מערכות אחסון היברידיות ופתרונות אחסון: גיל סוללה - הדרך למערכות אנרגיה עמידות ותחזיות אמינות

Konrad Wolfenstein

לפני שנה

הזנת סוללה: סוללות ליתיום-יון למכונות הובלה ובנייה חשמליות

חיי סוללה: סוללות ליתיום-יון במכונות תחבורה ובנייה חשמליות - תמונה: Xpert.Digital

📡 מערכות אחסון היברידיות ועתיד טכנולוגיית האנרגיה: מבט מעמיק

📡 החתירה המתמדת לשיפורים בטכנולוגיית אחסון אנרגיה הובילה לחידושים מרתקים, כולל מערכות אחסון היברידיות. מערכות צופות פני עתיד אלו משלבות טכנולוגיות אחסון שונות כדי לפצות על החסרונות של כל אחת מהן ולנצל באופן אופטימלי את יתרונותיהן. דוגמה בולטת לכך היא צימוד של סוללות ליתיום-יון וסופר-קבלים. מכון פראונהופר לכלכלת אנרגיה וטכנולוגיית מערכות אנרגיה (IEE), בשיתוף פעולה עם Skeleton Technologies ו-AVL, עשה התקדמות משמעותית בטכנולוגיית חיזוי הזדקנות סוללות במסגרת פרויקט המחקר "SukoBa", דבר שעשוי לחולל מהפכה ביישום מערכות אחסון היברידיות.

🔋 הסינרגיה של סוללות ליתיום-יון וסופר-קבלים

מערכת אחסון אנרגיה היברידית המשלבת סוללות ליתיום-יון וגם קבלי-על (supercaps) ממנפת את נקודות החוזק של שתי הטכנולוגיות תוך צמצום נקודות התורפה שלהן. קבלי-על מסוגלים לספוג ולשחרר כמויות גדולות של אנרגיה בפרקי זמן קצרים ביותר. תהליך טעינה ופריקה מהיר זה אינו מוביל להזדקנות משמעותית, מכיוון שהזרם מוגבל לא על ידי תהליכים אלקטרוכימיים אלא על ידי קיבולת אחסון פיזית. לעומת זאת, לקבלי-על יש צפיפות אנרגיה נמוכה, כלומר הם אינם יכולים לאגור כמויות גדולות של אנרגיה בבת אחת.

סוללות ליתיום-יון, לעומת זאת, מציעות צפיפות אנרגיה גבוהה ולכן יכולות לאגור כמויות גדולות של אנרגיה, אך הן רגישות לקפיצות זרם גבוהות, מה שעלול להוביל לבלאי מוגבר ולאורך חיים קצר יותר. לכן, סוללות אלו אינן מתאימות ליישומים עם שינויי עומס תכופים ואינטנסיביים, כמו בכלי רכב חשמליים או ציוד בנייה. כאן נכנסים לתמונה סופר-קבלים. הם יכולים לספוג קפיצות עומס מבלי להפעיל לחץ על הסוללה, וכתוצאה מכך שימוש אחיד ועדין יותר בסוללה.

🔎 פרויקט המחקר SukoBa ו-BaSiS

פרויקט "SukoBa" פיתח סביבת סימולציה בשם BaSiS – Battery Simulation Studio – שמטרתה לייעל את האינטראקציה בין רכיבים במערכות אחסון אנרגיה היברידיות. בלב טכנולוגיה זו עומד מודל פירוק המספק תחזיות מדויקות של הזדקנות סוללות כאשר הן מופעלות בשילוב עם סופר-קבלים. הודות לתוכנת BaSiS, חוקרים ומהנדסים יכולים כעת לדמות תצורות ותרחישי הפעלה שונים ולנתח את השפעתם על הזדקנות הסוללות.

BaSiS מסייע להתאים את תנאי ההפעלה ואלגוריתמי הבקרה של הסוללה כדי להשיג אורך חיים מקסימלי בעלות מינימלית. גמישות זו חשובה במיוחד משום שהיא מאפשרת שילוב ובדיקה מהירים של מגמות וטכנולוגיות חדשות במחקר סוללות וסופר-קבלים.

💡 יתרונות מעשיים של מערכות אחסון היברידיות

מערכות אגירת אנרגיה היברידיות מציעות מגוון רחב של יתרונות המשתרעים הרבה מעבר להיבטים הטכניים הבסיסיים. הן מאפשרות שימוש יעיל יותר באנרגיה בכלי רכב חשמליים, ציוד בנייה ואגירת אנרגיה נייחת. יתרון מרכזי הוא חיי סוללה ארוכים יותר. על ידי הקלה על העומס במהלך עומסי שיא, הלחץ התרמי בתוך הסוללה מופחת, וכתוצאה מכך פחות בלאי וכך חיי שירות ארוכים יותר. זה, בתורו, מוריד את העלויות הכוללות, מכיוון שיש צורך לרכוש ולהתקין סוללות חלופיות בתדירות נמוכה יותר.

יתרון נוסף הוא ביצועים משופרים. סופר-קבלים יכולים לספוג שינויי עומס מהר יותר, וכתוצאה מכך תגובתיות טובה יותר של המערכת כולה. זה חשוב במיוחד במצבים הדורשים זרמים גבוהים ומהירים, כגון בעת הפעלת מנועים חשמליים או שחזור אנרגיית בלימה (התאוששות).

🌍 החשיבות הכלכלית והאקולוגית

טכנולוגיות לשיפור הזדקנות סוללות ויעילותן של מערכות אחסון היברידיות משפיעות גם הן על כלכליות וסביבתיות משמעותיות. הארכת חיי הסוללה מפחיתה עלויות, מה שמוביל לקבלה ויישום רחבים יותר של טכנולוגיות אלו. יתר על כן, סוללות ממלאות תפקיד מרכזי במעבר האנרגיה לאנרגיות מתחדשות. מערכות אחסון אנרגיה יעילות יותר ובעלות עמידות לאורך זמן מסייעות לאזן תנודות באספקת האנרגיה, דבר חיוני לשילוב אנרגיית רוח ואנרגיה סולארית ברשת החשמל.

מנקודת מבט אקולוגית, אורך חיים ארוך יותר של סוללה פירושו גם הפחתה בפסולת ובהשפעה סביבתית מייצור וסילוק סוללות. כריית משאבים כמו ליתיום וקובלט, הנחוצים לייצור סוללות ליתיום-יון, גורמת נזק סביבתי משמעותי. לכן, אורך חיים ארוך יותר של סוללה יכול להוביל גם לצריכת משאבים נמוכה יותר ולקיימות משופרת.

🚀 התפתחויות ואתגרים עתידיים

עם זאת, הפיתוח והאופטימיזציה המתמשכים של מערכות אחסון היברידיות מציבים גם אתגרים. אחד מהם הוא מורכבות האינטגרציה והבקרה של המערכות. נדרשים מחקר ופיתוח נרחבים כדי לתכנן אלגוריתמי בקרה וזרימת אנרגיה יעילים במערכות היברידיות כאלה. יתר על כן, יש להפחית עוד יותר את עלויות הייצור והאינטגרציה של סופר-קבלים כדי להפוך את הטכנולוגיות הללו לאטרקטיביות עוד יותר מבחינה כלכלית.

תחום מחקר נוסף הוא שיפור מדע החומרים כדי לשפר עוד יותר את ביצועי הסוללות והסופר-קבלים כאחד. זה כולל פיתוח של חומרי אלקטרוליט ואלקטרודה חדשים המציעים צפיפות אנרגיה גבוהה יותר ומאפייני טעינה ופריקה טובים יותר.

🔚 התקדמות בטכנולוגיית אחסון אנרגיה

מערכות אחסון אנרגיה היברידיות, המשלבות סוללות ליתיום-יון וסופר-קבלים, מייצגות התקדמות משמעותית בטכנולוגיית אחסון אנרגיה. על ידי מינוף מיומן של נקודות החוזק וצמצום החולשות של שתי הטכנולוגיות, מושגת אורך חיים ארוך יותר של אחסון והיעילות הכוללת של המערכת עולה. חברת Fraunhofer IEE תרמה תרומה משמעותית עם פרויקט "SukoBa" ופיתוח תוכנת BaSiS, המציעה יתרונות טכניים, כלכליים וסביבתיים. עתיד מערכות אחסון אנרגיה היברידיות מבטיח וימלא תפקיד מכריע באספקת אנרגיה בת קיימא ובשימוש בה.