Гибридная энергетика — это комбинация различных технологий для производства электроэнергии.
В энергетике термин «гибрид» описывает комбинированную систему хранения энергии и мощности. [1]
Примерами производителей электроэнергии, используемых в гибридной энергетике, являются фотогальваники , ветряные турбины и различные типы двигателей-генераторов , например дизель-генераторы. [2]
Гибридные электростанции часто содержат компонент возобновляемой энергии (например, фотоэлектрические), который балансируется с помощью второй формы генерации или хранения, такой как дизель-генератор, топливный элемент или аккумуляторная система хранения. Они также могут обеспечивать другие виды энергии, например, тепло, для некоторых приложений. [3] [4]
Гибридные системы, как следует из названия, объединяют два или более режима производства электроэнергии, обычно с использованием возобновляемых технологий, таких как солнечные фотоэлектрические (PV) и ветряные турбины. Гибридные системы обеспечивают высокий уровень энергетической безопасности за счет сочетания методов генерации и часто включают в себя систему хранения (батарея, топливный элемент ) или небольшой генератор, работающий на ископаемом топливе, чтобы обеспечить максимальную надежность и безопасность энергоснабжения. [5]
Гибридные системы возобновляемой энергетики становятся популярными в качестве автономных энергосистем для обеспечения электроэнергией отдаленных районов из-за достижений в области технологий возобновляемой энергетики и последующего роста цен на нефтепродукты . Гибридная энергетическая система или гибридная энергетика обычно состоит из двух или более возобновляемых источников энергии, используемых вместе для обеспечения повышенной эффективности системы, а также большего баланса энергоснабжения. [4]
Плавающая солнечная энергия обычно добавляется к существующей гидроэлектростанции, а не строится обе вместе.
Другим примером гибридной энергетической системы является фотоэлектрическая батарея в сочетании с ветряной турбиной . [6] Это позволит увеличить мощность ветровой турбины зимой, тогда как летом солнечные панели будут производить максимальную мощность. Гибридные энергетические системы часто приносят большую экономическую и экологическую отдачу, чем автономные ветровые, солнечные, геотермальные или тригенерационные системы сами по себе. [7]
Совместное использование ветро-солнечных систем во многих местах приводит к более плавной выработке электроэнергии, поскольку ресурсы антикоррелированы. Таким образом, совместное использование ветровых и солнечных систем имеет решающее значение для крупномасштабной интеграции энергосистемы. [8]
В 2019 году в западной Миннесоте была установлена гибридная система стоимостью 5 миллионов долларов. Он подает 500 кВт солнечной энергии через инвертор ветряной турбины мощностью 2 МВт, увеличивая коэффициент мощности и снижая затраты на 150 000 долларов в год. Контракты на покупку ограничивают местного дистрибьютора максимум 5% собственного производства. [9] [10]
Башня Жемчужной реки в Гуанчжоу , Китай, объединит солнечные панели на окнах и несколько ветряных турбин на разных этажах своей конструкции, что позволит этой башне быть энергетически положительной. [ нужна цитата ]
В некоторых частях Китая и Индии есть опоры освещения с комбинациями солнечных батарей и ветряных турбин наверху. Это позволяет более эффективно использовать пространство, уже использованное для освещения, с помощью двух взаимодополняющих блоков по производству энергии. В наиболее распространенных моделях используются ветряные турбины с горизонтальной осью, но теперь появляются модели с ветряными турбинами с вертикальной осью, использующими спиральную систему Савониуса спиральной формы . [ нужна цитата ]
Солнечные панели на уже существующих ветряных турбинах прошли испытания, но произвели ослепляющие лучи света, представляющие угрозу для самолетов . Решением стало производство тонированных солнечных панелей, которые не отражают столько света. Другая предложенная конструкция заключалась в том, чтобы иметь ветряную турбину с вертикальной осью , покрытую солнечными элементами, способными поглощать солнечный свет под любым углом. [11]
Другие солнечные гибриды включают солнечно-ветровые системы. Преимущество сочетания ветра и солнца заключается в том, что эти два источника дополняют друг друга, поскольку пиковое время работы каждой системы приходится на разное время дня и года. Выработка электроэнергии в такой гибридной системе более постоянна и колеблется меньше, чем в каждой из двух составных подсистем. [12]
Ветро-гидросистема вырабатывает электроэнергию, сочетая ветряные турбины и гидроаккумулирующие станции . Эта комбинация была предметом долгосрочных обсуждений, и экспериментальная установка, которая также испытывала ветряные турбины, была построена 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 внедрена ни в одном месте. [13]
Ветровые гидростанции направляют все или значительную часть своих ветроэнергетических ресурсов на перекачку воды в водохранилища. Эти резервуары представляют собой реализацию сетевого хранения энергии .
Ветер и его генерирующий потенциал по своей сути изменчивы. Однако, когда этот источник энергии используется для закачки воды в резервуары на высоте (принцип гидроаккумулирования), потенциальная энергия воды относительно стабильна и может использоваться для выработки электроэнергии, передавая ее в гидроэлектростанцию, когда это необходимо. . [14] Эта комбинация была описана как особенно подходящая для островов, которые не подключены к более крупным сетям. [13]
В 1980-х годах установка была предложена в Нидерландах. [ 15 ] Эйсселмер будет использоваться в качестве резервуара с ветряными турбинами, расположенными на его дамбе. [16] Были проведены технико-экономические обоснования для установок на острове Рамеа ( Ньюфаундленд и Лабрадор ) и в индейской резервации Лоуэр-Брюле ( Южная Дакота ). [17] [18]
Установка на острове Икария в Греции вступила в стадию строительства в 2010 году. [13]
Ожидается, что на острове Эль Йерро будет построена первая в мире ветряная гидроэлектростанция. [19] Настоящее телевидение назвало это «планом устойчивого будущего на планете Земля». Он был спроектирован для покрытия 80-100% мощности острова и должен был быть введен в эксплуатацию в 2012 году. [20] Однако эти ожидания не оправдались на практике, вероятно, из-за недостаточного объема водохранилища и постоянных проблем со стабильностью сети. [21]
100% возобновляемые энергетические системы требуют избыточной мощности ветровой или солнечной энергии. [22]
Хотя солнечные фотоэлектрические системы генерируют более дешевую прерывистую электроэнергию в дневное время, для обеспечения круглосуточного энергоснабжения требуется поддержка устойчивых источников выработки электроэнергии. Солнечные тепловые электростанции с накопителями тепла представляют собой экологически чистую и устойчивую электростанцию, обеспечивающую круглосуточную подачу электроэнергии. [23] [24] Они могут идеально удовлетворять потребность в нагрузке и работать в качестве электростанций с базовой нагрузкой, когда в течение дня обнаруживается избыток извлеченной солнечной энергии. [25] Правильное сочетание солнечной тепловой энергии (типа аккумулирования тепла) и солнечной фотоэлектрической энергии может полностью компенсировать колебания нагрузки без необходимости использования дорогостоящих аккумуляторов. [26] [27]
В дневное время дополнительное потребление электроэнергии на собственные нужды солнечной теплоаккумулирующей электростанции составляет около 10% от ее номинальной мощности на процесс извлечения солнечной энергии в виде тепловой энергии. [25] Эту дополнительную потребность в электроэнергии можно обеспечить за счет более дешевой солнечной фотоэлектрической установки, предусмотрев гибридную солнечную электростанцию с сочетанием солнечных тепловых и солнечных фотоэлектрических установок на объекте. Кроме того, для оптимизации затрат на электроэнергию в дневное время генерация может производиться с помощью более дешевой солнечной фотоэлектрической установки (генерация 33%), тогда как в остальное время дня - от солнечной теплоаккумулирующей установки (генерация 67% от солнечной электростанции). и параболические желоба ) для обеспечения 24-часовой базовой нагрузки. [28] Когда солнечная тепловая аккумулирующая установка вынуждена простаивать из-за нехватки солнечного света локально в пасмурные дни в сезон дождей, также возможно потреблять (аналогично менее эффективной, огромной емкости и низкой стоимости аккумуляторной системы хранения) дешевые излишки. / ненадежная энергия от солнечных фотоэлектрических, ветровых и гидроэлектростанций путем нагрева горячей расплавленной соли до более высокой температуры для преобразования накопленной тепловой энергии в электричество в часы пикового спроса, когда цена продажи электроэнергии является прибыльной. [29] [30]
Солнечные фотоэлектрические системы дают переменную мощность, которую можно буферизовать с помощью аккумуляторной батареи. Однако в течение дня, а также во многих местах в зависимости от сезона существуют большие колебания производства. Аккумулятор помогает согласовать мощность с нагрузкой. Гибридный солнечный инвертор дополнительно позволяет хранить дешевую электроэнергию, потребляемую по низким тарифам. [31]
Одним из методов хранения энергии ветра является производство водорода путем электролиза воды . Этот водород впоследствии используется для выработки электроэнергии в периоды, когда спрос не может быть удовлетворен только за счет ветра. Энергия хранимого водорода может быть преобразована в электроэнергию с помощью технологии топливных элементов или двигателя внутреннего сгорания , соединенного с электрическим генератором .
Успешное хранение водорода сопряжено с множеством проблем, которые необходимо решить, например, с охрупчиванием материалов, используемых в энергосистеме.
Эту технологию разрабатывают во многих странах. В 2007 году австралийская фирма Wind Hydrogen провела IPO с целью коммерциализации этой технологии как в Австралии, так и в Великобритании. [32] В 2008 году компания сменила название и переключила свою деятельность на разведку ископаемого топлива. [33]
В 2007 году полигоны для испытаний технологий включали:
Ветро-дизельная гибридная энергосистема сочетает в себе дизельные генераторы и ветряные турбины [43] , обычно вместе с вспомогательным оборудованием, таким как накопители энергии, преобразователи мощности и различные компоненты управления, для выработки электроэнергии. Они предназначены для увеличения мощности, снижения затрат и воздействия на окружающую среду производства электроэнергии в отдаленных населенных пунктах и на объектах, не связанных с энергосистемой . [43] Ветро-дизельные гибридные системы снижают зависимость от дизельного топлива, которое создает загрязнение окружающей среды и дорого обходится при транспортировке. [43]
Ветро-дизельные генерирующие системы находились в стадии разработки и испытывались в ряде мест во второй половине 20-го века. В отдаленных населенных пунктах разрабатывается все больше жизнеспособных сайтов с повышенной надежностью и минимальными затратами на техническую поддержку. [ нужна цитата ]
Успешная интеграция ветровой энергии с дизельными генераторными установками основана на сложном управлении, обеспечивающем правильное распределение прерывистой ветровой энергии и управляемой дизельной генерации для удовлетворения потребностей обычно переменной нагрузки. Обычным показателем производительности ветряных дизельных систем является проникновение ветра, которое представляет собой соотношение между мощностью ветра и общей подаваемой мощностью, например, 60% проникновения ветра означает, что 60% мощности системы поступает от ветра. Показатели проникновения ветра могут быть как пиковыми, так и долгосрочными. Такие места, как станция Моусон в Антарктиде, а также Коралловый залив и залив Бремер в Австралии, имеют пиковую интенсивность ветра около 90%. Технические решения для изменения мощности ветра включают управление мощностью ветра с помощью ветряных турбин с регулируемой скоростью (например, Enercon , Денхэм, Западная Австралия ), управление спросом, например, тепловой нагрузкой (например, Моусон), хранение энергии в маховике (например, Powercorp, Coral Bay). . Некоторые установки в настоящее время переводятся на ветровые водородные системы , например, на Рамеа в Канаде , строительство которого должно быть завершено в 2010 году.
Недавно [ когда? ] в Северной Канаде гибридные ветро-дизельные энергосистемы были построены горнодобывающей промышленностью. В отдаленных местах в Лак-де-Гра на Северо-Западных территориях Канады и в Катиннике на полуострове Унгава и в Нунавике на шахтах для экономии топлива используются две системы. В Аргентине другая система. [44]
Ветровая и солнечная энергия являются переменными возобновляемыми источниками энергии, которые не так стабильны, как энергия базовой нагрузки , и водородная электростанция комбинированного цикла могла бы помочь возобновляемым источникам энергии, улавливая избыточную энергию с помощью электролиза , когда они производят слишком много, и заполнять пробелы этой энергией, когда они производят не так много. [45]
На электростанциях, использующих накопление 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 подается в силовые турбины, обычно с использованием дополнительного природного газа . [46] Электростанции, которые активно используют CAES, работают в Макинтош, Алабама , Германия и Япония. [47] К недостаткам системы относятся некоторые потери энергии в процессе CAES; кроме того, необходимость дополнительного использования ископаемого топлива, такого как природный газ, означает, что эти системы не полностью используют возобновляемые источники энергии. [48]
Парк хранимой энергии Айовы , коммерческую эксплуатацию которого планируется начать в 2015 году, будет использовать ветряные электростанции в Айове в качестве источника энергии совместно с CAES. [49]
Также возможно сочетание солнечной и геотермальной энергии. [50]
Распространенным типом является фотоэлектрическая дизель-гибридная система, [51] [52] сочетающая фотоэлектрические (PV) и дизель-генераторы или дизель-генераторные установки, поскольку фотоэлектрические системы практически не имеют предельных затрат и рассматриваются в приоритетной сети . Дизельные генераторные установки используются для постоянного заполнения разрыва между текущей нагрузкой и фактической мощностью, вырабатываемой фотоэлектрической системой. [53]
Поскольку солнечная энергия колеблется, а генерирующая мощность дизельных генераторов ограничена определенным диапазоном, зачастую целесообразно включить аккумуляторную батарею , чтобы оптимизировать вклад солнечной энергии в общую выработку гибридной системы. [53] [54]
Наилучшие экономические обоснования 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. [55] Многие из этих применений можно найти в горнодобывающем секторе [56] и на островах [53] [57] [58]
В 2015 году тематическое исследование, проведенное в семи странах, пришло к выводу, что во всех случаях затраты на производство электроэнергии можно снизить за счет гибридизации мини-сетей и изолированных сетей. Однако затраты на финансирование дизельных электросетей с солнечными фотоэлектрическими установками имеют решающее значение и во многом зависят от структуры собственности электростанции. Хотя снижение затрат для государственных коммунальных предприятий может быть значительным, исследование также выявило, что краткосрочные экономические выгоды будут незначительными или даже отрицательными для негосударственных коммунальных предприятий, таких как независимые производители электроэнергии , учитывая исторические затраты на момент исследования. [59] [60]
Возможно добавление волновой энергии к ветру и солнечной энергии. [61]
{{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь )