Šta je to efekat „Patke“ u primeni solarne energije

Čudan naziv, zar ne? Kako ptice i šta znači efekat ili bolje reći grafik „patke“? Možda će vas malo zbuniti naslov, ali posredi je jedan od najvećih izazova pred kojim se nalazi budućnost fotonaposnkih sistema. Nešto što primorava industriju, rećićemo kasnije koju, da se ubrzano razvija i koja će tek imati „boom“ na tržištu zelene energije.

Ne radi se o uticaju elektrana na život ili stanište ptica, posebno pataka, već se radi o grafiku proizvodnje električne energije iz solarnih elektrana i potražnje – potrošnje te iste energije u toku jednog dana a koji podseća na siluetu patke. Nekom je bio inspirativan te mu nadenuo takav naziv.

Kriva „patke“ je graf proizvodnje energije tokom dana koji pokazuje vremensku disbalans između vršne potražnje i proizvodnje obnovljive energije iz Sunca ili vetra. Kalifornijski nezavisni operater sistema je uočio ovaj efekat još 2012. godine i od tada je uloženo mnogo novca i napora da se reši. Donji grafik sve pokazuje.

„Duck Curve“ – grafik „Patke“. Plava kriva: Potražnja za električnom energijom
Narandžasta kriva: napajanje električnom energijom iz otpremnih izvora,
Siva kriva: snabdevanje solarnom električnom energijom

Prvo ćemo objasniti sivu linuju. No pre toga da ponovimo, radi se o mesecu Oktobru, kada Sunce kasnije izlazi i ranije zalazi, da tokom noći nema proizvodnje električne energije iz solarnih elektrana i zbog promene ugla Sunca tokom dana nije ista apsorpcija od strane solarnih panela. Dakle, prirodni uslovi utiču na prinos svakog postrojenja pa čak i kada poseduju dvoosni sistem praćenja (samo je efikasniji ali grafik je otprilike isti). Na x-osi su označeni sati u jednom danu, y-osa snaga u MW. Sivom linijom prikazana je energija koja je dobijena iz fotonaponskih elektrana u danu prikazana po satu. Ujutru, u 7h je započet proces proizvodnje, rastao do nekih 13h, imao ujednačenu snagu do 15h  i nakon toga je počela da opada snaga iz solarnih postrojenja. Oko 19h pala je na nultu vrednost – ugasila se.

Međutim, pik potražnje za energijom se javlja nakon zalaska sunca što pokazuju statistike mnogih energetskih sistema, ali tada solarna energija više nije dostupna. To možemo videti na grafiku plave krive. Plava kriva opisuje dinamiku potrebne snage tokom dana: Ujutru raste, pa dolazi do neke ustaljene vrednosti tokom dana, pridveče skače, dok noću opada. I sada nastaje zaplet. Kako su planovi da se solarna energija što više upotrebljava u energetskom miksu, a sa druge strane se teži dekarbonizaciji i energetskoj tranziciji – smanjuju se kapaciteti na fosilna goriva i nuklearnih, to se pojavio problem kako i odakle dobiti struju kada nema Sunca a potreba postoji, i još se povećava. Ako oduzmemo oba grafika dobićemo krivu mrežnog opterećenja, pozantu kao grafik „patke“, naradžasta linija. Linija poazuje da elektroprivreda mora iz nekih izvora da nadomesti ovaj disbalans, sa idejom da se to ne radi fosilnim gorivima čija će upotreba poskupeti proizvodnju. Dakle, došlo se do pitanja odakle?

Plan je bio da do kraja 2020. godine 33% električne energije u Kaliforniji bude iz OIE, posebno iz solarne.(https://www.vox.com/energy-and-environment/2018/3/20/17128478/solar-duck-curve-nrel-researcher)

 

Pošto je u Kaliforniji insolacija Sunca jaka, počeli su da razmišljaju kako da dobiju dodatnu energiju. Negde je to moguće instaliranjem vetro-generatora. Vetro parkovi bi se pozicionirali na mestima gde vetar pokazuje brzi porast oko zalaska sunca i dostiže vrhunac u srednjim večernjim satima. Ali da li se sme društvo osloniti samo na nepredvidljive prirodne uslove? Naravno ne.

Kao rešenje se nameće skladištenje ili akumulacija energije. Problem postaje uočljiviji u onim državama gde je brzi rast instaliranih snaga solarnih panela i vetro elektrana koji prati trend gašenja elektrana na ugalj i nuklearnu energiju. Akumulacija počinje sa radom u vremenu oko zalaska sunca kada snaga mreže počinje naglo da opada. Ovaj efekat je ozbiljno da zaokupio stručnu javnost. Zato su razvili strategije ublažavanja kroz nekoliko načina čuvanja energije:

  • Pumpne hidroelektrane: Ideja jeste da se naprave dva jezera, jedno na višoj nadmorskoj tački, drugo na nižoj. Kada ima više energije pumpama se voda iz donjeg jezera prebacuje u gornje. Kada je potrebno energije, slobodnim padom se voda prebacuje u donje jezero ali pri tome se pokreću turbine. Jedan od prvih pilot projekata na ovu temu je urađen na ostrvu Jero (ostrvo El Hierro, Španija) koje je prešlo 100% na zelenu energiju i tako postalo prvo energetski nezavisno ostrvo na svetu. Stim što nisu pravili sistem od dva jezera već su koristili morsku vodu za punjenje samo jednog jezera.
  • Akumuliranje termalne energije: Za vreme viška proizvodnje tokom sunčanih dana se vrši akumulacija a kada je potrebna počinje da se crpi. Ovi akumulacijski sistemi povećavaju iskorišćenje elektrane i mogu čuvati energiju u dužem vremenskom periodu. Već postoje takve stanice u Nemačkoj.
  • Klima uređaji za odlaganje leda: Ovo bi se koristilo za hlađenje zgrada leti i izbegavanja koišćenja struje za klima sisteme.
  • Gravitaciono-potencijalni sistemi: Putem sistema dizalica koje pokreće energija iz Sunca ili vetra se podiću blokovi na visinu. Kada bi zatrebala energija, ti isti blokovi bi se spuštali ali tako da se tokom spuštanja pokreću generatori. Ovo razvijaju u Indiji.
  • Vehicle-to-grid (V2G) ili vozilo priključeno na mrežu: Složen sistem komunikacije i povezanosti energetske mreže sa električnim vozilima, hibridnim ili onim na vodonik. Priključena vozila pune svoje baterije, ali kada mreži zatreba onda se one prazne, tj. vozila vraćaju energiju sistemu. Ideja je zasnovana na istraživanju u Holandiji gde su ustanovili da 95% vozila uvek parkirano u datom trenutku. Međutim, problem može biti broj ciklusa punjenja i prađnjenja baterija.
  • Izdvajanje vodonika iz vode: Dobro poznat proces kojim se iz destilovane vode putem elektrolize razlaže voda na molekule vodonika i kiseonika. Potom se vodonik služi za sagorevanje i dobijanje energije kada ustreba. Često se naziva „zeleni vodonik“.
  • Baterijske stanice ili baterijske farme za skladištenje energije: Rešenje koje je po svemu sudeći najverovatnije i u koje se ulaže mnogo novca i vremena (bitan resurs). Industrija baterija najavljuje „boom“ na tržištu. Postale su dovoljno snažne da mogu da pohrane ogromne količine energije uz razumnu cenu ulaganja.Kako su troškovi glavni ograničavajući faktor za skladištenje energije, svaka tehnika u razvoju je  skupa za veću proizvodnju, što je dovelo do pojave različitih tehnologija baterija, a sve sa ciljem usvajanja komercijalno prihvatljivog rešenja. Li-jonskih baterije (Lithium Ion) za sada obećavaju i počeli su mnoge baterijske stanice da ih koriste, poput Tesla stanice u Australiji. Ove baterije se koriste i kod električnih automobila pa je industrija već razvijena i spremna za veće projekte.

Dinamika cene pakovanja i ćelija baterija za Li-jonske baterije.

Međutim, Li-jonske baterije imaju nedostataka, pre svega te što im radni vek zavisi od ciklusa punjenja / pražnjenja (Tesla Li-Ion imaju 1500 ciklusa punjenja) i odnos kapacitet/težina (zapremina i masa) nije baš zadovoljavajući. Recimo 1kg benzina = 48MJ energije, dok kod ove vrste baterija 1kg baterijskog pakovanja = 0.3MJ energije. Tu treba dodati i cenu akumuliranog KWh koja će itekako uticati na formiranje tržišne cene istog.

Rastuće potrebe u energetici tako i automobilskoj industriji nova repešenja za baterije zahtevaju da budu lakše, jeftinije, imaju bolju efikasnost, duži radni vek, brže punjenje. Tako je proizvođač „Tesla“ je predstavio visoko niklovane katodne baterije sa sirovim silicijumom koje su dale 56% manju cenu za KWh koji se u njih pohranjuje (5 puta više energije i 6 puta veću snagu mogu da daju). Pored ovog upgrade-a pomenućemo još neke tehnologije baterija koje se razvijaju u industrijskim laboratorijama: Li-O2 ili Litijum-vazdušne, baterije na bazi nanostruktura (ugljenične, antinomonske nano elektrode, silicijum), Li-S ili litijum-sulfidne, „solid-state“ ili kvantne baterije na bazi litijuma, „dual-carbon“ baterije (obe elektrode od ugljenika sa Li između), tečne baterije ili „flow batteries“, baterije na bazi tečnog metala, itd. Trenutna postrojenja rade sa stopom iskorišćenosti preko 85% što je ključno za smanjenje cena ćelija i pakovanja. Ulaganja se nastavljaju i biće interesnatno videti koja će tehnologija preovladati.

Prema rečenom, sama tranzicija u energetici nije bez prepreka i poteškoća. Svaka tehnološka promena prati niz nus pojava koje moraju biti otklonjene. Ovom prilikom smo izneli jednu koja je zabrinula brzo razvojna tržišta. Ipak, svesni toga mnogi proizvođači ulažu ogromna finansijka sredstva da premoste problem i tako krenu dalje u ozelenjavanju energije cele planete.

Tags:

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *