ЕНЕРГИЯ - Списание за оборудване, технологии и инженеринггодина XII, брой 5, 2020

Интелигентно управление и съхранение на енергията

Интелигентно управление и съхранение на енергията

Използването на все повече алтернативни източници на енергия налага развитието не само на технологии за по- ефективно производство на електричество, но и на системи за неговото управление и съхранение, защото при възобновяемите енергийни източници (ВЕИ) обикновено пиковете на производство и на потребление не съвпадат. Разработват се различни технологии, които да оптимизират свързването на разпределени източници на енергия към електропреносната мрежа. Интелигентните решения за управление на енергия и тези за нейното съхранение се развиват паралелно, за да се предотвратят загуби по мрежата, авариии или недостиг на електроенергия заради спецификите на ВЕИ, както и за да може тези източници на енергия да стават все по-конкурентоспособни и икономически рентабилни. Технологиите за съхранение включват както разработването на нови видове батерии, произвеждани от различни материали, така и по-иновативни методи, използващи силата на гравитацията или специфични химически процеси.

Енергетиката на различни места по света се пренасочва към употребата на възобновяеми енергийни източници. В много случаи това е по екологични съображения, а в други това е продиктувано от непрактичността и икономическата нерентабилност на евентуално разширение на традиционната електропреносна мрежа. Много селища или стопанства в изолирани местности се нуждаят от автономен източник на електроенергия и с развитието на технологиите, свързани с ВЕИ, такива райони заместват своите генератори, работещи с изкопаеми горива, със соларни панели.

Необходимост от съхранение и интелигентно управление
Макар че технологиите за производство на електроенергия от възобновяеми енергийни източници се развиват, така че да постигат по-високи добиви, това само по себе си не гарантира тяхното разпространение. От ключово значение за практическото използване на ВЕИ и способността им да станат достатъчно надеждни и икономически рентабилни, за да изместят използването на изкопаеми горива, са два други типа технологии - за интелигентното управление и за съхранението на енергия.

От една страна чрез интелигентни електропреносни съоръжения енергия ще се пренасочва към местата, където е необходима, или ще се осигурява потребление, когато има пик на генерирането. В най-голям мащаб това включва например свързването на електропреносните мрежи в Европа, така че търговията с електричество да преминава и през националните граници и слънчева енергия, генерирана в Южна Европа, да може да достигне електрическата мрежа в по-северните райони, или произведената в северната част на континента вятърна енергия да достигне южната му част. В много по-малък мащаб това интелигентно използване на енергията обхваща зареждането на електромобили или включването на различни електроуреди тогава, когато в мрежата има излишък на електроенергия.

От друга страна, колко и добре да бъдат управлявани ВЕИ, тяхната непостоянност не може да бъде напълно елиминирана само чрез ефективно управление на мрежата. За да се разделят генерирането и консумирането на електричество, необходимо е част от енергията да бъде съхранявана. Съоръженията за производство на възобновяема енергия обикновено имат и генератори, работещи с традиционен тип гориво, които се включват, за да компенсират намаляването или спирането на работата на основните генератори и така електрическата система да бъде достатъчно надеждна.

Способността и желанието на енергийните оператори да дадат възможност на собствениците на малки по мащаб системи за съхранение на енергия да реализират печалба от инвестицията си ще бъдат от решаващо значение за разпространението на тези системи. Този процес е движен от техническия напредък по отношение на блокчейн, изкуствения интелект и съчетаването на системи за балансиране на мрежата. С все по-голямото използване от страна на енергийните оператори на широкомащабното разполагане на малки батерии намалява претоварването на мрежата и нуждите от пиков капацитет. Това води и до предлагане на стимули пред клиентите за инвестиране в такива съоръжения и някои анализатори очакват тези мерки да са основният двигател на системите за съхранение на енергия. Друг двигател на разпространението на съхранението на енергия в малки мащаби включва повишаване на самопотреблението на енергия.

Батерии
Технологичното развитие при метало-йонните батерии трябва да ги направи ултра бързи и издръжливи, с голям капацитет, така че да отговорят на нарастващото търсене на иновации за съхранение на енергия. Иновации по отношение на акумулаторните материали могат да доведат до създаването на калиево-йонна батерия. По отношение на катода се експериментира с различни органични материали, чието предимство е, че са универсални, редукционните им механизми са много по-малко специфични по отношение на характера на противо-йона, което улеснява намирането на алтернатива на литиево-йонните батерии. С покачването на цените на лития все по-основателно става търсенето на материал, с който той да бъде заменен, като например по-евтините натрий или калий. Електроактивните органични материали могат да проправят пътя за ново поколение устройства за съхранение на електрохимична енергия, съчетаващи предимствата на метало-йонните батерии и суперкондензаторите.

Литиево-серните батерии са едно от многото електро-химически решения за съхранение на енергия, за които се смята, че имат потенциално далеч по-голям капацитет за съхранение от днешните литиево-йонни батерии, като разчитат на по-евтини и изобилни материали. Но оползотворяването на този потенциал е затруднено от нежелана реакция, при която по време на зареждането непълно окислените литиево-серни съединения могат да се разтворят в електролита. След това съединенията се редуцират на анода и се окисляват при катода, като губят заряда на батерията. Реакцията се случва, защото полисулфидите лесно се разтварят в обикновени електролити, съдържащи диоксолан и диметоксиетан. Съществува обаче нов клас електролити, хидрофлуороетери, в които полисулфидите не се разтварят толкова лесно. Установена е връзката между органичната структура и електрохимичните характеристики на материала, на чиято основа да се разработи общо правило за прогнозиране на разтворимостта и проводимостта на различни хидрофлуороетерни молекули. Електролитните химични вещества, които се представят най-добре по отношение на елиминирането на нежелания ефект върху полисулфидите в същото време са най-слаби по отношение на проводимостта, което означава, че още не е открита правилната формула за създаване на ефективни литиево-серни батерии.

Други технологии за съхранение на енергия
Устройствата за съхранение на химическа енергия (батерии) и електрохимичните кондензатори (EК) са сред водещите технологии за съхранение на енергия днес. И двете се базират на електрохимия. Основната разлика между тях е, че батериите съхраняват енергия в химически реагенти, способни да генерират заряд, докато ЕК съхраняват енергия директно като заряд. Различните видове технологии за батерии се разработват както във връзка с децентрализираното съхранение на енергия в малки мащаби, така и заради постепенното преминаване на транспортния и други сектори на икономиката към електроенергията. Самите електромобили започват все повече да се възприемат не просто като превозни средства, използващи електричество, но като важна част от интелигентната електрическа мрежа, чието зареждане и разреждане да бъде съобразено със състоянието на мрежата. Съществуват обаче и се развиват и други методи за съхранение на енергия, които често се използват за централизирано съхранение при предприятията за нейното производство с цел балансиране на натоварването на мрежата. За да се постигнат целите за оптимално използване на ВЕИ за удовлетворяване на ежедневните енергийни нужди на модерното общество технологиите трябва да се развият отвъд литиево-йонните батерии. Има множество потенциални решения, които варират от други високотехнологични опции като поточни батерии, които изпомпват течни електролити, и водородни горивни клетки до по-прости концепции, като помпено-акумулиращите водноелектрически централи (ПАВЕЦ), и концепция, която се нарича гравитационно съхранение.

Австрийски изследователи представиха идея гравитационно съхранение на енергия за места с ниско потребление. Предложената система може да се комбинира и с други начини за съхранение на енергия, както и с ВЕИ. Гравитационното акумулиране на енергия, подобно на ПАВЕЦ, се основава на прост принцип - използването на енергия по време на фазата на зареждане на системата, за да се транспортира твърда маса от по-ниско до по-високо ниво, така че след това да се освободи енергия, когато се освободи твърдата маса и се задейства електрически генератор. Колкото по-голяма е масата, която се транспортира, толкова повече енергия ще се отделя при нейното спускане и въз основа на това австрийските изследователи предлагат система за съхранение на енергия чрез планинската гравитация (mountain gravity energy storage - MGES). Учените твърдят, че подобна система за съхранение би могла да се комбинира с хидроенергия и би била идеална за места с ниско потребление (около 1-20MW) и с продължителни цикли - от седем дни до три години. Технологията ще включва два крана на ръба на планината от място за съхранение в основата и електродвигател на горно място за съхранение за транспортиране на твърда маса от пясък или чакъл. Системите MGES биха могли да бъдат проектирани да съхраняват енергия в продължение на месеци и да генерират малко, но постоянно количество енергия за дълги периоди.

Друг проект, свързан с гравитационно съхранение на енергия, е Energy Vault, също вдъхновен от ПАВЕЦ, но заменящ водата с бетонни тухли, произведени по поръчка, от които се изграждат кули за съхранение на енергия, при които по иновативен начин се употребяват евтини материали. Масивните тухли се комбинират с патентована система и софтуер за управление на новопроектиран кран. Кранът контролира кулата за съхранение на енергия и заряда/разряда на електроенергия, като същевременно отчита различни фактори, включително нестабилност на енергийното предлагане и потребление, метеорологични условия и други променливи като инерция и отклонение на системата. В резултат на това Energy Vault може да осигури всички предимства на гравитачно изпомпвана хидросистема, но при по-ниска цена, по-висока ефективност на обратно пътуване, без нуждата да бъде изграждана на специфичен терен и без отрицателно въздействие върху околната среда или дивата природа.

Smart Energy Hub, хибридна система за съхранение и съвместно производство на енергия, дава възможност излишъкът от електричество, произведен например от соларни панели, да се съхранява под формата на водороден газ, а след това съхранената енергия да се освобождава под формата на електричество, както и чрез съвместно производство - топлината, произведена от газа, се използва за отопление на помещения. Иновацията на системата се състои в обратимостта на енергийния процесор. Smart Energy Hub може да работи в режим на електролиза, за да съхранява възобновяема енергия като водород, или в режим на горивни клетки, за да произвежда електричество и топлина от по-рано произведен водород или метан. Smart Energy Hub е базиран на технологията за твърди оксидни горивни клетки (rSOC), разработена от френската CEA. Очаква се първите блокове, които ще бъдат пуснати на пазара, да бъдат произведени през 2021 г. Първите системи ще бъдат насочени към сгради и еко-квартали.

По отношение на развитието на интелигентните системи за съхранение, термопомпите предлагат възможност за отделяне на потреблението на електроенергия от потреблението на топлина. Това е много полезно за увеличаване на производителността и навлизането на ВЕИ в интелигентна мрежа. Латентната топлинна енергия се съхранява чрез промяна на агрегатното състояние на съхраняващите материали. Решенията за латентно съхранение обикновено използват промяна между твърдо и течно състояние, за да съхраняват/освобождават топлинна енергия. През последното десетилетие също имаше засилен интерес към термохимичното съхранение на енергия, при което топлината се съхранява в химически връзки от специални материали и процесът на зареждане/разреждане е ендотермична или екзотермична реакция.

Друго усъвършенствано решение за съхранение на енергия са редокс поточни батерии (горивни клетки), които заместват твърдите електроди с енергийно плътни електролитични съединения (водород-литиев бромат, бром-водород, органични съединения и др.), разделени от мембрана, която получава или отдава заряд, когато течности циркулират в съответните си пространства, а йонният обмен се осъществява през мембранния разделител, когато електролитите се подлагат на редукция и окисляване (редокс) и от своя страна могат да съхраняват големи количества енергия, което ги прави подходящи за свързване към мрежата.

Възможностите за интелигентно управление
Свързването на възобновяемите източници на енергия към електропреносната мрежа е свързано и с промяна в нейното функциониране, тъй-като ВЕИ се характеризират с непостоянност, с пикове, когато има свръхпроизводство и съответно излишък на енергия, спадове и пълно спиране на производството, както и много колебания между тези две състояния на системата. От помощ тук може да бъде трансграничното свързване на електропреносните мрежи на различни държави, така че когато в една от тях има излишък на енергия, той да може да се пренасочва към друга. По този начин например в Европа могат да се създадат зони или цели региони за обмен на енергия, повече или по-малко централизирани, като се правят различни модели, които да предвидят коя система би се развила по-бързо и би била по-икономически изгодна. Едно такова свързване на мрежите може да помогне за намаляване на разходите за балансиране на системата (което е едно от основните затруднения при ВЕИ) и за съхранение на електроенергия (което е другият метод за справяне с пиковете и спадовете на производството). За да могат обаче тези модели да предоставят надеждни предвиждания за развитието, необходимо е да се направят повече проучвания относно поведението на т. нар. просуматори, които са едновременно производители и консуматори на енергия и могат да бъдат отделни домакинства или търговски или промишлени предприятия. Решенията, които те взимат, например дали да съхраняват енергия в собствени устройства или да подават към мрежата всеки излишък, ще са ключови за това дали ще бъде по-добре да се създаде централизирана, децентрализирана или хибридна общоевропейска енергийна мрежа.

Друг важен фактор, свързан с интелигентното управление на енергия, е стандартизацията на различните компоненти на мрежата, така че към нея да могат да се свързват различни хардуерни елементи, да се използват различни софтуерни програми и алгоритми. При успешно възприемане на определени стандарти от производителите в енергийния сектор може да се постигне хармонично съчетаване на различни технологии.

Прилагане на технологиите в микромрежи
Електрическата компания IESO в Онтарио, Канада, възнамерява да се справи с нарастващата нужда от електроенергия в региона Йорк, като вместо да разширява електропреносната мрежа, използва пилотен проект, съчетаващ фотоволтаици, средства за съхранение и интелигентно управление на енергията. Ако има успех, това може да е началото на много проекти с разпределени енергийни ресурси. Проект на остров Изабела в архипелага Галапагос в Еквадор ще предостави на 3500 местни жители енергия, генерирана от местни ресурси, включително растително масло, вместо да се инвестира в разширяване на континенталната електропреносна мрежа, което би включвало и скъпото инсталиране на подводен електропреносен кабел. Резултатът е кръгова система, при която няма транспортни разходи, свързани с горивата, тъй като спадове в електроподаването от ВЕИ могат да бъдат компенсирани от генераторите, работещи с растително масло. Рискът от разливане при транспортиране на дизелово или друго гориво може да бъде елиминиран. Това е важно преимущество, тъй като архипелагът беше особено засегнат от няколко корабни инциденти през последните десетилетия. Подобни проекти за електроснабдяване на малки острови чрез електрически микромрежи има например и в Индонезия, където цената на слънчевата енергия е по-ниска от цената на дизела, използван в електрогенератори.

Ключовото в подобен тип проекти е именно използването на съоръжения за съхранение на енергията и интелигентни системи за пренасочването є. Така системата разполага с достатъчно гъвкавост, за да се постигне разделяне на производството от консумацията на електроенергия, което позволява използване на произведено от соларни панели електричество през нощта или на произведено от вятърни турбини електричество в тихо време. По този начин се намаляват загубите и проектите стават финансово рентабилни, особено в сравнение с разходите за изграждане на мащабни електропреносни линии и съоръжения, при които също има загуба на енергия.