Ho indagatoaccumulo di energiaormai da un po', e onestamente? Il tutto era confuso finché non mi sono imbattuto nei sistemi ibridi. Ecco il problema - stiamo cercando di risolvere lo stoccaggio dell'energia con soluzioni uniche da troppo tempo e semplicemente non funziona nel modo in cui ne abbiamo bisogno.
Il problema di cui nessuno parla
Una batteria può trattenere l’energia per giorni. Grande. Ma quando hai bisogno di un'improvvisa esplosione di energia - come quando i tuoi pannelli solari smettono di produrre e l'aria condizionata si accende contemporaneamente - quella stessa batteria ha problemi. Non è progettato per quello. Nel frattempo, i supercondensatori possono scaricare energia in millisecondi, ma perdono energia più velocemente di quanto un setaccio trattiene l’acqua.
Ricordo di aver letto di questa configurazione SMES (accumulo di energia magnetica superconduttiva) abbinata a un normale banco di batterie e di aver pensato "aspetta, perché nessuno l'ha fatto prima?" Si scopre che lo hanno fatto. Semplicemente non ci sono abbastanza persone che prestano attenzione.
L’approccio ibrido sostanzialmente dice: perché non usarli entrambi? Lascia che la batteria faccia ciò che sa fare meglio: -immagazzina energia a lungo-termine. Lascia che sia il supercondensatore a gestire i folli picchi di potenza. Sembra ovvio quando lo dici ad alta voce, giusto?
Quando due tecnologie hanno davvero senso insieme
Quindi è qui che la cosa diventa interessante. L'intera idea dei sistemi di accumulo di energia ibridi non consiste semplicemente nel mettere insieme due diversi tipi di accumulo e farla finita. Dietro c'è un vero pensiero ingegneristico, anche se alcune implementazioni sono decisamente migliori di altre.
Prendiamo la combinazione PMI/batteria. La parte superconduttrice ha una densità di potenza pazzesca - stiamo parlando di tempi di risposta misurati in millisecondi. Ma è costoso e non contiene molta energia per le sue dimensioni. Batterie? Problema completamente opposto. Abbinateli e avrete qualcosa in grado di gestire sia le brevi fluttuazioni di tensione che la fornitura di energia a lungo-termine. Ho visto le specifiche di un sistema che dimostravano che era possibile ridurre i costi di investimento di quasi il 30% rispetto al sovradimensionamento di un singolo tipo di storage. Sono soldi veri.
I volani abbinati alle batterie sono un'altra combinazione che trovo affascinante, probabilmente perché mi attira più l'aspetto meccanico che l'elettrochimica pura. Il volano gestisce le fluttuazioni di potenza ad alta-frequenza - pensa a cose di durata inferiore-al secondo - mentre la batteria gestisce le variazioni più lunghe e lente. La regolazione della frequenza di rete adora questa configurazione.
La parte che conta davvero (per la maggior parte delle persone)
Ecco cosa penso si perda in tutti gli articoli tecnici e i libri bianchi: l'energia rinnovabile è inutile se non possiamo immagazzinarla correttamente. I pannelli solari generano energia quando splende il sole. Osservazione rivoluzionaria, lo so. Ma hai bisogno di elettricità anche di notte, e il vento non soffia secondo un orario conveniente per i tuoi programmi per la cena.
Un sistema ibrido adeguatamente progettato può ottimizzare il modo in cui catturiamo e rilasciamo quell’energia. Quando la generazione solare diminuisce improvvisamente perché è passata una nuvola (o perché, sai, è avvenuto il tramonto), il componente del supercondensatore si attiva istantaneamente mentre la batteria aumenta. Ciò impedisce abbassamenti di tensione e mantiene le luci accese senza quel fastidioso sfarfallio.
Anche lo stoccaggio dell'energia dell'aria compressa (CAES) con supercondensatori è selvaggio, anche se ammetto che non lo vedo così utilizzato. CAES immagazzina energia comprimendo letteralmente l'aria in caverne o serbatoi sotterranei. È meccanico, è strano e quando lo abbini ai supercondensatori per una risposta rapida... funziona piuttosto bene per la stabilizzazione della griglia. Anche se trovare una geologia adatta per CAES-su larga scala è già di per sé un incubo.
Il vero-caos del mondo
Devo menzionare qualcosa che non rientra nella maggior parte delle discussioni tecniche: questi sistemi sono complicati da gestire. Davvero complicato. Sono necessari sistemi di controllo sofisticati per decidere quale componente di stoccaggio gestisce quale carico e in quale momento. Se sbagli, stai solo sprecando denaro ed efficienza.
Il sistema di gestione dell'energia - chiamiamolo EMS perché è più breve - deve monitorare la domanda di energia in tempo reale-e suddividere il carico in modo appropriato. Alta potenza, breve durata? Instradatelo al supercondensatore o al volano. Carico sostenuto? La batteria lo gestisce. Sembra semplice. Non lo è.
C'è anche questa cosa in cui diverse tecnologie di archiviazione hanno diversi modelli di degrado. Le batterie agli ioni di litio- detestano essere completamente scariche. I supercondensatori possono gestire milioni di cicli ma perdono lentamente capacità. Il vostro sistema di controllo deve tenerne conto, bilanciando le prestazioni di oggi con la longevità di domani. È come se... potessi correre ovunque e logorare le ginocchia, o andare avanti. L’EMS deve prendere questa decisione migliaia di volte al giorno.
Perché i veicoli elettrici sono importanti (forse più di quanto pensi)
I veicoli elettrici stanno affrontando sostanzialmente lo stesso problema che vediamo nello stoccaggio in rete, solo in scala ridotta e mobile. Desideri un'autonomia - che richieda batterie ad alta densità di energia. Ma vuoi anche un'accelerazione e una frenata rigenerativa in grado di assorbire rapidamente enormi quantità di potenza. Un solo tipo di batteria non può fare entrambe le cose in modo ottimale.
Alcuni produttori di veicoli elettrici stanno sperimentando lo stoccaggio ibrido - un grande pacco di ioni di litio-per l'autonomia, integrato da supercondensatori per le esplosioni di potenza. I supercondensatori catturano l'energia di frenata rigenerativa che altrimenti andrebbe persa (perché le batterie non possono caricarsi così velocemente) e forniscono la spinta extra per l'accelerazione senza stressare la batteria principale.
Rende i veicoli elettrici più economici? No. In realtà li rende più costosi in anticipo. Ma il degrado della batteria rallenta in modo significativo, il che in una durata di 10 anni... probabilmente ne vale la pena? Sui calcoli si discute ancora.
Controllo della realtà dei costi
Parliamo di soldi perché far finta che i costi non contino è sciocco. I sistemi ibridi sono inizialmente più costosi. Stai acquistando due o più tecnologie di storage invece di una, oltre ai sistemi di controllo per gestirle. In Australia stanno installando quello che apparentemente sarà il più grande sistema di batterie ibride accoppiate in corrente continua nel mercato nazionale dell'elettricità. La scala è imponente - abbastanza da alimentare 120.000 case.
Questo tipo di progetto ha senso dal punto di vista economico a causa della portata e del valore dei servizi di stabilità della rete. Per residenziale? Molto più difficile da giustificare a meno che tu non sia veramente impegnato o abbia specifiche esigenze di affidabilità. Anche se sospetto che questo cambi man mano che i costi dei componenti diminuiscono e le tariffe elettriche aumentano.
I risparmi operativi derivano da una maggiore durata delle apparecchiature e da una migliore efficienza. Se la batteria non viene colpita da cicli di carica-scarica rapidi, durerà più a lungo. Se il tuo supercondensatore riesce a gestire i picchi di potenza per cui è stato progettato anziché cercare di fornire storage a lungo-termine (il che sarebbe stupido), l'intero sistema funzionerà meglio. Ma è necessario utilizzarlo abbastanza a lungo per recuperare il premio iniziale.
Specifiche tecniche che contano
La densità di potenza rispetto alla densità di energia è il compromesso fondamentale che fa funzionare i sistemi ibridi. Pensa alla densità di potenza come alla velocità con cui puoi accedere all'energia immagazzinata - misurata in watt per chilogrammo. La densità energetica è la quantità totale di energia che puoi immagazzinare - misurata in watt-ora per chilogrammo.
Supercondensatori: alta densità di potenza (10,000+ W/kg), bassa densità di energia (~5 Wh/kg). Sono velocisti.
Batterie agli ioni di litio-: densità di potenza medio-alta (~300-500 W/kg), alta densità di energia (~250 Wh/kg). Sono maratoneti.
Hai bisogno di entrambi i tipi di atleti nella tua squadra, a seconda della gara.
Anche il tasso di autoscarica è importante. Le batterie mantengono la carica per settimane o mesi. I supercondensatori perdono rapidamente energia - perderai una percentuale significativa al giorno se non collegati a un carico. Questo è il motivo per cui non utilizzeresti i supercondensatori per l'alimentazione di backup-a lungo termine, anche se alcune persone online sembrano confuse al riguardo.
Strategie di controllo
Ok, questa sezione potrebbe diventare tecnica, ma è piuttosto importante. La strategia di controllo determina il modo in cui l’energia fluisce tra i diversi componenti di stoccaggio, il carico e la fonte di energia (rete o fonti rinnovabili o altro).
Il peak shaving è un approccio - il sistema ibrido attenua i picchi di domanda di energia in modo che la fonte di alimentazione principale veda un carico più costante. Il componente ad alta-energia assorbe i picchi, il componente ad alta-energia gestisce la linea di base. Si tratta di un aspetto enorme per l’integrazione delle energie rinnovabili perché fa sì che l’energia eolica e solare assomiglino sempre di più a centrali elettriche dispacciabili convenzionali nella rete.
Il filtraggio-passa basso è un altro metodo. Le variazioni di potenza ad alta-frequenza (cambiamenti rapidi) vengono instradate verso lo storage-ad alta densità di potenza. Le variazioni di bassa-frequenza (cambiamenti lenti) vanno all'accumulo-denso di energia. È matematicamente elegante, anche se l'implementazione può essere complicata.
Alcuni sistemi utilizzano algoritmi predittivi basati su modelli di carico storici. Se il sistema sa che la tua struttura ha in genere un picco di potenza ogni giorno alle 14:00, può pre-posizionare l'energia nel componente di stoccaggio appropriato. Funziona alla grande finché il tuo modello di utilizzo non cambia e l'algoritmo non si ottimizza improvvisamente per lo scenario sbagliato.
Dove siamo adesso
La tecnologia è sufficientemente matura da consentire installazioni di grandi dimensioni in applicazioni specifiche. Servizi di rete, strutture industriali con requisiti energetici impegnativi,-integrazione delle energie rinnovabili su larga scala - questi sono casi d'uso comprovati. Il software GEMS di Wärtsilä e piattaforme simili di gestione dell'energia sono diventati piuttosto sofisticati nel destreggiarsi tra più tecnologie di stoccaggio.
Le applicazioni residenziali su-scala più piccola stanno ancora trovando terreno. Le condizioni economiche non funzionano ancora per la maggior parte delle persone, anche se i primi ad adottarle e le persone con connessioni alla rete inaffidabili le stanno installando. I prezzi delle batterie continuano a scendere, il che aiuta, ma i sistemi di controllo e la complessità dell’installazione mantengono elevato il costo totale.
I veicoli elettrici sono probabilmente il luogo in cui assisteremo alla prossima ondata di innovazione. I vincoli di peso e spazio impongono progettazioni efficienti e il potenziale della produzione di massa spinge alla riduzione dei costi. Ciò che funziona nei veicoli elettrici finirà per estendersi anche alle applicazioni stazionarie.
La questione dell’efficienza
Torniamo quindi alla domanda iniziale: i sistemi di accumulo di energia ibridi possono ottimizzare l’efficienza?
SÌ. Ma non universalmente, non automaticamente e non sempre economicamente.
Un sistema ibrido ben-progettato con controlli adeguati può raggiungere efficienze di andata e ritorno pari all'85-90% o superiori - paragonabili o superiori alle soluzioni a tecnologia singola. Ancora più importante, è in grado di gestire in modo efficace una gamma più ampia di condizioni operative. Questa flessibilità è spesso più preziosa della massima efficienza.
I miglioramenti in termini di efficienza derivano dall’utilizzo di ciascuna tecnologia di storage nel suo intervallo operativo ottimale. Le batterie non vengono colpite dai cicli rapidi. I supercondensatori non restano inattivi tranne che durante i picchi di potenza. L'intero sistema funziona in modo più fluido, il che significa meno calore disperso, meno degrado e migliori prestazioni a lungo termine.
Ma - e questo è importante - un sistema ibrido mal progettato può effettivamente essere meno efficiente di una singola tecnologia di archiviazione-scelta bene. Se i tuoi algoritmi di controllo sono in conflitto tra loro, se le dimensioni dei componenti non corrispondono, se l'elettronica di potenza introduce eccessive perdite di conversione... hai semplicemente speso più soldi per ottenere prestazioni peggiori.
Cosa deve realmente accadere
L’industria ha bisogno di standardizzazione. Al momento, ogni sistema ibrido è in qualche modo -progettato-su misura per la sua applicazione specifica. Ciò va bene per le installazioni su scala-griglia con team di ingegneri, ma impedisce un'adozione più ampia. Abbiamo bisogno di progetti modulari e scalabili che possano essere implementati senza dover reinventare ogni volta la ruota.
Riduzione dei costi, ovviamente. I supercondensatori sono ancora costosi per watt-ora di storage, anche se ne abbiamo bisogno solo per la loro densità di potenza. La scala di produzione aiuterebbe qui. Lo stesso vale per le tecnologie alternative dei supercondensatori (i progetti basati sul grafene- sembrano promettenti ma sono ancora per lo più in laboratorio).
Algoritmi di controllo migliori in grado di adattarsi alle mutevoli condizioni senza intervento umano. L'apprendimento automatico potrebbe effettivamente essere utile in questo caso, a differenza della maggior parte delle applicazioni in cui è solo una montatura. Un sistema che apprende i tuoi modelli di utilizzo specifici e li ottimizza di conseguenza potrebbe migliorare significativamente le prestazioni rispetto alla programmazione statica.
E onestamente? Una migliore istruzione. La maggior parte degli appaltatori e degli installatori elettrici non comprende realmente i sistemi di storage ibridi. La maggior parte dei consumatori sicuramente no. Fino a quando i sistemi ibridi non diventeranno familiari come "batterie di riserva" nella coscienza generale, l'adozione rimarrà limitata a specialisti e appassionati.
Osservazioni casuali
Continuo a pensare a come siamo arrivati qui - cercando di risolvere per decenni lo stoccaggio dell'energia con soluzioni uniche e solo di recente abbracciando approcci ibridi su larga scala. È simile al modo in cui siamo passati dai processori single-core a quelli multi-core quando raggiungiamo i limiti di scalabilità della frequenza. A volte la risposta non è migliorare una cosa, ma usare più cose insieme in modo intelligente.
L'intera tendenza dell'accoppiamento DC-per l'energia solare-più-stoccaggio è correlata a questo. Invece di convertire la CC solare in CA e poi di nuovo in CC per l'immagazzinamento della batteria (che spreca energia in entrambe le conversioni), l'accoppiamento CC-mantiene tutto in CC finché non deve essere collegato alla rete CA. Riduce le perdite di diversi punti percentuali. Sono questi tipi di ottimizzazioni a livello di sistema-che rendono utili gli approcci ibridi.
Vale anche la pena notare che le sfide legate alla gestione termica nei sistemi ibridi non sono-banali. Le batterie generano calore durante il funzionamento. I supercondensatori generano calore. I volani generano calore dall'attrito dei cuscinetti. Metti tutto insieme e avrai bisogno di un raffreddamento serio. Ho visto installazioni in cui il sistema di raffreddamento assorbe energia sufficiente a ridurre notevolmente l'efficienza complessiva. Qualcosa da considerare.
La parte futura (richiesto ma speculativo)
Le batterie-allo stato solido potrebbero cambiare completamente le regole del gioco. Se otteniamo batterie sia ad alta densità di energia che ad alta densità di potenza con un lungo ciclo di vita... forse i sistemi ibridi diventeranno inutili. O forse diventano ancora più sofisticati, abbinando batterie allo stato solido-ad altre tecnologie per prestazioni ancora migliori. Difficile da dire.
Anche lo stoccaggio dell’idrogeno è in agguato sullo sfondo. Alcuni sistemi ibridi stanno esplorando la conversione di energia-in-gas per uno stoccaggio di lunga-durata (settimane o mesi), abbinato a batterie e supercondensatori per esigenze a breve-termine. È complicato e comporta perdite di efficienza, ma per uno storage veramente stagionale potrebbe essere l'unica opzione praticabile su larga scala.
La rete stessa sta diventando un sistema energetico ibrido - non solo stoccaggio, ma generazione, trasmissione, distribuzione, che operano tutti insieme con crescente sofisticazione. L'integrazione dal veicolo-alla-rete aggiunge un altro livello. Alla fine, forse smetteremo di pensare a “sistemi” discreti e inizieremo a pensare a un ecosistema energetico completamente integrato.
Ma probabilmente sto andando troppo avanti. Al momento, stiamo ancora cercando di capire come accoppiare in modo affidabile le batterie con i supercondensatori senza che i sistemi di controllo subiscano un collasso.
Conclusione
I sistemi ibridi di accumulo dell’energia funzionano. Ottimizzano l'efficienza in modi che le soluzioni-tecnologiche singole non possono eguagliare. La tecnologia è collaudata, i vantaggi sono reali e le applicazioni sono in crescita.
Se abbiano senso per una situazione specifica dipende dai requisiti tecnici, da fattori economici e, onestamente, da quanta complessità sei disposto ad affrontare. Per l'integrazione delle energie rinnovabili su scala-della rete e le applicazioni industriali, stanno diventando sempre più la scelta predefinita. Per il settore residenziale e quello commerciale di piccole dimensioni, non siamo ancora arrivati al traguardo.
L'intuizione fondamentale - secondo cui la combinazione di tecnologie complementari produce risultati migliori rispetto al tentativo di perfezionare un'unica soluzione - sembra ovvia in retrospettiva. La maggior parte delle buone idee lo fanno. La sfida ora è rendere i sistemi ibridi più economici, più semplici e più accessibili in modo che possano offrire i loro vantaggi su una scala più ampia.
E se stai pensando di installarne uno, parla con qualcuno che capisca veramente l'elettronica di potenza e i sistemi di gestione dell'energia. Non solo un venditore. Questa roba è complicata e sbagliare è costoso.