Den Grønne Fremtid For Energy Storage Systemer af Eric Chao, FSP New Energy Solutions BU bearbejdet af Christian Girbo-Sørensen, RepComp, distributør for FSP Group i Danmark Som de fleste af os her i Danmark ved, så arbejdes der politisk efter at nå en målsætning om at 35% af det danske energiforbrug skal komme fra vedvarende energikilder i 2020, og ikke mindre end 100% i 2050, og ifgl. den Radikale Klima-, Miljø- og Bygningsminister Martin Lidegaard vil Danmark igen være den globale leder indenfor overgangen til grøn energi. Ifølge undersøgelser af US National Renewable Energy Laboratory, så er det imidlertid ikke helt uden udfordringer at lade større dele af elforsyningen komme fra vedvarende energikilder, der ikke har et konstant og kontrollerbart produktionsoutput af strøm, for stabiliteten i et lands energisystem begynder at blive påvirket når vind- og/eller solenergi udgør over 10% af den samlede forsyningskapacitet. Energy Storage Systemer er uundværlige for Vedvarende Energi En af udfordringerne med vedvarende energi som vind og sol, er som sagt at sikre en konstant elforsyning når solen ikke skinner eller vinden ikke blæser (nok). Af denne årsag er Energy Storage Systems essentielle at integrere i energisystemer hvor større dele af forsyningskapaciteten stammer fra disse former for vedvarende energi. Den amerikanske Electricity Advisory Committee of US DOE udtaler desuden at energiopbevaring er et strategisk værktøj til håndtering af variabilitet og kapacitet i det moderne elnet. Ret basalt set fungerer et Energy Storage System ved at supplere med ekstra strøm til systemet, når produktionen ikke står mål med efterspørgslen i systemet, og i perioder hvor der produceres mere strøm end der kræves, lagres den overskydende strøm i ESS systemet (se figur 1). Figure 1: Energy Storage Systemer til Vedvarende Energi
Source: EDF, 2011 Implementeringen af Energy Storage Systemer reducerer således spild i systemet, idet overskydende el ikke går tabt, men kan bruges ved senere lejlighed, hvilket hjælper med til at gøre investeringen i energisystemer baseret på vedvarende energi mere rentable. Diverse applikationer af Lithium-ion Energy Storage Indtil videre er Lithium-ion batteriet (LIB) den dominerende batteriteknologi indenfor consumer electronics industrien. Lithium-ion teknologiens fordele mht. høj energi densitet, høj effektivitet, lang levetid, enkel vedligeholdelse og miljøvenlighed har gjort den populær, og efterhånden som teknologien udvikles er der dukket Lithium-ion batterier op designet specielt til diverse former for Energy Storage applikationer som grid storage, back-up power systemer, UPS, kommunikation, LED med mere. Mht. DC-drive applikationer så er det værd at bemærke at den maksimale effektivitet opnås når systemet integrerer både den energi producerende og opbevarende del af applikationen. Det er værd at bemærke at betegnelsen Lithium-ion batteri dækker over tre under typer: Lithium Iron-Phosphate (LFP), Lithium-Manganese-Oxide (LMO) og Lithium-Nickel-Manganese-Cobalt- Oxide (NMC). Figur 2: Brug af Lithium-ion Energy Storage den moderne verden
Trends indenfor Energy Storage Hvis man kigger på elproduktionen i verden i dag, så er der generelt tale om en situation hvor en mindre række af store centraliserede elværker genererer strøm og sender den ud til forbrugerne igennem et stort distributionsnet. Ændringer i økonomi, teknologi og miljø leverer i dag imidlertid tre motivationsfaktorer som langsomt synes at pege i retning af flere mindre decentrale mikro grids. Et mikro grid er basalt set en lille system der indeholder både elproduktion og distribution, og som er i stand til at fungere både individuelt og som en del af det samlede elnet. Ifølge det amerikanske Electric Power Research Institut kan mikro grid teknologi spare 4-10% af elforbruget i perioder med lav efterspørgsel, og op til 15% i situationer med høj belastning. Ifølge Pike Research forventes kapaciteten fra mikro grids at blive mere end femdoblet frem imod 2018. En anden trend, der forventes at brede sig i fremtiden, er brugen af solenergi i private husholdninger. Efterhånden som udviklingen og udbredelsen af solsystemer til hjemmet stiger, forventes det at prisen på strøm fra solanlæggene vil nå den samme pris som prisen på strøm fra det normale net, og det vil blive mere og mere attraktivt for folk at etablere sådanne systemer. Dette forventes at åbne et nyt marked med behov for forskellige downstream services, smart grid og smart home technologies samt lokale Energy Storage Systemer. Som det fremgår af Figur 3 forventer McKinsey desuden at eget forbruget af sol genereret strøm klart vil overstige forbruget af andre former for sol energi, som peak capacity, isolated grid, off-grid og større elværker i 2020, efterhånden som der opnås grid paritet.
Kilde: McKinsey 2012 Fleksibelt back-up power system til hjemmet og transportable behov Foruden at kunne fungere som beskrevet tidligere i artiklen, kan Energy Storage Systemer også fungere som en mere almindelig back-up strømkilde, og teknologien kan tilpasses til behovene hos forskellige brugere, og indenfor et bredt udvalg af forskellige områder. I den forbindelse har FSP Group udviklet et transportabelt Back-up Power System (BPS) (se figur 4 herunder) til brug i f.eks. hjemmet eller campingvognen, som back-up power til industrien, eller som Energy Storage System til udnyttelse af overskyden el fra solsystemer i hjemmet.
BPS systemet fra FSP leverer dual input power, og består basalt set af en specielt designet AC charger (AC/DC til AC input), PV charger (DC/DC til solsystem input), en inverter og et sæt Lithium Iron-Phosphate batterier (LiFePO4 batterier eller LFP batterier). Årsagen til at benytte denne form for batterier er at de har en lang life cycle på over 2000 gange, hvilket er mere end fem gange så meget som Lead-Acid batterier, og fire gange mere end Nickel Metal Hydride (NiMH) batterier. Desuden giver denne type batterier følgende fordele: 1. Høj discharge power: LFP batterier leverer 6,6 gange det svarende til et Lead-Acid batteri, og 2,5 gange det svarende tli et NiMH battery. 2. Kort genopladningstid: LFP batterier kan genoplades på 25% af tiden og Lead-Acid batteri skal bruge, og på 50% af tiden et NiMH batteri skal bruge. 3. God conversion effektivitet: Effektiviteten på et LFP batteri er 95%, Lead-Acid batterier har 60% og NiMH batterier 70%. 4. Lav self-discharge hastighed: Alle batterier aflader naturligt over tid, hvis batteriet ikke bruges. Det betyder at batterikapaciteten mindskes over en periode uden brug. Selvafladningshastigheden for et LFP battery er 8%, Lead-Acid batterier er 20% og NiMH batterier er 35%. 5. Lille og let: Volumen af et LFP batteri er 40% af et Lead-Acid batteri, og vægten udgør kun 26% af et tilsvarende Lead-Acid batteri, og 70% af et tilsvarende NiMH batteri.
BPS systemet leverer 1,7kWh energi i form af enten AC (1,5kVA) eller DC (5V, 10W) og er let at udvide til 3,4kWh med et ekstra 1,7kWh add-on batteri med hot-plug funktion. Et bedre indtryk af hvad dette reelt giver af brugsmuligheder kan ses ud fra Tabel 1 herunder. Bemærk: Power forbruget og brugstiden vil variere afhængigt af det enkelte mærke og produkt. Som følge af en høj effektivitet af den indbyggede charger og inverter har systemet ikke behov for nogen blæser og opererer således med almindelig konvektionskøling. Den blæserløse teknologi i FSP BPS er af et komparativt niveau med japanske Sharp, der var de første til at annoncere et lignende system. BPS enheden er meget lydsvag og kan derfor problemfrit benyttes i almindelige hjem. Vægten af 1,7kWh systemet er 29kg, hvilket er 50% mindre end det tilsvarende japanske produkt. Takket være et letvægtsdesign ikke ulig en almindelig kuffert, er systemet let at transportere, og det kan benyttes udendørs såvel som indendørs, til camping, udendørs belysning, militære mobile applikationer, i udrykningsfartøjer med mere. The Day After Tomorrow Efter Fukushima jordskælvet og tsunamien i Japan har den japanske regering lagt vægt på behovet vedvarende energi, set i lyset af atomulykken og behovet for at formindske afhængigheden af importeret energi. Bekymringen over klimaændringer kombineret med høje oliepriser, begrænsede muligheder for øget olieproduktion og en stigende regeringsmæssig support driver et stigende fokus på vedvarende energi, og skaber nye incitamenter og kommercielle muligheder. Bloomberg har desuden annonceret at vedvarende energi forventes at øge sin del af den totale primære energiproduktion til 15,7% i 2030 sammenlignet med 12,6% i 2010. Det lyder måske ikke af så meget, men det svarer
til ca. 7 trillioner USD i ny kapital over perioden 2011-2030, og de globale investeringer i vedvarende energi og Energy Storage Systems er steget hastigt i de senere år.