He estat investigantemmagatzematge d'energiades de fa un temps, i sincerament? Tot era confús fins que em vaig trobar amb sistemes híbrids. Aquí teniu l'acord - que hem estat intentant resoldre l'emmagatzematge d'energia amb solucions individuals durant massa temps, i simplement no funciona com necessitem.
El problema del qual ningú parla
Una bateria pot contenir energia durant dies. Genial. Però quan necessiteu una explosió sobtada d'energia - com quan els vostres panells solars deixen de produir i la vostra CA s'encén al mateix temps - la mateixa bateria lluita. No està dissenyat per a això. Mentrestant, els supercondensadors poden abocar l'energia en mil·lisegons, però s'escapa d'energia més ràpidament del que un sedàs conté aigua.
Recordo haver llegit sobre aquesta configuració de SMES (emmagatzematge d'energia magnètica superconductora) combinada amb un banc de bateries normal i vaig pensar "espera, per què ningú no ho ha fet abans?" Resulta que en tenen. No hi ha prou gent prestant atenció.
L'enfocament híbrid diu bàsicament: per què no utilitzar tots dos? Deixa que la bateria faci el que millor - emmagatzema energia-a llarg termini. Deixeu que el supercondensador s'ocupi dels pics de potència bojos. Sona obvi quan ho dius en veu alta, oi?
Quan dues tecnologies realment tenen sentit juntes
Així que aquí és on es posa interessant. La idea dels sistemes híbrids d'emmagatzematge d'energia no consisteix només en combinar dos tipus d'emmagatzematge diferents i anomenar-ho un dia. Hi ha un pensament d'enginyeria real al darrere, tot i que algunes implementacions són definitivament millors que altres.
Agafeu la combinació SMES/bateria. La part superconductora té una densitat de potència boig - estem parlant de temps de resposta mesurats en mil·lisegons. Però és car i no conté molta energia per a la seva mida. Bateries? Problema oposat complet. Combina'ls i tindreu alguna cosa que pot gestionar tant les fluctuacions de tensió a curt termini com el subministrament d'energia a llarg termini-. Vaig veure especificacions d'un sistema que demostraven que podrien reduir els costos d'inversió gairebé un 30% en comparació amb la sobredimensionada d'un únic tipus d'emmagatzematge. Això són diners reals.
Els volants combinats amb bateries són una altra combinació que trobo fascinant, probablement perquè l'aspecte mecànic m'atrau més que l'electroquímica pura. El volant d'inercia gestiona les-fluctuacions de potència d'alta freqüència - penseu en coses de menys-segons - mentre que la bateria gestiona les variacions més llargues i lentes. A la regulació de freqüència de xarxa li encanta aquesta configuració.
La part que realment importa (per a la majoria de la gent)
Això és el que crec que es perd en tots els documents tècnics i llibres blancs: l'energia renovable no serveix de res si no la podem emmagatzemar correctament. Els panells solars generen energia quan brilla el sol. Observació innovadora, ho sé. Però també necessiteu electricitat a la nit i el vent no bufa en un horari convenient per als vostres plans de sopar.
Un sistema híbrid dissenyat correctament pot optimitzar com capturem i alliberem aquesta energia. Quan la generació solar cau sobtadament perquè va passar un núvol (o perquè, ja ho sabeu, va passar el sol), el component del supercondensador s'activa a l'instant mentre la bateria augmenta. Això evita caigudes de tensió i manté els llums encesos sense aquest molest parpelleig.
L'emmagatzematge d'energia d'aire comprimit (CAES) amb supercondensadors també és salvatge, tot i que admeto que no el veig tant desplegat. CAES emmagatzema energia comprimint literalment l'aire en cavernes o tancs subterranis. És mecànic, és estrany, i quan el combineu amb supercaps per a una resposta ràpida... en realitat funciona força bé per a l'estabilització de la xarxa. Tot i que trobar geologia adequada per a-CAES a gran escala és el seu propi malson.
Desenvolupament del món real-
He d'esmentar una cosa que no arriba a la majoria de discussions tècniques: aquests sistemes són complicats de gestionar. Realment complicat. Necessiteu sistemes de control sofisticats per decidir quin component d'emmagatzematge gestiona quina càrrega en quin moment. Fes-ho malament i només estàs malgastant diners i eficiència.
El sistema de gestió d'energia - anomenem-lo EMS perquè és més curt - ha de controlar la demanda d'energia en temps real-i dividir la càrrega adequadament. Alta potència, curta durada? Dirigiu-lo al supercondensador o al volant. Càrrega sostinguda? La bateria ho gestiona. Sona senzill. No ho és.
També hi ha una cosa en què diferents tecnologies d'emmagatzematge tenen diferents patrons de degradació. Les bateries d'ions de liti-odien estar completament descarregades. Els supercondensadors poden gestionar milions de cicles, però lentament perden capacitat. El vostre sistema de control ha de tenir en compte això, equilibrant el rendiment avui amb la longevitat de demà. És com si... puguis esprintar a tot arreu i desgastar-te els genolls, o el teu ritme. L'EMS ha de prendre aquesta decisió milers de vegades al dia.
Per què es preocupen els vehicles elèctrics (potser més del que penseu)
Els vehicles elèctrics s'enfronten bàsicament al mateix problema que veiem a l'emmagatzematge en xarxa, només reduïts i mòbils. Voleu una gamma - que necessiti bateries d'alta densitat d'energia. Però també voleu acceleració i frenada regenerativa que pugui absorbir grans quantitats de potència ràpidament. Un tipus de bateria no pot fer les dues coses de manera òptima.
Alguns fabricants de vehicles elèctrics estan experimentant amb emmagatzematge híbrid - un gran paquet d'ions de liti- per a l'autonomia, complementat amb supercondensadors per a ràfegues de potència. Els supercaps capturen l'energia de frenada regenerativa que d'una altra manera es perdria (perquè les bateries no es poden carregar tan ràpid) i proporcionen la puntada addicional per a l'acceleració sense estresar la bateria principal.
Fa que els vehicles elèctrics siguin més barats? No. De fet, els fa més cars per endavant. Però la degradació de la bateria s'alenteix significativament, cosa que durant una vida útil de 10 anys... probablement val la pena? Les matemàtiques encara es discuteixen.
Comprovació de la realitat dels costos
Parlem de diners perquè fingir el cost no importa és una tonteria. Els sistemes híbrids són més cars inicialment. Esteu comprant dues o més tecnologies d'emmagatzematge en lloc d'una, més els sistemes de control per gestionar-les. A Austràlia, estan instal·lant el que sembla ser el sistema de bateries híbrids acoblats de corrent continu-més gran del seu mercat elèctric nacional. L'escala és prou massiva - per alimentar 120.000 llars.
Aquest tipus de projecte té sentit econòmic per l'escala i el valor dels serveis d'estabilitat de la xarxa. Per residencial? És molt més difícil de justificar tret que estiguis realment compromès o tinguis necessitats específiques de fiabilitat. Tot i que sospito que això canvia a mesura que baixen els costos dels components i augmenten les tarifes elèctriques.
Els estalvis operatius provenen de l'allargament de la vida útil de l'equip i una millor eficiència. Si els cicles de càrrega ràpida-descàrrega no colpejan la bateria, durarà més. Si el vostre supercondensador gestiona els pics de potència per als quals va ser dissenyat en lloc d'intentar proporcionar emmagatzematge a llarg termini-(cosa que seria estúpid), tot el sistema funciona millor. Però cal fer-lo funcionar el temps suficient per recuperar aquesta prima inicial.
Especificacions tècniques que importen
La densitat de potència versus la densitat d'energia és la compensació fonamental que fa que funcionin els sistemes híbrids. Penseu en la densitat de potència com la rapidesa amb la qual podeu accedir a l'energia emmagatzemada - mesurada en watts per quilogram. La densitat d'energia és la quantitat d'energia total que podeu emmagatzemar - mesurada en watts-hora per quilogram.
Supercondensadors: alta densitat de potència (10,000+ W/kg), baixa densitat d'energia (~5 Wh/kg). Són velocistes.
Bateries d'ions de liti-: densitat de potència mitjana-alta (~300-500 W/kg), alta densitat d'energia (~250 Wh/kg). Són corredors de maratons.
Necessites els dos tipus d'atletes al teu equip, depenent de la cursa.
La taxa d'auto{0}}descàrrega també és important. Les bateries mantenen la seva càrrega durant setmanes o mesos. Els supercondensadors filtren energia ràpidament - perdràs un percentatge important per dia si no està connectat a una càrrega. És per això que no utilitzaríeu supercondensadors per a l'energia de reserva-a llarg termini, tot i que algunes persones en línia semblen confuses sobre això.
Estratègies de control
D'acord, aquesta secció pot ser tècnica, però és una mica important. L'estratègia de control determina com flueix l'energia entre els diferents components d'emmagatzematge, la càrrega i la font d'energia (xarxa o renovables o el que sigui).
L'afaitat màxima és un enfocament - el sistema híbrid suavitza els pics de demanda d'energia perquè la font d'alimentació principal vegi una càrrega més constant. El component d'emmagatzematge d'alta potència -absorbeix els pics, el component d'alta-energia gestiona la línia de base. Això és molt important per a la integració de les renovables, ja que fa que l'eòlica i la solar semblin més les centrals elèctriques despatxables convencionals a la xarxa.
El filtrat-de pas baix és un altre mètode. Les variacions de potència d'alta-freqüència (canvis ràpids) es dirigeixen a l'emmagatzematge dens-potència. Les variacions de baixa-freqüència (canvis lents) van a l'emmagatzematge-dens d'energia. És matemàticament elegant, tot i que la implementació pot ser complicada.
Alguns sistemes utilitzen algorismes predictius basats en patrons de càrrega històrics. Si el sistema sap que la vostra instal·lació sol tenir un pic d'energia cada dia a les 14:00, pot -posicionar l'energia prèviament al component d'emmagatzematge adequat. Funciona molt bé fins que el vostre patró d'ús canvia i l'algoritme s'optimitza de sobte per a l'escenari equivocat.
On Som Ara
La tecnologia és prou madura perquè les instal·lacions grans tinguin sentit en aplicacions específiques. Serveis de xarxa, instal·lacions industrials amb requisits d'energia exigents,-integració renovable a gran escala - són casos d'ús provats. El programari GEMS de Wärtsilä i plataformes similars de gestió d'energia s'han tornat bastant sofisticats per fer malabars amb múltiples tecnologies d'emmagatzematge.
Les aplicacions residencials a -escala més petita encara estan trobant el seu fonament. L'economia encara no funciona per a la majoria de la gent, tot i que els primers usuaris i persones amb connexions a la xarxa poc fiables els estan instal·lant. Els preus de les bateries continuen baixant, cosa que ajuda, però els sistemes de control i la complexitat de la instal·lació mantenen el cost total elevat.
Els vehicles elèctrics són probablement on veurem la propera onada d'innovació. Les limitacions de pes i espai obliguen a dissenys eficients, i el potencial de producció en massa condueix a la reducció de costos. El que funciona als vehicles elèctrics, finalment, es convertirà en aplicacions estacionàries.
La qüestió de l'eficiència
Tornem, doncs, a la pregunta original: els sistemes híbrids d'emmagatzematge d'energia poden optimitzar l'eficiència?
Sí. Però no universalment, no automàticament, i no sempre econòmicament.
Un sistema híbrid-ben dissenyat i amb els controls adequats pot aconseguir eficiència-anada i tornada del 85-90% o millor - comparables o superiors a les solucions d'una sola tecnologia. El més important és que pot gestionar una gamma més àmplia de condicions de funcionament de manera eficaç. Aquesta flexibilitat sovint és més valuosa que la màxima eficiència.
Els guanys d'eficiència provenen de l'ús de cada tecnologia d'emmagatzematge en el seu rang de funcionament òptim. Les bateries no es martellen amb el cicle ràpid. Els supercondensadors no es queden inactius excepte durant els pics de potència. Tot el sistema funciona amb més fluïdesa, la qual cosa significa menys calor residual, menys degradació i un millor rendiment-a llarg termini.
Però - i això és important - un sistema híbrid mal dissenyat pot ser menys eficient que una sola tecnologia d'emmagatzematge-escollida. Si els vostres algorismes de control s'estan lluitant entre ells, si les mides dels components no coincideixen, si la vostra electrònica de potència està introduint pèrdues de conversió excessives... acabeu de gastar més diners per obtenir un rendiment pitjor.
El que realment ha de passar
La indústria necessita estandardització. Ara mateix, tots els sistemes híbrids estan dissenyats - personalitzats- a mida per a la seva aplicació específica. Això està bé per a instal·lacions a escala-grid amb equips d'enginyers, però impedeix una adopció més àmplia. Necessitem dissenys modulars i escalables que es puguin desplegar sense reinventar la roda cada vegada.
Reducció de costos, evidentment. Els supercondensadors encara són cars per watt-hora d'emmagatzematge, tot i que només els necessitem per la seva densitat de potència. L'escala de fabricació ajudaria aquí. També ho farien les tecnologies alternatives de supercondensadors (els dissenys basats en grafè-semblen prometedors, però encara es troben principalment en laboratoris).
Millors algorismes de control que poden adaptar-se a condicions canviants sense intervenció humana. L'aprenentatge automàtic pot ser realment útil aquí, a diferència de la majoria d'aplicacions on només és bombo. Un sistema que aprengui els vostres patrons d'ús específics i optimitzi en conseqüència podria millorar significativament el rendiment respecte a la programació estàtica.
I sincerament? Millor educació. La majoria de contractistes i instal·ladors elèctrics no entenen realment els sistemes d'emmagatzematge híbrids. La majoria dels consumidors definitivament no ho fan. Fins que els sistemes híbrids es tornin tan familiars com la "còpia de seguretat de la bateria" a la consciència general, l'adopció es mantindrà limitada als especialistes i entusiastes.
Observacions aleatòries
Segueixo pensant en com hem arribat aquí - intentant resoldre l'emmagatzematge d'energia amb solucions individuals durant dècades, i només recentment vam adoptar enfocaments híbrids a escala. És semblant a com vam passar dels processadors d'un-nucli a un nucli multi-quan assolim els límits d'escala de freqüència. De vegades, la resposta no és millorar una cosa, sinó utilitzar diverses coses juntes de manera intel·ligent.
Tota la tendència d'acoblament de DC-per a l'emmagatzematge solar-plus- està relacionada amb això. En lloc de convertir la CC solar en CA i després tornar a CC per a l'emmagatzematge de la bateria (que malgasta energia en ambdues conversions), l'acoblament CC-manté tot en CC fins que ha d'anar a la xarxa CA. Redueix les pèrdues en diversos punts percentuals. Aquests tipus d'optimitzacions a nivell-del sistema fan que els enfocaments híbrids valguin la pena.
També val la pena assenyalar: els reptes de gestió tèrmica dels sistemes híbrids no són-trivials. Les bateries generen calor durant el funcionament. Els supercondensadors generen calor. Els volants generen calor a partir de la fricció dels coixinets. Empaqueu-ho tot i necessiteu un refredament seriós. He vist instal·lacions on el sistema de refrigeració consumeix prou potència per reduir notablement l'eficiència general. Alguna cosa a tenir en compte.
La part del futur (obligatori però especulatiu)
Les bateries-sòlides poden canviar el joc completament. Si obtenim bateries tant d'alta densitat d'energia com d'alta densitat de potència amb un cicle de vida llarg... potser els sistemes híbrids esdevenen innecessaris. O potser es tornen encara més sofisticats, combinant bateries d'estat sòlid-amb altres tecnologies per obtenir un rendiment encara millor. Difícil de dir.
L'emmagatzematge d'hidrogen també s'amaga al fons. Alguns sistemes híbrids estan explorant la conversió d'energia-a-gas per a un emmagatzematge de llarga-durada (setmanes o mesos), combinat amb bateries i supercondensadors per a necessitats a curt-termen. És complicat i té pèrdues d'eficiència, però per a un emmagatzematge realment estacional, podria ser l'única opció viable a escala.
La xarxa en si s'està convertint en un sistema d'energia híbrid - no només d'emmagatzematge, sinó també de generació, transmissió i distribució, tot funciona amb una sofisticació creixent. La integració del vehicle-a-la xarxa afegeix una altra capa. Finalment, potser deixem de pensar en "sistemes" discrets i comencem a pensar en un ecosistema energètic totalment integrat.
Però probablement m'estic avançant. En aquests moments, encara estem descobrint com emparellar de manera fiable les bateries amb supercondensadors sense que els sistemes de control s'esgotin.
Conclusió
Els sistemes híbrids d'emmagatzematge d'energia funcionen. Optimitzen l'eficiència d'una manera que les solucions de-tecnologia única no poden igualar. La tecnologia està provada, els beneficis són reals i les aplicacions creixen.
Que tinguin sentit per a qualsevol situació específica depèn dels requisits tècnics, dels factors econòmics i, sincerament, de la complexitat que esteu disposats a fer front. Per a les aplicacions industrials i d'integració renovable a escala de xarxa-, s'estan convertint cada cop més en l'opció predeterminada. Per a residencials i petits comercials, encara no hi som del tot.
La idea fonamental - que combinar tecnologies complementàries produeix millors resultats que intentar perfeccionar una única solució - sembla òbvia en retrospectiva. La majoria de les bones idees sí. El repte ara és fer que els sistemes híbrids siguin més barats, més senzills i més accessibles perquè puguin oferir els seus beneficis de manera més àmplia.
I si esteu pensant a instal·lar-ne un, parleu amb algú que entengui realment l'electrònica de potència i els sistemes de gestió de l'energia. No només un venedor. Aquestes coses són complicades i equivocar-se és car.