв, часто на магнітних підшипниках у вакуумній камері. Електродвигуни/генератори з постійними магнітами заряджають та розряджають кінетичну енергію за потреби.
Маховики забезпечують високу щільність потужності, а не надмірну енергію. У той час як сучасний літій-іонний акумулятор має питому енергію 250 Вт·год/кг, еквівалент у маховику становить близько 5 Вт·год/кг, але питома потужність сягає 2500 Вт/кг, що в 10 разів вище, ніж у літій-іонного акумулятора.
Щодо подачі потужності, маховик має якості, порівнянні з суперконденсатором. Виробник маховиків каже: « Для застосувань <20–30 кВт краще використовувати суперконденсатори. Для потужності, що перевищує цю вимогу, маховик пропонує переваги ». Що стосується довговічності, маховик забезпечує кілька мільйонів повних циклів, тоді як довговічність суперконденсатора становить близько 500 000 циклів. Недоліком маховика є механічний знос механічних підшипників.
Стиснене повітря: Закачування стисненого повітря у великі підземні порожнини – це ще один спосіб зберігання енергії. Такі системи забезпечують енергією великі установки замість акумуляторів. Стиснене повітря використовується нечасто. Для нього потрібен доступ до великої кількості води, а порожнину у формі повітряної кульки можна пробити.
Стиснене повітря в підземних печерах – це цікава ініціатива, яка не спрацювала за планом. Неефективність, спричинена турбулентними втратами, витоками з підземних печер та витратами на будівництво системи, перешкоджають цій інноваційній ініціативі. Гроші та таланти не можуть вирішити всі проблеми.
Інші системи механічного накопичення енергії - це підняття ваги у вежі та будівництво залізниці, яка тягне завантажений автомобіль по рейках, а також вивільнення енергії для накопичення енергії. Припливні турбіни також використовуються з різним рівнем успіху.
Хімічний склад акумуляторів: Акумулятори здебільшого були свинцево-кислотними, і користувачі скаржаться на їхній короткий термін служби. Частково це пов'язано з надмірним циклічним заряджанням, оскільки акумулятор заряджається вдень і розряджається вночі. Свинцево-кислотні акумулятори мають обмежену кількість циклів заряджання та страждають від сульфатації , якщо їх періодично не повністю заряджати. Повний насичений заряд займає 16 годин, і жодна сонячна система не може постачати енергію так довго. Крім того, споживання електроенергії з часом має тенденцію зростати, тоді як сонячні панелі зменшують свою потужність через накопичення бруду та старіння. Через це свинцево-кислотні акумулятори часто мають недостатній заряд.
Перехід на літій-іонний акумулятор частково вирішує цю проблему. Літій-іонний акумулятор стійкіший до циклічного розряджання/розрядки, ніж свинцево-кислотний, і його не потрібно повністю заряджати; насправді частковий заряд кращий, оскільки він знімає навантаження. Але літій-іонний акумулятор все одно вдвічі або втричі дорожчий за свинцево-кислотний з точки зору придбання системи.
Акумулятори LiFePO4
Надійні літій-залізо-фосфатні акумулятори для сонячних та резервних систем.
LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 (12В, 50Аг)
Компактний акумулятор із вбудованим BMS для безпечної роботи у сонячних та резервних системах.
Купити
LiFePO4 Victron Lithium SuperPack 12.8В 100Аг
Сучасна літій-залізо-фосфатна батарея (LiFePO4) з вбудованим BMS і захистом від перевантаження
Купити
LiFePO4 Victron Smart Battery 12.8V/100Ah
Високоякісне джерело енергії з довгим терміном служби, високою безпекою та сумісністю з екосистемою Victron Energy
КупитиTesla Powerwall пропонує акумулятори ємністю 7 кВт·год та 10 кВт·год, чого достатньо, щоб освітлювати будинок протягом кількох годин. Обидва блоки мають однакову кількість елементів; акумулятор ємністю 7 кВт·год використовує надійний NMC, який використовується в багатьох промислових застосуваннях, тоді як 10 кВт·год використовує NCA, який живить моделі Tesla S. NCA пропонує високу щільність енергії та короткий час зарядки, тоді як NMC забезпечує високу кількість циклів розрядки/зарядки при меншій ємності.
Як NCA, так і NMC – це енергетичні елементи, які не люблять великих навантажень. Потужність Powerwall обмежена 2 кВт. Цього достатньо, щоб запустити холодильник, підрум’янити тости та, можливо, прасувати сорочку, але потужність занадто низька, щоб приготувати їжу на електричній плиті, запустити електричну сушарку або підтримувати роботу кондиціонера; високоенергетичні прилади споживають понад 2 кВт. Щоб заповнити прогалину, мережа змінного струму безперешкодно вмикається під час пікової активності вдома. Акумулятор потужністю 10 кВт·год з піковою потужністю 2 кВт не може відключити домогосподарство від мережі, але він зменшує рахунки за електроенергію на третину-вдвічі.
Фінансова перспектива
Для повної зарядки акумулятора ємністю 10 кВт·год протягом 5 годин оптимального сонячного світла потрібна сонячна система, яка забезпечує потужність 5–12 кВт. При орієнтовній вартості 2 долари за ват, сонячне обладнання потужністю 10 кВт коштує 20 000 доларів. Встановлення та інвертор постійного струму в змінний струм для перетворення сонячної енергії на сумісний змінний струм та синхронізації його з мережею можуть подвоїти вартість. Акумулятор також буде додатково оплачуватися.
Ще однією прихованою витратою, яку часто не враховують, є закінчення терміну служби. Сонячні панелі мають термін служби 25 років, а на батареї зазвичай надається гарантія 10 років. При собівартості 5 відсотків та 20-річній амортизації система вартістю 25 000 доларів може коштувати власнику 2500 доларів на рік. Економія енергії має бути більшою, інакше результат може бути неправильно витлумачений. Ще більшої економії енергії можна досягти, зменшивши особистий транспорт або зменшивши розмір та потужність такого транспортного засобу.
