Хранение энергии и плотность энергии: позиция EPC

Плотность энергии становится ключевым инструментом в оптимизации экономики проектов по хранению энергии аккумуляторных батарей, поскольку подходящие площадки становится все труднее найти. Бен Эчеверрия и Джош Такер из компании Burns & McDonnell, занимающейся инжинирингом, закупками и строительством (EPC), исследуют некоторые соображения по проектированию проектов на ограниченных земельных участках.

Это отрывок статьи, которая появилась в 37-м выпуске PV Tech Power, ежеквартального технического журнала Solar Media для перерабатывающей солнечной промышленности, доступного для подписчиков премиум-версии. Каждое издание содержит специальный раздел «Storage & Smart Power», подготовленный командой Energy-Storage.news.

Когда в США впервые начали осознавать, что для управления перебоями в подключении возобновляемых источников энергии к электросети понадобятся объекты хранения коммунальных сетей, доступность земли не вызывала беспокойства. Поскольку Аризона, Калифорния и Техас лидировали в этом направлении, земля была легкодоступной для реализации крупных проектов.

Учитывая наличие пространства и благоприятные рыночные условия, развитие не было проблемой, и, как следствие, на эти три штата приходится более 75% общенациональных мощностей аккумуляторных электростанций.

Те ранние рыночные условия больше не являются реальностью. Участков с большим количеством свободной земли вблизи линий электропередач становится все меньше, и это может затруднить реализацию современных проектов, особенно учитывая то, что спрос на такие объекты продолжает расти.

Участки вблизи мест соединения все еще могут быть доступны, но они, как правило, имеют значительно меньшую площадь, и в результате ограниченного предложения и высокого спроса цены на землю в таких ситуациях растут. Как следствие, девелоперы стремятся значительно увеличить количество накопителей энергии на акр. Это стремление оптимизировать экономику проекта реализуется путем поиска более энергоемких батарей при одновременной оптимизации доступной площади участка.

Для большей ясности, в этой статье мы будем называть плотность энергии объемной плотностью энергии. Промышленность постепенно улучшает плотность энергии в аккумуляторах: за последний год литий-ионные батареи увеличили энергию, доступную на той же площади, примерно на 10-12%.

Наращивать, а не вывозить
В густонаселенных мегаполисах, таких как Лос-Анджелес, Нью-Йорк и Бостон, усилия по декарбонизации создают уникальные вызовы для проектов хранения энергии от аккумуляторов.

Однако реальность такова, что в пределах больших, плотных городских районов доступны лишь небольшие земельные участки. Единственным реалистичным и экономически выгодным вариантом является вертикальное проектирование таких проектов, или с батареями, установленными в закрытых строительных конструкциях, или с вертикально расположенными корпусами батарей. Если предпочтение отдается зданиям, это может предусматривать установку нескольких стеллажей для увеличения общей высоты стеллажей до 15 футов, по сравнению с обычными 7-футовыми стеллажами. Это может предусматривать многоэтажность здания с этими высокими стеллажами.

Благодаря такой конфигурации в сочетании с более высокой плотностью энергии в самих аккумуляторных модулях, общая энергетическая мощность приблизится к удовлетворению высоких энергетических потребностей этих районов метрополитена.
Вертикальное развитие является более сложным
Хотя сейчас на чертежной доске находятся многочисленные проекты, следует отметить, что ни один из высотных объектов BESS пока не работает.

Это связано с тем, что вертикальное строительство требует тщательной оценки последствий эксплуатации и обслуживания, включая установку надежных систем безопасности. Этот анализ смещает акцент с производительности и дизайна модулей на целостный взгляд на весь объект. Например, будут рассмотрены широкие эксплуатационные последствия использования тяжелого механического оборудования в компактном пространстве, которое должно работать безопасно.

Условия эксплуатации для вертикальных проектов BESS — как и для обычных проектов — должны оцениваться для каждой площадки. Риски штормов и наводнений, относительная влажность, сейсмические соображения и содержание соли в прибрежном воздухе являются одними из факторов окружающей среды, которые могут повлиять на то, как будет спроектирована и эксплуатироваться площадка. Разработка программы эксплуатации и технического обслуживания должна включать оценку допусков для всех критических химических процессов батареи параллельно с решениями по проектированию, безопасности и оборудованию.

Другие варианты плотности
Поставщики аккумуляторов модифицируют конструкции элементов и модулей, их площадь, а также конструкции корпусов, чтобы максимизировать плотность батареи и уменьшить расстояние между корпусами. В настоящее время разрабатываются многочисленные креативные проекты, которые позволяют максимально использовать пространство, увеличивая таким образом плотность энергии на проектной площадке.

Одним из реальных ограничений является тоннаж, который можно транспортировать на строительную площадку, а затем поднять на место краном или вилочным погрузчиком. Это становится логистическим вызовом, который начинается с полной операции «под ключ» от производителя (преимущественно в Азии), транспортировки на контейнеровоз, разгрузки на грузовик, транспортировки на проектную площадку и окончательной разгрузки для установки на место.

А как насчет безопасности?
Тепловая утечка начинается с короткого замыкания внутри или снаружи элемента батареи, что вызывает экзотермическую реакцию. Эти реакции приводят к выделению огромного количества тепла и взрывоопасных газов, которые могут привести к пожару и/или взрыву, если событие происходит в закрытом помещении, которое не вентилируется.

Размещение стеллажей в вертикальной конфигурации может добавить еще один элемент терморегулирования, создавая различные тепловые зоны и горячие и холодные проходы.

Ни один проект не является идентичным
Энергоемкость стала приоритетом как по эксплуатационным, так и по финансовым соображениям, но на сегодняшний день большинство достижений связаны, в первую очередь, с батареями, а во вторую очередь, с оптимизацией пространства внутри шкафов, а также с креативными конфигурациями шкафов.

Одним из возможных признаков того, что технологический прогресс на рынке накопителей энергии смещается, является разработка типов аккумуляторных элементов, специально предназначенных для удовлетворения потребностей электроэнергетики. Ранее на рынке накопителей энергии использовались аккумуляторные элементы, разработанные для рынка электромобилей и не обязательно приспособленные для рынка накопителей. Оптимизируя конструкцию элементов для хранения энергии, можно достичь улучшения показателей деградации и продолжительности цикла (то есть срока службы аккумулятора). Некоторые производители начинают предлагать 25-летнюю гарантию производительности (один цикл в день) для определенных типов батарей.

Поскольку все больше тепловой генерации на основе ископаемого топлива будет выводиться с рынка, эти мощности должны быть замещены другими источниками, причем ключевую роль играют системы хранения энергии. Поскольку эти системы хранения энергии перемещаются в более урбанизированные районы, плотность энергии и доступность земли будут темами, которые будут вызывать большой интерес в обозримом будущем.