Olen uurinudenergia salvestaminemõnda aega nüüd ja ausalt? Kogu asi oli segane, kuni ma komistasin hübriidsüsteemide otsa. Siin on kokkulepe -, mida oleme liiga kaua proovinud lahendada energia salvestamise küsimust üksikute lahendustega, kuid see lihtsalt ei toimi nii, nagu me vajame.
Probleem, millest keegi ei räägi
Aku mahutab energiat päevadeks. Suurepärane. Aga kui vajate äkilist voolukatkestust -, näiteks kui teie päikesepaneelid lõpetavad tootmise ja vahelduvvoolu lülitub samal ajal sisse -, on sama akuga probleeme. See pole selleks loodud. Vahepeal võivad superkondensaatorid võimsust tühjendada millisekunditega, kuid nad lekivad energiat kiiremini kui sõel vett hoiab.
Mäletan, et lugesin selle SMES-i (ülijuhtiva magnetilise energiasalvestuse) seadistuse kohta, mis on ühendatud tavalise akupangaga, ja mõtlesin "oot, miks keegi pole seda varem teinud?" Selgub, et neil on. Lihtsalt inimesed ei pööra piisavalt tähelepanu.
Hübriidne lähenemine ütleb põhimõtteliselt: miks mitte kasutada mõlemat? Laske akul teha seda, mida akud kõige paremini - salvestavad-energiat pikaajaliselt. Laske superkondensaatoril hullumeelsete võimsuse hüpetega hakkama saada. Kõlab ilmselgelt, kui sa seda valjusti ütled, eks?
Kui kahel tehnoloogial on tegelikult koos mõtet
Nii et siin läheb see huvitavaks. Kogu hübriidenergiasalvestussüsteemide idee ei seisne ainult kahe erineva salvestustüübi kokkupanemises ja päevaks nimetamises. Selle taga on tegelik insenerimõte, kuigi mõned teostused on kindlasti paremad kui teised.
Võtke SMES/aku kombinatsioon. Ülijuhtival osal on meeletu võimsustihedus -, me räägime millisekundites mõõdetavatest reaktsiooniaegadest. Kuid see on kallis ja ei mahuta oma suuruse kohta palju energiat. Patareid? Täielik vastupidine probleem. Ühendage need omavahel ja saate midagi, mis talub nii lühiajalisi pingekõikumisi kui ka pikaajalist{5}}energiavarustust. Nägin ühe süsteemi spetsifikatsioone, mis näitasid, et need võivad investeerimiskulusid vähendada peaaegu 30% võrreldes ühe salvestustüübi ülemõõduga. See on päris raha.
Akudega seotud hoorattad on veel üks minu arvates põnev kombinatsioon, ilmselt seetõttu, et mehaaniline aspekt meeldib mulle rohkem kui puhas elektrokeemia. Hooratas talub suuri-sageduslikke võimsuse kõikumisi - mõtle sub-sekundeid asju -, samas kui aku saab hakkama pikemate ja aeglasemate variatsioonidega. Võrgu sageduse reguleerimine armastab seda seadistust.
Osa, mis on tegelikult oluline (enamiku jaoks)
Siin on see, mis minu arvates kõigis tehnilistes paberites ja valgetes paberites kaduma läheb: taastuvenergia on kasutu, kui me ei suuda seda korralikult salvestada. Päikesepaneelid toodavad energiat, kui päike paistab. Murranguline tähelepanek, ma tean. Kuid elektrit on vaja ka öösel ja tuul ei puhu õhtusöögiplaanidele sobiva ajakava järgi.
Õigesti kavandatud hübriidsüsteem võib optimeerida seda, kuidas me seda energiat kogume ja vabastame. Kui päikeseenergia tootmine äkitselt väheneb, kuna pilv läks üle (või päikeseloojang juhtus), käivitub superkondensaatori komponent koheselt, kui aku tõuseb. See hoiab ära pinge languse ja hoiab tuled põlema ilma tüütu virvenduseta.
Superkondensaatoritega suruõhu energiasalvesti (CAES) on samuti metsik, kuigi tunnistan, et ma ei näe seda nii palju kasutusele võetud. CAES salvestab energiat, surudes õhku sõna otseses mõttes maa-alustesse koobastesse või mahutitesse. See on mehaaniline, see on veider ja kui ühendate selle kiireks reageerimiseks superkorkidega, töötab see võrgu stabiliseerimiseks päris hästi. Kuigi sobiva geoloogia leidmine suuremahuliste-CAES-ide jaoks on oma õudusunenägu.
Tõeline-maailma segadus
Pean mainima midagi, mis enamikesse tehnilistesse aruteludesse ei jõua: neid süsteeme on keeruline hallata. Tõesti keeruline. Teil on vaja keerukaid juhtimissüsteeme, et otsustada, milline salvestuskomponent millist koormust millisel hetkel käsitleb. Kui saate valesti aru, raiskate lihtsalt raha ja tõhusust.
Energiahaldussüsteem - nimetagem seda EMS-iks, kuna see on lühem, - peab jälgima energiavajadust reaalajas- ja jaotama koormuse vastavalt. Suur võimsus, lühike kestus? Suunake see superkondensaatorile või hoorattale. Püsiv koormus? Aku saab sellega hakkama. Kõlab lihtsalt. Ei ole.
Samuti on see asi, kus erinevatel salvestustehnoloogiatel on erinevad lagunemismustrid. Liitium-ioonakud ei salli täielikult tühjenemist. Superkondensaatorid saavad hakkama miljoneid tsükleid, kuid kaotavad aeglaselt võimsust. Teie juhtimissüsteem peab sellega arvestama, tasakaalustades tänast jõudlust homse pikaealisusega. See on nagu... võid igal pool spurtida ja põlved ära kulutada või tempot teha. EMS peab selle otsuse langetama tuhandeid kordi päevas.
Miks elektrisõidukid hoolivad (võib-olla rohkem, kui arvate)
EV-d tegelevad põhimõtteliselt sama probleemiga, mida näeme võrgusalvestuses, lihtsalt vähendatuna ja mobiilsetena. Soovite vahemikku -, mis vajab suure energiatihedusega patareisid. Kuid soovite ka kiirendust ja regeneratiivpidurdust, mis suudavad kiiresti tohutul hulgal jõudu neelata. Üks akutüüp ei suuda mõlemat optimaalselt teha.
Mõned elektrisõidukite tootjad katsetavad hübriidsalvestusega - suurt liitiumi-ioonipaketti tööulatuse jaoks, mida täiendavad superkondensaatorid võimsuse katkestuste jaoks. Superkorgid püüavad kinni regeneratiivse pidurdusenergia, mis muidu kaoks (kuna akud ei saa nii kiiresti laadida), ja annavad kiirenduseks lisalöögi ilma põhiakut koormamata.
Kas see muudab elektriautod odavamaks? Ei. Tegelikult muudab need juba ette kallimaks. Kuid aku lagunemine aeglustub oluliselt, mis 10-aastase eluea jooksul ... ilmselt tasub seda? Matemaatika üle vaieldakse siiani.
Kulude tegelikkuse kontroll
Räägime rahast, sest teeselda, et kulul pole tähtsust, on rumal. Hübriidsüsteemid on esialgu kallimad. Ostate ühe salvestustehnoloogia asemel kaks või enamat ning nende haldamiseks mõeldud juhtimissüsteemid. Austraalias paigaldavad nad oma riikliku elektrituru ilmselt suurimat alalisvoolu-seotud hübriidakusüsteemi. Skaala on piisavalt suur -, et toita 120 000 kodu.
Selline projekt on võrgu stabiilsusteenuste ulatuse ja väärtuse tõttu majanduslikult mõttekas. Elamu jaoks? Palju raskem õigustada, välja arvatud juhul, kui olete tõesti pühendunud või kui teil pole konkreetseid usaldusväärsuse vajadusi. Kuigi ma kahtlustan, et see muutub, kui komponentide kulud langevad ja elektrihinnad tõusevad.
Kasutussääst tuleneb seadmete pikemast kasutusajast ja paremast efektiivsusest. Kui teie akut ei kahjusta kiirlaadimis-tühjenemistsüklid, kestab see kauem. Kui teie superkondensaator talub võimsuse hüppeid, mille jaoks see oli loodud, selle asemel, et pakkuda pikaajalist-salvestusruumi (mis oleks rumal), töötab kogu süsteem paremini. Kuid esialgse lisatasu hüvitamiseks peate seda kasutama piisavalt kaua.
Olulised tehnilised andmed
Võimsustihedus versus energiatihedus on põhiline kompromiss, mis paneb hübriidsüsteemid tööle. Mõelge võimsustihedusele kui sellele, kui kiiresti pääsete juurde salvestatud energiale -, mõõdetuna vattides kilogrammi kohta. Energiatihedus näitab, kui palju koguenergiat saate salvestada -, mõõdetuna vatt-tundides kilogrammi kohta.
Superkondensaatorid: suure võimsustihedusega (10,000+ W/kg), väikese energiatihedusega (~5 Wh/kg). Nad on sprinterid.
Liitium-ioonakud: keskmine-suur võimsustihedus (~300–500 W/kg), kõrge energiatihedus (~250 Wh/kg). Nad on maratonijooksjad.
Sõltuvalt võistlusest on teie meeskonda vaja mõlemat tüüpi sportlasi.
Isetühjenemise määr- on samuti oluline. Akud hoiavad oma laetust nädalaid või kuid. Superkondensaatorid lekivad energiat kiiresti -, kui te pole koormusega ühendatud, kaotate päevas märkimisväärse protsendi. See on põhjus, miks te ei kasutaks superkondensaatoreid pikaajaliseks-varutoite saamiseks, kuigi mõned võrgus olevad inimesed tunduvad sellest segaduses olevat.
Kontrollistrateegiad
Olgu, see jaotis võib muutuda tehniliseks, kuid see on omamoodi oluline. Juhtimisstrateegia määrab, kuidas võimsus liigub erinevate salvestuskomponentide, koormuse ja toiteallika (võrk või taastuvenergia või mis iganes) vahel.
Maksimaalne raseerimine on üks lähenemisviis - hübriidsüsteem tasandab energiavajaduse hüppeid, nii et peamine toiteallikas näeb pidevamat koormust. Suure-võimsusega salvestuskomponent neelab piigid, suure-energiaga komponent käsitleb baasjoont. See on taastuvenergia integreerimise jaoks tohutu, sest see muudab tuule ja päikeseenergia sarnasemaks tavapäraste võrku suunatavate elektrijaamadega.
Madalpääs{0}}filtreerimine on veel üks meetod. Kõrge sagedusega-võimsuse kõikumised (kiired muutused) suunatakse võimsustihedasse-mällu. Madalad-sageduse variatsioonid (aeglased muutused) lähevad energia-tihedasse salvestusruumi. See on matemaatiliselt elegantne, kuigi selle rakendamine võib olla keeruline.
Mõned süsteemid kasutavad ennustusalgoritme, mis põhinevad ajaloolistel koormusmustritel. Kui süsteem teab, et teie rajatises on tavaliselt iga päev kell 14.00 võimsuse tõus, saab see eelnevalt-paigutada energia sobivasse salvestuskomponenti. Töötab suurepäraselt seni, kuni teie kasutusmuster muutub ja algoritm optimeerib ootamatult vale stsenaariumi jaoks.
Kus me praegu oleme
Tehnoloogia on piisavalt küps, et suured paigaldused on konkreetsetes rakendustes mõistlikud. Võrguteenused, nõudlike võimsusvajadustega tööstusrajatised, ulatuslik-taastuvenergia integreerimine - on tõestatud kasutusjuhud. Wärtsilä GEMS-tarkvara ja sarnased energiahaldusplatvormid on saanud mitme salvestustehnoloogiaga žongleerimisel üsna keerukaks.
Väiksemad-elamurakendused leiavad endiselt jalga. Majandusteadus ei tööta veel enamiku inimeste jaoks, kuigi varajased kasutajad ja ebausaldusväärse võrguühendusega inimesed installivad neid. Akude hinnad langevad pidevalt, mis aitab, kuid juhtimissüsteemid ja paigalduse keerukus hoiavad kogumaksumuse kõrgel.
Elektrisõidukid on tõenäoliselt koht, kus me näeme järgmist innovatsioonilainet. Kaal ja ruumipiirangud sunnivad tõhusaid konstruktsioone ning masstootmise potentsiaal vähendab kulusid. See, mis elektrisõidukites töötab, nihkub lõpuks statsionaarsetesse rakendustesse.
Tõhususe küsimus
Nii et tagasi algse küsimuse juurde: kas hübriidsed energiasalvestussüsteemid võivad tõhusust optimeerida?
Jah. Kuid mitte universaalselt, mitte automaatselt ja mitte alati majanduslikult.
Hästi läbimõeldud-hübriidsüsteem koos õigete juhtimisseadmetega võib saavutada 85-edasi-tagasi kasuteguri 85-90% või paremat -, mis on võrreldav ühe tehnoloogia lahendustega või ületab selle. Veelgi olulisem on see, et see suudab tõhusalt toime tulla mitmesuguste töötingimustega. See paindlikkus on sageli väärtuslikum kui tipptõhusus.
Tõhususe kasv tuleneb iga salvestustehnoloogia kasutamisest selle optimaalses töövahemikus. Kiire rattasõit ei saa patareisid purunema. Superkondensaatorid ei seisa jõude, välja arvatud võimsuse suurenemise ajal. Kogu süsteem töötab sujuvamalt, mis tähendab vähem heitsoojust, vähem lagunemist ja paremat pikaajalist-jõudlust.
Kuid - ja see on oluline - halvasti kavandatud hübriidsüsteem võib tegelikult olla vähem tõhus kui üks hästi-valitud salvestustehnoloogia. Kui teie juhtimisalgoritmid võitlevad üksteisega, kui teie komponentide suurused on sobimatud, kui teie jõuelektroonika põhjustab ülemääraseid konversioonikadusid... kulutasite lihtsalt rohkem raha, et jõudlust halvendada.
Mis tegelikult juhtuma peab
Tööstus vajab standardimist. Praegu on iga hübriidsüsteem teatud määral kohandatud - kohandatud-oma konkreetse rakenduse jaoks. See sobib inseneride meeskondadega{4}võrkude{4}mõõtkavaliste installide jaoks, kuid see takistab laiemat kasutuselevõttu. Vajame modulaarseid, skaleeritavaid konstruktsioone, mida saab kasutusele võtta ilma jalgratast iga kord uuesti leiutamata.
Ilmselgelt kulude vähendamine. Superkondensaatorid on endiselt kallid ühe vatt{1}}tunni salvestuse kohta, kuigi vajame neid ainult nende võimsustiheduse tõttu. Siin aitaks tootmisskaala. Nii oleks ka alternatiivsed superkondensaatoritehnoloogiad (grafeenil{4}}põhinevad konstruktsioonid näivad paljulubavad, kuid on endiselt enamasti laboris).
Paremad juhtimisalgoritmid, mis suudavad kohaneda muutuvate tingimustega ilma inimese sekkumiseta. Masinõpe võib siin tegelikult kasulik olla, erinevalt enamikust rakendustest, kus see on lihtsalt hüpe. Süsteem, mis õpib tundma teie konkreetseid kasutusmustreid ja optimeerib vastavalt, võib staatilise programmeerimisega võrreldes oluliselt parandada jõudlust.
Ja ausalt? Parem haridus. Enamik elektritöövõtjaid ja -paigaldajaid ei mõista hübriidsalvestussüsteeme. Enamik tarbijaid seda kindlasti ei tee. Kuni hübriidsüsteemid pole üldteadvuses sama tuttavaks saanud kui "patarei varundamine", jääb kasutuselevõtt ainult spetsialistidele ja entusiastidele.
Juhuslikud vaatlused
Mõtlen pidevalt sellele, kuidas me jõudsime siia -, kui püüdsime aastakümneid lahendada energia salvestamist üksikute lahendustega ja alles hiljuti võtsime kasutusele ulatuslikud hübriidmeetodid. See sarnaneb sellega, kuidas me liikusime ühe-tuumalistelt protsessoritelt mitme-tuumalistele protsessoritele, kui saavutasime sageduse skaleerimise piirangud. Mõnikord ei ole vastus ühe asja paremaks muutmine, vaid mitme asja arukas kooskasutamine.
Sellega on seotud kogu päikeseenergia-pluss-alalisvoolu-ühenduse trend. Selle asemel, et muuta päikeseenergia alalisvooluks vahelduvvooluks ja seejärel tagasi alalisvooluks aku salvestamiseks (mis raiskab energiat mõlemal muundamisel), hoiab alalisvooluühendus kõik alalisvoolus kuni vahelduvvooluvõrku. Vähendab kahjumit mitme protsendipunkti võrra. Just sellised süsteemitasemel{7}}optimeerimised muudavad hübriidmeetodid kasulikuks.
Samuti väärib märkimist: hübriidsüsteemide soojusjuhtimise väljakutsed pole{0}}triviaalsed. Akud tekitavad töötamise ajal soojust. Superkondensaatorid toodavad soojust. Hoorattad toodavad soojust laagrite hõõrdumisest. Pakkige kõik kokku ja vajate tõsist jahutust. Olen näinud paigaldusi, kus jahutussüsteem võtab piisavalt energiat, et üldist tõhusust märgatavalt vähendada. Midagi kaaluda.
Tulevikuosa (nõutav, kuid spekulatiivne)
Tahkis{0}}patareid võivad mängu täielikult muuta. Kui saame nii suure energiatihedusega kui ka suure võimsustihedusega akud ja pika tööeaga... võib-olla muutuvad hübriidsüsteemid ebavajalikuks. Või muutuvad need veelgi keerukamaks, sidudes pooljuhtakud{4}}muude tehnoloogiatega veelgi parema jõudluse saavutamiseks. Raske öelda.
Taustal varitseb ka vesinikuhoidla. Mõned hübriidsüsteemid uurivad võimsuse-konverteerimist gaasiks-pikaks-salvestuseks (nädalad või kuud), mis on lühiajalisteks-vajadusteks ühendatud akude ja superkondensaatoritega. See on keeruline ja sellel on efektiivsuskadu, kuid tõeliselt hooajalise ladustamise jaoks võib see olla ainus elujõuline valik.
Võrgustik ise on muutumas hübriidenergiasüsteemiks - mitte ainult salvestamiseks, vaid ka tootmiseks, edastamiseks, jaotamiseks, mis kõik töötavad koos üha keerukamalt. Sõiduki-võrgu-integreerimine lisab veel ühe kihi. Lõpuks võib-olla lõpetame mõtlemise diskreetsetele "süsteemidele" ja hakkame mõtlema täielikult integreeritud energiaökosüsteemile.
Aga ilmselt saan ma endast ette. Praegu mõtleme ikka veel, kuidas akusid superkondensaatoritega usaldusväärselt siduda, ilma et juhtimissüsteemid kokku kukuks.
Järeldus
Hübriidsed energiasalvestussüsteemid töötavad. Need optimeerivad tõhusust viisil, millega üksikud{1}tehnoloogilised lahendused ei sobi. Tehnoloogia on end tõestanud, kasu on reaalne ja rakendused kasvavad.
See, kas need on konkreetses olukorras mõistlikud, sõltub tehnilistest nõuetest, majanduslikest teguritest ja ausalt sellest, kui palju keerukust olete nõus lahendama. Võrgu-mastaabis taastuvenergia integreerimise ja tööstuslike rakenduste puhul muutuvad need üha enam vaikevalikuks. Elamute ja väikeste äripindade osas pole me veel päris kohal.
Põhiline arusaam -, et täiendavate tehnoloogiate kombineerimine annab paremaid tulemusi kui ühe lahenduse täiustamine -, tundub tagantjärele ilmselge. Enamik häid ideid teeb. Praegu on väljakutse muuta hübriidsüsteemid odavamaks, lihtsamaks ja juurdepääsetavamaks, et need saaksid oma eeliseid laiemalt pakkuda.
Ja kui mõtlete selle installimisele, rääkige kellegagi, kes tegelikult mõistab jõuelektroonikat ja energiahaldussüsteeme. Mitte ainult müüja. See värk on keeruline ja selle valesti võtmine on kallis.