Разглеждахсъхранение на енергияот известно време и честно казано? Цялото нещо беше объркващо, докато не попаднах на хибридните системи. Ето сделката -, която твърде дълго се опитваме да решим проблема със съхранението на енергия с единични решения и просто не работи така, както трябва.
Проблемът, за който никой не говори
Батерията може да държи енергия с дни. страхотно Но когато се нуждаете от внезапен прилив на енергия -, например когато вашите слънчеви панели спрат да произвеждат и вашият променлив ток се включи едновременно -, същата тази батерия се бори. Не е предназначен за това. Междувременно суперкондензаторите могат да изхвърлят енергия за милисекунди, но те изпускат енергия по-бързо, отколкото ситото задържа вода.
Спомням си, че четох за тази настройка на SMES (свръхпроводящо магнитно съхранение на енергия), свързана с обикновена батерия и си помислих "чакайте, защо никой не е направил това преди?" Оказва се, че имат. Просто не достатъчно хора обръщат внимание.
Хибридният подход основно казва: защо да не използваме и двете? Оставете батерията да прави това, което батериите правят най-добре - да съхранява енергия в дългосрочен план-. Оставете суперкондензатора да се справи с лудите пикове на мощността. Звучи очевидно, когато го кажете на глас, нали?
Когато две технологии наистина имат смисъл заедно
Така че тук става интересно. Цялата идея на хибридните системи за съхранение на енергия не е просто да сложите два различни вида съхранение заедно и да приключите. Зад това има истинска инженерна мисъл, въпреки че някои реализации определено са по-добри от други.
Вземете комбинацията SMES/батерия. Свръхпроводящата част има безумна плътност на мощността - говорим за времена за реакция, измерени в милисекунди. Но е скъпо и не задържа много енергия за размера си. Батерии? Пълен противоположен проблем. Сдвоете ги и ще получите нещо, което може да се справи както с кратки колебания на напрежението, така и с дългосрочно-снабдяване с енергия. Видях спецификации от една система, които показаха, че могат да намалят инвестиционните разходи с почти 30% в сравнение с увеличаването на размера на един тип съхранение. Това са истински пари.
Маховиците, съчетани с батерии, са друга комбинация, която намирам за очарователна, вероятно защото механичният аспект ме харесва повече от чистата електрохимия. Маховикът се справя с високо{1}}честотните колебания на мощността - мислете под-вторите неща -, докато батерията управлява по-дългите и по-бавни вариации. Регулирането на честотата на мрежата харесва тази настройка.
Частта, която всъщност има значение (за повечето хора)
Ето какво мисля, че се губи във всички технически документи и бели книги: възобновяемата енергия е безполезна, ако не можем да я съхраняваме правилно. Слънчевите панели генерират енергия, когато слънцето грее. Знам, новаторско наблюдение. Но имате нужда от електричество и през нощта, а вятърът не духа по график, удобен за плановете ви за вечеря.
Една правилно проектирана хибридна система може да оптимизира начина, по който улавяме и освобождаваме тази енергия. Когато слънчевото производство внезапно спадне, защото е преминал облак (или защото, разбирате ли, е настъпил залез), компонентът на суперкондензатора се включва незабавно, докато батерията нараства. Това предотвратява падането на напрежението и поддържа осветлението ви включено без това досадно трептене.
Съхранението на енергия със сгъстен въздух (CAES) със суперкондензатори също е диво, макар че ще призная, че не го виждам толкова разгърнато. CAES съхранява енергия, като буквално компресира въздух в подземни пещери или резервоари. Механичен е, странен е и когато го сдвоите със суперкапачки за бърза реакция... всъщност работи доста добре за стабилизиране на мрежата. Въпреки че намирането на подходяща геология за широкомащабни-CAES е собствен кошмар.
Истинска-световна бъркотия
Трябва да спомена нещо, което не попада в повечето технически дискусии: тези системи са сложни за управление. Наистина сложно. Имате нужда от усъвършенствани системи за контрол, за да решите кой компонент за съхранение обработва кое натоварване в кой момент. Сгрешите и просто губите пари и ефективност.
Системата за управление на енергията - нека я наречем EMS, защото е по-кратка - трябва да следи потреблението на енергия в реално-време и да разделя натоварването по подходящ начин. Голяма мощност, кратка продължителност? Насочете го към суперкондензатора или маховика. Устойчиво натоварване? Батерията се справя. Звучи просто. не е.
Има и нещо, при което различните технологии за съхранение имат различни модели на деградация. Литиево-йонните батерии мразят да бъдат напълно разредени. Суперкондензаторите могат да издържат милиони цикли, но бавно губят капацитет. Вашата система за управление трябва да отчете това, като балансира производителността днес срещу дълголетието утре. Сякаш... можеш да спринтираш навсякъде и да изтощиш коленете си, или да се движиш сам. EMS трябва да взема това решение хиляди пъти на ден.
Защо се грижат за електрическите превозни средства (може би повече, отколкото си мислите)
Електрическите автомобили се справят със същия проблем, който виждаме при мрежовото съхранение, само намалено и мобилно. Искате диапазон -, който изисква батерии с висока енергийна плътност. Но вие също искате ускорение и регенеративно спиране, които могат бързо да абсорбират огромно количество мощност. Един тип батерия не може да работи и двете оптимално.
Някои производители на електромобили експериментират с хибридно съхранение - голям литиево-пакет за обхват, допълнен от суперкондензатори за изблици на мощност. Суперкапите улавят регенеративната спирачна енергия, която иначе би била загубена (тъй като батериите не могат да се зареждат толкова бързо) и осигуряват допълнителен тласък за ускорение, без да натоварват основната батерия.
Това прави ли електромобилите по-евтини? Не. Всъщност ги прави по-скъпи предварително. Но разграждането на батерията се забавя значително, което за 10-годишен живот... вероятно си заслужава? Все още се спори за математиката.
Проверка на реалността на разходите
Нека да говорим за пари, защото да се преструваме, че разходите нямат значение, е глупаво. Хибридните системи първоначално са по-скъпи. Вие купувате две или повече технологии за съхранение вместо една, плюс системите за контрол, за да ги управлявате. В Австралия те инсталират това, което очевидно ще бъде най-голямата DC-свързана хибридна акумулаторна система на техния национален пазар на електроенергия. Мащабът е огромен - достатъчно, за да захранва 120 000 домове.
Този вид проект има икономически смисъл поради мащаба и стойността на услугите за стабилност на мрежата. За жилищни? Много по-трудно е да се оправдае, освен ако не сте наистина ангажирани или имате специфични нужди от надеждност. Въпреки че подозирам, че това се променя, тъй като разходите за компоненти спадат и цените на електроенергията се повишават.
Оперативните спестявания идват от удължен живот на оборудването и по-добра ефективност. Ако батерията ви не се изтощава от бързи цикли на зареждане-разреждане, тя издържа по-дълго. Ако вашият суперкондензатор се справя с пиковете на мощността, за които е проектиран, вместо да се опитва да осигури дълго-срочно съхранение (което би било глупаво), цялата система работи по-добре. Но трябва да го управлявате достатъчно дълго, за да възстановите тази първоначална премия.
Технически характеристики, които имат значение
Плътността на мощността спрямо енергийната плътност е основният компромис, който кара хибридните системи да работят. Мислете за плътността на мощността като колко бързо можете да получите достъп до съхранената енергия -, измерена във ватове на килограм. Енергийната плътност е колко обща енергия можете да съхранявате -, измерена във ват-часа на килограм.
Суперкондензатори: Висока плътност на мощността (10,000+ W/kg), ниска енергийна плътност (~5 Wh/kg). Те са спринтьори.
Литиево-йонни батерии: средно-висока плътност на мощността (~300-500 W/kg), висока енергийна плътност (~250 Wh/kg). Те са маратонци.
Имате нужда от двата типа атлети във вашия отбор, в зависимост от състезанието.
Скоростта-на саморазреждане също има значение. Батериите задържат заряда си седмици или месеци. Суперкондензаторите изпускат енергия бързо - ще губите значителен процент на ден, ако не сте свързани към товар. Ето защо не бихте използвали суперкондензатори за дългосрочно-резервно захранване, въпреки че някои хора онлайн изглеждат объркани от това.
Стратегии за контрол
Добре, този раздел може да стане технически, но е важен. Стратегията за контрол определя как протича енергията между различните компоненти за съхранение, натоварването и източника на енергия (мрежа или възобновяеми източници или каквото и да било).
Пиковото бръснене е един подход - хибридната система изглажда пиковете на потреблението на енергия, така че основният източник на енергия получава по-постоянен товар. Високо-компонентът за съхранение на мощност поглъща пикове, високо-енергийният компонент се справя с базовата линия. Това е огромно за интегрирането на възобновяеми енергийни източници, защото прави вятърната и слънчевата енергия да изглеждат повече като конвенционални електроцентрали с възможност за изпращане към мрежата.
Ниско{0}}филтрирането е друг метод. Високите-вариации на мощността (бързи промени) се насочват към хранилище-с плътно захранване. Вариациите на ниската-честота (бавни промени) отиват в енергийно{6}}гъсто съхранение. Математически е елегантен, въпреки че внедряването може да бъде трудно.
Някои системи използват предсказващи алгоритми, базирани на исторически модели на натоварване. Ако системата знае, че вашето съоръжение обикновено има пик на захранването всеки ден в 14:00, тя може да пре-разположи енергия в подходящия компонент за съхранение. Работи чудесно, докато моделът ви на използване не се промени и алгоритъмът изведнъж се оптимизира за грешен сценарий.
Къде сме сега
Технологията е достатъчно зряла, за да имат смисъл големите инсталации в конкретни приложения. Мрежови услуги, промишлени съоръжения с високи изисквания за захранване, широкомащабна интеграция на възобновяема енергия - това са доказани случаи на употреба. Софтуерът GEMS на Wärtsilä и подобни платформи за управление на енергията станаха доста сложни в жонглирането на множество технологии за съхранение.
По-малките{0}}мащабни жилищни приложения все още намират своята основа. Икономиката все още не работи напълно за повечето хора, въпреки че ранните осиновители и хората с ненадеждни мрежови връзки ги инсталират. Цените на батериите продължават да падат, което помага, но системите за управление и сложността на инсталацията поддържат общата цена висока.
Електрическите превозни средства вероятно са мястото, където ще видим следващата вълна от иновации. Ограниченията на теглото и пространството налагат ефективни проекти, а потенциалът за масово производство води до намаляване на разходите. Това, което работи в електромобилите, в крайна сметка ще достигне до стационарни приложения.
Въпросът за ефективността
И така, обратно към първоначалния въпрос: могат ли хибридните системи за съхранение на енергия да оптимизират ефективността?
да Но не универсално, не автоматично и не винаги икономично.
Една добре-проектирана хибридна система с подходящи контроли може да постигне-ефективност на двупосочно пътуване от 85-90% или по-добра - сравнима с или надвишаваща еднотехнологичните решения. По-важното е, че може да се справи ефективно с по-широк диапазон от работни условия. Тази гъвкавост често е по-ценна от максималната ефективност.
Повишаването на ефективността идва от използването на всяка технология за съхранение в нейния оптимален работен диапазон. Батериите не се повреждат от бърз цикъл. Суперкондензаторите не стоят бездействащи, освен по време на пикове на мощността. Цялата система работи по-плавно, което означава по-малко отпадна топлина, по-малко разграждане и по-добра дългосрочна-производителност.
Но - и това е важно - една лошо проектирана хибридна система всъщност може да бъде по-малко ефективна от една добре-избрана технология за съхранение. Ако вашите контролни алгоритми се бият помежду си, ако не отговаряте на размерите на компонентите, ако силовата ви електроника въвежда прекомерни загуби на преобразуване... просто сте похарчили повече пари, за да получите по-лоша производителност.
Какво всъщност трябва да се случи
Индустрията се нуждае от стандартизация. В момента всяка хибридна система е донякъде поръчкова - персонализирана-проектирана за нейното конкретно приложение. Това е добре за инсталации в-мрежов мащаб с екипи от инженери, но предотвратява по-широко приемане. Нуждаем се от модулни, мащабируеми дизайни, които могат да бъдат разгърнати, без да преоткриваме колелото всеки път.
Намаляване на разходите, очевидно. Суперкондензаторите все още са скъпи за ват-час съхранение, въпреки че се нуждаем от тях само заради тяхната плътност на мощността. Производственият мащаб би помогнал тук. Така биха били и алтернативните суперкондензаторни технологии (дизайните, базирани на-графен, изглеждат обещаващи, но все още са предимно в лаборатории).
По-добри алгоритми за управление, които могат да се адаптират към променящите се условия без човешка намеса. Машинното обучение всъщност може да бъде полезно тук, за разлика от повечето приложения, където това е просто реклама. Система, която научава вашите специфични модели на използване и оптимизира съответно, може значително да подобри производителността спрямо статичното програмиране.
И честно казано? По-добро образование. Повечето електрически изпълнители и монтажници не разбират наистина хибридните системи за съхранение. Повечето потребители определено не го правят. Докато хибридните системи не станат толкова познати като „резервно захранване с батерии“ в общото съзнание, приемането ще остане ограничено до специалисти и ентусиасти.
Случайни наблюдения
Продължавам да мисля за това как стигнахме дотук - опитвайки се да разрешим съхранението на енергия с единични решения в продължение на десетилетия и едва наскоро възприехме хибридни подходи в мащаб. Подобно е на начина, по който преминахме от едно-ядрени към много-ядрени процесори, когато достигнахме ограниченията за мащабиране на честотата. Понякога отговорът не е да подобрим едно нещо, а да използваме няколко неща заедно интелигентно.
Цялата тенденция за-свързване на постоянен ток за слънчева-плюс-съхранение е свързана с това. Вместо да преобразува слънчевия постоянен ток в променлив ток и след това обратно в постоянен ток за съхранение на батерията (което губи енергия и при двете преобразувания), DC-свързването поддържа всичко в постоянен ток, докато трябва да премине към мрежата за променлив ток. Намалява загубите с няколко процентни пункта. Именно тези видове оптимизации-на ниво система правят хибридните подходи полезни.
Също така си струва да се отбележи: предизвикателствата при термичното управление в хибридните системи са не-тривиални. Батериите генерират топлина по време на работа. Суперкондензаторите генерират топлина. Маховиците генерират топлина от триенето на лагерите. Опаковайте всичко заедно и имате нужда от сериозно охлаждане. Виждал съм инсталации, при които охладителната система черпи достатъчно енергия, за да намали значително общата ефективност. Нещо за разглеждане.
Бъдещата част (задължителна, но спекулативна)
Твърдо{0}}батериите може да променят изцяло играта. Ако получим батерии както с висока енергийна плътност, така и с висока мощностна плътност с дълъг живот на цикъла... може би хибридните системи ще станат ненужни. Или може би стават още по-усъвършенствани, съчетавайки полупроводникови-батерии с други технологии за още по-добра производителност. Трудно е да се каже.
Съхранението на водород също се крие на заден план. Някои хибридни системи изследват преобразуването-в-газ за дълго-съхранение (седмици или месеци), съчетано с батерии и суперкондензатори за краткосрочни-нужди. Сложно е и има загуби на ефективност, но за наистина сезонно съхранение може да е единствената жизнеспособна опция в мащаб.
Самата мрежа се превръща в хибридна енергийна система - не само за съхранение, но и за генериране, пренос, разпределение, всички работещи заедно с нарастваща сложност. Интеграцията-към-решетката добавя още един слой. В крайна сметка може би ще спрем да мислим за отделни „системи“ и ще започнем да мислим за напълно интегрирана енергийна екосистема.
Но вероятно изпреварвам себе си. В момента все още измисляме как надеждно да сдвоим батерии със суперкондензатори, без системите за управление да се разтопят.
Заключение
Хибридните системи за съхранение на енергия работят. Те оптимизират ефективността по начини, които-единичните технологични решения не могат да се сравнят. Технологията е доказана, ползите са реални, а приложенията растат.
Дали те имат смисъл за всяка конкретна ситуация зависи от техническите изисквания, икономическите фактори и честно казано колко сложност сте готови да се справите. За интегриране на възобновяеми енергийни-мащаби и индустриални приложения те все повече се превръщат в избор по подразбиране. За жилищни и малки търговски обекти все още не сме стигнали.
Фундаменталното прозрение -, че комбинирането на допълващи се технологии води до по-добри резултати от опитите за усъвършенстване на едно решение - изглежда очевидно в ретроспекция. Повечето добри идеи го правят. Предизвикателството сега е да направим хибридните системи по-евтини, по-опростени и по-достъпни, за да могат да предоставят предимствата си по-широко.
И ако мислите да инсталирате такъв, говорете с някой, който наистина разбира от силова електроника и системи за управление на енергията. Не просто продавач. Тези неща са сложни и грешното излиза скъпо.