מגמות חדשות של מערכת אחסון אנרגיה ESS Technology

היצרן בעל שם עולמי של מוצרי בקרה תעשייתיים - C3CONTROLS בארצות הברית ניתח את המגמות הטכנולוגיות החדשות של מערכת אחסון האנרגיה של ימינו ESS בנייר הלבן הטכני שלה, להלן קטע.

חשמל בצורתו הגולמית לא ניתן לאגור בכל קנה מידה, אך באמצעות מערכת אגירת אנרגיה (ESS), ניתן להמירו לצורות אחרות של אנרגיה שניתן לאגור. ניתן להמיר צורות אלו של אנרגיה בחזרה לחשמל בעת הצורך.

מערכות אחסון אנרגיה מציעות מגוון רחב של גישות טכנולוגיות לניהול אספקת החשמל שלנו במאמץ ליצור תשתית אנרגיה עמידה יותר ולחסוך בעלויות עבור שירותים וצרכנים. הטכנולוגיות הנוכחיות של מערכת אחסון החשמל כוללות סוללות, גלגלי תנופה, אוויר דחוס, אחסון הידרו שאוב ועוד. כיום, כל המערכות הללו עדיין מוגבלות בסך האנרגיה שהן יכולות לאגור, אך המחקר ממשיך לשפר במהירות את הטכנולוגיות הללו.

רשת החשמל בארה"ב בנויה על איזון עדין בין אספקת החשמל לביקוש הצרכנים. דרך יעילה לסייע באיזון תנודות בהיצע וביקוש החשמל היא לאגור חשמל בתקופות של ייצור גבוה וביקוש נמוך, ולאחר מכן לשחרר אותו בחזרה לרשת בתקופות של ייצור נמוך או ביקוש גבוה.

ביקוש גובר לאחסון חשמל

מאז גילוי החשמל, חוקרים ומדענים רבים חיפשו דרכים יעילות לאגירת אנרגיה לשימוש לפי דרישה. במהלך 100 השנים האחרונות, תעשיית אגירת האנרגיה גדלה והתחדשה בתגובה לדרישות החשמל המשתנות ולהתקדמות הטכנולוגית.

כיום, צרכנים בארצות הברית משתמשים בחשמל 24 שעות ביממה. בין אם אנחנו ערים או ישנים, הצורך שלנו בחשמל הוא קבוע. צרכנים אמריקאים נוטים לקחת כמובן מאליו כמה קל להשיג את האנרגיה הדרושה לנו כדי להפעיל את המכשירים, המכשירים, הכלים, המכונות, כלי הרכב וכל מה שאנו משתמשים בו ביום ובלילה.

עם זאת, הפופולריות המהירה הנוכחית של כלי רכב חשמליים, למשל, הפעילה לחץ גדול יותר על הרשת וצריכה לעמוד בדרישת חשמל גדולה יותר. יתר על כן, התקדמות טכנולוגית וצמיחה בשוק האנרגיה המתחדשת (למשל שמש, רוח וכו') היו מניע חשוב לביקוש לאגירת אנרגיה לאור ההשפעה המשמעותית על הרשת.

טכנולוגיית אחסון אנרגיה

מאפיין מרכזי של משק החשמל הוא שרמת החשמל שניתן לייצר קבועה לפרקי זמן קצרים. במקום זאת, הביקוש לחשמל משתנה לאורך היום. פיתוח טכנולוגיות לאגירת אנרגיה חשמלית כך שתהיה זמינה בעת הצורך מייצג שינוי מהותי באופן חלוקת החשמל.

מערכת אחסון אנרגיה

מערכות אחסון אנרגיה (ESS) נועדו לנהל את רמות החשמל הדרושות להספקת חשמל ללקוחות בשעות השיא שבהן הביקוש הוא הגדול ביותר - בסופו של דבר עוזרות להחליק את השימוש באנרגיה מתחדשת ולהזרמתה למערכת החלוקה ביתר קלות.

ה-ESS גם יסייע באיזון המיקרוגרייד כדי להשיג איזון יציב בין ייצור לעומס. מערכת אגירת האנרגיה יכולה לספק ויסות תדרים - זה קריטי לשמור על התדר של המערכת כולה על 60 הרץ. זה שומר על איזון בין עומס הרשת והכוח שנוצר. בנוסף, הפריסה של ESS יכולה גם לספק אספקת חשמל אמינה יותר עבור מתקנים תעשייתיים היי-טק. אחסון אנרגיה ואלקטרוניקה כוח טומנת בחובה הבטחה מעודדת לשינוי של מגזר החשמל.

אלקטרוניקה במתח גבוה

אלקטרוניקה במתח גבוה, כגון מתגים, בקרים וממירים, שולטת בכוח במהירות ובדייקנות כדי לתמוך בשידור למרחקים ארוכים. התקני מתח גבוה אלו יאפשרו למערכת לפעול בצורה יעילה יותר ולהגיב בצורה יעילה להפרעות מהר יותר. אתגר מרכזי נוסף שעומד בפניהם הוא הפחתת העלות של טכנולוגיית אחסון אנרגיה ואלקטרוניקה כוח כדי להאיץ את קבלת השוק.

תוכנית אחסון אנרגיה של DOE

תוכנית אחסון האנרגיה (ESP) שהוקמה על ידי משרד החשמל של משרד האנרגיה האמריקאי (OE) עורכת מחקר ופיתוח על טכנולוגיות שונות לאגירת אנרגיה. בסיס טכנולוגי רחב זה כולל סוללות (קונבנציונליות ומתקדמים), קבלים אלקטרוכימיים, גלגלי תנופה, אלקטרוניקת כוח, מערכות בקרה וכלי תוכנה לאופטימיזציה של אחסון וגודל. ESP עובדת בשיתוף פעולה הדוק עם שותפים בתעשייה - רבים מהפרויקטים שלה מתחלקים מאוד בעלויות.

תוכנית אחסון האנרגיה (ESP) מציעה לחברות שירות ומחלקות אנרגיה במדינה את ההזדמנות לשתף פעולה בתכנון, רכש, התקנה והזמנת מתקני אחסון פורצי דרך גדולים בגודל של כמה מגה וואט. זה גם תומך במחקרים אנליטיים של הביצועים הטכניים והכלכליים של טכנולוגיות אחסון, כמו גם הערכות טכניות של רכיבי מערכת אחסון אנרגיה ומערכות הפעלה.

אחסון אנרגיה משופר יכול לספק יתרונות מרובים לתעשיית החשמל וללקוחותיה המגורים, כמו גם לחברות ייצור תעשייתיות ולחברות מסחריות. יתרונות אלו יכללו איכות חשמל משופרת ואספקת חשמל אמינה ללקוחות - והגברת היציבות והאמינות של מערכות ההולכה והחלוקה.

תוכנית אחסון האנרגיה (ESP) מעודדת חברות שירות להתאים מחדש ציוד קיים כדי לדחות או לבטל שדרוגים יקרים - שיפור הזמינות והגדלת ערך השוק של חשמל מבוזר. ESPs מספקים לחברות שירות וספקים ייצור אנרגיה מתחדשת בעלת ערך גבוה יותר ועלויות נמוכות יותר באמצעות קיבולת גבוהה יותר ודחיית תשלומי ההולכה.

ESP פועלת גם להגברת צפיפות אגירת האנרגיה באמצעות מחקר על אלקטרוליטים מתקדמים עבור סוללות זרימה, פיתוח סוללות נתרן בטמפרטורה נמוכה, ואלקטרודות בעלות מבנה ננו עם ביצועים אלקטרוכימיים משופרים. בתחום האלקטרוניקה הכוח, המחקר על חומרים חדשים במתח גבוה, בעוצמה גבוהה, בתדר גבוה ובפער פס רחב כגון סיליקון קרביד וגאליום ניטריד מתקדם. בנוסף, נמשך מחקר על מערכות המרת הספק מתקדמות המשתמשות במגנטיות מתקדמת, קבלים במתח גבוה, אריזה ובקרה מתקדמת כדי להגדיל משמעותית את צפיפות ההספק והביצועים.

כוכב אנרגיה

יוזמת Energy Earthshots היא יוזמה נוספת של משרד האנרגיה האמריקאי להאצת פריצות דרך לפתרונות אנרגיה נקייה בשפע, סבירים ואמינים יותר בתוך עשור. השגת יוזמת Energy Earthshots תסייע לארה"ב להתמודד עם החסמים הקשים ביותר לטיפול במשבר האקלים, להצמיח כלכלת אנרגיה נקייה ולעבור מהר יותר לפליטות פחמן אפס נטו עד 2050.

DOE – Long Term Storage Earthshots

Long Duration Storage Energy Earthshots (LDSEE) שמה לה למטרה להפחית את העלות של אחסון אנרגיה בקנה מידה רשת עבור מערכות הנמשכות יותר מ-10 שעות ב-90 אחוז בתוך עשור. לאחסון אנרגיה יש פוטנציאל להאיץ את הפחמן המוחלט של הרשת.

אחסון משך זמן קצר יותר מותקן כעת כדי לתמוך ברמות של ימינו של ייצור אנרגיה מתחדשת. ככל שיותר ויותר אנרגיה מתחדשת נפרסת על הרשת, נדרשות טכנולוגיות אחסון לטווח ארוך יותר. אחסון זול ויעיל יותר יאפשר ללכוד ולאחסן אנרגיה נקייה מתחדשת לשימוש כאשר ייצור האנרגיה אינו זמין או נופל מתחת לביקוש.

לדוגמה, אנרגיה מתחדשת כגון אנרגיה סולארית המופקת במהלך היום יכולה לשמש בלילה כאשר הביקוש גדל, או אנרגיה גרעינית המופקת בתקופות של ביקוש נמוך יכולה לשמש כאשר הביקוש עולה. LDSS ישקול את כל סוגי הטכנולוגיות - ספקים אלקטרוכימיים, מכניים, תרמיים, כימיים או כל שילוב שיש לו פוטנציאל לעמוד ביעדי משך הזמן והעלות הנדרשים לגמישות הרשת.

כְּסָפִים

מספר משרדי DOE מבצעים פעילויות אחסון אנרגיה, ובקשת התקציב של הנשיא לשנת 2022 כוללת סך של 1.16 מיליארד דולר עבור פעילויות אלה, במעקב דרך חתך ה-Energy Storage Grand Challenge. בהמתנה למימון מענק, DOE צופה הזדמנויות מימון ופעילויות אחרות שיעזרו לקדם את ההתקדמות לעבר יעדי ה-LDSS, בהתאם למפת הדרכים של DOE Storage Grand Challenges.

השגת היעד של אפס פליטת פחמן נטו

יעדי אחסון כדור הארץ לטווח ארוך (LDSS) הם המפתח להשגת פליטת פחמן אפס נטו עבור הרשת עד 2035 ועבור הכלכלה כולה עד 2050. אחסון אנרגיה יכול לשפר את השליטה המקומית במערכת החשמל וליצור חוסן לקהילות שחוות הפסקות חשמל תכופות או שלא תהיה לך גישה לרשת. פיתוח טכנולוגיה וייצור כדי לעמוד ביעדי עלות LDSS יבסס גם מגזר ייצור מוצרי זיכרון חדש בארצות הברית.

ככל שעלות טכנולוגיות השמש והרוח יורדת במהירות, נתח הולך וגדל של אנרגיה מתחדשת משתנה יהפוך לנורמה בעתיד. השימוש בכלי רכב חשמליים מאיץ את המאמצים להפחתת פחמן של מגזר התחבורה.

הצורך להכיל אספקת אנרגיה משתנה בזמן שתחום החשמל מספק תפוקה בלתי פוסקת הוא יעד בר השגה. המאמצים לשלב אנרגיות מתחדשות כגון שמש, רוח ומשאבים מתחדשים אחרים במגזרי שימוש קצה הראו פוטנציאל משמעותי, ואת החשיבות הקריטית של אחסון חשמל כדי להשיג פחמן עמוק.

אחסון חשמל המבוסס על סוללות המשתפרות במהירות וטכנולוגיות אחרות יאפשר גמישות רבה יותר של המערכת, נכס מרכזי שכן חלקה של אנרגיה מתחדשת משתנה ממשיך לגדול. אחסון חשמל יכול לאפשר מגזר תחבורה הנשלט על רכבים חשמליים, לאפשר 24-מערכות סולאריות סולאריות יעילות 24-לשעתיים, ולתמוך ב-100 אחוז מיקרו-רשתות מתחדשות.

תחזית בינלאומית

בדוח אחסון חשמל ואנרגיה מתחדשת: עלויות ושווקים, הסוכנות הבינלאומית לאנרגיה מתחדשת (IRENA) מנתחת את העלות והביצועים הנוכחיים של מגוון טכנולוגיות אחסון חשמל ביישומים נייחים, כמו גם את הפוטנציאל שלהן להפחתת עלויות ושיפור ביצועים באמצעות 2030 עד 2030."

הדוח הגיע למסקנה שקיבולת אחסון החשמל הכוללת עשויה לשלש את עצמן במונחים של אנרגיה עד שנת 2030. עם האימוץ המהיר של אנרגיה מתחדשת, זה אמור להספיק כדי להכפיל את חלקם של אנרגיה מתחדשת בתמהיל האנרגיה העולמי תוך פחות מ-15 שנים. אחסון כוח הסוללה עשוי לגדול פי 17-, והעלות של טכנולוגיית אחסון הסוללה עשויה לרדת ב-66 אחוזים.

מחקר זה מראה שלמערכות אחסון סוללות יש פוטנציאל עצום לפריסה והפחתת עלויות. סך העלויות המותקנות עשויות לרדת ב-50% עד 60% עד 2030, כאשר עלויות הסוללה יורדות אפילו יותר. כל זה מונע על ידי אופטימיזציה של מתקני ייצור, כמו גם הרכב טוב יותר ושימוש מופחת בחומרים.

טכנולוגיית מערכת אחסון אנרגיה

מערכות אחסון אנרגיה (ESS) מציעות מגוון רחב של גישות טכנולוגיות לניהול אספקת החשמל שלנו כדי ליצור תשתית אנרגיה עמידה יותר ולחסוך בעלויות עבור שירותים וצרכנים. הגישות השונות הנפרסות כיום ברחבי העולם נדונות להלן.