Cum Funcționează Stocarea Energiei Solare în Baterii?

Stocarea energiei solare în baterii (denumită frecvent solar+stocare) este o industrie în plină expansiune. Prin asocierea panourilor solare cu stocarea în baterii, proprietarii de locuințe pot stoca excesul de electricitate produs de panourile lor solare pentru a-și extinde opțiunile privind modul în care își utilizează energia solară – și cum pot profita de pe urma acesteia. Stocarea energiei solare în baterii le permite să se bazeze mai puțin (sau, în situații de urgență, deloc) pe rețeaua de electricitate pentru a-și reduce potențial costurile și chiar pentru a-și suplimenta veniturile.

Creșterea stocării energiei solare

Pe măsură ce schimbările climatice cresc frecvența și potența evenimentelor meteorologice extreme, reziliența devine din ce în ce mai importantă pentru proprietarii de locuințe, iar aceștia apelează la solar+stocare pentru ajutor.

Când s-a întrerupt curentul în Texas și în părți din sud-est în februarie 2021, un proprietar de locuință a povestit cum a reușit să-și țină frigiderul pornit și căldura și luminile aprinse datorită panourilor solare de pe acoperiș și a sistemului de stocare în baterii din garaj. Interesul pentru sistemele solare și de stocare în baterii s-a dublat în timpul și după întreruperea de curent.

În ultimii ani, incendiile de vegetație catastrofale și întreruperile de curent au produs o creștere a stocării rezidențiale în baterii în California și Australia. De asemenea, căldura extremă cauzată de climă continuă să amenințe sistemele energetice cu pene de curent, pe măsură ce tot mai mulți consumatori pornesc aparatele de aer condiționat exact în momentul în care liniile electrice au o capacitate mai limitată de a transporta electricitate.

Impulsul pentru solar+stocare a fost accelerat și de scăderea vertiginoasă a prețurilor și de stimulentele guvernamentale. Prețurile bateriilor litiu-ion au scăzut cu 89% între 2010 și 2020, determinate în mare parte de creșterea producției de vehicule electrice. Creditul fiscal federal pentru investiții pentru energia regenerabilă poate fi aplicat bateriilor dacă acestea sunt încărcate folosind un sistem solar (mai degrabă decât direct din rețea). California, Massachusetts și New York oferă, de asemenea, stimulente proprietarilor de locuințe pentru instalarea bateriilor alături de panourile lor solare. În zonele predispuse la incendii de vegetație, Programul de auto-generare din California acoperă aproape în întregime costul instalării unei baterii.

Proprietarii de locuințe nu sunt singurii care realizează beneficiile solar+stocare. Utilități precum Departamentul de Apă și Energie din Los Angeles au asociat proiecte solare la scară utilitară cu baterii de mare capacitate la prețuri mult mai mici decât centralele pe combustibili fosili. La sfârșitul anului 2020, o treime din toate proiectele solare noi la scară utilitară, în funcție de capacitate, au fost asociate cu stocarea în baterii. În California, rata a fost de aproape două treimi.

Cum este stocată energia solară într-o baterie

Asocierea bateriilor cu panourile solare elimină cea mai mare provocare pentru adoptarea pe scară largă a energiei solare: variabilitatea sa. Mai mult, momentul zilei în care cererea de electricitate este la cel mai înalt nivel este, de obicei, în jurul apusului soarelui. Panourile solare sunt cele mai productive la prânz, când cererea de electricitate este scăzută.

Majoritatea proprietarilor de sisteme solare folosesc rețeaua ca baterie: atunci când produc mai multă electricitate decât consumă, panourile lor trimit excesul în rețea. În majoritatea statelor, compania de utilități le acordă credit pentru acel exces de electricitate printr-un program de contorizare netă. Creditul este apoi aplicat pentru a plăti excesul de electricitate pe care proprietarii de locuințe îl folosesc atunci când consumă mai mult decât produc.

Atunci când sunt integrate cu stocarea în baterii, panourile solare pot trimite electricitatea pe care o generează către casă, către rețea sau în dispozitivul de stocare în baterii. O parte a acestui proces implică unul sau mai multe invertoare, care convertesc electricitatea de la curent alternativ (AC) la curent continuu (DC), sau invers.

Pentru instalațiile noi, unde panourile solare sunt instalate în același timp cu bateria, este necesar doar un invertor – pentru a converti electricitatea DC provenită de la panourile solare fie pentru utilizare în casă, fie pentru a o trimite în rețea, ambele funcționând pe AC. Bateriile stochează energie în DC direct de la panourile solare. Pentru casele care au deja panouri solare, dar adaugă stocare, sistemul are deja un invertor care convertește electricitatea DC în AC, deci este necesar un al doilea invertor pentru a transforma AC-ul înapoi în DC, astfel încât să poată fi stocat în baterie – un proces care este mai puțin eficient.

Tipuri de baterii solare

Bateriile litiu-ion domină industria stocării energiei solare, asigurând peste 90% din capacitatea de stocare la scară utilitară în Statele Unite. Pentru stocarea rezidențială, bateriile plumb-acid au virtuțile unui cost redus, reciclabilitate și durată lungă de viață cu puțină sau deloc întreținere necesară, dar sunt grele și au timpi de încărcare mai lungi. Bateriile litiu-ion se încarcă mai rapid și pot stoca mai multă energie pe masă, ceea ce le face alegerea preferată a majorității sistemelor de stocare solară pentru acasă astăzi, conform Asociației Industriilor de Energie Solară.

Luând în considerare durata de viață, performanța și costul, analiza realizată de Departamentul Energiei din SUA arată că bateriile litiu-ion au cel mai mare beneficiu în raport cu costul, un beneficiu care va crește doar în anii următori pe măsură ce tehnologia continuă să se maturizeze și prețurile sale să scadă. Restul de 10% dintre opțiunile de stocare a energiei la scară utilitară – precum hidroenergetica cu pompaj, bateriile cu flux, bateriile sodiu-sulf, sărurile topite, volanții și aerul comprimat – depășesc scara proprietarilor de locuințe.

Mai multe alte caracteristici ale bateriilor determină, de asemenea, eficiența din punct de vedere al costurilor și utilitatea sistemelor solar+stocare.

Putere și capacitate

Două măsuri similare – kW și kWh – sunt măsurători ale puterii și, respectiv, capacității unei baterii. Un kilowatt este cantitatea de putere pe care o baterie o poate furniza la un moment dat, în timp ce un kilowatt-oră este cantitatea totală de energie pe care o baterie o poate stoca. Gospodăria medie din SUA consumă puțin peste 30 kWh pe zi, conform Administrației pentru Informații Energetice din SUA, în timp ce sistemele de baterii sunt, în general, sub această valoare.

Eficiența de ciclu complet

Eficiența de ciclu complet (round-trip efficiency) este măsurarea cantității de energie pierdute în transferul și stocarea electronilor în și din baterie. Pierderea este, de obicei, în jur de 5%.

Durata de viață a bateriei

Durata de viață a bateriei este măsurată prin numărul de cicluri de încărcare și descărcare prin care poate trece. În cele din urmă, bateriile se degradează în timp și își pierd capacitatea de a menține același nivel de încărcare.

Puteți economisi bani cu un sistem de stocare a energiei solare în baterii?

Istoric, generatoarele diesel au fost folosite ca sursă de energie de rezervă în caz de pene de curent. Un generator diesel poate avea un preț de achiziție între 2.000 și 6.000 de dolari, în funcție în principal de puterea lor. Adăugând costurile de instalare și combustibil, această sumă poate ajunge între 10.000 și 20.000 de dolari. Dacă proprietarii de locuințe au noroc, cea mai mare parte a prețului de achiziție al unui generator diesel va cumpăra doar liniște sufletească, iar generatorul nu va trebui niciodată folosit.

Deși costurile inițiale ale unui sistem solar+stocare sunt semnificativ mai mari, în funcție de dimensiunea sistemului, randamentul investiției este mai mare. Un sistem de rezervă cu baterii legate de sistemul solar poate cumpăra mai mult decât liniște sufletească: poate economisi bani proprietarilor de locuințe și poate genera venituri.

Diferiți furnizori de electricitate au structuri tarifare diferite: unii percep o rată fixă pe kilowatt-oră consumat; alții percep un surplus pentru clienții cu cerere mare; alții au planuri bazate pe timpul utilizării, unde electricitatea este mai ieftină în timpul orelor de vârf scăzute. Sistemele solar+stocare pot profita de oricare dintre aceste structuri tarifare prin reducerea cererii de electricitate din rețea, inclusiv în perioadele de cerere mare, sau prin stocarea energiei din rețea atunci când este cea mai ieftină și utilizarea bateriei atunci când electricitatea din rețea este cea mai scumpă.

Având în vedere acești factori, pentru clienții comerciali și industriali care au costuri ridicate pentru cererea de vârf, o analiză a Rocky Mountain Institute (RMI) a constatat că solar+stocare poate duce la economii de costuri. Pentru clienții rezidențiali, un studiu RMI anterior (din 2015) a prezis că, în multe părți ale Statelor Unite, sistemele solar+stocare ar fi rentabile până în 2025-2030. Cu toate acestea, pe măsură ce costurile atât pentru sistemele solare, cât și pentru bateriile litiu-ion continuă să scadă, ecuația cost-beneficiu pentru clienții rezidențiali se schimbă mai rapid decât se aștepta oricine.

Rolul centralelor electrice virtuale

Utilitățile nu trebuie doar să aibă întotdeauna o cantitate suficientă de electricitate pentru a satisface perfect cererea clienților; ele trebuie, de asemenea, să se asigure că electricitatea care circulă prin firele lor curge la o rată constantă de putere și frecvență.

Atunci când oferta și cererea nu se potrivesc sau când apar supratensiuni sau scăderi de tensiune, frecvența este perturbată și poate deteriora sistemele electrice. În sistemele de rețea convenționale, pornirea și oprirea centralelor electrice pe bază de combustibili fosili pentru a echilibra oferta și cererea este costisitoare și lentă, în timp ce menținerea lor în funcțiune ca rezerve risipește bani.

În aprilie 2021, 95% din electricitatea Californiei provenea din surse regenerabile. Pe măsură ce tot mai multe surse variabile de energie regenerabilă furnizează electricitate în rețea, prea mult vânt sau soare poate duce la oprirea de către utilități a energiei regenerabile curate, cu costuri reduse, disponibile. Altfel, riscă o pană de curent.

În centralele electrice virtuale, bateriile pot absorbi excesul de electricitate care altfel ar putea fi redus și pot furniza aproape instantaneu electricitate suplimentară atunci când este necesar. Aceasta înseamnă că utilitățile pot reduce costul menținerii în funcțiune a unei centrale pe gaz natural și pot transmite o parte din aceste economii membrilor VPP.

VPP-urile sună ca ceva din viitor, dar ele există deja, stimulate de Ordinul 2222 al Comisiei Federale de Reglementare a Energiei, care permite clienților cu amănuntul să participe pe piețele de energie. Lângă Salt Lake City, Utah, o comunitate rezidențială solar+stocare operează un VPP în conexiune cu utilitatea locală. Proprietarii de Tesla Powerwalls care sunt clienți ai companiilor de utilități National Grid sau Eversource din Nord-Est se pot alătura programului Connected Solutions și pot câștiga până la 1.000 de dolari pe an. Tesla operează, de asemenea, VPP-uri în Marea Britanie și Australia, în timp ce principalul instalator de sisteme solare Sunrun are programe VPP pentru clienții solar+stocare în Hawaii și California. Pe măsură ce apar tot mai multe VPP-uri, economiile de costuri ale sistemelor solar+stocare cresc.

Vă poate deconecta stocarea energiei solare de la rețea?

În timpul recentelor incendii de vegetație, rezidenții din California cu sisteme solare pe acoperiș au fost surprinși să constate că, atunci când s-a întrerupt curentul din rețea, s-a oprit și sistemul lor solar. Dacă sistemul solar al unui proprietar de locuință este legat de rețea, din motive de siguranță sistemul solar se oprește și el – altfel, electricitatea trimisă în rețea ar pune în pericol muncitorii care efectuează reparații pe liniile electrice.

Prin contrast, multe sisteme solar+stocare se pot deconecta automat de la rețea, permițând proprietarilor de locuințe să continue să consume energie fie de la panourile solare, fie de la bateria însăși. Deși majoritatea sistemelor solar+stocare nu sunt proiectate pentru a tăia complet conexiunea unui proprietar de locuință la rețea, ele oferă posibilitatea de a acționa independent de rețea pentru perioade mai scurte, fie individual, fie colectiv sub formă de microrețele.

Când conducta Colonial Pipeline a căzut victimă unui atac cibernetic în mai 2021 și a întrerupt aprovizionarea cu combustibil în mare parte din Coasta de Est, a provocat fiori operatorilor de rețea. Deși North American Electricity Reliability Corporation a impus standarde de securitate cibernetică pentru rețeaua electrică, rețeaua nu este invulnerabilă. Un atac cibernetic a închis pe scurt o utilitate neidentificată din vestul SUA în martie 2019, primul de acest gen.

O apărare împotriva întreruperilor cauzate de atacuri cibernetice, dezastre naturale sau alte urgențe este crearea de microrețele. Pe de o parte, companiile de utilități au un control mai mic asupra operării sistemelor solar+stocare, ceea ce le face potențial mai vulnerabile la atacuri cibernetice.

Pe de altă parte, comparativ cu o rețea energetică centralizată în care un singur atac de phishing poate cauza pene de curent pe scară largă și poate necesita plata a milioane de dolari drept răscumpărare pentru a readuce sistemul la normal, recompensa pentru hackeri pentru perturbarea resurselor energetice distribuite precum solar+stocare este mai mică, iar daunele sunt mai localizate.

În Statele Unite, 1.639 de microrețele operau în septembrie 2020, generând peste 11 gigawați de electricitate pentru clienții lor. Microrețelele sunt deosebit de utile pentru consolidarea resurselor critice precum spitalele sau bazele militare. În 2019, o stație de pompieri din Fremont, California a devenit prima din Statele Unite care a instalat o microrețea solar+stocare.

Ar trebui să achiziționați un pachet solar-plus-stocare?

Reziliența poate însemna ceva diferit pentru proprietarii de locuințe față de o afacere, organizație sau serviciu public care gestionează infrastructura critică. Dintr-o analiză tradițională cost-beneficiu, capacitatea proprietarilor de locuințe de a genera și utiliza propria energie este în prezent neeconomică. La fel ca asigurarea auto sau asigurarea de viață, majoritatea oamenilor sunt norocoși atunci când nu obțin un randament al investiției lor.

Totuși, atunci când se ia în considerare costul potențial al daunelor suferite fără un astfel de sistem, un sistem solar+stocare poate fi o investiție valoroasă. Când s-a întrerupt curentul în Texas în timpul temperaturilor record scăzute din 2021, pierderile monetare au fost în sute de miliarde de dolari – și aproape 200 de oameni au murit. Mai ales în zonele predispuse la pene de curent din cauza vremii extreme sau a altor dezastre naturale, decizia de a investi în solar+stocare are o greutate mai mare ca niciodată.