Μερικές φορές δύο είναι καλύτερα από ένα. Η σύζευξη ηλιακής ενέργειας και τεχνολογιών αποθήκευσης είναι μια τέτοια περίπτωση. Ο λόγος: Η ηλιακή ενέργεια δεν παράγεται πάντα τη στιγμή που χρειάζεται περισσότερο ενέργεια. Μέγιστη χρήση ισχύος εμφανίζεται συχνά σε καλοκαιρινά απογεύματα και βράδια όταν η παραγωγή ηλιακής ενέργειας πέφτει. Οι θερμοκρασίες μπορεί να είναι πιο καυτές κατά τη διάρκεια αυτών των περιόδων, και οι άνθρωποι που εργάζονται τις ώρες της ημέρας επιστρέφουν στο σπίτι και αρχίζουν να χρησιμοποιούν ηλεκτρισμό για να ψύξουν τα σπίτια τους, να μαγειρέψουν και να λειτουργήσουν τις συσκευές τους.
Η αποθήκευση βοηθά την ηλιακή ενέργεια να συμβάλλει στην παροχή ηλεκτρικής ενέργειας ακόμα και όταν ο ήλιος δεν λάμπει. Μπορεί επίσης να βοηθήσει στην εξομάλυνση των διακυμάνσεων στον τρόπο με τον οποίο ρέει η ηλιακή ενέργεια στο δίκτυο. Αυτές οι παραλλαγές αποδίδονται σε αλλαγές στην ποσότητα του ηλιακού φωτός που ακτινοβολεί φωτοβολταϊκά (Φ/Β) πάνελ ή συγκέντρωση ηλιακής-θερμικής ενέργειας συστήματα (CSP). Η παραγωγή ηλιακής ενέργειας μπορεί να επηρεαστεί από την εποχή, την ώρα της ημέρας, τα σύννεφα, τη σκόνη, την ομίχλη ή εμπόδια όπως οι σκιές, η βροχή, το χιόνι και η βρωμιά. Μερικές φορές η αποθήκευση ενέργειας συστεγάζεται ή τοποθετείται δίπλα σε ένα σύστημα ηλιακής ενέργειας και μερικές φορές το σύστημα αποθήκευσης στέκεται μόνο του, αλλά σε οποιαδήποτε διαμόρφωση, μπορεί να βοηθήσει στην αποτελεσματικότερη ενσωμάτωση της ηλιακής ενέργειας στο ενεργειακό τοπίο.
Τι είναι η αποθήκευση ενέργειας;
Ο όρος «αποθήκευση» αναφέρεται σε τεχνολογίες που μπορούν να συλλάβουν ηλεκτρική ενέργεια, να την αποθηκεύσουν ως άλλη μορφή ενέργειας (χημική, θερμική, μηχανική) και στη συνέχεια να την απελευθερώσουν για χρήση όταν χρειάζεται. Μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι μια τέτοια τεχνολογία. Παρόλο που η χρήση της αποθήκευσης ενέργειας δεν είναι ποτέ 100% αποδοτική—κάποια ενέργεια χάνεται πάντα κατά τη μετατροπή της ενέργειας και την ανάκτησή της—η αποθήκευση επιτρέπει την ευέλικτη χρήση της ενέργειας σε διαφορετικούς χρόνους από τον χρόνο που παρήχθη. Έτσι, η αποθήκευση μπορεί να αυξήσει την απόδοση και την ανθεκτικότητα του συστήματος και μπορεί να βελτιώσει την ποιότητα της ενέργειας ταιριάζοντας την προσφορά και τη ζήτηση.
Οι εγκαταστάσεις αποθήκευσης διαφέρουν τόσο ως προς την ενεργειακή χωρητικότητα, που είναι η συνολική ποσότητα ενέργειας που μπορεί να αποθηκευτεί (συνήθως σε κιλοβατώρες ή μεγαβατώρες), όσο και ως προς την χωρητικότητα ισχύος, η οποία είναι η ποσότητα ενέργειας που μπορεί να απελευθερωθεί σε μια δεδομένη στιγμή ( συνήθως σε κιλοβάτ ή μεγαβάτ). Διαφορετικές δυνατότητες αποθήκευσης ενέργειας και ισχύος μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη διαχείριση διαφορετικών εργασιών. Η βραχυπρόθεσμη αποθήκευση που διαρκεί μόνο λίγα λεπτά θα διασφαλίσει ότι μια ηλιακή εγκατάσταση λειτουργεί ομαλά κατά τις διακυμάνσεις της παραγωγής λόγω διερχόμενων νεφών, ενώ η πιο μακροπρόθεσμη αποθήκευση μπορεί να βοηθήσει στην παροχή εφοδιασμού για ημέρες ή εβδομάδες όταν η παραγωγή ηλιακής ενέργειας είναι χαμηλή ή κατά τη διάρκεια σημαντικών καιρικών φαινομένων , για παράδειγμα.
Πλεονεκτήματα του συνδυασμού αποθήκευσης και ηλιακής ενέργειας
Εξισορρόπηση φορτίων ηλεκτρικής ενέργειας – Χωρίς αποθήκευση, η ηλεκτρική ενέργεια πρέπει να παράγεται και να καταναλώνεται ταυτόχρονα, πράγμα που μπορεί να σημαίνει ότι οι φορείς εκμετάλλευσης του δικτύου παίρνουν κάποια παραγωγή εκτός σύνδεσης ή την «περιορίζουν», για να αποφύγουν προβλήματα υπερπαραγωγής και αξιοπιστίας του δικτύου. Αντίθετα, μπορεί να υπάρξουν άλλες φορές, μετά τη δύση του ηλίου ή σε συννεφιασμένες μέρες, όπου υπάρχει μικρή ηλιακή παραγωγή αλλά άφθονη ζήτηση για ενέργεια. Εισαγάγετε τον χώρο αποθήκευσης, ο οποίος μπορεί να γεμίσει ή να φορτιστεί όταν η παραγωγή είναι υψηλή και η κατανάλωση ενέργειας είναι χαμηλή, και στη συνέχεια να διανεμηθεί όταν το φορτίο ή η ζήτηση είναι υψηλή. Όταν μέρος της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από τον ήλιο αποθηκευτεί, αυτή η ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί όποτε τη χρειάζονται οι φορείς εκμετάλλευσης του δικτύου, ακόμη και μετά τη δύση του ηλίου. Με αυτόν τον τρόπο, η αποθήκευση λειτουργεί ως ασφαλιστήριο συμβόλαιο για την ηλιοφάνεια.
Ηλιακή παραγωγή «συσχέτισης» – Η βραχυπρόθεσμη αποθήκευση μπορεί να διασφαλίσει ότι οι γρήγορες αλλαγές στην παραγωγή δεν θα επηρεάσουν σε μεγάλο βαθμό την παραγωγή ενός ηλιακού σταθμού. Για παράδειγμα, μια μικρή μπαταρία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την οδήγηση μέσω μιας σύντομης διακοπής παραγωγής από ένα διερχόμενο σύννεφο, βοηθώντας το δίκτυο να διατηρεί μια «σταθερή» ηλεκτρική παροχή που είναι αξιόπιστη και συνεπής.
Παροχή ελαστικότητας – Η ηλιακή ενέργεια και η αποθήκευση μπορούν να παρέχουν εφεδρική ισχύ κατά τη διάρκεια μιας ηλεκτρικής διακοπής. Μπορούν να διατηρήσουν τις κρίσιμες εγκαταστάσεις σε λειτουργία για να εξασφαλίσουν συνεχείς βασικές υπηρεσίες, όπως οι επικοινωνίες. Η ηλιακή ενέργεια και η αποθήκευση μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για μικροδίκτυα και εφαρμογές μικρότερης κλίμακας, όπως κινητές ή φορητές μονάδες ισχύος.
Τύποι αποθήκευσης ενέργειας
Ο πιο συνηθισμένος τύπος αποθήκευσης ενέργειας στο ηλεκτρικό δίκτυο είναι η αντλούμενη υδροηλεκτρική ενέργεια. Αλλά οι τεχνολογίες αποθήκευσης που συνδυάζονται συχνότερα με ηλιακούς σταθμούς είναι η ηλεκτροχημική αποθήκευση (μπαταρίες) με φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις και η θερμική αποθήκευση (ρευστά) με εγκαταστάσεις CSP. Άλλοι τύποι αποθήκευσης, όπως η αποθήκευση πεπιεσμένου αέρα και οι σφόνδυλοι, μπορεί να έχουν διαφορετικά χαρακτηριστικά, όπως πολύ γρήγορη εκφόρτιση ή πολύ μεγάλη χωρητικότητα, που τα καθιστούν ελκυστικά για τους χειριστές του δικτύου. Περισσότερες πληροφορίες για άλλους τύπους αποθήκευσης παρέχονται παρακάτω.
Αντλητικό-Αποθηκευτικό Υδροηλεκτρικό
Υδροηλεκτρική αντλία-αποθηκευτική ενέργεια είναι μια τεχνολογία αποθήκευσης ενέργειας που βασίζεται στο νερό. Η ηλεκτρική ενέργεια χρησιμοποιείται για την άντληση νερού ανηφορικά σε μια δεξαμενή όταν η ζήτηση ενέργειας είναι χαμηλή. Αργότερα, το νερό μπορεί να αφεθεί να ρέει πίσω στην κατηφόρα και να γυρίσει μια τουρμπίνα για να παράγει ηλεκτρική ενέργεια όταν η ζήτηση είναι υψηλή. Η αντλούμενη υδροηλεκτρική ενέργεια είναι μια καλά δοκιμασμένη και ώριμη τεχνολογία αποθήκευσης που χρησιμοποιείται στις Ηνωμένες Πολιτείες από το 1929. Ωστόσο, απαιτεί κατάλληλα τοπία και δεξαμενές, που μπορεί να είναι φυσικές λίμνες ή ανθρωπογενείς με την κατασκευή φραγμάτων, που απαιτούν μακροχρόνιες ρυθμιστικές άδειες, χρόνους υλοποίησης και μεγάλο αρχικό κεφάλαιο. Εκτός από το ενεργειακό αρμπιτράζ, η αξία των υπηρεσιών της αντλούμενης υδροηλεκτρικής για την ενσωμάτωση μεταβλητών ανανεώσιμων πηγών ενέργειας δεν έχει γίνει πλήρως κατανοητή, γεγονός που μπορεί να κάνει την περίοδο οικονομικής απόσβεσης μεγάλη. Αυτοί είναι μερικοί από τους λόγους που δεν έχει κατασκευαστεί πρόσφατα αντλιοστάσιο, παρόλο που είναι εμφανές το ενδιαφέρον από αιτήματα προς την Ομοσπονδιακή Ρυθμιστική Επιτροπή Ενέργειας για προκαταρκτικές άδειες και άδειες.
Ηλεκτροχημική αποθήκευση
Πολλοί από εμάς είναι εξοικειωμένοι με τις ηλεκτροχημικές μπαταρίες, όπως αυτές που βρίσκονται σε φορητούς υπολογιστές και κινητά τηλέφωνα. Όταν τροφοδοτείται ηλεκτρισμός σε μια μπαταρία, προκαλείται χημική αντίδραση και αποθηκεύεται ενέργεια. Όταν μια μπαταρία αποφορτίζεται, αυτή η χημική αντίδραση αντιστρέφεται, η οποία δημιουργεί τάση μεταξύ δύο ηλεκτρικών επαφών, προκαλώντας τη ροή ρεύματος από την μπαταρία. Η πιο κοινή χημεία για τις μπαταρίες είναι ιόντων λιθίου, αλλά άλλες κοινές επιλογές περιλαμβάνουν μπαταρίες μολύβδου, νατρίου και νικελίου.
Αποθήκευση Θερμικής Ενέργειας
Η αποθήκευση θερμικής ενέργειας είναι μια οικογένεια τεχνολογιών στις οποίες ένα ρευστό, όπως νερό ή λιωμένο αλάτι, ή άλλο υλικό χρησιμοποιείται για την αποθήκευση θερμότητας. Αυτό το θερμικό αποθηκευτικό υλικό αποθηκεύεται στη συνέχεια σε μια μονωμένη δεξαμενή μέχρι να χρειαστεί ενέργεια. Η ενέργεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί απευθείας για θέρμανση και ψύξη ή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Στα συστήματα αποθήκευσης θερμικής ενέργειας που προορίζονται για ηλεκτρική ενέργεια, η θερμότητα χρησιμοποιείται για να βράσει το νερό. Ο ατμός που προκύπτει οδηγεί έναν στρόβιλο και παράγει ηλεκτρική ενέργεια χρησιμοποιώντας τον ίδιο εξοπλισμό που χρησιμοποιείται σε συμβατικούς σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Η αποθήκευση θερμικής ενέργειας είναι χρήσιμη σε εγκαταστάσεις CSP, οι οποίες εστιάζουν το ηλιακό φως σε έναν δέκτη για να θερμάνουν ένα λειτουργικό ρευστό. Το υπερκρίσιμο διοξείδιο του άνθρακα διερευνάται ως λειτουργικό ρευστό που θα μπορούσε να εκμεταλλευτεί τις υψηλότερες θερμοκρασίες και να μειώσει το μέγεθος των μονάδων παραγωγής.
Αποθήκευση βολάν
Ο σφόνδυλος είναι ένας βαρύς τροχός που συνδέεται σε έναν περιστρεφόμενο άξονα. Η κατανάλωση ενέργειας μπορεί να κάνει τον τροχό να στρίβει πιο γρήγορα. Αυτή η ενέργεια μπορεί να εξαχθεί συνδέοντας τον τροχό σε μια ηλεκτρική γεννήτρια, η οποία χρησιμοποιεί ηλεκτρομαγνητισμό για να επιβραδύνει τον τροχό και να παράγει ηλεκτρική ενέργεια. Αν και οι σφόνδυλοι μπορούν να παρέχουν γρήγορα ισχύ, δεν μπορούν να αποθηκεύσουν πολλή ενέργεια.
Αποθήκευση πεπιεσμένου αέρα
Τα συστήματα αποθήκευσης πεπιεσμένου αέρα αποτελούνται από μεγάλα σκάφη, όπως δεξαμενές ή φυσικούς σχηματισμούς, όπως σπηλιές. Ένα σύστημα συμπιεστή αντλεί τα δοχεία γεμάτα αέρα υπό πίεση. Στη συνέχεια, ο αέρας μπορεί να απελευθερωθεί και να χρησιμοποιηθεί για την κίνηση μιας τουρμπίνας που παράγει ηλεκτρική ενέργεια. Τα υπάρχοντα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας πεπιεσμένου αέρα χρησιμοποιούν συχνά τον απελευθερωμένο αέρα ως μέρος ενός κύκλου ισχύος φυσικού αερίου για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.
Ηλιακά Καύσιμα
Η ηλιακή ενέργεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία νέων καυσίμων που μπορούν να καούν (καούν) ή να καταναλωθούν για να παρέχουν ενέργεια, αποθηκεύοντας αποτελεσματικά την ηλιακή ενέργεια στους χημικούς δεσμούς. Μεταξύ των πιθανών καυσίμων που εξετάζουν οι ερευνητές είναι το υδρογόνο, που παράγεται με τον διαχωρισμό του από το οξυγόνο του νερού, και το μεθάνιο, που παράγεται από το συνδυασμό υδρογόνου και διοξειδίου του άνθρακα. Το μεθάνιο είναι το κύριο συστατικό του φυσικού αερίου, το οποίο χρησιμοποιείται συνήθως για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ή τη θέρμανση των σπιτιών.
Εικονική αποθήκευση
Η ενέργεια μπορεί επίσης να αποθηκευτεί αλλάζοντας τον τρόπο χρήσης των συσκευών που ήδη έχουμε. Για παράδειγμα, με θέρμανση ή ψύξη ενός κτιρίου πριν από την αναμενόμενη αιχμή της ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας, το κτίριο μπορεί να «αποθηκεύει» αυτή τη θερμική ενέργεια, ώστε να μην χρειάζεται να καταναλώνει ηλεκτρική ενέργεια αργότερα μέσα στην ημέρα. Το ίδιο το κτίριο λειτουργεί ως θερμός αποθηκεύοντας δροσερό ή ζεστό αέρα. Μια παρόμοια διαδικασία μπορεί να εφαρμοστεί σε θερμοσίφωνες για να κατανεμηθεί η ζήτηση κατά τη διάρκεια της ημέρας.
Σε τελική ανάλυση, οι οικικοί και εμπορικοί πελάτες ηλιακής ενέργειας, καθώς και οι επιχειρήσεις κοινής ωφέλειας και οι φορείς εκμετάλλευσης ηλιακής ενέργειας μεγάλης κλίμακας, μπορούν να επωφεληθούν από ηλιακά συστήματα αποθήκευσης. Καθώς η έρευνα συνεχίζεται και το κόστος της ηλιακής ενέργειας και της αποθήκευσης μειώνεται, οι λύσεις ηλιακής ενέργειας και αποθήκευσης θα γίνουν πιο προσιτές σε όλους τους Αμερικανούς.
