Estiven investigandoalmacenamento de enerxíahai un tempo, e sinceramente? Todo foi confuso ata que me atopei con sistemas híbridos. Este é o acordo - que levamos demasiado tempo intentando resolver o almacenamento de enerxía con solucións únicas, e simplemente non funciona como precisamos.
O problema do que ninguén fala
Unha batería pode conter enerxía durante días. Genial. Pero cando necesitas unha explosión repentina de enerxía -, como cando os teus paneis solares deixan de producirse e a túa CA se activa ao mesmo tempo - esa mesma batería ten problemas. Non está deseñado para iso. Mentres tanto, os supercondensadores poden verter enerxía en milisegundos, pero filtran enerxía máis rápido do que unha peneira contén auga.
Recordo que lin sobre esta configuración SMES (almacenamento de enerxía magnética superconductora) combinada cun banco de baterías normal e pensei "espera, por que ninguén fixo isto antes?" Resulta que teñen. Simplemente non hai suficientes persoas que están prestando atención.
O enfoque híbrido di basicamente: por que non usar ambos? Deixa que a batería faga o que mellor fan - almacenar enerxía a longo-. Deixa que o supercondensador se encargue dos tolos picos de potencia. Soa obvio cando o dis en voz alta, non?
Cando dúas tecnoloxías realmente teñen sentido xuntas
Entón, aquí é onde se pon interesante. Toda a idea dos sistemas híbridos de almacenamento de enerxía non consiste só en xuntar dous tipos de almacenamento diferentes e chamalo un día. Hai un pensamento de enxeñería real detrás, aínda que algunhas implementacións son definitivamente mellores que outras.
Tome a combinación SMES/batería. A parte supercondutora ten unha densidade de potencia demente - estamos a falar de tempos de resposta medidos en milisegundos. Pero é caro e non contén moita enerxía para o seu tamaño. Pilas? Completa o problema oposto. Combínaos e tes algo que pode manexar tanto as flutuacións de voltaxe curtas como a subministración de enerxía a longo prazo-. Vin especificacións dun sistema que mostraban que podían reducir os custos de investimento case un 30 % en comparación co sobredimensionamento dun único tipo de almacenamento. Iso é diñeiro real.
Os volantes combinados con baterías son outra combinación que me parece fascinante, probablemente porque o aspecto mecánico me atrae máis que a pura electroquímica. O volante de inercia xestiona as flutuacións de potencia de alta-frecuencia - pense en cousas inferiores a-segundas - mentres que a batería xestiona as variacións máis longas e máis lentas. A regulación da frecuencia da rede adora esta configuración.
A parte que realmente importa (para a maioría da xente)
Isto é o que creo que se perde en todos os papeis técnicos e libros brancos: as enerxías renovables non serven para nada se non podemos almacenalas correctamente. Os paneis solares xeran enerxía cando brilla o sol. Observación innovadora, sei. Pero tamén necesitas electricidade pola noite, e o vento non sopra nun horario conveniente para os teus plans de cea.
Un sistema híbrido deseñado correctamente pode optimizar como captamos e liberamos esa enerxía. Cando a xeración solar cae de súpeto porque pasou unha nube (ou porque, xa sabes, o solpor pasou), o compoñente do supercondensador iníciase ao instante mentres a batería aumenta. Isto evita caídas de voltaxe e mantén as luces acesas sen ese molesto parpadeo.
O almacenamento de enerxía de aire comprimido (CAES) con supercondensadores tamén é salvaxe, aínda que admito que non o vexo implantado tanto. CAES almacena enerxía comprimindo literalmente o aire en cavernas ou tanques subterráneos. É mecánico, é raro, e cando o combinas con supercaps para unha resposta rápida... en realidade funciona bastante ben para a estabilización da rede. Aínda que atopar xeoloxía adecuada para-CAES a gran escala é o seu propio pesadelo.
Desorde do{0}}mundo real
Necesito mencionar algo que non aparece na maioría das discusións técnicas: estes sistemas son complicados de xestionar. Realmente complicado. Necesita sistemas de control sofisticados para decidir que compoñente de almacenamento se encarga de que carga en que momento. Mal, e só estás a perder cartos e eficiencia.
O sistema de xestión de enerxía - chamémoslle EMS porque é máis curto - ten que supervisar a demanda de enerxía en tempo real-e dividir a carga adecuadamente. Alta potencia, curta duración? Envíao ao supercondensador ou ao volante. Carga sostida? A batería encárgase. Parece sinxelo. Non o é.
Tamén hai unha cousa na que as diferentes tecnoloxías de almacenamento teñen diferentes patróns de degradación. As baterías de-ións de litio odian estar completamente descargadas. Os supercondensadores poden manexar millóns de ciclos pero lentamente van perdendo capacidade. O teu sistema de control debe ter en conta isto, equilibrando o rendemento hoxe e a lonxevidade de mañá. É como... podes correr a todas partes e desgastar os xeonllos, ou ritmo. O EMS ten que tomar esa decisión miles de veces ao día.
Por que lles importa aos vehículos eléctricos (quizais máis do que pensas)
Os vehículos eléctricos están lidando basicamente co mesmo problema que vemos no almacenamento na rede, só reducido e móbil. Quere rango - que necesite baterías de alta densidade de enerxía. Pero tamén queres aceleración e freada rexenerativa que poida absorber grandes cantidades de potencia rapidamente. Un tipo de batería non pode facer ambas de forma óptima.
Algúns fabricantes de vehículos eléctricos están experimentando con almacenamento híbrido - un gran paquete de ións de litio- para a autonomía, complementado con supercondensadores para ráfagas de enerxía. Os supercaps captan a enerxía de freada rexenerativa que se perdería doutro xeito (porque as baterías non se poden cargar tan rápido) e proporcionan o impulso extra para acelerar sen estresar a batería principal.
Fai que os vehículos eléctricos sexan máis baratos? Non. En realidade, os fai máis caros por adiantado. Pero a degradación da batería diminúe significativamente, que ao longo dunha vida útil de 10 anos... probablemente paga a pena? As matemáticas aínda se discuten.
Comprobación da realidade dos custos
Falemos de cartos porque finxir que o custo non importa é unha tontería. Os sistemas híbridos son máis caros inicialmente. Estás a mercar dúas ou máis tecnoloxías de almacenamento en lugar dunha, ademais dos sistemas de control para xestionalas. En Australia, están instalando o que, ao parecer, será o maior sistema de baterías híbridas de CC-acoplada no seu mercado nacional de electricidade. A escala é o suficientemente grande - como para alimentar 120.000 fogares.
Este tipo de proxecto ten sentido económico pola escala e o valor dos servizos de estabilidade da rede. Para residencial? Moito máis difícil de xustificar a menos que esteas realmente comprometido ou teñas necesidades específicas de fiabilidade. Aínda que sospeito que isto cambia a medida que baixan os custos dos compoñentes e aumentan as tarifas eléctricas.
O aforro operativo proveñen da vida útil prolongada dos equipos e dunha mellor eficiencia. Se a túa batería non está a ser golpeada polos ciclos rápidos de carga-descarga, durará máis tempo. Se o teu supercondensador está a xestionar os picos de potencia para os que foi deseñado en lugar de tentar proporcionar almacenamento a longo prazo-(o que sería estúpido), todo o sistema funciona mellor. Pero cómpre operalo o tempo suficiente para recuperar esa prima inicial.
Especificacións técnicas que importan
A densidade de enerxía fronte á densidade de enerxía é a compensación fundamental que fai que os sistemas híbridos funcionen. Pensa na densidade de enerxía como a rapidez coa que podes acceder á enerxía almacenada - medida en vatios por quilogramo. A densidade de enerxía é a cantidade de enerxía total que pode almacenar - medida en vatios-hora por quilogramo.
Supercondensadores: alta densidade de enerxía (10,000+ W/kg), baixa densidade de enerxía (~5 Wh/kg). Son velocistas.
Baterías de iones de litio-: densidade de enerxía media-alta (~300-500 W/kg), alta densidade de enerxía (~250 Wh/kg). Son corredores de maratón.
Necesitas dous tipos de atletas no teu equipo, dependendo da carreira.
A taxa de-autodescarga tamén é importante. As baterías manteñen a súa carga durante semanas ou meses. Os supercondensadores perden enerxía rapidamente - perderás unha porcentaxe significativa ao día se non estás conectado a unha carga. É por iso que non usarías supercondensadores para-a enerxía de respaldo a longo prazo, aínda que algunhas persoas en liña parecen confundidas ao respecto.
Estratexias de control
Está ben, esta sección pode ser técnica, pero é algo importante. A estratexia de control determina como flúe a enerxía entre os diferentes compoñentes de almacenamento, a carga e a fonte de enerxía (rede ou renovables ou o que sexa).
O afeitado máximo é un enfoque - o sistema híbrido suaviza os picos de demanda de enerxía para que a fonte de enerxía principal vexa unha carga máis constante. O compoñente de almacenamento de alta-potencia absorbe os picos, o compoñente de alta-enerxía xestiona a liña de base. Isto é enorme para a integración de enerxías renovables porque fai que a eólica e a solar parezan máis as centrais eléctricas despachables convencionais á rede.
O filtrado de paso baixo-é outro método. As variacións de potencia de alta-frecuencia (cambios rápidos) envíanse ao almacenamento denso-de potencia. As variacións de baixa-frecuencia (cambios lentos) van ao almacenamento de-denso de enerxía. É matematicamente elegante, aínda que a implementación pode ser complicada.
Algúns sistemas usan algoritmos preditivos baseados en patróns de carga históricos. Se o sistema sabe que a túa instalación adoita ter un pico de enerxía todos os días ás 14:00, pode pre-posicionar a enerxía no compoñente de almacenamento adecuado. Funciona moi ben ata que o teu patrón de uso cambia e o algoritmo optimízase de súpeto para o escenario incorrecto.
Onde Estamos Agora
A tecnoloxía está o suficientemente madura como para que as grandes instalacións teñan sentido en aplicacións específicas. Servizos de rede, instalacións industriais con esixentes requisitos de enerxía,-integración de enerxías renovables a gran escala - son casos de uso comprobados. O software GEMS de Wärtsilä e plataformas similares de xestión de enerxía volvéronse bastante sofisticados para facer malabarismos con varias tecnoloxías de almacenamento.
As aplicacións residenciais de menor-escala aínda están atopando a súa base. A economía aínda non funciona para a maioría da xente, aínda que os primeiros adoptantes e as persoas con conexións á rede pouco fiables están instalándoas. Os prezos das baterías seguen baixando, o que axuda, pero os sistemas de control e a complexidade da instalación manteñen o custo total elevado.
Os vehículos eléctricos son probablemente onde veremos a próxima ola de innovación. As limitacións de peso e espazo obrigan a deseños eficientes, e o potencial de produción en masa conduce á redución de custos. O que funciona nos vehículos eléctricos acabará por chegar a aplicacións estacionarias.
A cuestión da eficiencia
Entón, volvamos á pregunta orixinal: os sistemas híbridos de almacenamento de enerxía poden optimizar a eficiencia?
Si. Pero non universalmente, nin automaticamente, nin sempre economicamente.
Un sistema híbrido-ben deseñado e con controis axeitados pode conseguir unha eficiencia-de ida e volta do 85-90 % ou superior - comparables ou superiores ás solucións de tecnoloxía única. Máis importante aínda, pode xestionar unha gama máis ampla de condicións de funcionamento de forma eficaz. Esa flexibilidade é moitas veces máis valiosa que a eficiencia máxima.
As ganancias de eficiencia veñen de utilizar cada tecnoloxía de almacenamento no seu rango de funcionamento óptimo. As baterías non se golpean polo ciclo rápido. Os supercondensadores non permanecen inactivos excepto durante os picos de potencia. Todo o sistema funciona con máis fluidez, o que significa menos calor residual, menos degradación e un mellor rendemento a longo prazo-.
Pero - e isto é importante - un sistema híbrido mal deseñado pode ser menos eficiente que unha soa tecnoloxía de almacenamento ben-escollida. Se os teus algoritmos de control pelexan entre eles, se os tamaños dos compoñentes non coinciden, se a electrónica de potencia está a introducir perdas de conversión excesivas... acabas de gastar máis diñeiro para peor rendemento.
O que realmente ten que pasar
A industria necesita estandarización. Nestes momentos, cada sistema híbrido está - personalizado-deseñado a medida para a súa aplicación específica. Iso está ben para instalacións a escala-grid con equipos de enxeñeiros, pero impide unha adopción máis ampla. Necesitamos deseños modulares e escalables que se poidan implementar sen reinventar a roda cada vez.
Redución de custos, obviamente. Os supercondensadores aínda son caros por vatio-hora de almacenamento, aínda que só os necesitamos pola súa densidade de potencia. A escala de fabricación axudaría aquí. Tamén o farían as tecnoloxías alternativas de supercondensadores (os deseños baseados en grafeno-parecen prometedores, pero aínda están na súa maioría en laboratorios).
Mellores algoritmos de control que poden adaptarse ás condicións cambiantes sen intervención humana. A aprendizaxe automática pode ser realmente útil aquí, a diferenza da maioría das aplicacións nas que só é bombo. Un sistema que aprenda os seus patróns de uso específicos e optimízase en consecuencia podería mellorar significativamente o rendemento fronte á programación estática.
E sinceramente? Mellor educación. A maioría dos contratistas e instaladores eléctricos non entenden realmente os sistemas de almacenamento híbridos. A maioría dos consumidores definitivamente non. Ata que os sistemas híbridos non sexan tan familiares como a "batería de respaldo" na conciencia xeral, a adopción permanecerá limitada aos especialistas e entusiastas.
Observacións aleatorias
Sigo pensando en como chegamos aquí - tentando resolver o almacenamento de enerxía con solucións únicas durante décadas e só recentemente adoptando enfoques híbridos a gran escala. É semellante ao que pasamos dos procesadores dun só-núcleo aos multi-núcleo cando alcanzamos os límites de escala de frecuencia. Ás veces, a resposta non é mellorar unha cousa, é usar varias cousas xuntas de forma intelixente.
Toda a tendencia de acoplamento de CC-para almacenamento solar-máis- está relacionada con isto. En lugar de converter a CC solar en CA e despois de novo a CC para o almacenamento da batería (o que desperdicia enerxía en ambas as conversións), o acoplamento CC-mantén todo en CC ata que teña que ir á rede CA. Reduce as perdas en varios puntos porcentuais. Son estes tipos de optimizacións a-sistema o que fan que os enfoques híbridos merezcan a pena.
Tamén vale a pena destacar: os retos de xestión térmica nos sistemas híbridos non son-triviais. As baterías xeran calor durante o funcionamento. Os supercondensadores xeran calor. Os volantes xeran calor pola fricción dos rodamentos. Empaque todo e necesitas un arrefriamento serio. Vin instalacións nas que o sistema de refrixeración obtén enerxía suficiente para reducir notablemente a eficiencia xeral. Algo a ter en conta.
A parte do futuro (obrigatorio pero especulativo)
As baterías de estado sólido-poden cambiar o xogo por completo. Se conseguimos baterías con alta densidade de enerxía COMO de alta densidade de potencia con ciclo de vida longo... quizais os sistemas híbridos sexan innecesarios. Ou quizais se fan aínda máis sofisticados, combinando baterías de estado sólido-con outras tecnoloxías para un rendemento aínda mellor. Difícil de dicir.
O almacenamento de hidróxeno tamén está á espreita en segundo plano. Algúns sistemas híbridos están explorando a conversión de enerxía--a gas para almacenamento de longa-duración (semanas ou meses), combinada con baterías e supercondensadores para necesidades a curto-termo. É complicado e ten perdas de eficiencia, pero para un almacenamento verdadeiramente estacional, pode ser a única opción viable a escala.
A propia rede estase a converter nun sistema enerxético híbrido - non só de almacenamento, senón de xeración, transmisión e distribución, que funcionan todos xuntos cunha sofisticación crecente. A integración do vehículo-a-rede engade outra capa. Finalmente, quizais deixemos de pensar en "sistemas" discretos e empecemos a pensar nun ecosistema enerxético totalmente integrado.
Pero probablemente me estou adiantar. Nestes momentos, aínda estamos descubrindo como emparellar de forma fiable as baterías con supercondensadores sen que os sistemas de control se derruben.
Conclusión
Os sistemas híbridos de almacenamento de enerxía funcionan. Optimizan a eficiencia dun xeito que as solucións tecnolóxicas únicas-non poden igualar. A tecnoloxía está comprobada, os beneficios son reais e as aplicacións están crecendo.
Se teñen sentido para calquera situación específica depende dos requisitos técnicos, dos factores económicos e, sinceramente, da cantidade de complexidade que estea disposto a afrontar. Para as aplicacións industriais e a integración de enerxías renovables a escala-grid, estase convertendo cada vez máis na opción predeterminada. Para residencias e pequenos comerciais, aínda non estamos aí.
A idea fundamental - de que combinar tecnoloxías complementarias produce mellores resultados que tentar perfeccionar unha única solución - parece obvia retrospectivamente. A maioría das boas ideas si. O reto agora é facer que os sistemas híbridos sexan máis baratos, máis sinxelos e máis accesibles para que poidan ofrecer os seus beneficios de forma máis ampla.
E se estás pensando en instalar un, fala con alguén que entenda realmente a electrónica de potencia e os sistemas de xestión da enerxía. Non só un vendedor. Estas cousas son complicadas e equivocarse é caro.