Гибридная энергетика представляет собой комбинацию различных технологий для производства электроэнергии.
В энергетике термин «гибрид» описывает комбинированную систему хранения электроэнергии и энергии. [1]
Примерами производителей электроэнергии, используемых в гибридной энергетике, являются фотоэлектрические элементы , ветровые турбины , ветро-водородные системы и различные типы двигателей-генераторов , например, дизельные генераторные установки. [2]
Гибридные электростанции часто содержат компонент возобновляемой энергии (такой как фотоэлектрические системы), который уравновешивается посредством второй формы генерации или хранения, такой как дизель-генераторная установка, топливный элемент или система хранения аккумуляторных батарей. [3] Они также могут обеспечивать другие формы энергии, такие как тепло для некоторых применений. [4] [5]
Гибридные системы, как следует из названия, объединяют два или более режимов генерации электроэнергии вместе, обычно с использованием возобновляемых технологий, таких как солнечные фотоэлектрические (PV) и ветровые турбины. Гибридные системы обеспечивают высокий уровень энергетической безопасности за счет сочетания методов генерации и часто включают в себя систему хранения (аккумулятор, топливный элемент ) или небольшой генератор на ископаемом топливе для обеспечения максимальной надежности и безопасности поставок. [6]
Гибридные системы возобновляемой энергии становятся популярными как автономные системы электроснабжения для обеспечения электроэнергией отдаленных районов из-за достижений в технологиях возобновляемой энергии и последующего роста цен на нефтепродукты . Гибридная энергетическая система, или гибридная мощность, обычно состоит из двух или более возобновляемых источников энергии, используемых вместе для обеспечения повышенной эффективности системы, а также большего баланса в энергоснабжении. [5]
Плавающие солнечные электростанции обычно добавляются к существующим гидроэлектростанциям, а не строятся вместе.
Другим примером гибридной энергетической системы является фотоэлектрическая батарея, соединенная с ветровой турбиной . [7] Это создаст большую производительность ветровой турбины зимой, тогда как летом солнечные панели будут выдавать свою пиковую производительность. Гибридные энергетические системы часто дают большую экономическую и экологическую отдачу, чем ветряные, солнечные, геотермальные или тригенерационные автономные системы сами по себе. [8]
Совместное использование ветровых и солнечных систем приводит во многих местах к более плавному/чистому выходу энергии, поскольку ресурсы антикоррелированы. Поэтому совместное использование ветровых и солнечных систем имеет решающее значение для крупномасштабной интеграции сети. [9]
В 2019 году в западной Миннесоте была установлена гибридная система стоимостью 5 млн долларов. Она пропускает 500 кВт солнечной энергии через инвертор ветряной турбины мощностью 2 МВт, увеличивая коэффициент мощности и сокращая расходы на 150 000 долларов в год. Контракты на покупку ограничивают местного дистрибьютора максимум 5% собственной генерации. [10] [11]
Башня Pearl River в Гуанчжоу , Китай, будет сочетать солнечные панели на окнах и несколько ветряных турбин на разных этажах своей конструкции, что позволит этой башне стать энергетически положительной. [ необходима цитата ]
В нескольких частях Китая и Индии есть осветительные мачты с комбинациями солнечных панелей и ветряных турбин наверху. Это позволяет использовать пространство, уже используемое для освещения, более эффективно с двумя дополнительными блоками производства энергии. Наиболее распространенные модели используют горизонтальные осевые ветровые турбины, но теперь появляются модели с вертикальными осевыми ветряными турбинами, использующими спиральную систему Савониуса . [ необходима цитата ]
Солнечные панели на уже существующих ветряных турбинах были испытаны, но производили ослепляющие лучи света, которые представляли угрозу для самолетов . Решением было производство тонированных солнечных панелей, которые не отражают так много света. Другая предложенная конструкция состояла в том, чтобы иметь вертикальную осевую ветряную турбину, покрытую солнечными элементами, которые способны поглощать солнечный свет под любым углом. [12]
Другие солнечные гибриды включают солнечно-ветровые системы. Сочетание ветра и солнца имеет то преимущество, что два источника дополняют друг друга, поскольку пиковые периоды работы для каждой системы приходятся на разное время дня и года. Генерация электроэнергии такой гибридной системой более постоянна и колеблется меньше, чем каждая из двух подсистем-компонентов. [13]
Система ветра-гидро генерирует электроэнергию, объединяя ветровые турбины и гидроаккумулирующие установки . Эта комбинация долго обсуждалась, и экспериментальная установка, на которой также испытывались ветровые турбины, была реализована компанией Nova Scotia Power на ее гидроэлектростанции Wreck Cove в конце 1970-х годов, но была выведена из эксплуатации в течение десяти лет. С тех пор по состоянию на конец 2010 года ни одна другая система не была реализована ни в одном месте. [14]
Ветро-гидростанции направляют все или значительную часть своих ветровых ресурсов на закачку воды в гидроаккумулирующие резервуары. Эти резервуары являются реализацией сетевого энергохранилища .
Ветер и его потенциал генерации по своей сути изменчивы. Однако, когда этот источник энергии используется для закачки воды в резервуары на высоте (принцип, лежащий в основе гидроаккумулирования), потенциальная энергия воды относительно стабильна и может использоваться для выработки электроэнергии путем ее сброса на гидроэлектростанцию при необходимости. [15] Такое сочетание было описано как особенно подходящее для островов, которые не подключены к более крупным сетям. [14]
В 1980-х годах было предложено построить установку в Нидерландах. [16] Эйсселмер будет использоваться в качестве водохранилища, а ветряные турбины будут располагаться на его дамбе. [ 17] Были проведены технико-экономические обоснования для установок на острове Рамеа ( Ньюфаундленд и Лабрадор ) и в индейской резервации Нижний Брюле ( Южная Дакота ). [18] [19]
Установка на острове Икария , Греция, вступила в фазу строительства в 2010 году. [14]
Остров Эль Йерро — это место, где, как ожидается, будет построена первая в мире ветро-гидроэлектростанция. [20] Current TV назвал это «планом устойчивого будущего на планете Земля». Он был разработан для покрытия 80–100 % электроэнергии острова и должен был быть введен в эксплуатацию в 2012 году. [21] Однако эти ожидания не были реализованы на практике, вероятно, из-за недостаточного объема водохранилища и постоянных проблем со стабильностью сети. [22]
Системы на 100% возобновляемой энергии требуют избыточной мощности ветровой или солнечной энергии. [23]
Хотя солнечные фотоэлектрические системы генерируют более дешевую прерывистую электроэнергию в течение светлого времени суток, им необходима поддержка устойчивых источников генерации электроэнергии для круглосуточного обеспечения электроэнергией. Солнечные тепловые электростанции с тепловым аккумулятором являются экологически чистыми устойчивыми источниками электроэнергии для круглосуточного снабжения электроэнергией. [24] [25] Они могут идеально удовлетворять спрос на нагрузку и работать в качестве базовых электростанций, когда извлеченная солнечная энергия оказывается избыточной в течение дня. [26] Правильное сочетание солнечной тепловой (теплового аккумулятора) и солнечной фотоэлектрической энергии может полностью соответствовать колебаниям нагрузки без необходимости дорогостоящего хранения в аккумуляторах. [27] [28]
В дневное время дополнительное потребление вспомогательной мощности солнечной тепловой электростанции составляет почти 10% от ее номинальной мощности для процесса извлечения солнечной энергии в форме тепловой энергии. [26] Эта вспомогательная потребность в энергии может быть обеспечена за счет более дешевой солнечной фотоэлектрической установки, если предусмотреть гибридную солнечную установку с комбинацией солнечных тепловых и солнечных фотоэлектрических установок на месте. Также для оптимизации стоимости электроэнергии генерация может осуществляться за счет более дешевой солнечной фотоэлектрической установки (генерация 33%) в течение дневного света, тогда как остальное время суток — за счет солнечной тепловой электростанции (генерация 67% за счет солнечной башни и параболического желоба ) для удовлетворения круглосуточной базовой нагрузки. [29] Когда солнечная тепловая аккумулирующая установка вынуждена простаивать из-за отсутствия солнечного света в облачные дни в сезон муссонов, также возможно потреблять (аналогично менее эффективной, большой емкости и дешевой системе хранения на основе аккумуляторных батарей) дешевую избыточную / неиспользуемую энергию от солнечных фотоэлектрических, ветровых и гидроэлектростанций путем нагревания расплавленной горячей соли до более высокой температуры для преобразования сохраненной тепловой энергии в электричество в часы пикового спроса, когда цена продажи электроэнергии является выгодной. [30] [31]
Солнечные фотоэлектрические системы дают переменную мощность, которая может быть буферизована с помощью аккумуляторной батареи. Однако существуют большие колебания в производстве в течение дня, а также во многих местах в зависимости от сезона. Аккумулятор помогает согласовывать мощность с нагрузкой. Гибридный солнечный инвертор дополнительно позволяет хранить дешевую электроэнергию, потребляемую по низким тарифам. [32]
В 2024 году в США будет 288 солнечных электростанций с аккумуляторными батареями и мощностью хранения 7,8 ГВт и 24,2 ГВт-ч энергии. [33]
Одним из методов хранения энергии ветра является производство водорода посредством электролиза воды . Этот водород впоследствии используется для выработки электроэнергии в периоды, когда спрос не может быть удовлетворен одним только ветром. Энергия в хранящемся водороде может быть преобразована в электроэнергию с помощью технологии топливных элементов или двигателя внутреннего сгорания, соединенного с электрогенератором .
Успешное хранение водорода сопряжено со многими проблемами, которые необходимо преодолеть, например, с хрупкостью материалов, используемых в энергосистеме.
Эта технология разрабатывается во многих странах. В 2007 году австралийская фирма Wind Hydrogen вышла на IPO , намереваясь коммерциализировать эту технологию как в Австралии, так и в Великобритании. [34] В 2008 году компания сменила название и переключилась на разведку ископаемого топлива. [35]
В 2007 году полигоны для испытания технологий включали:
Гибридная система питания с ветром и дизельным двигателем объединяет дизельные генераторы и ветряные турбины, [45] обычно вместе со вспомогательным оборудованием, таким как накопители энергии, преобразователи мощности и различные компоненты управления, для выработки электроэнергии. Они предназначены для увеличения мощности и снижения стоимости и воздействия на окружающую среду производства электроэнергии в отдаленных населенных пунктах и на объектах, которые не подключены к электросети . [45] Гибридные системы с ветром и дизельным двигателем снижают зависимость от дизельного топлива, которое загрязняет окружающую среду и является дорогостоящим для транспортировки. [45]
Ветро-дизельные системы генерации разрабатывались и испытывались в ряде мест во второй половине 20-го века. Все большее число жизнеспособных мест было разработано с повышенной надежностью и минимизированными расходами на техническую поддержку в отдаленных общинах. [ необходима цитата ]
Успешная интеграция ветровой энергии с дизельными генераторными установками зависит от сложных элементов управления, обеспечивающих правильное распределение прерывистой ветровой энергии и контролируемой дизельной генерации для удовлетворения спроса на обычно переменную нагрузку. Общей мерой производительности для ветровой дизельной системы является проникновение ветра, которое представляет собой соотношение между ветровой мощностью и общей поставляемой мощностью, например, проникновение ветра 60% означает, что 60% мощности системы поступает от ветра. Показатели проникновения ветра могут быть как пиковыми, так и долгосрочными. Такие объекты, как станция Моусон , Антарктида, а также Корал-Бэй и Бремер-Бэй в Австралии, имеют пиковое проникновение ветра около 90%. Технические решения для переменной ветровой мощности включают управление ветровой мощностью с помощью ветряных турбин с переменной скоростью (например, Enercon , Denham, Западная Австралия ), управление спросом, таким как тепловая нагрузка (например, Моусон), хранение энергии в маховике (например, Powercorp, Корал-Бэй). Некоторые установки в настоящее время переводятся на ветрово-водородные системы, такие как на Ramea в Канаде, которая должна быть завершена в 2010 году. [ требуется ссылка ]
Недавно [ когда? ] в Северной Канаде ветро-дизельные гибридные энергетические системы были построены горнодобывающей промышленностью. В отдаленных местах в Лак-де-Гра, на Северо-Западных территориях Канады, и Катиннике, полуостров Унгава, Нунавик, используются две системы для экономии топлива на шахтах. Еще одна система есть в Аргентине. [46]
Ветровая и солнечная энергия являются изменчивыми возобновляемыми источниками энергии, которые не так постоянны, как энергия базовой нагрузки , и водородная электростанция комбинированного цикла могла бы помочь возобновляемым источникам энергии, улавливая излишки энергии с помощью электролиза , когда они производят слишком много, чтобы она могла заполнить пробелы, когда они производят недостаточно. [47]
На электростанциях, использующих накопители энергии сжатого воздуха (CAES), электрическая энергия используется для сжатия воздуха и хранения его в подземных сооружениях, таких как пещеры или заброшенные шахты. В более поздние периоды высокого спроса на электроэнергию воздух выпускается для питания турбин, как правило, с использованием дополнительного природного газа . [48] Электростанции, которые в значительной степени используют CAES, работают в Макинтоше, Алабаме , Германии и Японии. [49] Недостатки системы включают некоторые потери энергии в процессе CAES; кроме того, необходимость дополнительного использования ископаемого топлива, такого как природный газ, означает, что эти системы не полностью используют возобновляемую энергию. [50]
Парк накопленной энергии в Айове , который, как ожидается, начнет коммерческую эксплуатацию в 2015 году, будет использовать ветряные электростанции в Айове в качестве источника энергии совместно с CAES. [51]
Также возможно сочетание солнечной и геотермальной энергии. [52]
Распространенным типом является фотоэлектрическая дизельная гибридная система, [53] [54] объединяющая фотоэлектрические (PV) и дизельные генераторы , или дизельные генераторные установки, поскольку PV практически не имеет предельных затрат и рассматривается в качестве приоритета в сети . Дизельные генераторные установки используются для постоянного заполнения разрыва между текущей нагрузкой и фактической вырабатываемой мощностью PV-системой. [55]
Поскольку солнечная энергия колеблется, а генерирующая мощность дизельных генераторных установок ограничена определенным диапазоном, часто целесообразным вариантом является включение аккумуляторной батареи для оптимизации вклада солнечной энергии в общую генерацию гибридной системы. [55] [56]
Лучшие бизнес-кейсы для сокращения потребления дизельного топлива с помощью солнечной и ветровой энергии обычно можно найти в отдаленных местах, поскольку эти объекты часто не подключены к сети, а транспортировка дизельного топлива на большие расстояния обходится дорого. [57] Многие из этих приложений можно найти в горнодобывающем секторе [58] и на островах [55] [59] [60]
В 2015 году исследование, проведенное в семи странах, пришло к выводу, что во всех случаях затраты на производство электроэнергии можно снизить путем гибридизации мини-сетей и изолированных сетей. Однако затраты на финансирование дизельных электросетей с солнечными фотоэлектрическими установками имеют решающее значение и в значительной степени зависят от структуры собственности электростанции. Хотя сокращение затрат для государственных коммунальных предприятий может быть значительным, исследование также выявило, что краткосрочные экономические выгоды незначительны или даже отрицательны для негосударственных коммунальных предприятий, таких как независимые производители электроэнергии , учитывая исторические затраты на момент проведения исследования. [61] [62]
Добавление энергии волн к энергии ветра и солнца может быть возможным. [63]
{{cite journal}}
: Цитировать журнал требует |journal=
( помощь )