Батерии за соларни системи

С нарастващия дял на възобновяемите източници, системите за съхранение на енергия се превръщат в стратегически компонент на електроенергийната инфраструктура. Те осигуряват балансиране на мрежата, повишават качеството на електроенергията и създават нови бизнес възможности за операторите на соларни паркове. В статията представяме информация, свързана с различните видове батерийни технологии, като литиево-йонни, натриево-йонни, проточни и хибридни системи. Батериите вече не са допълнение, а основен фактор за успешната интеграция на ВЕИ в електроенергийните системи.

Текст: списание Енергия 

Системите за съхранение на енергия се превръщат в стратегически компонент от електроенергийната инфраструктура, особено в контекста на нарастващия дял на възобновяемите източници. Те изпълняват критична функция за балансиране на енергийния поток, като абсорбират свръхпроизводството в часовете с най-висока слънчева радиация и го отдават обратно в мрежата във вечерните пикове, когато потреблението е най-голямо. Това позволява по-ефективно интегриране на соларни паркове и системи и намалява риска от претоварвания и загуби. В допълнение, съхранението на енергия редуцира зависимостта от резервни мощности, традиционно осигурявани от газови или въглищни централи. Чрез батерийни системи операторите получават гъвкава и бързо реагираща алтернатива, която подпомага процеса на декарбонизация и ускорява енергийния преход.

От техническа гледна точка батериите допринасят и за подобряване на качеството на електроенергията. Те могат да поддържат стабилни нива на напрежение и честота и да компенсират реактивната мощност, което ги превръща в надежден инструмент за системните оператори и индустриалните потребители. Собствениците на соларни паркове също така могат да участват на пазарите за балансираща енергия, да реализират арбитраж между различни ценови интервали и да предлагат допълнителни услуги за гъвкавост на мрежата. По този начин съхранението не е просто техническо решение, а и ключов фактор за повишаване на рентабилността и конкурентоспособността на ВЕИ проектите.

Технологични решения

Съвременният пазар на системи за съхранение на енергия предлага няколко основни технологични възможности, които се използват в реални проекти и чертаят посоката на развитие в сектора. Литиево-йонните батерии са доминиращото решение, благодарение на своята зрялост, надеждност и широкомащабно производство. В рамките на това технологично семейство най-широко приложение намират два типа батерии - LFP (литий-железен фосфат) и NMC (никел-манган-кобалт), всеки със свои специфични предимства и ограничения.

Натриево-йонните батерии се очертават като нова и икономически обещаваща алтернатива, която намалява зависимостта от критични суровини като литий и кобалт. Паралелно с тях, проточните батерии (vanadium redox flow и други) предлагат уникални предимства за дългосрочно съхранение и изключително дълъг експлоатационен живот, което ги прави подходящи за големи мрежови приложения. Наред с тези водещи технологии, активно се разработват и перспективни решения като твърдотелни батерии, хибридни системи и водородни вериги, които в близките години могат да разширят палитрата от възможности за интеграция на съхранението в соларните паркове и електроенергийните мрежи.

Литиево-йонни батерии

Литиево-йонните батерии са безспорното доминиращо решение в системите за съхранение на енергия към настоящия момент и представляват над 90% от всички реализирани BESS проекти в Европа и по света. Тяхната популярност се дължи на комбинацията от висока ефективност, развитa производствена база и бързо намаляващи разходи за единица съхранена енергия. Както вече казахме, в тази група попадат различни технологии като най-популярни са LFP и NMC.

LFP батериите (Lithium Iron Phosphate) се наложиха като предпочитано решение за мащабни соларни паркове и мрежови приложения. Те предлагат изключително дълъг цикличен живот с над 6000 пълни цикъла на заряд и разряд при правилна експлоатация, което позволява надеждна работа в продължение на повече от 15 години. Друг съществен плюс е високото им ниво на безопасност. Фосфатната химия е стабилна при широк температурен диапазон и минимизира риска от термично неконтролируемо прегряване (runaway). LFP клетките, обаче, имат по-ниска енергийна плътност в сравнение с NMC, което означава малко по-голям физически обем за същия капацитет. В стационарни приложения на открито, каквито са соларните паркове, това не представлява съществен недостатък. Затова, благодарение на комбинацията от дълговечност, стабилност и ниски разходи, LFP в момента са стандартното решение за проекти за съхранение към соларни паркове в Европа.

NMC батериите (Nickel Manganese Cobalt) се използват по-рядко в нови BESS системи, но присъстват в редица реализирани проекти. Тяхното основно предимство е високата енергийна плътност и способността да съхраняват повече енергия в по-малък обем, което е важно за приложения с ограничено пространство или при транспортни системи. За стационарни соларни паркове обаче това предимство е по-малко значимо. При тях има и по-високи изисквания към системите за охлаждане и управление, както и по-голяма чувствителност към високи температури. Освен това наличието на кобалт прави NMC по-скъпи и зависими от ограничени суровинни вериги. Въпреки тези предизвикателства, NMC все още се използват при някои проекти, особено там, където компактността и по-високата начална ефективност са приоритет.

Натриево-йонни батерии

Натриево-йонните батерии са технология за съхранение на енергия, която работи по принцип, сходен с литиево-йонните системи. Разликата е, че вместо литий се използва елемента натрий, който е значително по-разпространен и достъпен в природата. Особено значение за развитието на натриево-йонните батерии имат т.нар. prussian blue аналози (PBA), чието наименование идва от характерния пигмент „пруско синьо“. Те представляват железни или смесени преходнометални хексацианоферати с отворена кубична кристална структура. Тази решетка създава „тунели“ и кухини, в които натриевите йони могат свободно да се вмъкват и извличат при заряд и разряд. Благодарение на тази особеност PBA катодите предлагат висока стабилност при многократни цикли и сравнително ниска цена на материалите, тъй като използват широко разпространени и нетоксични елементи. Ограничение на технологията е наличието на кристална вода в структурата, която може да влияе върху енергийната плътност и дългосрочната стабилност, но като цяло prussian blue аналозите се разглеждат като ключов фактор за успешното навлизане на натриево-йонните батерии в комерсиална употреба.

От страна на анодите, в натриево-йонните батерии ключово място заемат т.нар. hard carbon материали, представляващи твърд въглерод с аморфна структура и пореста морфология. За разлика от графита, който е стандартният анод при литиево-йонните батерии, hard carbon позволява по-ефективно вмъкване на по-големите натриеви йони, благодарение на наличието на междупластови разстояния и микропори. Това осигурява добра обратимост на процеса на заряд и разряд и стабилност при множество цикли.

Като цяло, сравнени с литиево-йонните, натриево-йонните батерии имат няколко съществени различия. Те показват по-ниска енергийна плътност в диапазона 100–160Wh/kg, докато литиево-йонни системи постигат над 200Wh/kg. Това ги прави по-малко подходящи за приложения, където компактността и теглото са критични. От друга страна, натриево-йонните батерии демонстрират добра термична стабилност и устойчивост при работа при ниски температури, а по-широката наличност на суровини намалява както цената, така и зависимостта от стратегически и ограничени материали като литий, кобалт и никел.

От гледна точка на комерсиализацията, технологията вече е преминала от лабораторни разработки към серии индустриално производство. Съществуват инсталации в мегаватчасовия диапазон, които доказват приложимостта ѝ за стационарни системи за съхранение. Въпреки че все още няма натрупан толкова практически опит, колкото при литиево-йонните решения, натриево-йонните батерии се разглеждат като подходящ кандидат за широко навлизане на пазара през следващите години. Очакванията към тази технология са свързани най-вече с приложения в областта на възобновяемата енергия. При големите соларни паркове натриево-йонните системи предлагат рентабилна алтернатива за балансиране на производството, където габаритите не са решаващ фактор. При малките и домашни соларни инсталации те могат да се наложат като по-достъпно решение за съхранение, което да намали инвестиционните разходи и да улесни разпространението на децентрализираното производство.

Проточни батерии

Проточните батерии представляват различен подход към съхранението на енергия в сравнение с конвенционалните акумулаторни системи. При тях активните материали не се намират в твърда форма вътре в електродите, а се съдържат в течни електролити, които се съхраняват в резервоари. По време на заряд и разряд тези електролити циркулират през електрохимични клетки, където протичат окислително-редукционни реакции. По този начин капацитетът на батерията зависи основно от обема на резервоарите, докато мощността е функция от размера на клетъчния стак, което позволява независимо мащабиране на енергията и мощността.

Едно от най-съществените предимства на проточните батерии е техният много дълъг експлоатационен живот. Тъй като активните йони остават в течна форма и не се включват в твърди решетки, деградацията на електродите е минимална, което позволява практически неограничен брой цикли. Освен това системата работи при ниски температури и използва незапалими електролити, което я прави значително по-безопасна в сравнение с някои други батерийни технологии.

Внедряването на проточни батерии е особено подходящо за приложения, при които се изисква по-дългосрочно съхранение – от 4 до над 10 часа. Това ги прави ценен инструмент за балансиране на мрежи с голям дял на възобновяеми източници, където вариациите в производството трябва да се компенсират в по-широки времеви диапазони.  Разбира се, проточните батерии имат и своите ограничения. Основен недостатък е по-ниската енергийна плътност, което означава по-големи размери на инсталациите при същия капацитет. В допълнение, изграждането на резервоари, помпи и тръбни системи увеличава сложността и началната инвестиция. Въпреки това, когато се анализират разходите за целия жизнен цикъл (LCOE), технологията показва конкурентоспособност именно поради своята дълготрайност и устойчивост.

Проточните батерии обединяват няколко различни технологични направления, които се различават по използваните електролити и активни материали. Сред тях ванадиевите редокс батерии към момента се считат за най-приложимото и популярно решение с реализирани вече множество проекти. Наред с тях се развиват и цинк-бромните системи, които предлагат по-висока енергийна плътност, но изискват по-сложни мерки за безопасност поради корозивния характер на електролита. Желязо-хромните батерии са  една от най-старите проточни технологии, разработена още през 70-те години на миналия век и се отличават с използване на евтини и широко достъпни материали, което ги прави перспективни за нискобюджетни приложения, въпреки по-ниската им ефективност. В процес на разработка и първи пилотни реализации са и цинк-йодни, както и органични редокс системи, които обещават по-голяма устойчивост и по-ниска цена на суровините. Това разнообразие показва, че проточните технологии имат потенциал за значимо развитие.




Хибридни батерийни системи

Развитието на технологиите за съхранение на енергия води до ново поколение решения, при които различни подходи се комбинират в обща архитектура. Хибридните батерийни системи са особено подходящи за соларни паркове и децентрализирани фотоволтаични инсталации, където е необходимо едновременно да се осигури бърза реакция на мрежови колебания и продължително съхранение на излишната енергия. Най-разпространеният вариант комбинира литиево-йонни батерии и суперкондензатори. Батериите осигуряват капацитет за няколко часа съхранение, докато суперкондензаторите поемат краткосрочни пикови натоварвания и осигуряват незабавна реакция при промени в напрежението и честотата. По този начин се удължава животът на самите батерии и се постига по-висока обща надеждност на системата.

Друг подход е съчетаването на батерии и проточни системи, при което литиево-йонните модули се използват за управление на бързи цикли, а проточните батерии осигуряват дългосрочно балансиране в рамките на часове или дори дни. Това позволява на соларните паркове да бъдат по-гъвкави и да участват в по-широк набор от пазарни сегменти – от регулиране на честота до продажба на енергия в пикови интервали.