나는 조사하고 있었다에너지 저장한동안은 솔직히? 하이브리드 시스템을 발견하기 전까지는 모든 것이 혼란스러웠습니다. 다음은 우리가 너무 오랫동안 단일 솔루션으로 에너지 저장 장치를 해결하려고 노력해 온 거래입니다. - 하지만 우리가 원하는 방식으로 작동하지 않습니다.
아무도 이야기하지 않는 문제
배터리는 며칠 동안 에너지를 저장할 수 있습니다. 엄청난. 그러나 태양광 패널의 생산이 중단되고 AC가 동시에 작동하는 경우와 같이 갑작스러운 전력 공급이 필요한 경우 - 동일한 배터리가 어려움을 겪습니다. 그것은 그것을 위해 설계되지 않았습니다. 한편, 슈퍼커패시터는 밀리초 안에 전력을 소모할 수 있지만 체에 물을 담는 것보다 더 빨리 에너지를 누출합니다.
일반 배터리 뱅크와 쌍을 이루는 이 SMES(초전도 자기 에너지 저장) 설정에 대해 읽고 "잠깐, 왜 이전에 누구도 이 작업을 수행하지 않았을까?"라고 생각했던 기억이 납니다. 알고 보니 그들은 그랬습니다. 단지 관심을 기울이는 사람이 충분하지 않을 뿐입니다.
하이브리드 접근 방식은 기본적으로 다음과 같이 말합니다. 둘 다 사용하면 안 될까요? 배터리가 가장 잘 하는 일을 -장기적으로 에너지를 저장하도록 하세요-. 슈퍼커패시터가 엄청난 전력 스파이크를 처리하게 하세요. 큰 소리로 말하면 당연한 것 같죠?
두 기술이 실제로 함께 의미를 가질 때
여기가 흥미로워지는 부분입니다. 하이브리드 에너지 저장 시스템의 전체 아이디어는 단지 두 가지 다른 저장 유형을 함께 사용하여 하루를 마무리하는 것이 아닙니다. 그 뒤에는 실제 엔지니어링 사고가 있지만 일부 구현은 확실히 다른 것보다 낫습니다.
SMES/배터리 조합을 선택하세요. 초전도 부분은 엄청난 전력 밀도를 가지고 있습니다. - 우리는 밀리초 단위로 측정된 응답 시간을 말합니다. 하지만 가격이 비싸고 크기에 비해 에너지를 많이 보유하지 못합니다. 배터리? 완전히 반대되는 문제입니다. 이들을 쌍으로 연결하면 단기적인 전압 변동과 장기적인-에너지 공급을 모두 처리할 수 있는 제품을 갖게 됩니다. 한 시스템의 사양을 보면 단일 스토리지 유형을 대형화하는 것에 비해 투자 비용을 거의 30% 줄일 수 있다는 것을 알 수 있습니다. 그것은 진짜 돈입니다.
배터리와 짝을 이루는 플라이휠은 내가 매력적이라고 생각하는 또 다른 조합입니다. 아마도 순수한 전기 화학보다 기계적 측면이 더 매력적이기 때문일 것입니다. 플라이휠은 높은-주파수 전력 변동을 처리하고 - 1초 미만의 작업을-생각하며 - 배터리는 더 길고 느린 변동을 관리합니다. 그리드 주파수 조절은 이 설정을 좋아합니다.
실제로 중요한 부분(대부분의 사람들에게)
모든 기술 문서와 백서에서 누락된 내용은 다음과 같습니다. 재생 가능 에너지는 적절하게 저장하지 못하면 쓸모가 없습니다. 태양광 패널은 태양이 빛날 때 전력을 생산합니다. 획기적인 관찰이군요. 하지만 밤에도 전기가 필요하고 저녁 식사 계획에 편리한 일정에 따라 바람이 불지 않습니다.
적절하게 설계된 하이브리드 시스템은 에너지를 포착하고 방출하는 방법을 최적화할 수 있습니다. 구름이 지나가거나 일몰이 발생하여 태양광 발전량이 갑자기 떨어지면 배터리가 증가하는 동안 슈퍼커패시터 구성 요소가 즉시 작동합니다. 이렇게 하면 전압 강하를 방지하고 성가신 깜박임 없이 조명을 계속 켜둘 수 있습니다.
슈퍼커패시터를 갖춘 압축 공기 에너지 저장 장치(CAES)도 매우 훌륭하지만 그렇게 많이 배치되지는 않는다는 점을 인정합니다. CAES는 문자 그대로 공기를 지하 동굴이나 탱크에 압축하여 에너지를 저장합니다. 기계적이고 이상하며 빠른 응답을 위해 슈퍼캡과 결합하면... 실제로 그리드 안정화에 꽤 잘 작동합니다. 대규모-CAES에 적합한 지질학을 찾는 것은 그 자체로 악몽입니다.
실제-세계의 혼란
대부분의 기술적인 논의에 포함되지 않는 한 가지를 언급해야 합니다. 이러한 시스템은 관리하기가 복잡합니다. 정말 복잡해요. 어떤 스토리지 구성요소가 어떤 순간에 어떤 로드를 처리할지 결정하려면 정교한 제어 시스템이 필요합니다. 잘못하면 돈과 효율성만 낭비하게 됩니다.
에너지 관리 시스템 - 길이가 더 짧기 때문에 EMS라고 부르겠습니다. - 전력 수요를 실시간으로 모니터링하고- 부하를 적절하게 분할해야 합니다. 높은 전력, 짧은 지속 시간? 슈퍼커패시터나 플라이휠로 연결하세요. 지속적인 부하? 배터리가 처리합니다. 간단하게 들리네요. 그렇지 않습니다.
또한 스토리지 기술마다 성능 저하 패턴이 다릅니다. 리튬-이온 배터리는 완전히 방전되는 것을 싫어합니다. 슈퍼커패시터는 수백만 개의 사이클을 처리할 수 있지만 천천히 용량을 잃습니다. 제어 시스템은 이를 고려하여 오늘의 성능과 내일의 수명 사이의 균형을 맞춰야 합니다. 마치... 어디든 질주하고 무릎을 닳게 하거나 속도를 조절할 수 있는 것과 같습니다. EMS는 하루에 수천 번씩 그러한 결정을 내려야 합니다.
전기 자동차가 관심을 끄는 이유(생각보다 더 많을 수도 있음)
EV는 기본적으로 그리드 스토리지에서 볼 수 있는 것과 동일한 문제를 다루고 있으며, 규모가 축소되고 이동 가능합니다. 높은 에너지 밀도 배터리가 필요한 범위 -를 원합니다. 하지만 엄청난 양의 전력을 빠르게 흡수할 수 있는 가속 및 회생 제동도 필요합니다. 하나의 배터리 유형이 두 가지를 모두 최적으로 수행할 수는 없습니다.
일부 EV 제조업체는 전력 버스트를 위해 슈퍼커패시터로 보완된 주행 거리용 대형 리튬-이온 팩인 하이브리드 스토리지 -를 실험하고 있습니다. 슈퍼캡은 손실될 수 있는 회생 제동 에너지를 포착하고(배터리는 그렇게 빨리 충전할 수 없기 때문에) 기본 배터리 팩에 스트레스를 주지 않고 가속을 위한 추가 킥을 제공합니다.
EV를 더 저렴하게 만들까요? 아니요. 실제로는 미리 비용이 더 많이 듭니다. 하지만 배터리 성능 저하가 크게 느려지므로 10년 이상의 수명이 가능합니다. 그만한 가치가 있을까요? 수학에 대해서는 여전히 논쟁이 벌어지고 있습니다.
비용 현실 점검
비용이 중요하지 않은 척하는 것은 어리석은 일이기 때문에 돈에 대해 이야기합시다. 하이브리드 시스템은 처음에는 더 비쌉니다. 하나가 아닌 두 개 이상의 스토리지 기술과 이를 관리하기 위한 제어 시스템을 구입하게 됩니다. 호주에서는 전국 전기 시장에서 최대 규모의 DC{3}}결합 하이브리드 배터리 시스템을 설치하고 있습니다. 그 규모는 - 120,000 가구에 전력을 공급할 수 있을 만큼 엄청납니다.
이러한 종류의 프로젝트는 규모와 그리드 안정성 서비스의 가치 때문에 경제적으로 합리적입니다. 주거용? 정말로 헌신적이거나 특정 안정성 요구 사항이 없는 한 정당화하기가 훨씬 더 어렵습니다. 부품 비용이 떨어지고 전기 요금이 인상됨에 따라 이러한 변화가 의심됩니다.
장비 수명 연장과 효율성 향상으로 인해 운영 비용이 절감됩니다. 급속 충전-방전 주기로 인해 배터리가 손상되지 않으면 배터리 수명이 더 길어집니다. 슈퍼커패시터가 장기 저장을 제공하려고 시도하는 대신(어리석은 일이지만) -설계된 전력 스파이크를 처리하는 경우 전체 시스템이 더 잘 작동합니다. 하지만 초기 프리미엄을 회수할 수 있을 만큼 충분히 오랫동안 운영해야 합니다.
중요한 기술 사양
전력 밀도와 에너지 밀도는 하이브리드 시스템을 작동시키는 근본적인 균형입니다. 전력 밀도는 킬로그램당 와트로 측정된 저장된 에너지 -에 얼마나 빨리 접근할 수 있는지로 생각하십시오. 에너지 밀도는 킬로그램당 와트-시간으로 측정된 - 저장할 수 있는 총 에너지의 양입니다.
슈퍼커패시터: 높은 전력 밀도(10,000+ W/kg), 낮은 에너지 밀도(~5Wh/kg). 그들은 단거리 선수입니다.
리튬-이온 배터리: 중간-고전력 밀도(~300~500W/kg), 높은 에너지 밀도(~250Wh/kg). 마라톤 선수들이에요.
경주에 따라 팀에 두 가지 유형의 운동선수가 모두 필요합니다.
자체 방전율도-중요합니다. 배터리는 몇 주 또는 몇 달 동안 충전 상태를 유지합니다. 슈퍼커패시터는 에너지를 빠르게 누출합니다. - 부하에 연결되지 않으면 하루에 상당한 비율의 손실이 발생합니다. 이것이 바로 온라인에서 일부 사람들이 이에 대해 혼란스러워하는 것처럼 보이더라도 장기적인 백업 전력으로 슈퍼커패시터를 사용하지 않는 이유입니다.-
제어 전략
좋아요, 이 섹션은 기술적인 내용이 될 수도 있지만 꽤 중요합니다. 제어 전략은 다양한 저장 구성 요소, 부하 및 전원(그리드 또는 재생 가능 에너지 등) 간의 전력 흐름 방식을 결정합니다.
피크 저감은 한 가지 접근 방식입니다. - 하이브리드 시스템은 전력 수요 급증을 완화하여 주 전원에 보다 일정한 부하가 발생하도록 합니다. 고전력 스토리지 구성요소는 최고 전력을 흡수하고-고에너지 구성요소는 기준선을 처리합니다. 이는 풍력과 태양광을 기존의 송전 가능한 발전소처럼 그리드에 더 가깝게 보이게 하기 때문에 재생 가능 통합에 매우 중요합니다.
저-통과 필터링은 또 다른 방법입니다. 고주파-주파수 전력 변동(빠른 변화)은 전력-밀도가 높은 스토리지로 라우팅됩니다. 낮은-빈도 변화(느린 변화)는 에너지-밀도가 높은 저장소로 이동합니다. 수학적으로는 우아하지만 구현은 까다로울 수 있습니다.
일부 시스템은 과거 부하 패턴을 기반으로 예측 알고리즘을 사용합니다. 시스템이 시설에서 일반적으로 매일 오후 2시에 전력 스파이크가 발생한다는 것을 알고 있는 경우 적절한 저장 구성 요소에 에너지를 미리 배치할 수 있습니다.- 사용 패턴이 변경되고 알고리즘이 갑자기 잘못된 시나리오에 맞게 최적화될 때까지 훌륭하게 작동합니다.
우리는 지금 어디에 있는가
이 기술은 특정 응용 분야에서 대규모 설치가 적합할 정도로 충분히 성숙되었습니다. 전력망 서비스, 전력 요구 사항이 까다로운 산업 시설, 대규모-재생 에너지 통합- 등은 검증된 사용 사례입니다. Wärtsilä의 GEMS 소프트웨어 및 이와 유사한 에너지 관리 플랫폼은 여러 스토리지 기술을 결합하는 데 매우 정교해졌습니다.
소규모-주거용 애플리케이션이 여전히 기반을 찾고 있습니다. 얼리 어답터와 신뢰할 수 없는 그리드 연결을 가진 사람들이 이를 설치하고 있지만 경제성은 아직 대부분의 사람들에게 적합하지 않습니다. 배터리 가격이 계속 낮아지고 있어 도움이 되지만 제어 시스템과 설치 복잡성으로 인해 총 비용이 높게 유지됩니다.
전기 자동차는 아마도 차세대 혁신의 물결을 보게 될 곳일 것입니다. 무게와 공간의 제약으로 인해 효율적인 설계가 가능하고, 대량 생산 가능성으로 인해 비용이 절감됩니다. EV에서 작동하는 것은 결국 고정 애플리케이션으로 흘러들어갈 것입니다.
효율성 문제
그러면 원래 질문으로 돌아가서 하이브리드 에너지 저장 시스템이 효율성을 최적화할 수 있습니까?
예. 그러나 보편적인 것도 아니고, 자동적인 것도 아니며, 항상 경제적으로 그런 것도 아닙니다.
적절한 제어 기능을 갖춘 잘 설계된-하이브리드 시스템은 단일 기술 솔루션과 비슷하거나 그 이상의 왕복 효율성을 -85-90% 이상- 달성할 수 있습니다. 더 중요한 것은 더 넓은 범위의 작동 조건을 효과적으로 처리할 수 있다는 것입니다. 이러한 유연성은 최고 효율성보다 더 가치 있는 경우가 많습니다.
최적의 작동 범위에서 각 스토리지 기술을 사용하면 효율성이 향상됩니다. 빠른 사이클링으로 인해 배터리가 손상되지 않습니다. 슈퍼커패시터는 전력 스파이크 동안을 제외하고는 유휴 상태로 있지 않습니다. 전체 시스템이 보다 원활하게 작동하므로 폐열이 줄어들고 성능 저하가 줄어들며-장기 성능이 향상됩니다.
하지만 - 이것이 중요합니다. - 잘못 설계된 하이브리드 시스템은 실제로 잘 선택된 단일 스토리지 기술보다 효율성이 떨어질 수 있습니다.- 제어 알고리즘이 서로 충돌하는 경우, 부품 크기가 일치하지 않는 경우, 전력 전자 장치로 인해 과도한 변환 손실이 발생하는 경우... 성능을 저하시키기 위해 더 많은 비용을 지출한 것입니다.
실제로 일어나야 할 일
업계에는 표준화가 필요합니다. 현재 모든 하이브리드 시스템은 특정 애플리케이션에 맞게 어느 정도 맞춤식으로 - 맞춤- 엔지니어링되어 있습니다. 엔지니어 팀이 있는 그리드{4}}규모 설치에는 적합하지만 광범위한 채택을 방해합니다. 매번 바퀴를 재발명하지 않고도 배포할 수 있는 모듈식, 확장 가능한 설계가 필요합니다.
비용 절감은 당연합니다. 슈퍼커패시터는 전력 밀도를 위해서만 필요함에도 불구하고 여전히 와트당-시간당 비용이 많이 듭니다. 제조 규모가 여기에 도움이 될 것입니다. 대체 슈퍼커패시터 기술(그래핀- 기반 설계는 유망해 보이지만 여전히 대부분 실험실에 있음)도 마찬가지입니다.
사람의 개입 없이 변화하는 조건에 적응할 수 있는 더 나은 제어 알고리즘. 기계 학습은 단지 과장된 대부분의 응용 프로그램과 달리 여기에서 실제로 유용할 수 있습니다. 특정 사용 패턴을 학습하고 그에 따라 최적화하는 시스템은 정적 프로그래밍에 비해 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다.
그리고 솔직히? 더 나은 교육. 대부분의 전기 계약자와 설치자는 하이브리드 저장 시스템을 실제로 이해하지 못합니다. 대부분의 소비자는 확실히 그렇지 않습니다. 하이브리드 시스템이 일반 의식에서 "배터리 백업"만큼 익숙해질 때까지 채택은 전문가와 매니아에게만 국한될 것입니다.
무작위 관찰
저는 우리가 수십 년 동안 단일 솔루션으로 에너지 저장 문제를 해결하려고 노력하다가 최근에 와서야 대규모 하이브리드 접근 방식을 채택하게 되면서 어떻게 여기까지 왔는지 계속 생각하고 있습니다. 이는 주파수 확장 한계에 도달했을 때 단일{2}}코어에서 멀티{3}}코어 프로세서로 전환한 방법과 유사합니다. 때때로 답은 한 가지를 더 좋게 만드는 것이 아니라 여러 가지를 지능적으로 함께 사용하는 것입니다.
태양광-+-저장 장치의 전체 DC{0} 결합 추세는 이와 관련되어 있습니다. 태양광 DC를 AC로 변환한 다음 배터리 저장을 위해 다시 DC로 변환하는 대신(두 변환 모두에서 에너지를 낭비함) DC-커플링은 AC 그리드로 이동해야 할 때까지 모든 것을 DC에 유지합니다. 몇 퍼센트 포인트씩 손실을 줄입니다. 하이브리드 접근 방식을 가치 있게 만드는 것은 바로 이러한 종류의 시스템-수준 최적화입니다.
또한 주목할 만한 점은 하이브리드 시스템의 열 관리 문제가 -사소하지 않다는 것입니다. 배터리는 작동 중에 열을 발생시킵니다. 슈퍼커패시터는 열을 발생시킵니다. 플라이휠은 베어링 마찰로 인해 열을 발생시킵니다. 모든 것을 함께 포장하면 상당한 냉각이 필요합니다. 냉각 시스템이 전체 효율성을 눈에 띄게 감소시킬 만큼 충분한 전력을 끌어오는 설치를 본 적이 있습니다. 고려해야 할 사항.
미래 부분(필수이지만 추측임)
전고체-배터리는 게임의 판도를 완전히 바꿀 수도 있습니다. 높은 에너지 밀도와 긴 사이클 수명을 갖춘 높은 전력 밀도를 모두 갖춘 배터리를 얻는다면 하이브리드 시스템이 불필요해질 수도 있습니다. 아니면 더 나은 성능을 위해 전고체 배터리와 다른 기술을 결합하여 훨씬 더 정교해질 수도 있습니다. 말하기 어렵다.
수소 저장도 배경에 숨어 있습니다. 일부 하이브리드 시스템은 장기간(몇 주 또는 몇 달) 보관을 위한 전력-가스 변환을-탐구하고 있으며, 단기 요구 사항을 위해 배터리 및 슈퍼커패시터와 함께 사용하고 있습니다.- 복잡하고 효율성이 떨어지지만, 진정한 계절별 보관의 경우 대규모로 실행 가능한 유일한 옵션일 수 있습니다.
그리드 자체는 저장뿐만 아니라 발전, 송전, 배전이 모두 함께 작동하면서 더욱 정교해지는 하이브리드 에너지 시스템-이 되고 있습니다. 차량-대-그리드 통합으로 또 다른 레이어가 추가됩니다. 결국 우리는 개별 "시스템"에 대한 생각을 멈추고 완전히 통합된 에너지 생태계에 대해 생각하기 시작할 수도 있습니다.
하지만 아마 나 자신보다 앞서 나갈 것 같아요. 현재 우리는 제어 시스템의 붕괴 없이 배터리와 슈퍼커패시터를 안정적으로 결합하는 방법을 찾고 있습니다.
결론
하이브리드 에너지 저장 시스템이 작동합니다. 단일-기술 솔루션이 따라올 수 없는 방식으로 효율성을 최적화합니다. 기술이 입증되었고, 그 혜택이 현실화되었으며, 애플리케이션이 증가하고 있습니다.
특정 상황에 적합한지 여부는 기술적 요구 사항, 경제적 요인, 그리고 솔직히 얼마나 많은 복잡성을 처리할 의향이 있는지에 따라 달라집니다. 그리드- 규모의 재생 가능 통합 및 산업용 애플리케이션의 경우 점점 더 기본 선택이 되어가고 있습니다. 주거용 및 소규모 상업 시설의 경우 아직 그 수준에 도달하지 못했습니다.
상호 보완적인 기술을 결합하면 단일 솔루션을 완성하려고 노력하는 것보다 더 나은 결과를 얻을 수 있다는 근본적인 통찰-은 돌이켜보면 분명해 보입니다.- 대부분의 좋은 아이디어는 그렇습니다. 이제 과제는 하이브리드 시스템을 더 저렴하고, 더 간단하고, 더 쉽게 접근할 수 있도록 만들어 그 혜택을 더 광범위하게 제공하는 것입니다.
그리고 설치를 고려 중이라면 전력 전자 및 에너지 관리 시스템을 실제로 이해하고 있는 사람과 상담하십시오. 단순한 영업사원이 아닙니다. 이 작업은 복잡하고 잘못하면 비용이 많이 듭니다.