Zaključki uporabniškega primera CAPACON – Sistemi za shranjevanje energije

Zaključki iz uporabniškega primera CAPACON sistemi za shranjevanje energije

Sisteme za shranjevanje energije je mogoče razdeliti na sisteme z visokimi in majhnimi zmogljivostmi. Sistemi z visoko zmogljivostjo se običajno uporabljajo v dveh različnih konfiguracijah za podporo električnega omrežja. Prvi se lahko vidi kot konfiguracija moči, druga pa je energijska konfiguracija. Za konfiguracijo napajanja se uporabljajo baterije za zagotavljanje velike količine energije za napajanje v električno omrežje v kratkem času. V energijski konfiguraciji so baterije vstavljene, da zagotovijo stalno količino energije v omrežju za daljši čas.

Baterijski sistem – TAB, Vir internet

Dandanašnje sisteme za shranjevanje električne energije lahko razvrstimo v štiri različne skupine, ki se ponujajo na tržišču.

Mehanski sistemi za shranjevanje se uporabljajo za tehnologije črpanja vode, stiskanja zraka in tehnologije vztrajnikov.
Kemijsko skupino sestavljajo sekundarne in pretočne baterije ter vodikove gorivne celice.
Električna skupina je prav tako je zelo pomemben del sistemov za shranjevanje energije. Ta skupina uporablja kondenzatorje, super kondenzatorje, ultra kondenzatorje in superprevodne magnetne tuljave.
Najmanjša skupina je termična skupina, ki deluje s sistemi za shranjevanje toplote.

Največji razvoj dejansko poteka v elektrokemični in električni skupini baterij. Najpomembnejše komponente elektrokemijske skupine so sekundarne baterije, ki se izvajajo v stacionarnih in mobilnih aplikacijah. Izraz ‘sekundarna’ označuje baterijo kot zmožno ponovnega polnjenja.

Najpomembnejše vrste baterij trenutno temeljijo na litijevi tehnologiji. Litij-ionske baterije imajo na splošno relativno visoko učinkovitost v razponu od 95% do 98%. Ta tehnologija ima tudi prednost, da zagotavlja veliko število ciklov polnjenja in praznjenja, brez spominskega učinka, visoke gostote energije, visokih pretokov in ravno krivuljo razelektritve. Z uporabo balansiranega vezja je preprečeno prekomerno polnjenje in globoko praznjenje baterij na osnovi litija. Ta balansirani krog spremlja napetosti vsake baterije posebej (IEC , 2011).

Prav tako so zelo pomembni super kondenzatorji in ultra kondenzatorji za kratkotrajno shranjevanje energije. To so kondenzatorske vrste, ki imajo v primerjavi s pogosto uporabljenimi kondenzatorji zelo visoko gostoto energije. Ti posebni tipi kondenzatorjev se pogosto uporabljajo za visoko močnostne aplikacije za dostavo energije v relativno kratkem času. Prednosti teh ultra-kondenzatorjev so velika možnost shranjevanja energije v primerjavi s pogosto uporabljenimi kondenzatorji. Zelo nizka enakovredna serijska upornost teh kondenzatorjev vodi do zelo dobrega obvladovanja toka. To vodi do zelo hitrega polnjenja in praznjenja kondenzatorja. Lahko jih izvedemo skupaj z baterijami v električnem vozilu, da izboljšamo zmogljivost celotnega sistema (TG,2018).

Redox baterijske celice spadajo tudi v skupino kemijskega shranjevanja energije, ki ponuja ogromne shranjevalne zmogljivosti. Delujejo po načelu oksidacije in redukcije. Na obstoječem trgu je na voljo več vrst pretočnih celic. Pretočna celica vanadija-vanadija ponuja najvišjo učinkovitost od 70% do 90%. Pretočna celica je vidna tudi kot baterija. Med polnjenjem se električna energija iz zunanjega vira pretvori v kemijsko energijo. Med procesom praznjenja se shranjena kemična energija pretvori v električno energijo. Električni vhod in izhod takšne celice je vedno DC. Zato je za takšne sisteme potreben AC/DC pretvornik. Velika prednost pretočnih celic v primerjavi z baterijami je, da se lahko nadzoruje zmogljivost shranjevanja in izhodna moč. Življenjska doba takih sistemov je približno 40 let, vendar so zelo kompleksni in stroškovno zahtevni za sestavo (Energy storage association, 2018).

O UPORABNIŠKEM PRIMERU RAZPRAVA IN POVZETEK STANJE PO PROJEKTU CELOTNO POROČILO

O UPORABNIŠKEM PRIMERU:

Prva študija primera se nanaša na mobilne sisteme za shranjevanje energije.

Vsesplošno sprejeta električna mobilnost je zelo odvisna od učinkovitosti in življenjske dobe uporabljenih baterij. Tehnologija litij-ionskih (Li-ion) baterij je najobetavnejša trenutno razpoložljiva tehnologija shranjevanja energije za mobilne aplikacije. Med pomanjkljivostmi te tehnologije je treba izpostaviti zlasti manjšo učinkovitost in zmogljivost shranjevanja pri nizkih temperaturah. Za rešitev te težave je bil predmet preučevanja sistem za toplotno upravljanje baterijskih modulov za električna vozila, ki temelji na fazno spremenljivih snoveh. Opredeljeni so bili sestavni deli baterijskega sklopa in navedeni ustrezni kandidati za energetsko učinkovit sistem shranjevanja energije za električna vozila.

Podan je bil pregled najpomembnejših baterijskih celic za električno mobilnost in določeni so bili toplotni parametri teh baterijskih celic.

Predmet druge študije je razvoj laboratorijske naprave za preizkušanje redoks pretočnih baterij.

Ta je namenjena boljšemu razumevanju elektrokemičnih procesov te baterije, zlasti pa omogoča preučevanje dinamičnega vedenja baterije. Naprava za preizkušanje je v glavnem sestavljena iz dvosmernega razsmernika s pretvornikom DC/DC in krmilnikom sistema, vanadijeve redoks pretočne baterije nazivne moči 5 kW in baterijske zmogljivosti približno 10 kWh, osebnega računalnika za prikaz meritev in komunikacijo z baterijo in razsmernikom prek omrežja Ethernet ali komunikacijskega protokola Modbus TC ter iz zunanje naprave za beleženje podatkov o meritvah.

Za ocenitev dinamičnega obnašanja baterije se izvede simulacija profilov obremenitve z uporabniškim vmesnikom LabVIEW, v različnih testnih scenarijih pa se analizira dinamična interakcija med baterijo in sistemom razsmernika.

RAZPRAVA IN POVZETEK:

To poglavje vsebuje dve študiji primera, ki se osredotočata na baterije in baterijske sisteme ter shranjevanje energije za statične in mobilne aplikacije. Študije temeljijo na tehnoloških in ekonomskih poljih delovanja vključenih partnerjev in predstavljajo praktične tehnične vsebine o tem, kako vključiti in izkoristiti razpoložljive vire in znanja, ki so na voljo v programskem območju CB, ter kako izkoristiti tržne namene in potrebe identificiranih podjetij in izdelkov na bolj sinergičen in integrativen način, z namenom zagotavljanja realnih možnosti za izboljšanje tržnih izdelkov podjetij.

Prva študija primera se osredotoča na Mobilne sisteme za shranjevanje energije.

V tej študiji smo preučili toplotno upravljanje s faznimi spremembami z namenom preverjanja izvedljivosti in učinkovitosti delovanja v akumulatorskih modulih električnih vozil (EV). Na ravni baterijskega sistema so bili identificirani sestavni deli akumulatorja in hkrati so bili identificirani ustrezni deležniki iz Slovenije in Avstrije za energetsko učinkovit sistem za shranjevanje energije in napajalne sisteme za električna vozila (EV). Podan je bil pregled najpomembnejših baterijskih celic za elektro mobilnost in opredelitev toplotnih parametrov baterijskih celic. S celovito tržno raziskavo smo identificirali primerne materiale za fazno spreminjanje (PCM – Phase change materials), ki ustrezajo zahtevam in le-te preučili v laboratorijskih poskusih. Podrobno smo pregledali postopke strjevanja in taljenja ter poročali o novih izmerjenih podatkih v materialih za fazno spreminjanje (PCM). Za izvedbo poskusov, so bile namensko razvite testne postavitve za preverjanje zbranih podatkovnih listov in za dodatno razjasnitev odprtih vprašanj. Z eksperimentalnimi testnimi klopmi PCM smo že lahko ocenili različne latentne materiale za shranjevanje toplote in opredelili primeren PCM za zahtevani temperaturni razpon izbranih baterijskih celic. Sistem enojnih baterijskih celic je bil zasnovan tako, da PCM-ju zagotavlja najboljši možni geometrijski prostor znotraj akumulatorskih modulov-celic. Termodinamično obnašanje PCM v razvitem modulu je bilo analizirano in simulirano po metodi končnih elementov (FEM- Final elements method). Da bi lahko podali izjave o toplotnem obnašanju baterijskih sistemov s pasivnim PCM hlajenjem, so bili ustvarjeni CFD (computational fluid dynamics) modeli baterij in okoliške toplotne mase, ki bi lahko potrdili/ovrgli prejšnje predpostavke in izračune.

Vnos toplotne energije od zunaj v sistem (baterija v PCM) lahko povzroči homogeno porazdelitev temperature v baterijskem sistemu. Močno temperaturno odvisnost delovanja Li-ion baterijskih baterij bi lahko zmanjšali z dodajanjem toplotnega hranilnika z visoko energijsko gostoto, kot je izbrani PCM. Za varno delovanje baterije v primeru pregrevanja je treba vključiti dodatno hlajenje zaradi slabe toplotne prevodnosti PCM. Pasivno hlajenje z vpihovanjem zunanjega zraka za zavrnitev toplote iz baterij ne zadostuje.

Uvedba PCM-ja v akumulatorski sistem električnega vozila poveča skupno maso akumulatorja in tako posledično poveča celotno maso vozila, kar lahko privede do večje porabe energije. Da bi se temu izognili, smo ves čas raziskovanja konstantno spremljali celoten baterijski sistem, da bi se uspeli osredotočili na ustrezno rešitev. Na trgu trenutno ni širše dostopnih PCM-jev, ki bi izpolnjevali naše zahteve, kar lahko v raziskovanem primeru privede do povečanja stroškov baterije. To tveganje je podrejeno tehničnim tveganjem v raziskovalnem primeru, saj je končna ekonomska ocena dvomljiva.

Koraki projekta, ki jih obravnava ta uporabniški primer in znanje, pridobljeno z raziskovalnim delom, se uporabljajo predvsem kot podlaga za preverjanje izvedljivosti in nadaljnje predloge za financiranje raziskovalnih projektov. Raziskovalni primer obravnava potrditev rezultatov simulacij v obliki študij učinkovitosti z simulacijsko tehnologijo in preverjanje z laboratorijskimi nastavitvami in funkcionalnimi modeli. Baterijski sistemi so pod danimi pogoji zasnovani in preizkušeni v laboratoriju. Simulacija toplotnih tokov in razvoj testnih modulov sta del študije tehnične izvedljivosti za izboljšanje splošne energetske učinkovitosti večceličnih baterijskih sistemov.

V testno stojalo (test bench), ki je namenjeno izgradnji elektrokemičnega razumevanja redoks pretočnih baterij in natančnejšemu analiziranju dinamičnega obnašanja te tehnologije. Razvoj testnega stojala vključuje električno namestitev vseh komponent, zagon testne naprave, vključitev v lokalni Ethernet in programiranje programa NI-LabVIEW za nadzor sistema in beleženje podatkov meritev. Po zaključku razvoja testnega stojala so bile raziskane značilnosti polnjenja in praznjenja. Polnjenje baterije vedno vodi do znižanja temperature elektrolita in do povečanja napetosti v odprtem krogu. Ko se baterija izprazni, se ti merilni parametri spremenijo v obratni smeri. Čas nalaganja je v povprečju od 4 do 5 ur in je odvisen od polnilnega toka ter napetosti. Trajanje praznjenja z istimi nastavitvami traja le 3 do 4 ure. Na preskusnem testnem stojalu in napravi za baterije je mogoče na strani pretvornika določiti samo navidezne moči (imenovane nastavitve moči).

V okviru izvedenih meritev je bil podrobneje preučen odzivni čas testnega stojala – plošče akumulatorja na dano spremembo nastavljenih vrednosti. Raziskovale so se spremembe nastavitve z in brez prehoda med polnjenjem in praznjenjem. V primeru sprememb nastavitvene točke, brez spremembe načina delovanja, je bilo mogoče dobiti bistveno nižje reakcijske čase. Merilni testi s preklopom delovanja so dosegli reakcijski čas 720 milisekund v primerjavi s spremembo nastavljene vrednosti med praznjenjem z 240 milisekundami. V okviru raziskav meritev je bilo mogoče določiti in prikazati obremenitvene profile na preskusni napravi. Med specifikacijo profilov obremenitve je bilo mogoče prepoznati časovno zamudo od 250 do 300 milisekund glede na moč izmeničnega toka. Poleg tega razviti program LabVIEW nastavi nastavitve hitreje, kot jih lahko testno stojalo obdela, kar pomeni, da profil obremenitve sestavlja več različnih merilnih podatkov kot samo izhodna izmenična AC moč.

Z napredkom raziskovalnega dela, bi lahko nove posodobitve programske opreme za baterijske sisteme in pretvornike potencialno povzročile krajši odzivni čas do sprememb nastavljene točke. Med meritvenimi poskusi bi lahko podrobno analizirali tudi delovanje elektrolize redoks pretočne baterije. Zanimivo bi bilo opazovati porabo energije in dogajanja temperature v izravnalni celici med elektrolizo.

STANJE PO PROJEKTU:

Nadaljnje meritve so bile izvedene v juniju 2019 z namenom podrobnejše raziskave dinamičnega obnašanja redoks toka in primerjave s prejšnjimi rezultati. Ti novi rezultati so predstavljeni v končnem poročilu sistemov za shranjevanje energije, aktivnost T2.2. Redoks pretočna baterija predstavlja prototip in ima še vedno nekaj težav z delovanjem. Te se pojavijo zaradi izvedbe meritev in kažejo trenutne meje redox flow pretočne baterije. Tukaj je še vedno veliko prostora za izboljšave.

Če pa se te težave odpravijo, obstaja tudi možnost, da se hibridni sončni kolektorji PVT integrirajo z enosmerno povezavo inverterskega sistema, ki analizira hkratno shranjevanje ustvarjenih PV donosov na testni ploščadi. V prihodnosti bi lahko bil baterijski sistem s pretokom REDOX dobra izbira za morebitno vključitev v zgradbe, pa tudi v skupnosti in mestne soseske, ki jih poganjajo decentralizirani fotovoltaični sistemi in z energijo shranjeno v redoks pretočnih baterijah.

V prihodnosti bo zagotovo trend povečati razvoj tehnologije litijevih baterij zaradi uporabe teh baterij po vsem svetu. Raziskave v prihodnosti se bodo osredotočile na različne anodne in katodne materiale, da bi dosegli boljšo zmogljivost baterije, povečali zmogljivost in zmanjšali stroške baterije. Poleg tega bo avtomobilska industrija močno povečala raziskave in razvoj na področju baterijskih tehnologij, da bi prisilila električni sektor mobilnosti. Za ta sektor bo potrebno doseči višje zmogljivosti za shranjevanje energije, višje cene za polnjenje in praznjenje ter visoko učinkovite rešitve za hitro polnjenje.

Splošno bi bilo tudi zelo pomembno zmanjšati stroške baterij, da bi električna vozila postala privlačnejša za prebivalstvo. Recikliranje baterij bo tudi v prihodnje zelo pomembno, ker je litij zelo drag in so sredstva omejena (Prachi, P.,2018) Tudi količina zasebnih lastnikov iz stacionarnih litijskih akumulatorjev se bo v prihodnosti povečala, ker veliko ljudi gradi fotovoltaične naprave na svojih strehah. Samo-proizvedena energija bo shranjena v stacionarnih baterijah za nadaljnjo uporabo. Vendar je to mogoče doseči le, če je razmerje med stroški in koristmi zanimivo za prebivalstvo.

Na splošno je mogoče sklepati, da morajo vse rešitve za shranjevanje energije ponuditi najvišji možni faktor učinkovitosti za varčevanje z energijo, zmanjšanje skupnih stroškov in zmanjšanje izpustov CO2. To bo splošni cilj raziskovalnih in razvojnih oddelkov, da bodo konkurenčni na svetovno znani ravni. Prav tako bodo v prihodnje zakonski predpisi določili načine delovanja.

Celotno poročilo na voljo tukaj: