Annons

Energilagringssystem för solpanelssystem

I takt med att privata solcellsanläggningar blir vanligare marknadsanpassas det pris som producenterna får för att återmata överskottsenergi till näten. Lägre pris på överskottsenergin gör det intressantare att lagra energin från dagen och använda den på natten. Dr Alexander Hirnet, chef för avdelningen Energilagringssystem på VARTA Micro Storage GmbH beskriver här vad man måste tänka på vid uppbyggnad av ett sådant system.

 

 

För den som har en uppsättning fotovoltaiska solpaneler håller de ekonomiska förutsättningarna för investeringen just nu på att förändras. Dels sänks priserna på den överskottssolenergi som privatpersoner levererar in till elnätet av regeringar runtomkring i Europa. Å andra sidan stiger priserna på energi från elnätet snabbt när energibolag försöker ta tillbaka investeringskostnaderna i ny energiutrustning och infrastruktur från konsumenterna.
Detta förklarar det snabbt stigande intresset för batteribaserade energilagringssystem (BESS: Battery Energy Storage Systems), där energi som genereras under dagtid kan användas under natten. Med ett sådant batteribaserat energilagringssystem har konsumenterna möjlighet att öka sitt oberoende vad gäller energi. De kan ofta generera upp till 70 procent av sitt eget energibehov, och därmed minska sitt behov av dyr energi från elnätet.
Men inköp och installation av ett batteribaserat energilagringssystem måste självfallet tas på stort allvar. Mängden energi som kan genereras från fotovoltaiska solpaneler på privatbostäder kan vara betydande, och sådana system kräver en tillräckligt stor uppsättning batterier för energilagringen. Eftersom ett batteribaserat energilagringssystem utgör en väsentlig del av användarens egna energiförsörjning tillsammans med solpanelerna, och eftersom energilagringssystemet måste hålla lika länge som panelerna själva, så är kvaliteten och hållbarheten på de valda batterierna särskilt viktig.
Konsumenter har i regel ingen erfarenhet av att investera i större batterisystem. Vad gäller de flesta vanliga hushållsprodukter kan valet av batteri däremot se ut att vara mycket enkelt. Så vad behöver konsumenterna beakta första gången de ska avgöra vilken typ av batteribaserade energilagringssystem de behöver använda tillsammans med sitt solpanelssystem?

Batteriet måste hålla länge
Laddningsbara batterier används som ett sätt att lagra energi varje dag – konsumenternas vanligaste användningsområden är batterier för mobiltelefoner och bilar, men laddningsbara batterier förekommer också i hundratals andra produkter som t ex elektriska tandborstar, bärbara datorer och sladdlösa hushållstelefoner.
I dessa enheter – även i fordon – är batteriet tillräckligt litet och billigt för att anses vara en engångsenhet. Konsumenterna kanske inte gör några ingående studier av tekniska data för bly-/syrabatteriet i bilen eller litiumjonbatteriet i mobiltelefonen, men batterierna förväntas i allmänhet sluta fungera efter ett visst antal års användning eller ett visst antal laddnings-/urladdningscykler. Kostnaden för att byta ett trasigt batteri är relativt låg och obetydlig jämfört med kostnaden för värdenheten.
I ett energilagringssystem för solpaneler blir kalkylen ganska annorlunda, och batteriet måste hålla lika länge som solpanelerna – i regel 20 år.
I de flesta installationer behöver husägaren tillräcklig energikapacitet för att klara en stor del av den dagliga energiförbrukningen. Ett typiskt hushåll i Europa använder mellan 5 kWh och 20 kWh el per dag. I hushållssektorn förbrukas den största delen energi under tidiga morgnar och på kvällarna när de boende befinner sig i bostaden. Men solenergi genereras under dagen, ofta under den tid då de boende befinner sig någon annanstans, och endast en liten del av den genererade energin kan användas omedelbart av apparater och enheter i hemmet. Därför behöver många batteribaserade energilagringsinstallationer vara tillräckligt stora för att kunna lagra det mesta av den energi som har genererats från solen.
Typiska installationer kräver därför en kapacitet på mellan 5 kWh och 10 kWh. Ett chassi som ska klara ett sådant batterisystem behöver vara nästan lika stort som en varmvattentank för ett vanligt hushåll.
Så vad behöver köparna veta om konstruktionen hos batteribaserade energilagringssystem? Och vilka faktorer måste beaktas vid ett inköpsbeslut?
Vid konstruktionen av ett batteribaserat energilagringssystem finns två grundläggande faktorer som har en kraftig påverkan på hur länge produkten kommer att hålla, och hur stabil dess funktion är över dess livslängd:
* cellens kemi
* kretsens konstruktion

Cellens kemi
Batteripaket eller -moduler är uppbyggda av flera individuella celler som är elektriskt anslutna så att de kan laddas eller urladdas som en enda stor enhet. (En modul i ett batteribaserat energilagringssystem har i regel ungefär samma storlek som ett vanligt bilbatteri.)
Varje cell innehåller en kemisk sammansättning som kan lagra elektrisk energi när cellen laddas. Det finns ett antal olika kemiska sammansättningar som används i celler, var och en med en egen uppsättning egenskaper, och både i hushållsbatterier och industribatterier. De vanligaste typerna av hushållsbatterier är nickelmetallhydridbatterier (NiMH) och litiumjonbatterier som används i mobiltelefoner och bärbara datorer. Bilbatterier är traditionellt sett av bly-/syratyp.
De batteribaserade energilagringssystem som finns tillgängliga idag har oftast en av tre kemiska sammansättningar:
* Bly-/syraceller – den största fördelen med den kemiska sammansättningen som används i bilbatterier är att den är billig. Dess energidensitet är dock relativt låg – litiumjonbatterier kan ge cirka fyra gånger högre kapacitet per given volym än bly-/syrabatterier. Men förutom detta finns en huvudanledning till att bly-/syrabatterier inte är lika lämpliga i ett energilagringssystem: deras livslängd är för kort. Precis som i ett bilbatteri kommer batteriets energilagringskapacitet att sjunka snabbt efter tre till fem år, varefter batteriet efterhand slutar fungera helt.
* Konventionella litiumjonceller – den här cellens kemiska sammansättning fungerar bäst i mindre hushållsenheter, som t ex mobiltelefoner där både storlek och vikt hålls på ett absolut minimum. Litiumjonceller ger den högsta energidensiteten av alla kemiska sammansättningar för standardbatterier. När litiumjonbatterier används i dagens hushållsenheten skyddas de av komplexa elektroniksystem som är avsedda att förhindra farlig överhettning som kan göra att batteriet antänds. Elektronisk skyddsutrustning ser till att brandrisken i hushållsenheter är mycket låg, men risken för materiella skador och personskador kan vara mycket hög om ett stort litiumjonsystem, t ex ett batteribaserat energilagringssystem, skulle ta eld, och detta motverkar dess användning i solpanelssystem för hushållsanvändare.
* Litiumjärnfosfat – sammansättningen med litiumjärnfosfat (en litiumjonsammansättning med ett särskilt katodmaterial) ger en energidensitet som är nästan lika hög som hos ett litiumjonbatteri för hushållsbruk – en stor solpanelsinstallation kan lagra en stor mängd elektrisk energi i ett litium-järn-fosfatbatteri. Men till skillnad från litiumjonceller är litiumjärnfosfat inte lika känsligt för överhettning – dessa batterier är extremt säkra. De erbjuder också betydligt längre brukningstid än bly-/syrasystem. Vid jämförelse av batteribaserade energilagringssystem är det också mycket lätt att bli lurad av jämförelser med systemens märkkapacitet som uttrycks med ett prisförhållande i €/kWh. Det är viktigt att kontrollera den faktiska effektiva kapaciteten (som inte är samma sak som den nominella märkkapaciteten), som ligger emellan 40 och 60 procent för bly-/syrasystem upp till 80–90 procent för litiumsystem, inklusive litiumjärnfosfat.

Kretsens konstruktion
Ett batteri kan sluta fungera på två sätt. Det mest uppenbara sättet är ett fullständigt eller – för att använda den tekniska termen – katastrofalt fel. När ett sådant fel inträffar har användaren inga som helst möjligheter att dra någon effekt från batteriet (att ladda ur det), eller att fylla på dess energilagring (att ladda det). Batteriet är helt slut.


Batterierna i ett batteribaserat energilagringssystem måste ha ca 20 års livslängd.

Men ett batteri kan också sluta fungera delvis, och bara arbeta på en viss del av sin märkkapacitet. Vi kan ta exemplet med en konsument som köper en bärbar dator med en nominell batteritid på tre timmar från fullt uppladdat tillstånd. När batteriet har laddats helt och hållet tar användaren med sig datorn ombord på ett flygplan och förväntar sig att använda den under tre timmars flygning. Men batteriet tar slut efter en timme. Ur användarens synvinkel har batteriet inte uppfyllt sin funktion även om det kunde användas under en begränsad tid, och det inte laddades ur helt.
Båda feltyperna – katastrofalt fel eller materialfunktionsfel – är oacceptabla i ett batteribaserat energilagringssystem. Och detta är där batteriets kretskonstruktion har avgörande betydelse. Kretsen måste arbeta så att:
* ett fel i en enstaka cell inte slår ut en hel modul
* ett fel i en modul inte slår ut hela det batteribaserade energilagringssystemet
* kapaciteten i varje modul kan övervakas, så att en modul med kraftigt reducerad kapacitet kan identifieras
* en icke-fungerande modul kan tas bort och ersättas med en ny modul i syfte att bibehålla energilagringskapaciteten på den specificerade nivån. Systemet måste kunna hantera en blandning av originalmoduler och ersättningsmoduler.

Rätt batteribaserat energilagringssystem
Det är tydligt att olika batteribaserade energilagringsprodukter kan variera betydligt vad gäller prestanda och livslängd. Även om tillverkarna ofta hävdar att deras produkter har 20 års livslängd ska köparen inte förlita sig helt på tillverkarens egna värden.
Den här artikeln visar att ett felaktigt val av battericellens kemiska sammansättning, och en ineffektiv kretskonstruktion, kan försämra energilagringssystemets funktion kraftigt och leda till:
* Katastrofala fel i förtid
* En minskning av energilagringskapaciteten på mer än 20 procent innan 20 år har förflutit
* Förhöjd brandrisk på grund av överhettning
Det nya batteribaserade energilagringssystemet från VARTA, Tysklands största och äldsta tillverkare av batterier för industri och hushåll, och en pionjär inom avancerad batteriteknik, har byggt in alla viktiga egenskaper som beskrivs ovan och kan nu erbjuda ett tillförlitligt och högpresterande batterisystem för fotovoltaiska solpanelsinstallationer, kombinerat med en lång förväntad systemlivslängd på över 20 år.
Engion Home från VARTA Micro Storage är ett fullt integrerat system som innehåller en växelriktare på 4 kW, ett elektroniskt energistyrningssystem (EMS – Energy Management System) och ett modulbatteri som ger kapaciteter från 3,7 kWh till 13,8 kWh. Energistyrningssystemet växlar automatiskt från laddningsläge till urladdningsläge och från solpanelsmatning till batterimatning eller matning från elnätet, beroende på förutsättningarna.
Det är lätt att lägga till moduler för att höja kapaciteten (upp till maximivärdet 13,8 kWh) och detta kan utföras av användaren även flera år efter inköpet av det ursprungliga systemet. Nya, förbättrade moduler kan arbeta parallellt med befintliga moduler.
Varje Engion-modul i det batteribaserade energilagringssystemet är tillverkad med litiumjärnfosfatceller, och dess märkkapacitet innefattar 6 000 laddnings-/urladdningscykler, vilket motsvarar en livslängd på över 20 år för typiska användare. När en modul har överskridit sin nominella brukningstid kan den enkelt tas bort och bytas ut mot en ny modul.
Användarna kan känna sig trygga i vetskapen om att Engion-systemets egenskaper och avancerade konstruktion ser till att deras investering i energilagringssystemet kan hålla lika länge som solpanelerna, och att de kan få energi till sina hem och vara mer oberoende av elnätet i 20 år framåt, eller ännu längre.
Dr Alexander Hirnet, chef för avdelningen Energilagringssystem på VARTA Micro Storage GmbH

Comments are closed.