Preprosto povedano, shranjevanje energije je proces shranjevanja neporabljene energije in njene ponovne uporabe, ko je to potrebno. Na področju energetike ima tehnologija shranjevanja energije ključno vlogo, saj omogoča stabilno proizvodnjo nestabilnih obnovljivih virov energije, kot sta sončna in vetrna energija, ter zagotavlja neprekinjeno oskrbo z električno energijo za naše vsakdanje življenje in delo. Med njimi je litij-ionsko elektrokemično shranjevanje energije postalo ena najhitreje razvijajočih se tehnologij za shranjevanje energije zaradi visoke energijske gostote, dolge življenjske dobe in hitre odzivne hitrosti.
1 Osnovni uvod
Sistem za shranjevanje energije je sestavljen iz baterije, električnih komponent, mehanske podpore, sistema ogrevanja in hlajenja (sistem termičnega upravljanja), dvosmernega sistema za pretvorbo energije, sistema za upravljanje energije in sistema za upravljanje baterije. Baterija je razporejena, povezana in sestavljena v baterijski modul ter nato fiksirana in sestavljena skupaj z drugimi komponentami znotraj ohišja, da tvori omarico za baterije.
Splošna definicija: Shranjevanje energije se nanaša na shranjevanje energije. Nanaša se na ciklični proces shranjevanja energije prek medija ali naprave in njenega sproščanja v določeni obliki glede na prihodnje potrebe uporabe.
Ožje definirano: za shranjevanje električne energije. Niz tehnologij in ukrepov, ki uporabljajo kemične ali fizikalne metode za shranjevanje ustvarjene energije in njeno sproščanje v obliki električne energije, ko je to potrebno. (Vsi nadaljnji uvodi so omejeni na ozko definicijo shranjevanja električne energije)
1. Terminologija in definicije
Baterija: Kot ena od ključnih tehnoloških poti za novo shranjevanje energije imajo nove baterije za shranjevanje energije pomembno vlogo pri povečanju deleža porabe obnovljive energije ter zagotavljanju varnega in stabilnega delovanja elektroenergetskega sistema. Litijeve baterije kot ključni hranilniki energije so »središče«, ki določa napredek elektrokemijskega shranjevanja energije. Litijeve baterije so razdeljene na litij-železove fosfatne baterije in trikomponentne litijeve baterije glede na različne materiale pozitivnih elektrod. Na trgu za shranjevanje energije prevladujejo predvsem litij-železo-fosfatne baterije, odprava razlike med dnevom in nočjo pa je glavni scenarij uporabe sistemov za shranjevanje energije. Čas uporabe izdelka neposredno vpliva na prihodke projekta. Enote za shranjevanje energije, ki se običajno nanašajo na baterije, so osnovne naprave, ki se uporabljajo v sistemih za shranjevanje energije za shranjevanje in sproščanje električne energije.
Celica: ena baterija, najmanjša enota baterije.
Baterijski modul/paket: standardni paket za serijo posameznih baterij.
Baterijski nosilec/grozda: Enota za shranjevanje energije, sestavljena iz niza baterijskih modulov.
Plošča za zbiranje baterij (BCP): Nahaja se med stojalom za baterije in pretvornikom za shranjevanje energije, podobno fotonapetostni enosmerni kombinirani škatli.
Sistem za pretvorbo električne energije (PCS): dvosmerni pretvornik DC/AC.
Sistem za upravljanje baterije (BMS): Inteligentno upravljanje in vzdrževanje različnih baterijskih enot za preprečevanje prekomernega polnjenja in prekomernega praznjenja, podaljšanje življenjske dobe baterije in spremljanje stanja baterije.
Material pozitivne elektrode: del baterije, ki je podvržen oksidacijskim reakcijam. Pogosti materiali za pozitivne elektrode vključujejo litij-kobaltov oksid (LiCoO2), litij-železov fosfat (LiFePO4), litij-nikelj-mangan-kobaltov oksid (NMC) itd.
Material negativne elektrode: del baterije, ki je podvržen reakciji redukcije. Običajni materiali za negativne elektrode vključujejo grafit, silicij, kositer itd. Elektrolit: medij za prenos ionov v baterijah, ki je lahko tekoč ali trden (trden elektrolit). Elektroliti omogočajo premikanje ionov med pozitivnimi in negativnimi elektrodami, s čimer se zaključi proces polnjenja in praznjenja.
Diafragma: nahaja se med pozitivnimi in negativnimi elektrodami, njena funkcija pa je preprečiti, da bi neposreden stik med pozitivnimi in negativnimi elektrodami povzročil kratek stik, hkrati pa omogoča prehod ionov.
Tokovni zbiralnik: običajno izdelan iz kovin, kot sta baker in aluminij, uporablja se za prenos toka baterijske celice v zunanje vezje.
Ohišje baterije: zunanja struktura baterije, ki se uporablja za zaščito notranjih komponent in zagotavlja mehansko podporo.
Sistem za upravljanje baterij (BMS): odgovoren za spremljanje in upravljanje procesa polnjenja in praznjenja baterij, zagotavlja njihovo varno delovanje ter optimizira njihovo delovanje in življenjsko dobo.
Sistem upravljanja z energijo (EMS): Je inteligenten sistem, ki združuje programsko in strojno opremo, ki se uporablja za spremljanje, nadzor in optimizacijo pretoka in porabe energije v energetskih sistemih. Temelji na tehnologiji za zbiranje, analizo in podporo odločanju, ki lahko spremlja stanje delovanja, porabo energije in okoljske razmere energetske opreme v realnem času, s čimer se doseže učinkovito upravljanje in optimizacija energije.
Sistem ogrevanja, prezračevanja in klimatizacije (HVAC): običajno se uporablja v posodah za baterije za zagotavljanje prezračevanja, odvajanja toplote in izolacije baterij.
Zmogljivost akumulatorja: količina naboja Q, ki ga je mogoče zadržati ali sprostiti, tj. zmogljivost akumulatorja (Ah)=tok (A) x čas praznjenja (h), običajno izmerjen v Ah (amperskih urah). Na primer, če je baterija za shranjevanje energije označena kot 96Ah, jo je teoretično mogoče uporabljati 1 uro pri delovnem toku 96A.
Energija baterije: Energija, shranjena v bateriji, merjena v Wh (vatnih urah), kjer je Wh enako napetosti (V), pomnoženi z zmogljivostjo baterije (Ah). Na primer, baterija 3,2V/96Ah ima energijo 307,2Wh in če zaporedno povežemo štiri takšne baterije, dobimo baterijski sklop z napetostjo 12,8V in kapaciteto 96Ah. Čeprav se zmogljivost baterije ne poveča, se skupna energija poveča za štirikrat.
Stopnja praznjenja pri polnjenju (C-Rate): Hitrost praznjenja se nanaša na trenutno vrednost, potrebno za izpraznitev nazivne zmogljivosti v določenem času, ki je številčno enaka večkratniku nazivne zmogljivosti baterije. Namreč, tok polnjenja in praznjenja (A), deljen z nazivno kapaciteto (Ah), pri čemer je enota na splošno C (okrajšava za C-rate), kot je 0.5C, 1C itd.
Zajamčena zmogljivost napajanja (GPC): najmanjša zmogljivost, ki jo sprosti sistem za shranjevanje energije v določenem obdobju uporabe.
Učinkovitost povratne vožnje (RTE): Razmerje med skupno količino električne energije, ki se sprosti iz terminala AC, ko je baterija popolnoma napolnjena, in količino električne energije, potrebne za popolno polnjenje terminala AC, ob upoštevanju izgub opreme in lastne porabe med polnjenjem in praznjenje.
Življenjska doba baterije: Življenjska doba baterije je razdeljena na dva parametra: življenjsko dobo v ciklu in koledarsko življenjsko dobo. Življenjska doba cikla se nanaša na število ciklov polnjenja in praznjenja baterije. V idealnih pogojih temperature in vlažnosti polnite in praznite pri nazivnem toku ter izračunajte število ciklov, ki jih baterija doživi, ko njena zmogljivost upade na 80 %. Življenjska doba v koledarju se nanaša na časovno obdobje, v katerem baterija doseže konec svoje življenjske dobe (zmanjšanje zmogljivosti na 80 %) pod določenimi pogoji uporabe. Na splošno se lahko oceni manjša vrednost obeh.