я изучалнакопитель энергииуже давно, и честно? Все это сбивало с толку, пока я не наткнулся на гибридные системы. Вот в чем дело: - мы слишком долго пытались решить проблему хранения энергии с помощью отдельных решений, но они просто не работают так, как нам нужно.
Проблема, о которой никто не говорит
Батарея может сохранять энергию в течение нескольких дней. Большой. Но когда вам нужен внезапный всплеск мощности -, например, когда ваши солнечные панели перестают работать, и в то же время включается переменный ток -, та же самая батарея начинает работать плохо. Он не предназначен для этого. Между тем, суперконденсаторы могут сбрасывать энергию за миллисекунды, но они теряют энергию быстрее, чем сито удерживает воду.
Я помню, как читал об этой установке SMES (сверхпроводящее накопление магнитной энергии) в сочетании с обычным аккумуляторным блоком и думал: «Подождите, почему никто не сделал этого раньше?» Оказывается, они есть. Просто мало кто обращает внимание.
Гибридный подход по сути говорит: почему бы не использовать оба? Пусть аккумулятор делает то, что он делает лучше всего: - сохраняет энергию в течение длительного времени-. Позвольте суперконденсатору справиться с сумасшедшими скачками мощности. Звучит очевидно, если произнести это вслух, не так ли?
Когда две технологии действительно имеют смысл вместе
Итак, вот где это становится интересным. Вся идея гибридных систем хранения энергии заключается не просто в том, чтобы объединить два разных типа хранения и положить конец этому. За этим стоит настоящая инженерная мысль, хотя некоторые реализации определенно лучше других.
Возьмите комбинацию SMES/батарея. Сверхпроводящая часть имеет безумную плотность мощности -, мы говорим о времени отклика, измеряемом миллисекундами. Но он дорогой и не содержит много энергии для своего размера. Батарейки? Полная противоположная задача. Соедините их, и вы получите устройство, способное выдерживать как кратковременные колебания напряжения, так и долгосрочное-поступление энергии. Я видел характеристики одной системы, которые показали, что они могут снизить инвестиционные затраты почти на 30 % по сравнению с увеличением размера хранилища одного типа. Это настоящие деньги.
Маховики в паре с аккумуляторами — еще одна комбинация, которая мне кажется интересной, вероятно, потому, что механический аспект меня привлекает больше, чем чистая электрохимия. Маховик справляется с высокочастотными колебаниями мощности -, - менее-секундными -, а аккумулятор справляется с более длительными и медленными колебаниями. Регулирование частоты сети любит эту настройку.
Та часть, которая действительно важна (для большинства людей)
Вот что, по моему мнению, теряется во всех технических документах и официальных документах: возобновляемая энергия бесполезна, если мы не можем ее правильно хранить. Солнечные панели генерируют электроэнергию, когда светит солнце. Знаю, революционное наблюдение. Но электричество нужно и ночью, а ветер дует не по графику, удобному для ваших планов на ужин.
Правильно спроектированная гибридная система может оптимизировать то, как мы улавливаем и высвобождаем эту энергию. Когда солнечная генерация внезапно падает из-за того, что пролетело облако (или из-за того, что произошел закат), компонент суперконденсатора мгновенно включается, в то время как батарея набирает обороты. Это предотвращает провалы напряжения и сохраняет свет включенным без раздражающего мерцания.
Хранение энергии на сжатом воздухе (CAES) с суперконденсаторами тоже дико, хотя, признаюсь, я не вижу его широкого применения. CAES накапливает энергию, буквально сжимая воздух в подземные пещеры или резервуары. Это механическое устройство, это странно, и когда вы сочетаете его с суперкапсулами для быстрого реагирования... на самом деле он очень хорошо работает для стабилизации сетки. Однако найти подходящую геологию для крупномасштабной-CAES – это отдельный кошмар.
Настоящий-мировой беспорядок
Я должен упомянуть кое-что, что не обсуждается в большинстве технических дискуссий: этими системами сложно управлять. Действительно сложно. Вам нужны сложные системы управления, чтобы решить, какой компонент хранилища обрабатывает какую нагрузку в какой момент. Сделайте это неправильно, и вы просто потеряете деньги и эффективность.
Система управления энергопотреблением - назовем ее EMS, потому что она короче, - должна отслеживать энергопотребление в режиме реального-времени и соответствующим образом распределять нагрузку. Высокая мощность, короткая продолжительность? Проложите его к суперконденсатору или маховику. Постоянная нагрузка? Батарея справится. Звучит просто. Это не.
Также существует проблема, когда разные технологии хранения имеют разные закономерности деградации. Литий-ионные аккумуляторы не любят полной разрядки. Суперконденсаторы могут выдерживать миллионы циклов, но медленно теряют емкость. Ваша система управления должна учитывать это, балансируя производительность сегодня и долговечность завтра. Это как... ты можешь бежать куда угодно и изнашивать колени или задавать себе темп. Службе скорой помощи приходится принимать это решение тысячи раз в день.
Почему электромобили заботятся (возможно, больше, чем вы думаете)
Электромобили сталкиваются, по сути, с той же проблемой, которую мы видим в сетевых хранилищах, только уменьшенных размеров и мобильных. Вам нужен диапазон -, для которого нужны батареи с высокой плотностью энергии. Но вам также нужны ускорение и рекуперативное торможение, которые могут быстро поглощать огромное количество энергии. Один тип батареи не может оптимально выполнять обе задачи.
Некоторые производители электромобилей экспериментируют с гибридной системой хранения данных: - большой литий-ионный аккумулятор для запаса хода, дополненный суперконденсаторами для увеличения мощности. Суперкапсулы улавливают энергию рекуперативного торможения, которая в противном случае была бы потеряна (поскольку аккумуляторы не могут заряжаться так быстро), и обеспечивают дополнительный импульс для ускорения, не нагружая основной аккумуляторный блок.
Сделает ли это электромобили дешевле? Нет. На самом деле это делает их дороже заранее. Но деградация батареи значительно замедляется, что за 10 лет жизни... наверное, того стоит? О математике до сих пор спорят.
Стоимость проверки реальности
Давайте поговорим о деньгах, потому что притворяться, что стоимость не имеет значения, глупо. Гибридные системы изначально дороже. Вы покупаете две или более технологии хранения вместо одной, а также системы управления ими. В Австралии они устанавливают, судя по всему, самую крупную гибридную аккумуляторную систему-с постоянным током на национальном рынке электроэнергии. Масштаб достаточно велик -, чтобы обеспечить электроэнергией 120 000 домов.
Такой проект имеет экономический смысл из-за масштаба и ценности услуг по обеспечению стабильности сети. Для жилого? Гораздо труднее оправдать это, если вы действительно не заинтересованы в этом или у вас нет особых требований к надежности. Хотя я подозреваю, что ситуация изменится по мере снижения стоимости компонентов и роста тарифов на электроэнергию.
Эксплуатационная экономия достигается за счет продления срока службы оборудования и повышения эффективности. Если аккумулятор не подвергается быстрой зарядке-разрядке, он прослужит дольше. Если ваш суперконденсатор справляется с скачками мощности, для которых он был разработан, а не пытается обеспечить долговременное хранение данных (что было бы глупо), вся система работает лучше. Но вам нужно эксплуатировать его достаточно долго, чтобы окупить первоначальную премию.
Технические характеристики, которые имеют значение
Плотность мощности и плотность энергии — это фундаментальный компромисс, который заставляет гибридные системы работать. Подумайте о плотности мощности, как о том, насколько быстро вы можете получить доступ к накопленной энергии -, измеряемой в ваттах на килограмм. Плотность энергии – это количество общей энергии, которую вы можете сохранить, - измеряется в ваттах-часах на килограмм.
Суперконденсаторы: Высокая плотность мощности (10,000+ Вт/кг), низкая плотность энергии (~5 Втч/кг). Они спринтеры.
Литий-ионные-батареи: средняя-высокая плотность мощности (~300–500 Вт/кг), высокая плотность энергии (~250 Втч/кг). Они марафонцы.
В вашей команде нужны оба типа спортсменов, в зависимости от расы.
Скорость саморазряда-также имеет значение. Батареи держат заряд неделями или месяцами. Суперконденсаторы быстро теряют энергию -, вы потеряете значительный процент в день, если не будете подключены к нагрузке. Вот почему не стоит использовать суперконденсаторы для долгосрочного-резервного питания, хотя некоторых людей в Интернете это, похоже, смущает.
Стратегии контроля
Хорошо, этот раздел может оказаться техническим, но он очень важен. Стратегия управления определяет, как энергия передается между различными компонентами хранилища, нагрузкой и источником питания (сеть, возобновляемые источники энергии или что-то еще).
Снижение пиковой нагрузки — один из подходов. - Гибридная система сглаживает скачки энергопотребления, поэтому основной источник питания получает более постоянную нагрузку. Компонент хранения-мощной энергии поглощает пики, компонент высокой-энергии обрабатывает базовый уровень. Это очень важно для интеграции возобновляемых источников энергии, поскольку делает ветер и солнечную энергию более похожими на обычные диспетчерские электростанции, подключаемые к сети.
Еще один метод — низкочастотная-фильтрация. Высокочастотные-изменения мощности (быстрые изменения) направляются в энергоемкое-хранилище. Низкие-частотные изменения (медленные изменения) попадают в энергоемкое-хранилище. Это математически элегантно, хотя реализация может быть сложной.
Некоторые системы используют алгоритмы прогнозирования, основанные на исторических закономерностях нагрузки. Если система знает, что на вашем предприятии обычно каждый день в 14:00 наблюдается скачок напряжения, она может заранее-поместить энергию в соответствующий компонент хранения. Прекрасно работает до тех пор, пока ваш шаблон использования не изменится и алгоритм внезапно не оптимизируется для неправильного сценария.
Где мы сейчас находимся
Технология достаточно развита, поэтому крупные установки имеют смысл в конкретных приложениях. Сетевые службы, промышленные объекты с высокими требованиями к электропитанию, крупномасштабная-интеграция возобновляемых источников энергии - — это проверенные варианты использования. Программное обеспечение GEMS компании Wärtsilä и аналогичные платформы управления энергопотреблением стали довольно сложными в сочетании с несколькими технологиями хранения данных.
Небольшие-приложения для жилых помещений все еще находят свое применение. Экономика пока не совсем работает для большинства людей, хотя их устанавливают ранние последователи и люди с ненадежным подключением к сети. Цены на аккумуляторы продолжают падать, и это помогает, но системы управления и сложность установки приводят к тому, что общая стоимость остается высокой.
Электромобили, вероятно, станут местом следующей волны инноваций. Ограничения по весу и пространству требуют эффективных конструкций, а потенциал массового производства способствует снижению затрат. То, что работает в электромобилях, в конечном итоге перейдет и в стационарные приложения.
Вопрос эффективности
Итак, вернемся к исходному вопросу: могут ли гибридные системы хранения энергии оптимизировать эффективность?
Да. Но не повсеместно, не автоматически и не всегда экономически.
Хорошо спроектированная-гибридная система с надлежащими средствами управления может обеспечить эффективность туда и обратно-на уровне 85-90 % или выше -, что сопоставимо или превосходит решения, основанные на одной технологии. Что еще более важно, он может эффективно работать в более широком диапазоне условий эксплуатации. Эта гибкость часто более ценна, чем максимальная эффективность.
Повышение эффективности достигается за счет использования каждой технологии хранения данных в ее оптимальном рабочем диапазоне. Батареи не разряжаются при быстрой езде на велосипеде. Суперконденсаторы не простаивают, за исключением периодов скачков напряжения. Вся система работает более плавно, что означает меньшее количество отходящего тепла, меньшую деградацию и лучшую долгосрочную-работу.
Но - и это важно, - плохо спроектированная гибридная система может оказаться менее эффективной, чем одна хорошо-выбранная технология хранения данных. Если ваши алгоритмы управления конфликтуют друг с другом, если у вас несовпадающие размеры компонентов, если ваша силовая электроника вносит чрезмерные потери на преобразование... вы только что потратили больше денег, чтобы ухудшить производительность.
Что на самом деле должно произойти
Отрасль нуждается в стандартизации. В настоящее время каждая гибридная система в некоторой степени индивидуальна - специально-разработана для конкретного применения. Это нормально для масштабных-установок с участием команды инженеров, но препятствует более широкому внедрению. Нам нужны модульные, масштабируемые конструкции, которые можно будет развертывать, не изобретая каждый раз велосипед.
Снижение затрат, очевидно. Суперконденсаторы по-прежнему дороги в пересчете на ватт-час хранения, хотя они нужны нам только из-за их удельной мощности. Здесь поможет масштаб производства. То же самое можно сказать и об альтернативных технологиях суперконденсаторов (конструкции на основе графена- выглядят многообещающе, но в основном все еще находятся в лабораториях).
Улучшенные алгоритмы управления, способные адаптироваться к меняющимся условиям без вмешательства человека. Машинное обучение действительно может быть здесь полезно, в отличие от большинства приложений, где это просто реклама. Система, которая изучает ваши конкретные шаблоны использования и соответствующим образом оптимизируется, может значительно повысить производительность по сравнению со статическим программированием.
И честно? Лучшее образование. Большинство подрядчиков и монтажников электрооборудования на самом деле не разбираются в гибридных системах хранения данных. Большинство потребителей определенно этого не делают. До тех пор, пока гибридные системы не станут в массовом сознании столь же привычными, как «резервное аккумуляторное питание», их внедрение будет ограничено специалистами и энтузиастами.
Случайные наблюдения
Я продолжаю думать о том, как мы пришли к этому, - десятилетиями пытаясь решить проблему хранения энергии с помощью отдельных решений, и только недавно начали масштабно внедрять гибридные подходы. Это похоже на то, как мы перешли от одноядерных-к многоядерным-процессорам, когда достигли пределов масштабирования частоты. Иногда ответ заключается не в том, чтобы сделать что-то лучше, а в разумном совместном использовании нескольких вещей.
С этим связана вся тенденция-соединений постоянного тока для солнечной энергии-и-аккумулирования энергии. Вместо преобразования постоянного тока солнечной энергии в переменный ток, а затем обратно в постоянный ток для хранения батареи (что приводит к потере энергии в обоих преобразованиях), соединение постоянного тока- удерживает все в постоянном токе до тех пор, пока ему не понадобится перейти в сеть переменного тока. Снижает потери на несколько процентных пунктов. Именно такие оптимизации на уровне системы- делают гибридные подходы целесообразными.
Также стоит отметить: проблемы управления температурным режимом в гибридных системах-нетривиальны. Батареи выделяют тепло во время работы. Суперконденсаторы выделяют тепло. Маховики выделяют тепло за счет трения подшипников. Соберите все вместе, и вам понадобится серьезное охлаждение. Я видел установки, в которых система охлаждения потребляла достаточно энергии, чтобы заметно снизить общую эффективность. Есть над чем подумать.
Будущая часть (обязательно, но предположительно)
Твердотельные-батарейки могут полностью изменить правила игры. Если мы получим батареи как с высокой плотностью энергии, так и с высокой плотностью мощности и длительным сроком службы... возможно, гибридные системы станут ненужными. Или, может быть, они станут еще более совершенными, сочетая твердотельные-батареи с другими технологиями для еще большей производительности. Трудно сказать.
Хранение водорода также скрывается на заднем плане. Некоторые гибридные системы изучают возможность преобразования энергии-в-газ для длительного-хранения энергии (недели или месяцы) в сочетании с батареями и суперконденсаторами для краткосрочных- нужд. Это сложно и приводит к потерям эффективности, но для действительно сезонного хранения это может быть единственным жизнеспособным вариантом в больших масштабах.
Сама энергосистема становится гибридной энергетической системой -, которая не только хранит, но и генерирует, передает и распределяет энергию, причем все они работают вместе, совершенствуясь. Интеграция транспортных средств-с-сеткой добавляет еще один уровень. В конце концов, возможно, мы перестанем думать о дискретных «системах» и начнем думать о полностью интегрированной энергетической экосистеме.
Но я, наверное, забегаю вперед. Сейчас мы все еще пытаемся выяснить, как надежно соединить батареи с суперконденсаторами, не допуская выхода из строя систем управления.
Заключение
Гибридные системы хранения энергии работают. Они оптимизируют эффективность способами, с которыми не могут справиться отдельные-технологические решения. Технология проверена, преимущества реальны, а области применения растут.
Имеют ли они смысл в какой-либо конкретной ситуации, зависит от технических требований, экономических факторов и, честно говоря, от того, с какой сложностью вы готовы иметь дело. Для интеграции возобновляемых источников энергии в масштабе сети-и промышленных приложений они все чаще становятся выбором по умолчанию. Что касается жилого и малого коммерческого сектора, то мы еще не дошли до этого.
Фундаментальное понимание - о том, что объединение взаимодополняющих технологий дает лучшие результаты, чем попытка усовершенствовать одно решение -, в ретроспективе кажется очевидным. Большинство хороших идей так и делают. Сейчас задача состоит в том, чтобы сделать гибридные системы дешевле, проще и доступнее, чтобы они могли более широко предоставлять свои преимущества.
И если вы подумываете об его установке, поговорите с кем-нибудь, кто действительно разбирается в силовой электронике и системах управления энергопотреблением. Не просто продавец. Это сложная вещь, и ошибиться стоит дорого.