utánanéztemenergiatárolásegy ideje, és őszintén? Az egész zavaró volt, amíg rá nem botlottam a hibrid rendszerekre. Íme az üzlet -, túl régóta próbáljuk megoldani az energiatárolást egyetlen megoldással, de ez nem úgy működik, ahogy kellene.
A probléma, amiről senki sem beszél
Egy akkumulátor napokig képes energiát tartani. Nagy. De amikor hirtelen áramfelvételre van szüksége -, például amikor a napelemek leállnak, és a váltakozó áram is bekapcsol, - ugyanez az akkumulátor küzd. Nem arra tervezték. Eközben a szuperkondenzátorok ezredmásodpercek alatt képesek leadni az energiát, de gyorsabban szivárogtatják ki az energiát, mint ahogyan egy szita vizet tart.
Emlékszem, olvastam erről a SMES (szupravezető mágneses energiatároló) beállításról, amely egy normál akkumulátorral párosult, és arra gondoltam, hogy "várj, miért nem csinálta ezt korábban senki?" Kiderült, megvannak. Csak nem elég ember figyel.
A hibrid megközelítés alapvetően azt mondja: miért ne használnánk mindkettőt? Hagyja, hogy az akkumulátor azt csinálja, amihez a legjobban - tárolja az energiát-hosszú távon. Hagyja, hogy a szuperkondenzátor kezelje az őrült teljesítménycsúcsokat. Nyilvánvalóan hangzik, ha hangosan kimondja, igaz?
Amikor két technológiának együtt van értelme
Szóval itt válik érdekessé. A hibrid energiatároló rendszerek egész ötlete nem csak abból áll, hogy össze kell csapni két különböző tárolótípust, és egy napnak nevezni. Valójában mérnöki gondolatok állnak mögötte, bár egyes megvalósítások határozottan jobbak, mint mások.
Vegyük a SMES/akkumulátor kombinációt. A szupravezető rész őrült teljesítménysűrűségű - ezredmásodpercben mért válaszidőről beszélünk. De drága és a méretéhez képest nem sok energiát hordoz. Elemek? Teljesen ellentétes probléma. Párosítsa őket, és van valami, ami képes kezelni a rövid feszültségingadozásokat és a hosszú távú energiaellátást is. Egy rendszer specifikációit láttam, amelyek azt mutatták, hogy csaknem 30%-kal csökkenthetik a beruházási költségeket egyetlen tárolótípus túlméretezéséhez képest. Ez valódi pénz.
Az akkumulátorokkal párosított lendkerekek egy másik kombináció, amelyet lenyűgözőnek találok, valószínűleg azért, mert a mechanikai szempont jobban tetszik, mint a tiszta elektrokémia. A lendkerék kezeli a nagy-frekvenciás energiaingadozásokat, - gondolj csak -másodperces dolgokra -, míg az akkumulátor a hosszabb, lassabb ingadozásokat kezeli. A hálózati frekvenciaszabályozás szereti ezt a beállítást.
A rész, ami valójában számít (a legtöbb ember számára)
Itt van szerintem az, ami elveszik az összes műszaki papírban és tájékoztatóban: hiábavaló a megújuló energia, ha nem tudjuk megfelelően tárolni. A napelemek energiát termelnek, amikor süt a nap. Úttörő megfigyelés, tudom. De éjszaka is szüksége van áramra, és a szél nem a vacsoraterveinek megfelelő ütemezés szerint fúj.
Egy megfelelően megtervezett hibrid rendszer képes optimalizálni, hogyan fogjuk fel és engedjük fel ezt az energiát. Amikor a napenergia hirtelen lecsökken, mert egy felhő átvonult (vagy azért, mert naplemente történt), a szuperkondenzátor komponens azonnal működésbe lép, miközben az akkumulátor felpörög. Ez megakadályozza a feszültség csökkenését, és a lámpákat a bosszantó villogás nélkül égve tartja.
A szuperkondenzátorokkal ellátott sűrített levegős energiatároló (CAES) is vad, bár bevallom, nem látom annyira bevetve. A CAES úgy tárolja az energiát, hogy a levegőt szó szerint földalatti barlangokba vagy tartályokba sűríti. Mechanikus, furcsa, és ha szupersapkákkal párosítod a gyors reagálás érdekében... valójában elég jól működik a rács stabilizálására. Bár a megfelelő geológia megtalálása a nagy-léptékű CAES számára a saját rémálma.
Igazi-világi rendetlenség
Meg kell említenem valamit, ami nem kerül be a legtöbb technikai vitába: ezeket a rendszereket bonyolult kezelni. Tényleg bonyolult. Kifinomult vezérlőrendszerekre van szüksége annak eldöntéséhez, hogy melyik tárolóelem melyik pillanatban melyik terhelést kezelje. Félreérti, és csak pénzt és hatékonyságot pazarol.
Az energiagazdálkodási rendszernek - nevezzük EMS-nek, mert az rövidebb, - valós időben kell figyelnie az energiaigényt-, és megfelelően fel kell osztania a terhelést. Nagy teljesítmény, rövid élettartam? Vezesse a szuperkondenzátorhoz vagy a lendkerékhez. Tartós terhelés? Az akkumulátor kezeli. Egyszerűen hangzik. Nem az.
Van olyan dolog is, ahol a különböző tárolási technológiák eltérő leromlási mintázatot mutatnak. A lítium-ionos akkumulátorok utálják, ha teljesen lemerülnek. A szuperkondenzátorok több millió ciklust képesek kezelni, de lassan elvesztik kapacitásukat. Az Ön vezérlőrendszerének ezt figyelembe kell vennie, egyensúlyba hozva a mai teljesítményt a holnapi élettartammal. Mintha... mindenhol sprintelhetsz, és elkoptathatod a térdeidet, vagy tempózhatsz. Az EMS-nek naponta ezerszer kell meghoznia ezt a döntést.
Miért törődnek az elektromos járművekkel (talán jobban, mint gondolnád)
Az elektromos járművek alapvetően ugyanazzal a problémával küzdenek, mint a hálózati tárolóknál, csak kicsinyítve és mobilként. Olyan - tartományt szeretne, amelyhez nagy energiasűrűségű akkumulátorok szükségesek. De szeretne olyan gyorsulást és regeneratív fékezést is, amely gyorsan képes hatalmas mennyiségű energiát felvenni. Egy akkumulátortípus nem tudja mindkettőt optimálisan teljesíteni.
Egyes elektromos járművek gyártói kísérleteznek hibrid tárolóval, - egy nagy lítium-ioncsomaggal a hatótávolság érdekében, amelyet szuperkondenzátorokkal egészítenek ki a teljesítménykitörésekhez. A szupersapkák felfogják azt a regeneratív fékezési energiát, amely egyébként elveszne (mert az akkumulátorok nem tudnak olyan gyorsan feltöltődni), és extra lökést adnak a gyorsításhoz anélkül, hogy megterhelnék a fő akkumulátort.
Olcsóbbá teszi az elektromos autókat? Nem. Valójában előre megdrágítja őket. De az akkumulátor leromlása jelentősen lelassul, ami 10 éves élettartam alatt... valószínűleg megéri? A matematikáról még mindig vita folyik.
Költség-valóságellenőrzés
Beszéljünk a pénzről, mert ostobaság úgy tenni, mintha a költség nem számítana. A hibrid rendszerek kezdetben drágábbak. Két vagy több tárolási technológiát vásárol egy helyett, valamint a kezelésükhöz szükséges vezérlőrendszereket. Ausztráliában a legnagyobb egyenáramú-csatolt hibrid akkumulátorrendszert telepítik nemzeti villamosenergia-piacukon. A méretek hatalmasak - ahhoz, hogy 120 000 otthont tápláljanak.
Ez a fajta projekt gazdaságilag ésszerű a méret és a hálózatstabilitási szolgáltatások értéke miatt. Lakásra? Sokkal nehezebb megindokolni, hacsak nem vagy igazán elkötelezett, vagy ha konkrét megbízhatósági igényed van. Bár gyanítom, hogy ez megváltozik, ahogy az alkatrészek költségei csökkennek és az elektromos áram díja emelkedik.
Az üzemeltetési megtakarítás a berendezések hosszabb élettartamából és jobb hatékonyságából származik. Ha az akkumulátort nem kalapálják a gyors töltési-kisütési ciklusok, tovább tart. Ha a szuperkondenzátor kezeli a teljesítménycsúcsokat, amelyekre tervezték, ahelyett, hogy hosszú távú tárolást próbálna- biztosítani (ami hülyeség lenne), az egész rendszer jobban működik. De elég sokáig kell működnie ahhoz, hogy megtérítse a kezdeti prémiumot.
A lényeges műszaki adatok
A teljesítménysűrűség és az energiasűrűség az az alapvető kompromisszum, amely a hibrid rendszereket működőképessé teszi. Gondoljon a teljesítménysűrűségre úgy, hogy milyen gyorsan tud hozzáférni a tárolt energiához - watt per kilogrammban mérve. Az energiasűrűség az, hogy mennyi energiát tud tárolni - watt-órában kilogrammonként.
Szuperkondenzátorok: Nagy teljesítménysűrűség (10,000+ W/kg), alacsony energiasűrűség (~5 Wh/kg). Ők sprinterek.
Lítium{0}}ion akkumulátorok: Közepes-nagy teljesítménysűrűség (~300-500 W/kg), nagy energiasűrűség (~250 Wh/kg). Ők maratoni futók.
A versenytől függően mindkét típusú sportolóra szükség van a csapatba.
Az önkisülési arány is számít{0}}. Az akkumulátorok hetekig vagy hónapokig tartják a töltöttségüket. A szuperkondenzátorok gyorsan kiszivárogtatják az energiát -, napi jelentős százalékot veszít, ha nem csatlakozik terheléshez. Ez az oka annak, hogy nem használna szuperkondenzátorokat hosszú távon-tartalék tápellátásra, még akkor is, ha az interneten néhány ember zavarban van ezzel kapcsolatban.
Irányítási stratégiák
Oké, lehet, hogy ez a rész technikai jellegű lesz, de fontos. A szabályozási stratégia meghatározza, hogy az energia hogyan áramlik a különböző tárolóelemek, a terhelés és az energiaforrás (hálózat vagy megújuló vagy bármi más) között.
A csúcsborotválkozás az egyik megközelítés - a hibrid rendszer kisimítja az energiaigény-csúcsokat, így a fő áramforrás állandóbb terhelést lát. A nagy-teljesítményű tárolókomponens elnyeli a csúcsokat, a nagy-energiájú komponens kezeli az alapvonalat. Ez óriási a megújuló energiaforrások integrációja szempontjából, mert a szél- és napenergiát jobban hasonlítja a hagyományos, hálózatra küldhető erőművekhez.
Az aluláteresztő szűrés egy másik módszer. A nagy-frekvenciás teljesítményváltozások (gyors változások) a nagy teljesítményű-tárolóba kerülnek. Az alacsony-frekvenciás ingadozások (lassú változások) az energiasűrűségű-tároláshoz mennek. Matematikailag elegáns, bár a megvalósítás bonyolult lehet.
Egyes rendszerek a korábbi terhelési mintákon alapuló prediktív algoritmusokat használnak. Ha a rendszer tudja, hogy az Ön létesítményében minden nap 14:00-kor van teljesítménycsúcs, akkor előre -elhelyezheti az energiát a megfelelő tárolóelemben. Kiválóan működik, amíg a használati minta meg nem változik, és az algoritmus hirtelen rossz forgatókönyvre nem optimalizál.
Hol vagyunk most
A technológia már eléggé kiforrott ahhoz, hogy a nagy telepítések értelmesek legyenek bizonyos alkalmazásokban. Hálózati szolgáltatások, nagy teljesítményigényű ipari létesítmények, nagy-léptékű megújuló integráció - ezek bizonyított felhasználási esetek. A Wärtsilä GEMS szoftvere és hasonló energiagazdálkodási platformjai meglehetősen kifinomulttá váltak a többféle tárolási technológia kezelésében.
A kisebb,{0}}lakossági alkalmazások még mindig megtalálják a lábukat. A közgazdaságtan a legtöbb ember számára még nem működik, bár a korai alkalmazók és a megbízhatatlan hálózati kapcsolattal rendelkezők telepítik őket. Az akkumulátorárak folyamatosan csökkennek, ami segít, de a vezérlőrendszerek és a telepítés bonyolultsága magasan tartja a teljes költséget.
Valószínűleg az elektromos járművek jelentik az innováció következő hullámát. A súly- és helyszűke hatékony tervezést kényszerít ki, a tömeggyártási potenciál pedig költségcsökkentést eredményez. Ami az elektromos járművekben működik, az előbb-utóbb a helyhez kötött alkalmazásokba is átszivárog.
A hatékonyság kérdése
Tehát visszatérve az eredeti kérdéshez: optimalizálhatják-e a hibrid energiatároló rendszerek a hatékonyságot?
Igen. De nem általánosan, nem automatikusan, és nem mindig gazdaságilag.
Egy jól-megtervezett hibrid rendszer megfelelő vezérléssel 85-90%-os vagy jobb --os oda-vissza út-hatékonyságot érhet el, amely összehasonlítható vagy meghaladja az egytechnológiás megoldásokat. Ennél is fontosabb, hogy a működési feltételek szélesebb körét képes hatékonyan kezelni. Ez a rugalmasság gyakran értékesebb, mint a csúcshatékonyság.
A hatékonyságnövekedés az egyes tárolási technológiák optimális működési tartományában történő használatából származik. Az akkumulátorok nem ütődnek le a gyors kerékpározástól. A szuperkondenzátorok nem ücsörögnek tétlenül, kivéve a teljesítménycsúcsok idején. Az egész rendszer zökkenőmentesebben működik, ami kevesebb hulladékhőt, kisebb lebomlást és jobb hosszú távú{3}}teljesítményt jelent.
De - és ez fontos - egy rosszul megtervezett hibrid rendszer valójában kevésbé hatékony, mint egyetlen jól-megválasztott tárolási technológia. Ha a vezérlőalgoritmusok harcolnak egymással, ha nem egyezik meg az alkatrészek mérete, ha a teljesítményelektronikája túlzott konverziós veszteséget okoz, akkor csak több pénzt költött a rosszabb teljesítmény érdekében.
Aminek valójában meg kell történnie
Az iparnak szabványosításra van szüksége. Jelenleg minden hibrid rendszert bizonyos mértékben - testre szabott-az adott alkalmazáshoz. Ez rendben van a grid{4}léptékű telepítéseknél mérnökcsapatokkal, de megakadályozza a szélesebb körű alkalmazást. Moduláris, méretezhető konstrukciókra van szükségünk, amelyek anélkül telepíthetők, hogy minden alkalommal újra fel kellene találni a kereket.
Költségcsökkentés, nyilván. A szuperkondenzátorok még mindig drágák watt{1}}tárolási órára vetítve, pedig csak a teljesítménysűrűségük miatt van szükségünk rájuk. A gyártási méret itt segítene. Hasonlóan lennének az alternatív szuperkondenzátor-technológiák is (a grafén{4}}alapú kialakítások ígéretesnek tűnnek, de többnyire még mindig laboratóriumokban vannak).
Jobb vezérlési algoritmusok, amelyek emberi beavatkozás nélkül is alkalmazkodnak a változó körülményekhez. A gépi tanulás valóban hasznos lehet itt, ellentétben a legtöbb alkalmazással, ahol csak hype. Egy olyan rendszer, amely megtanulja az Ön konkrét használati mintáit, és ennek megfelelően optimalizál, jelentősen javíthatja a teljesítményt a statikus programozáshoz képest.
És őszintén? Jobb oktatás. A legtöbb elektromos vállalkozó és szerelő nem igazán érti a hibrid tárolórendszereket. A legtöbb fogyasztó határozottan nem. Amíg a hibrid rendszerek olyan ismerőssé nem válnak, mint az „akkumulátoros biztonsági mentés” az általános tudatban, az elfogadás csak a szakemberek és a rajongók körében marad.
Véletlenszerű megfigyelések
Folyamatosan azon gondolkozom, hogyan jutottunk el idáig, - hogy évtizedek óta egyetlen megoldással próbáljuk megoldani az energiatárolást, és csak mostanában alkalmazzuk a hibrid megközelítéseket. Hasonló ez ahhoz, ahogyan az egy-magos processzorokról a több-magos processzorokra tértünk át, amikor elértük a frekvenciaskálázási korlátokat. Néha a válasz nem az, hogy egy dolgot javítunk, hanem több dolgot intelligensen együtt használunk.
A napelemes-plusz-tárolás teljes egyenáramú-csatolási trendje ehhez kapcsolódik. Ahelyett, hogy a napenergiát váltóárammá, majd vissza egyenárammá alakítaná át az akkumulátor tárolására (ami mindkét átalakításnál energiát pazarol), az egyenáramú-csatolás mindent egyenáramban tart, amíg a váltakozó áramú hálózatra kell mennie. Több százalékponttal csökkenti a veszteségeket. Az ilyen típusú,{7}}rendszerszintű optimalizálások teszik érdemessé a hibrid megközelítéseket.
Érdemes megjegyezni: a hibrid rendszerek hőkezelési kihívásai nem-triviálisak. Az akkumulátorok működés közben hőt termelnek. A szuperkondenzátorok hőt termelnek. A lendkerekek hőt termelnek a csapágyak súrlódásából. Pakolj össze mindent, és komoly hűtésre van szükséged. Láttam olyan berendezéseket, ahol a hűtőrendszer elegendő energiát vesz fel ahhoz, hogy észrevehetően csökkentse az általános hatékonyságot. Valami megfontolandó.
A jövő rész (kötelező, de spekulatív)
A félvezetős{0}}elemek teljesen megváltoztathatják a játékot. Ha egyszerre kapunk nagy energiasűrűségű és nagy teljesítménysűrűségű akkumulátorokat, hosszú élettartammal... talán feleslegessé válnak a hibrid rendszerek. Vagy talán még kifinomultabbá válnak, és a szilárdtest-akkumulátorokat más technológiákkal párosítják a még jobb teljesítmény érdekében. Nehéz megmondani.
A háttérben a hidrogéntárolás is ott lapul. Egyes hibrid rendszerek az energia-gázzá{2}}konverzióját vizsgálják a hosszú-időtartamú (hetek vagy hónapok) tárolás érdekében, akkumulátorokkal és szuperkondenzátorokkal párosítva a rövid távú-szükségletek érdekében. Bonyolult és hatékonysági veszteségekkel jár, de a valóban szezonális tároláshoz ez lehet az egyetlen életképes megoldás nagy méretekben.
Maga a hálózat hibrid energiarendszerré válik, - nem csak tárolás, hanem termelés, átvitel, elosztás, és mindez egyre kifinomultabban működik együtt. A jármű--rács{3}}integrációja újabb réteget ad hozzá. Végül talán felhagyunk a különálló „rendszereken” való gondolkodással, és elkezdünk egy teljesen integrált energiaökoszisztémán gondolkodni.
De valószínűleg megelőzöm magam. Jelenleg még mindig azon dolgozunk, hogyan párosítsuk megbízhatóan az akkumulátorokat szuperkondenzátorokkal anélkül, hogy a vezérlőrendszerek összeomlanak.
Következtetés
Hibrid energiatároló rendszerek működnek. Olyan módon optimalizálják a hatékonyságot, amelyhez egyetlen-technológiai megoldás nem fér hozzá. A technológia bevált, az előnyök valódiak, és az alkalmazások egyre bővülnek.
A műszaki követelményektől, a gazdasági tényezőktől és őszintén szólva attól, hogy milyen összetettséggel hajlandó megbirkózni, az, hogy egy adott helyzetben van-e értelme. A grid-léptékű megújulóenergia-integráció és az ipari alkalmazások esetében egyre inkább ezek válnak az alapértelmezett választássá. A lakossági és kiskereskedelmi helyek esetében még nem tartunk ott.
Visszatekintve nyilvánvalónak tűnik az az alapvető felismerés, -, hogy a kiegészítő technológiák kombinálása jobb eredményeket hoz, mint egyetlen megoldás tökéletesítése -. A legtöbb jó ötlet igen. A kihívás most az, hogy a hibrid rendszereket olcsóbbá, egyszerűbbé és hozzáférhetőbbé tegyük, hogy azok szélesebb körben kiaknázhassák előnyeiket.
Ha pedig egy ilyen telepítésén gondolkodik, beszéljen valakivel, aki valóban érti a teljesítményelektronikát és az energiagazdálkodási rendszereket. Nem csak eladó. Ez bonyolult dolog, és a félreértés drága.