Хранение энергии — это захват энергии, произведенной в один момент времени, для использования в более позднее время [1] для уменьшения дисбаланса между спросом на энергию и ее производством. Устройство, которое хранит энергию, обычно называется аккумулятором или батареей . Энергия существует в нескольких формах, включая излучение, химию , гравитационный потенциал , электрический потенциал , электричество, повышенную температуру, скрытую теплоту и кинетику . Хранение энергии включает преобразование энергии из форм, которые трудно хранить, в более удобные или экономичные формы.
Некоторые технологии обеспечивают краткосрочное хранение энергии, в то время как другие могут выдерживать гораздо более длительный срок. В настоящее время в массовом хранении энергии доминируют плотины гидроэлектростанций, как обычные, так и насосные. Сетевое хранение энергии представляет собой набор методов, используемых для хранения энергии в больших масштабах в пределах электросети.
Распространенными примерами хранения энергии являются перезаряжаемая батарея , которая хранит химическую энергию, легко преобразуемую в электричество для работы мобильного телефона; плотина гидроэлектростанции , которая хранит энергию в резервуаре в виде гравитационной потенциальной энергии ; и резервуары для хранения льда , которые хранят лед, замороженный более дешевой энергией ночью, чтобы удовлетворить пиковый дневной спрос на охлаждение. Ископаемые виды топлива, такие как уголь и бензин, хранят древнюю энергию, полученную от солнечного света организмами, которые позже умерли, были погребены и со временем были преобразованы в это топливо. Пища (которая производится тем же процессом, что и ископаемое топливо) является формой энергии, хранящейся в химической форме.
В электросети 20-го века электроэнергия в основном вырабатывалась путем сжигания ископаемого топлива. Когда требовалось меньше энергии, сжигалось меньше топлива. [2] Гидроэнергетика , механический метод хранения энергии, является наиболее широко распространенным механическим хранилищем энергии и используется уже на протяжении столетий. Крупные плотины гидроэлектростанций были местами хранения энергии более ста лет. [3] Опасения по поводу загрязнения воздуха, импорта энергии и глобального потепления породили рост возобновляемой энергии, такой как солнечная и ветровая энергия. [2] Ветровая энергия не контролируется и может генерироваться в то время, когда дополнительная энергия не требуется. Солнечная энергия меняется в зависимости от облачности и в лучшем случае доступна только в дневные часы, в то время как спрос часто достигает пика после захода солнца ( см. кривую утки ). Интерес к хранению энергии из этих непостоянных источников растет, поскольку отрасль возобновляемой энергии начинает генерировать большую долю общего потребления энергии. [4] В 2023 году BloombergNEF прогнозирует, что общее развертывание хранилищ энергии будет расти с годовым темпом роста в 27 процентов до 2030 года. [5]
Использование электроэнергии вне сети было нишевым рынком в 20 веке, но в 21 веке оно расширилось. Портативные устройства используются по всему миру. Солнечные панели теперь распространены в сельской местности по всему миру. Доступ к электричеству теперь является вопросом экономики и финансовой жизнеспособности, а не только технических аспектов. Электромобили постепенно заменяют транспортные средства с двигателями внутреннего сгорания. Однако обеспечение дальних перевозок без сжигания топлива остается в стадии разработки.
Следующий список включает в себя различные типы накопителей энергии:
Энергия может храниться в воде, закачиваемой на большую высоту с помощью методов насосного хранения или путем перемещения твердого вещества на более высокие места ( гравитационные батареи ). Другие коммерческие механические методы включают сжатие воздуха и маховики , которые преобразуют электрическую энергию во внутреннюю энергию или кинетическую энергию, а затем обратно, когда спрос на электроэнергию достигает пика.
Плотины гидроэлектростанций с водохранилищами могут эксплуатироваться для обеспечения электроэнергией в периоды пикового спроса. Вода хранится в водохранилище в периоды низкого спроса и выпускается, когда спрос высок. Чистый эффект аналогичен гидроаккумулированию, но без потерь при перекачке.
Хотя гидроэлектростанция не хранит энергию от других генерирующих установок напрямую, она ведет себя эквивалентно, снижая выработку в периоды избыточного электричества из других источников. В этом режиме плотины являются одной из самых эффективных форм хранения энергии, поскольку меняется только время ее генерации. Гидроэлектростанции имеют время запуска порядка нескольких минут. [6]
Во всем мире гидроаккумулирующие электростанции (ГЭС) являются самой мощной формой активного сетевого хранения энергии , и по данным на март 2012 года Институт исследований в области электроэнергетики (EPRI), на ГЭС приходится более 99% общей емкости мировых накопителей, что составляет около 127 000 МВт . [7] Эффективность использования энергии ГЭС на практике варьируется от 70% до 80% [7] [8] [9] [10] , при этом утверждается, что она достигает 87% [11] .
В периоды низкого спроса на электроэнергию избыточная генерирующая мощность используется для перекачки воды из нижнего источника в более высокий резервуар. Когда спрос растет, вода сбрасывается обратно в нижний резервуар (или водный путь или водоем) через турбину , вырабатывая электроэнергию. Реверсивные турбогенераторные агрегаты действуют как насос и турбина (обычно конструкция турбины Фрэнсиса ). Почти все сооружения используют разницу высот между двумя водоемами. Чистые гидроаккумулирующие электростанции перемещают воду между водохранилищами, в то время как подход «обратного насоса» представляет собой комбинацию гидроаккумулирующих и обычных гидроэлектростанций , которые используют естественный поток.
Хранилище энергии сжатого воздуха (CAES) использует избыточную энергию для сжатия воздуха для последующей выработки электроэнергии. [12] Малогабаритные системы уже давно используются в таких приложениях, как приведение в движение шахтных локомотивов. Сжатый воздух хранится в подземном резервуаре , например, в соляном куполе .
Установки хранения энергии на сжатом воздухе (CAES) могут преодолеть разрыв между волатильностью производства и нагрузкой. Хранилища CAES удовлетворяют энергетические потребности потребителей, эффективно предоставляя легкодоступную энергию для удовлетворения спроса. Возобновляемые источники энергии, такие как энергия ветра и солнца, различаются. Поэтому в моменты, когда они обеспечивают мало энергии, их необходимо дополнять другими формами энергии для удовлетворения спроса на энергию. Установки хранения энергии на сжатом воздухе могут принимать излишки энергии, вырабатываемой возобновляемыми источниками энергии в периоды перепроизводства энергии. Эту сохраненную энергию можно использовать позднее, когда спрос на электроэнергию увеличится или доступность энергетических ресурсов уменьшится. [13]
Сжатие воздуха создает тепло; воздух становится теплее после сжатия. Расширение требует тепла. Если не добавлять дополнительное тепло, воздух будет намного холоднее после расширения. Если тепло, выделяемое при сжатии, может быть сохранено и использовано при расширении, эффективность значительно повышается. [ 14] Система CAES может справляться с теплом тремя способами. Хранение воздуха может быть адиабатическим , диабатическим или изотермическим . Другой подход использует сжатый воздух для питания транспортных средств. [15] [16]
Накопитель энергии маховика (FES) работает путем ускорения ротора ( маховика ) до очень высокой скорости, удерживая энергию в виде энергии вращения . При добавлении энергии скорость вращения маховика увеличивается, а при извлечении энергии скорость уменьшается из-за сохранения энергии .
Большинство систем FES используют электричество для ускорения и замедления маховика, но рассматриваются устройства, которые напрямую используют механическую энергию. [17]
Системы FES имеют роторы, изготовленные из высокопрочных углеродных волокнистых композитов, подвешенные на магнитных подшипниках и вращающиеся со скоростью от 20 000 до более 50 000 оборотов в минуту (об/мин) в вакуумном корпусе. [18] Такие маховики могут достигать максимальной скорости («заряда») за считанные минуты. Система маховиков подключена к комбинированному электродвигателю / генератору .
Системы FES имеют относительно длительный срок службы (десятилетия с минимальным или нулевым обслуживанием; [18] срок службы полного цикла, указанный для маховиков, варьируется от более 10 5 до 10 7 циклов использования), [19] высокую удельную энергию (100–130 Вт·ч/кг или 360–500 кДж/кг) [19] [20] и плотность мощности .
Изменение высоты твердых масс может хранить или высвобождать энергию через подъемную систему, приводимую в действие электродвигателем/генератором. Исследования показывают, что энергия может начать высвобождаться уже с 1-секундным предупреждением, что делает метод полезным дополнительным источником питания в электросети для балансировки скачков нагрузки. [21]
Эффективность рекуперации накопленной энергии может достигать 85%. [22]
Это может быть достигнуто путем размещения масс внутри старых вертикальных шахтных стволов или в специально построенных башнях, где тяжелые грузы поднимаются лебедкой для хранения энергии и позволяют контролируемому спуску высвобождать ее. В 2020 году прототип вертикального хранилища строится в Эдинбурге, Шотландия [23]
Потенциальное хранение энергии или хранение гравитационной энергии активно разрабатывалось в 2013 году совместно с Калифорнийским независимым системным оператором . [24] [25] [26] В ходе исследования изучалось движение заполненных землей железнодорожных вагонов-хопперов, приводимых в движение электровозами, с более низких высот на более высокие. [27]
Другие предлагаемые методы включают:
Накопление тепловой энергии (ТЭ) — это временное хранение или отвод тепла.
Явное хранение тепла использует явное тепло в материале для хранения энергии. [32]
Сезонное хранение тепловой энергии (STES) позволяет использовать тепло или холод в течение нескольких месяцев после того, как они были собраны из отходов энергии или природных источников. Материал может храниться в замкнутых водоносных горизонтах, кластерах скважин в геологических субстратах, таких как песок или кристаллическая коренная порода, в облицованных ямах, заполненных гравием и водой, или в заполненных водой шахтах. [33] Проекты сезонного хранения тепловой энергии (STES) часто окупаются через четыре-шесть лет. [34] Примером является Drake Landing Solar Community в Канаде, для которого 97% круглогодичного тепла обеспечивается солнечно-тепловыми коллекторами на крышах гаражей, что обеспечивается скважинным хранилищем тепловой энергии (BTES). [35] [36] [37] В Бредструпе, Дания, система солнечного централизованного теплоснабжения сообщества также использует STES при температуре 65 °C (149 °F). Тепловой насос , который работает только при наличии излишков ветровой энергии. Он используется для повышения температуры до 80 °C (176 °F) для распределения. Когда энергия ветра недоступна, используется газовый котел. Двадцать процентов тепла в Бредструпе — это солнце. [38]
Системы хранения тепловой энергии с использованием скрытого тепла работают путем передачи тепла в материал или из него для изменения его фазы. Фазовый переход — это плавление, затвердевание, испарение или разжижение. Такой материал называется материалом с фазовым переходом (PCM). Материалы, используемые в LHTES, часто имеют высокую скрытую теплоту , так что при их определенной температуре фазовый переход поглощает большое количество энергии, намного больше, чем явное тепло. [39]
Паровой аккумулятор — это тип LHTES, где фазовый переход происходит между жидкостью и газом и используется скрытая теплота испарения воды. Системы кондиционирования воздуха с хранением льда используют электроэнергию вне пиковых нагрузок для хранения холода путем замораживания воды в лед. Сохраненный во льду холод высвобождается в процессе таяния и может использоваться для охлаждения в часы пик.
Воздух можно сжижать, охлаждая его электричеством, и хранить в качестве криогена с помощью существующих технологий. Затем жидкий воздух можно расширить с помощью турбины, а энергию извлечь в виде электричества. Система была продемонстрирована на пилотной установке в Великобритании в 2012 году. [40] В 2019 году Highview объявила о планах построить 50 МВт на севере Англии и севере Вермонта, при этом предлагаемое предприятие сможет хранить от пяти до восьми часов энергии, что обеспечит емкость хранилища 250–400 МВт·ч. [41]
Электроэнергия может храниться термически с помощью резистивного нагрева или тепловых насосов, а сохраненное тепло может быть преобразовано обратно в электричество с помощью цикла Ренкина или цикла Брайтона . [42] Эта технология была изучена для модернизации угольных электростанций в системы генерации без ископаемого топлива. [43] Угольные котлы заменяются высокотемпературными тепловыми накопителями, заряжаемыми избыточным электричеством из возобновляемых источников энергии. В 2020 году Немецкий аэрокосмический центр начал строительство первой в мире крупномасштабной системы батарей Карно, которая имеет емкость хранения 1000 МВт·ч. [44]
Аккумуляторная батарея состоит из одного или нескольких электрохимических элементов . Она известна как «вторичный элемент», поскольку ее электрохимические реакции электрически обратимы. Аккумуляторные батареи бывают разных форм и размеров, от таблеточных элементов до мегаваттных сетевых систем.
Перезаряжаемые батареи имеют более низкую общую стоимость использования и воздействие на окружающую среду, чем неперезаряжаемые (одноразовые) батареи. Некоторые типы перезаряжаемых батарей доступны в тех же форм-факторах, что и одноразовые. Перезаряжаемые батареи имеют более высокую начальную стоимость, но их можно перезаряжать очень дешево и использовать много раз.
Распространенные химические составы аккумуляторных батарей включают в себя:
Проточная батарея работает, пропуская раствор через мембрану, где происходит обмен ионами для зарядки или разрядки ячейки. Напряжение ячейки химически определяется уравнением Нернста и варьируется в практических применениях от 1,0 В до 2,2 В. Емкость хранения зависит от объема раствора. Проточная батарея технически похожа как на топливный элемент , так и на электрохимический аккумулятор . Коммерческое применение — для длительного хранения полупериода, например, для резервного питания сети.
Суперконденсаторы , также называемые электрическими двухслойными конденсаторами (EDLC) или ультраконденсаторами, представляют собой семейство электрохимических конденсаторов [48] , которые не имеют обычных твердых диэлектриков . Емкость определяется двумя принципами хранения, двухслойной емкостью и псевдоемкостью . [49] [50]
Суперконденсаторы заполняют пробел между обычными конденсаторами и перезаряжаемыми батареями . Они хранят больше всего энергии на единицу объема или массы ( плотность энергии ) среди конденсаторов. Они поддерживают до 10 000 фарад /1,2 Вольта, [51] что в 10 000 раз больше, чем электролитические конденсаторы , но отдают или принимают менее половины мощности за единицу времени ( плотность мощности ). [48]
Хотя суперконденсаторы имеют удельную энергию и плотность энергии, которые составляют примерно 10% от батарей, их плотность мощности, как правило, в 10-100 раз больше. Это приводит к гораздо более коротким циклам заряда/разряда. Кроме того, они выдерживают гораздо больше циклов заряда-разряда, чем батареи.
Суперконденсаторы имеют множество применений, в том числе:
Power-to-gas — это преобразование электроэнергии в газообразное топливо, такое как водород или метан . Три коммерческих метода используют электричество для восстановления воды до водорода и кислорода посредством электролиза .
В первом методе водород впрыскивается в сеть природного газа или используется для транспортировки. Второй метод заключается в объединении водорода с углекислым газом для получения метана с использованием реакции метанирования , такой как реакция Сабатье , или биологического метанирования, что приводит к дополнительным потерям преобразования энергии в размере 8%. Затем метан может быть подан в сеть природного газа. Третий метод использует выходной газ генератора древесного газа или биогазовой установки после смешивания биогазового улучшителя с водородом из электролизера для улучшения качества биогаза.
Элемент водород может быть формой запасенной энергии. Водород может производить электричество с помощью водородного топливного элемента .
При проникновении ниже 20% от спроса на сеть возобновляемые источники не сильно меняют экономику; но за пределами примерно 20% от общего спроса [52] внешнее хранение становится важным. Если эти источники используются для производства ионного водорода, их можно свободно расширять. Пятилетняя пилотная программа на уровне сообщества с использованием ветряных турбин и водородных генераторов началась в 2007 году в отдаленном сообществе Рамеа, Ньюфаундленд и Лабрадор . [53] Похожий проект начался в 2004 году на Утсире , небольшом норвежском острове.
Потери энергии, связанные с циклом хранения водорода, происходят из-за электролиза воды, сжижения или сжатия водорода и преобразования в электричество. [54]
Водород также может быть получен из алюминия и воды путем удаления естественного барьера из оксида алюминия и введения его в воду. Этот метод выгоден, поскольку переработанные алюминиевые банки могут быть использованы для получения водорода, однако системы для использования этого варианта не были разработаны в коммерческих целях и намного сложнее, чем системы электролиза. [55] Обычные методы удаления оксидного слоя включают едкие катализаторы, такие как гидроксид натрия и сплавы с галлием , ртутью и другими металлами. [56]
Подземное хранение водорода — это практика хранения водорода в пещерах , соляных куполах и истощенных нефтяных и газовых месторождениях. [57] [58] Большие объемы газообразного водорода хранились в пещерах компанией Imperial Chemical Industries в течение многих лет без каких-либо трудностей. [59] Европейский проект Hyunder в 2013 году показал, что для хранения ветровой и солнечной энергии с использованием подземного водорода потребуется 85 пещер. [60]
Powerpaste — это жидкий гель на основе магния и водорода , который выделяет водород при реакции с водой . Он был изобретен , запатентован и разрабатывается Институтом производственных технологий и современных материалов Фраунгофера ( IFAM ) Fraunhofer-Gesellschaft . Powerpaste изготавливается путем объединения порошка магния с водородом для образования гидрида магния в процессе, проводимом при температуре 350 °C и давлении в пять-шесть раз больше атмосферного . Затем добавляются эфир и соль металла для получения готового продукта. Fraunhofer заявляет, что они строят производственный завод, который должен начать производство в 2021 году, и который будет производить 4 тонны Powerpaste в год. [61] Fraunhofer запатентовал свое изобретение в Соединенных Штатах и ЕС . [62] Fraunhofer утверждает, что Powerpaste способен хранить энергию водорода с плотностью, в 10 раз превышающей плотность литиевой батареи аналогичного размера, и является безопасным и удобным для автомобильных ситуаций. [61]
Метан — простейший углеводород с молекулярной формулой CH4 . Метан легче хранить и транспортировать, чем водород. Инфраструктура хранения и сжигания (трубопроводы, газометры , электростанции) развита.
Синтетический природный газ ( синтез-газ или SNG) может быть создан в ходе многоэтапного процесса, начинающегося с водорода и кислорода. Затем водород реагирует с углекислым газом в процессе Сабатье , в результате чего получается метан и вода. Метан можно хранить и позже использовать для производства электроэнергии. Полученная вода перерабатывается, что снижает потребность в воде. На этапе электролиза кислород хранится для сжигания метана в чистой кислородной среде на соседней электростанции, устраняя оксиды азота .
Сгорание метана производит углекислый газ (CO2 ) и воду. Углекислый газ может быть переработан для ускорения процесса Сабатье, а вода может быть переработана для дальнейшего электролиза. Производство, хранение и сжигание метана перерабатывает продукты реакции.
CO2 имеет экономическую ценность как компонент вектора хранения энергии, а не как стоимость, как при улавливании и хранении углерода .
Power-to-Liquid похож на power-to-gas, за исключением того, что водород преобразуется в жидкости, такие как метанол или аммиак . С ними легче обращаться, чем с газами, и они требуют меньше мер безопасности, чем водород. Их можно использовать для транспорта , включая самолеты , а также в промышленных целях или в энергетическом секторе. [63]
Различные виды биотоплива, такие как биодизель , растительное масло , спиртовое топливо или биомасса , могут заменить ископаемое топливо . Различные химические процессы могут преобразовывать углерод и водород в угле, природном газе, растительной и животной биомассе и органических отходах в короткие углеводороды, подходящие в качестве замены существующему углеводородному топливу. Примерами являются дизельное топливо Фишера-Тропша , метанол , диметиловый эфир и синтез-газ . Этот источник дизельного топлива широко использовался во время Второй мировой войны в Германии, которая столкнулась с ограниченным доступом к поставкам сырой нефти. Южная Африка производит большую часть дизельного топлива страны из угля по аналогичным причинам. [64] Долгосрочная цена на нефть выше 35 долларов США за баррель может сделать такое крупномасштабное синтетическое жидкое топливо экономичным.
Алюминий был предложен рядом исследователей в качестве накопителя энергии. Его электрохимический эквивалент (8,04 Ач/см3) почти в четыре раза больше, чем у лития (2,06 Ач/см3). [65] Энергию можно извлечь из алюминия, вступая в реакцию с водой для получения водорода . [66] Однако сначала его необходимо очистить от естественного оксидного слоя, что требует измельчения, [67] химических реакций с едкими веществами или сплавами. [56] Побочным продуктом реакции для получения водорода является оксид алюминия , который может быть переработан в алюминий с помощью процесса Холла-Эру , что делает реакцию теоретически возобновляемой. [56] Если процесс Холла-Эру будет работать с использованием солнечной или ветровой энергии, алюминий можно будет использовать для хранения произведенной энергии с более высокой эффективностью, чем прямой солнечный электролиз. [68]
В качестве решений для хранения энергии были предложены бор [69] , кремний [70] и цинк [71] .
Органическое соединение норборнадиен превращается в квадрициклан под воздействием света, сохраняя солнечную энергию в виде энергии химических связей. В Швеции была разработана рабочая система в виде молекулярной солнечной тепловой системы. [72]
Конденсатор (первоначально известный как «конденсатор») — это пассивный двухполюсный электрический компонент , используемый для электростатического хранения энергии . Практические конденсаторы сильно различаются, но все они содержат по крайней мере два электрических проводника (пластины), разделенных диэлектриком ( т. е. изолятором ). Конденсатор может хранить электрическую энергию, когда он отключен от своей зарядной цепи, поэтому его можно использовать как временную батарею или как другие типы перезаряжаемых систем хранения энергии . [73] Конденсаторы обычно используются в электронных устройствах для поддержания электропитания во время замены батарей. (Это предотвращает потерю информации в энергозависимой памяти.) Обычные конденсаторы обеспечивают менее 360 джоулей на килограмм, в то время как обычная щелочная батарея имеет плотность 590 кДж/кг.
Конденсаторы хранят энергию в электростатическом поле между своими пластинами. При наличии разности потенциалов на проводниках (например, когда конденсатор присоединен к батарее), электрическое поле развивается на диэлектрике, заставляя положительный заряд (+Q) собираться на одной пластине и отрицательный заряд (-Q) собираться на другой пластине. Если батарея присоединена к конденсатору в течение достаточного количества времени, ток не может течь через конденсатор. Однако, если ускоряющее или переменное напряжение подается на выводы конденсатора, может течь ток смещения . Помимо пластин конденсатора, заряд также может храниться в диэлектрическом слое. [74]
Емкость больше при меньшем расстоянии между проводниками и когда проводники имеют большую площадь поверхности. На практике диэлектрик между пластинами испускает небольшое количество тока утечки и имеет предельную напряженность электрического поля, известную как напряжение пробоя . Однако эффект восстановления диэлектрика после высоковольтного пробоя является многообещающим для нового поколения самовосстанавливающихся конденсаторов. [75] [76] Проводники и выводы вносят нежелательную индуктивность и сопротивление .
Исследования направлены на оценку квантовых эффектов наномасштабных конденсаторов [77] для цифровых квантовых батарей. [78] [79]
Системы сверхпроводящего магнитного хранения энергии (SMES) хранят энергию в магнитном поле , созданном потоком постоянного тока в сверхпроводящей катушке, которая была охлаждена до температуры ниже ее сверхпроводящей критической температуры . Типичная система SMES включает сверхпроводящую катушку , систему кондиционирования питания и холодильник. После того, как сверхпроводящая катушка заряжена, ток не затухает, и магнитная энергия может храниться бесконечно. [80]
Сохраненная энергия может быть выброшена в сеть путем разрядки катушки. Связанный инвертор/выпрямитель отвечает за потерю энергии около 2–3% в каждом направлении. SMES теряет наименьшее количество электроэнергии в процессе хранения энергии по сравнению с другими методами хранения энергии. Системы SMES предлагают эффективность кругового цикла более 95%. [81]
Из-за энергетических потребностей охлаждения и стоимости сверхпроводящего провода , SMES используется для кратковременного хранения, например, для улучшения качества электроэнергии . Он также имеет применение в балансировке сети. [80]
Классическим применением до промышленной революции было управление водными путями для приведения в действие водяных мельниц для обработки зерна или питания машин. Сложные системы водохранилищ и плотин были построены для хранения и выпуска воды (и потенциальной энергии, которую она содержала) по мере необходимости. [82]
Ожидается, что домашнее хранение энергии станет все более распространенным, учитывая растущую важность распределенной генерации возобновляемых источников энергии (особенно фотоэлектрических) и важную долю потребления энергии в зданиях. [83] Чтобы превысить самодостаточность в 40% в домохозяйстве, оборудованном фотоэлектрическими устройствами, необходимо хранение энергии. [83] Несколько производителей выпускают системы аккумуляторных батарей для хранения энергии, как правило, для хранения излишков энергии от домашней солнечной или ветровой генерации. Сегодня для домашнего хранения энергии литий-ионные батареи предпочтительнее свинцово-кислотных, учитывая их схожую стоимость, но гораздо лучшую производительность. [84]
Tesla Motors выпускает две модели Tesla Powerwall . Одна из них — версия с недельным циклом на 10 кВт·ч для резервного питания, а другая — версия с дневным циклом на 7 кВт·ч. [85] В 2016 году ограниченная версия Tesla Powerpack 2 стоила 398 долларов США/кВт·ч для хранения электроэнергии стоимостью 12,5 центов/кВт·ч (средняя цена в сети США), что делает положительную окупаемость инвестиций сомнительной, если цены на электроэнергию не превышают 30 центов/кВт·ч. [86]
RoseWater Energy выпускает две модели «Energy & Storage System»: HUB 120 [87] и SB20. [88] Обе версии обеспечивают выходную мощность 28,8 кВт/ч, что позволяет использовать их для больших домов или небольших коммерческих помещений, а также защищать индивидуальные установки. Система обеспечивает пять ключевых элементов в одной системе, включая обеспечение чистой синусоиды 60 Гц, нулевое время переключения, промышленную защиту от перенапряжения, обратную продажу возобновляемой энергии из сети (опционально) и резервное питание от аккумулятора. [89] [90]
Enphase Energy анонсировала интегрированную систему, которая позволяет домашним пользователям хранить, контролировать и управлять электроэнергией. Система хранит 1,2 кВтч энергии и имеет выходную мощность 275 Вт/500 Вт. [91]
Хранение энергии ветра или солнца с помощью термического накопителя энергии, хотя и менее гибкое, значительно дешевле, чем батареи. Простой 52-галлонный электрический водонагреватель может хранить около 12 кВт·ч энергии для дополнения горячей воды или отопления помещений. [92]
В чисто финансовых целях в районах, где доступен чистый учет , вырабатываемая в доме электроэнергия может продаваться в сеть через сетевой инвертор без использования аккумуляторных батарей для хранения.
.jpg/1280px-Abengoa_Solar_(7336087392).jpg)
Самый большой источник и самое большое хранилище возобновляемой энергии обеспечивают плотины гидроэлектростанций. Большое водохранилище за плотиной может хранить достаточно воды, чтобы усреднить годовой сток реки между сухими и влажными сезонами, а очень большое водохранилище может хранить достаточно воды, чтобы усреднить сток реки между сухими и влажными годами. Хотя плотина гидроэлектростанции напрямую не хранит энергию из непостоянных источников, она балансирует сеть, снижая ее выработку и сохраняя воду, когда энергия вырабатывается солнцем или ветром. Если ветровая или солнечная генерация превышает гидроэнергетическую мощность региона, то необходим какой-то дополнительный источник энергии.
Многие возобновляемые источники энергии (особенно солнечная и ветровая) производят переменную мощность . [97] Системы хранения могут сглаживать дисбаланс между спросом и предложением, который это вызывает. Электричество должно использоваться по мере его генерации или немедленно преобразовываться в формы, пригодные для хранения. [98]
Основным методом хранения электроэнергии в электросетях является гидроаккумулирующая электроэнергия . Такие регионы мира, как Норвегия, Уэльс, Япония и США, использовали возвышенные географические особенности для водохранилищ , используя для их заполнения насосы с электроприводом. При необходимости вода проходит через генераторы и преобразует гравитационный потенциал падающей воды в электричество. [97] Гидроаккумулирующая электроэнергия в Норвегии, которая получает почти всю свою электроэнергию от гидроэлектростанций, в настоящее время имеет мощность 1,4 ГВт, но поскольку общая установленная мощность составляет почти 32 ГВт, и 75% из них регулируемые, ее можно значительно расширить. [99]
Некоторые формы хранения, которые производят электроэнергию, включают гидроаккумулирующие плотины , аккумуляторные батареи , тепловые накопители , включая расплавленные соли , которые могут эффективно хранить и высвобождать очень большие количества тепловой энергии, [100] и накопители энергии на сжатом воздухе , маховики , криогенные системы и сверхпроводящие магнитные катушки .
Избыточная энергия также может быть преобразована в метан ( процесс Сабатье ) с хранением в сети природного газа. [101] [102]
В 2011 году Управление энергетики Бонневиля на северо-западе США создало экспериментальную программу по поглощению избыточной энергии ветра и гидроэнергии, вырабатываемой ночью или во время штормовых периодов, которые сопровождаются сильным ветром. Под центральным управлением бытовые приборы поглощают избыточную энергию, нагревая керамические кирпичи в специальных обогревателях до сотен градусов и повышая температуру модифицированных баков водонагревателей . После зарядки приборы обеспечивают отопление дома и горячую воду по мере необходимости. Экспериментальная система была создана в результате сильного шторма 2010 года, который перепроизводил возобновляемую энергию до такой степени, что все обычные источники энергии были закрыты или, в случае атомной электростанции, снижены до минимально возможного рабочего уровня, в результате чего большая территория работала почти полностью на возобновляемой энергии. [103] [104]
Другой передовой метод, используемый в бывшем проекте Solar Two в Соединенных Штатах и Solar Tres Power Tower в Испании, использует расплавленную соль для хранения тепловой энергии, полученной от солнца, а затем преобразует ее и отправляет в виде электроэнергии. Система прокачивает расплавленную соль через башню или другие специальные трубопроводы для нагревания солнцем. Изолированные резервуары хранят раствор. Электричество вырабатывается путем превращения воды в пар, который подается в турбины .
С начала 21-го века батареи стали применяться для выравнивания нагрузки и регулирования частоты в коммунальных сетях . [97]
При хранении электроэнергии по принципу «транспорт-сеть» электромобили, подключенные к энергосети, могут при необходимости передавать накопленную электроэнергию из своих аккумуляторов в сеть.
Тепловое хранение энергии (TES) может использоваться для кондиционирования воздуха . [105] Наиболее широко оно используется для охлаждения отдельных больших зданий и/или групп небольших зданий. Коммерческие системы кондиционирования воздуха вносят наибольший вклад в пиковые электрические нагрузки. В 2009 году тепловое хранение использовалось в более чем 3300 зданиях в более чем 35 странах. Оно работает, охлаждая материал ночью и используя охлажденный материал для охлаждения в более жаркие дневные периоды. [100]
Наиболее популярной технологией является хранение льда , которое занимает меньше места, чем вода, и дешевле, чем топливные элементы или маховики. В этом применении стандартный охладитель работает ночью, чтобы производить кучу льда. Вода циркулирует через кучу в течение дня, чтобы охлаждать воду, которая обычно была бы дневным выходом охладителя.
Система частичного хранения минимизирует капитальные вложения, работая охладителями почти 24 часа в сутки. Ночью они производят лед для хранения, а днем охлаждают воду. Вода, циркулирующая через тающий лед, увеличивает производство охлажденной воды. Такая система производит лед в течение 16–18 часов в сутки и плавит лед в течение шести часов в сутки. Капитальные затраты сокращаются, поскольку охладители могут быть всего на 40–50 % меньше размера, необходимого для обычной конструкции без хранения. Обычно достаточно хранилища, достаточного для хранения полудневного доступного тепла.
Система полного хранения отключает охладители в часы пиковой нагрузки. Капитальные затраты выше, так как такая система требует более крупных охладителей и более крупной системы хранения льда.
Этот лед образуется, когда тарифы на электроэнергию ниже. [106] Системы охлаждения в часы пониженной нагрузки могут снизить расходы на электроэнергию. Совет по экологическому строительству США разработал программу «Лидерство в энергетическом и экологическом проектировании » (LEED) для поощрения проектирования зданий с уменьшенным воздействием на окружающую среду. Охлаждение в часы пониженной нагрузки может помочь в получении сертификации LEED. [107]
Тепловое хранение для отопления менее распространено, чем для охлаждения. Примером теплового хранения является хранение солнечного тепла для использования в ночное время для отопления.
Скрытое тепло также может храниться в технических материалах с изменяемой фазой (PCM). Их можно инкапсулировать в стеновые и потолочные панели, чтобы сдерживать температуру в помещении.
Жидкие углеводородные топлива являются наиболее часто используемыми формами хранения энергии для использования в транспорте , за которыми следует растущее использование аккумуляторных электромобилей и гибридных электромобилей . Другие энергоносители, такие как водород, могут использоваться для предотвращения образования парниковых газов.
Системы общественного транспорта, такие как трамваи и троллейбусы, требуют электричества, но из-за их изменчивости в движении, стабильная подача электроэнергии через возобновляемые источники энергии является сложной задачей. Фотоэлектрические системы, установленные на крышах зданий, могут использоваться для питания систем общественного транспорта в периоды, когда существует повышенный спрос на электричество и доступ к другим формам энергии нелегко получить. [108] Предстоящие переходы в транспортной системе также включают, например, паромы и самолеты, где электроснабжение исследуется как интересная альтернатива. [109]
Конденсаторы широко используются в электронных схемах для блокировки постоянного тока , позволяя проходить переменному току . В сетях аналоговых фильтров они сглаживают выход источников питания . В резонансных схемах они настраивают радиоприемники на определенные частоты . В системах передачи электроэнергии они стабилизируют напряжение и поток мощности. [110]
Международная база данных по хранению энергии Министерства энергетики США (IESDB) — это база данных с открытым доступом по проектам и политике хранения энергии, финансируемая Управлением по электричеству Министерства энергетики США и Национальными лабораториями Сандия . [111]
Емкость накопителя — это количество энергии, извлекаемой из устройства или системы хранения энергии; обычно измеряется в джоулях или киловатт-часах и их кратных, может быть указана в количестве часов производства электроэнергии при паспортной мощности электростанции ; когда накопитель является накопителем первичного типа (т. е. тепловым или водяным), выход обеспечивается только встроенной в электростанцию системой хранения. [112] [113]
Экономика хранения энергии строго зависит от запрашиваемой резервной услуги, и несколько факторов неопределенности влияют на рентабельность хранения энергии. Поэтому не каждый метод хранения технически и экономически подходит для хранения нескольких МВтч, а оптимальный размер хранилища энергии зависит от рынка и местоположения. [114]
Более того, ESS подвержены ряду рисков, например: [115]
Таким образом, традиционные методы, основанные на детерминированном дисконтированном денежном потоке (DCF) для оценки инвестиций, не полностью адекватны для оценки этих рисков и неопределенностей, а также гибкости инвестора в их решении. Поэтому в литературе рекомендуется оценивать стоимость рисков и неопределенностей с помощью анализа реальных опционов (ROA), который является ценным методом в неопределенных контекстах. [115]
Экономическая оценка крупномасштабных приложений (включая гидроаккумулирующие установки и сжатый воздух) учитывает такие преимущества, как: предотвращение сокращений , предотвращение перегрузки сети, ценовой арбитраж и поставка энергии без выбросов углерода. [100] [116] [117] В одной технической оценке Центра электроэнергетической промышленности Карнеги-Меллона экономические цели могут быть достигнуты с использованием батарей, если их капитальные затраты составят от 30 до 50 долларов за киловатт-час. [100]
Метрикой энергоэффективности хранения является накопление энергии на инвестированную энергию (ESOI), которое представляет собой количество энергии, которое может быть сохранено технологией, деленное на количество энергии, требуемое для создания этой технологии. Чем выше ESOI, тем лучше технология хранения с точки зрения энергетики. Для литий-ионных аккумуляторов это около 10, а для свинцово-кислотных аккумуляторов это около 2. Другие формы хранения, такие как гидроаккумулирующие электростанции, как правило, имеют более высокий ESOI, например 210. [118]
Гидроаккумулирующая электроэнергия на сегодняшний день является крупнейшей технологией хранения, используемой в мире. [119] Однако использование обычного гидроаккумулирующего хранилища ограничено, поскольку для него требуется рельеф с перепадами высот, а также очень большое использование земли для относительно небольшой мощности . [120] В местах без подходящей естественной географии также можно использовать подземное гидроаккумулирующее хранилище. [121] Высокая стоимость и ограниченный срок службы по-прежнему делают батареи «слабой заменой» управляемым источникам питания и неспособны покрыть переменные перерывы в возобновляемой энергии, длящиеся в течение дней, недель или месяцев. В моделях сетей с высокой долей VRE чрезмерная стоимость хранения имеет тенденцию доминировать над затратами всей сети — например, только в Калифорнии 80% доли VRE потребовали бы 9,6 ТВт·ч хранения, но 100% потребовали бы 36,3 ТВт·ч. По состоянию на 2018 год в штате было всего 150 ГВт·ч хранения, в основном в гидроаккумулирующих хранилищах и небольшая часть в батареях. Согласно другому исследованию, для удовлетворения 80% спроса США за счет VRE потребуется интеллектуальная сеть, охватывающая всю страну, или аккумуляторная батарея, способная обеспечивать всю систему в течение 12 часов, стоимость обоих вариантов оценивается в 2,5 триллиона долларов. [122] [123] Аналогичным образом, несколько исследований показали, что опора только на VRE и хранение энергии обойдется примерно на 30–50% дороже, чем сопоставимая система, которая сочетает VRE с атомными электростанциями или станциями с улавливанием и хранением углерода вместо хранения энергии. [124] [125]
По словам представителя Немецкой ассоциации по хранению энергии, в 2013 году правительство Германии выделило 200 млн евро (примерно 270 млн долларов США) на исследования и еще 50 млн евро на субсидирование хранения аккумуляторных батарей в солнечных панелях на крышах жилых домов. [126]
Siemens AG заказала производственно-исследовательский завод для открытия в 2015 году в Zentrum für Sonnenenergie und Wasserstoff (ZSW, Немецкий центр исследований солнечной энергии и водорода в земле Баден-Вюртемберг ), университетско-промышленное сотрудничество в Штутгарте, Ульме и Виддершталле, в котором работают около 350 ученых, исследователей, инженеров и техников. Завод разрабатывает новые материалы и процессы для близкого к производству производства (NPMM&P) с использованием компьютеризированной системы диспетчерского управления и сбора данных (SCADA). Он направлен на расширение производства аккумуляторных батарей с повышением качества и снижением затрат. [127] [128]
В 2014 году открылись исследовательские и испытательные центры для оценки технологий хранения энергии. Среди них была Лаборатория испытаний передовых систем в Университете Висконсина в Мэдисоне в штате Висконсин , которая сотрудничала с производителем аккумуляторов Johnson Controls . [129] Лаборатория была создана как часть недавно открытого Висконсинского энергетического института университета . Их цели включают оценку современных и следующего поколения аккумуляторов для электромобилей , включая их использование в качестве сетевых дополнений. [129]
Штат Нью-Йорк открыл свой испытательный и коммерческий центр New York Battery and Energy Storage Technology (NY-BEST) в Eastman Business Park в Рочестере, штат Нью-Йорк , стоимостью 23 миллиона долларов за его почти 1700 м2 лабораторию . Центр включает в себя Центр будущих энергетических систем, сотрудничество между Корнельским университетом Итаки , штат Нью-Йорк , и Политехническим институтом Ренсселера в Трое, штат Нью-Йорк . NY-BEST тестирует, проверяет и независимо сертифицирует различные формы хранения энергии, предназначенные для коммерческого использования. [130]
27 сентября 2017 года сенаторы Эл Франкен из Миннесоты и Мартин Хайнрих из Нью-Мексико представили Закон о развитии сетевого хранения энергии (AGSA), который предусматривает выделение более 1 миллиарда долларов на исследования, техническую помощь и гранты для поощрения накопления энергии в Соединенных Штатах. [131]
В моделях сетей с высокой долей VRE чрезмерная стоимость хранения имеет тенденцию доминировать над расходами всей сети — например, в одной только Калифорнии 80% доли VRE потребовали бы 9,6 ТВт·ч хранения, а 100% потребовали бы 36,3 ТВт·ч. Согласно другому исследованию, для обеспечения 80% спроса США за счет VRE потребовалась бы интеллектуальная сеть, охватывающая всю страну, или аккумуляторное хранилище, способное обеспечивать всю систему в течение 12 часов, и то и другое по стоимости оценивается в 2,5 триллиона долларов. [122] [123]
В Соединенном Королевстве около 14 промышленных и правительственных учреждений объединились с семью британскими университетами в мае 2014 года для создания SUPERGEN Energy Storage Hub с целью содействия координации исследований и разработок в области технологий хранения энергии. [132] [133]
Простые водяные колеса использовались на Балканах Европы в 100 г. до н. э. для питания мукомольных мельниц. За тысячу лет до этого в Египте и Месопотамии были построены сложные ирригационные системы, и весьма вероятно, что эти системы содержали простые водяные колеса. Водяные колеса, приводимые в действие протекающим под ними потоком, были распространены в Римской империи в третьем и четвертом веках н. э. После падения Западной Римской империи водные технологии продвинулись дальше на Ближнем Востоке, чем в Европе, но водяные колеса обычно использовались для использования воды в качестве источника энергии в Европе в Средние века. В Книге Страшного суда 1086 г. н. э. перечислено 5624 водяных мельницы в южной половине Англии. Конструкции более эффективных водяных колес были привезены в Европу с Ближнего Востока крестоносцами и использовались для измельчения зерна и для питания печных мехов.
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )Журналы и статьи
Книги
