Сетевое хранилище энергии (также называемое крупномасштабным хранилищем энергии ) — это набор методов, используемых для хранения энергии в больших масштабах в пределах электрической сети . Электрическая энергия сохраняется в периоды, когда электроэнергии много и она недорогая (особенно из источников прерывистой энергии , таких как возобновляемая электроэнергия от энергии ветра , приливной энергии и солнечной энергии ) или когда спрос низкий, а затем возвращается в сеть, когда спрос высок, и цены на электроэнергию, как правило, выше.
По состоянию на 2020 год [обновлять]крупнейшей формой сетевого хранения энергии является гидроэлектростанция с плотинами , причем как традиционная гидроэлектростанция, так и гидроаккумулирующая электроэнергия . [1] [2]
Разработки в области аккумуляторных батарей позволили коммерчески жизнеспособным проектам хранить энергию во время пикового производства и высвобождать во время пикового спроса, а также использовать ее, когда производство неожиданно падает, давая время для подключения к сети более медленно реагирующих ресурсов. Зеленый водород , который вырабатывается в результате электролиза воды с помощью электроэнергии, вырабатываемой возобновляемыми источниками энергии или источниками с относительно низким уровнем выбросов углерода, является более экономичным средством долгосрочного хранения возобновляемой энергии с точки зрения капитальных затрат , чем гидроаккумулирующие электростанции или батареи. [3] [4]
Двумя альтернативами сетевому хранению энергии являются использование пиковых электростанций для заполнения дефицита поставок и реагирование на спрос для переноса нагрузки на другое время.
Любая электроэнергетическая сеть должна сопоставлять производство электроэнергии с потреблением, причем оба показателя сильно меняются с течением времени. Любая комбинация накопления энергии и реагирования на спрос имеет следующие преимущества:
Энергия, получаемая от солнечных, приливных и ветровых источников, по своей природе варьируется во временных масштабах от минут до недель или дольше – количество производимой электроэнергии варьируется в зависимости от времени суток, фазы луны, сезона и случайных факторов, таких как погода. Таким образом, возобновляемые источники энергии при отсутствии хранения создают особые проблемы для электроэнергетических компаний. Хотя подключение множества отдельных источников ветра может уменьшить общую изменчивость, солнечная энергия гарантированно недоступна ночью, а сила приливов меняется вместе с Луной, поэтому слабые приливы случаются четыре раза в день.
Насколько это влияет на ту или иную полезность, существенно различается. Во время летнего пика полезности, как правило, можно поглощать больше солнечной энергии и согласовывать ее с потребностями. В зимние периоды пиковой нагрузки ветер в меньшей степени коррелирует с потребностью в отоплении и может использоваться для удовлетворения этой потребности. В зависимости от этих факторов, помимо примерно 20–40% общего объема производства, подключенные к сети прерывистые источники энергии , такие как солнечная энергия и энергия ветра , как правило, требуют инвестиций в межсетевые соединения, хранение энергии в сети или управление спросом.
В электрической сети без накопителей энергии генерация, основанная на энергии, хранящейся в топливе (угле, биомассе, природном газе, атомной энергии), должна масштабироваться вверх и вниз, чтобы соответствовать росту и падению производства электроэнергии из непостоянных источников (см . ). В то время как гидроэлектростанции и газовые электростанции можно быстро увеличить или уменьшить, чтобы они следовали за ветром, угольным и атомным электростанциям требуется значительное время, чтобы отреагировать на нагрузку. Таким образом, коммунальные предприятия с меньшим объемом выработки природного газа или гидроэлектроэнергии в большей степени зависят от управления спросом, межсетевых соединений или дорогостоящего гидроаккумулирования.
Французская консалтинговая фирма Yole Développement оценивает, что к 2023 году рынок «стационарных хранилищ» может составить 13,5 миллиардов долларов по сравнению с менее чем 1 миллиардом долларов в 2015 году. [5]
Сторона спроса также может накапливать электроэнергию из сети, например, заряжая аккумулятор, электромобиль сохраняет энергию для транспортного средства, а накопительные обогреватели , накопители централизованного теплоснабжения или хранилища льда обеспечивают накопление тепла для зданий. [6] В настоящее время это хранилище служит только для смещения потребления в непиковое время суток, электроэнергия не возвращается в сеть.
Потребность в сетевых накопителях для обеспечения пиковой мощности снижается за счет установления цен на время использования со стороны спроса , что является одним из преимуществ интеллектуальных счетчиков . На уровне домохозяйств потребители могут выбрать менее дорогое время в непиковое время для стирки и сушки одежды, использования посудомоечных машин, принятия душа и приготовления пищи. Кроме того, коммерческие и промышленные пользователи смогут воспользоваться преимуществами экономии средств, отложив некоторые процессы на непиковое время.
Региональные воздействия непредсказуемой работы ветроэнергетики создали новую потребность в интерактивном реагировании на спрос , когда коммунальное предприятие взаимодействует со спросом. Раньше это делалось только в сотрудничестве с крупными промышленными потребителями, но теперь это можно распространить на целые сети. [7] Например, несколько крупномасштабных проектов в Европе связывают изменения в энергии ветра с изменением нагрузки на промышленные морозильники для пищевых продуктов, вызывая небольшие колебания температуры. Если информация будет передана в масштабе всей сети, небольшие изменения температур отопления/охлаждения мгновенно изменят потребление по всей сети.
В отчете, опубликованном в декабре 2013 года Министерством энергетики США, далее описываются потенциальные преимущества технологий хранения энергии и спроса на электрическую сеть: «Модернизация электросистемы поможет стране решить проблему удовлетворения прогнозируемых потребностей в энергии, включая решение Изменения климата за счет интеграции большего количества энергии из возобновляемых источников и повышения эффективности процессов, связанных с невозобновляемыми источниками энергии. Возможности сети, снижение затрат и обеспечение высокой надежности, а также отсрочка и сокращение инвестиций в инфраструктуру. Наконец, накопление энергии может сыграть важную роль в обеспечении готовности к чрезвычайным ситуациям из-за его способности обеспечивать резервное питание, а также услуги по стабилизации сети». [8] Отчет был написан основной группой разработчиков, представляющей Управление электроснабжения и энергетической надежности , ARPA-E , Управление науки , Управление энергоэффективности и возобновляемых источников энергии , Национальные лаборатории Сандии и Тихоокеанскую северо-западную национальную лабораторию ; все они занимаются разработкой сетевых систем хранения энергии. [8]
Активы по хранению энергии являются ценным активом для электросетей . [9] Они могут предоставлять такие преимущества и услуги, как управление нагрузкой , качество электроэнергии и бесперебойное электропитание , чтобы повысить эффективность и безопасность энергоснабжения. Это становится все более важным в связи с энергетическим переходом и потребностью в более эффективной и устойчивой энергетической системе.
Многочисленные технологии хранения энергии ( гидроаккумулирующие электростанции , электрические батареи , проточные батареи , маховики для хранения энергии , суперконденсаторы и т. д.) подходят для применения в масштабах сети, однако их характеристики различаются. Например, насосная гидростанция хорошо подходит для управления объемными нагрузками из-за ее большой мощности и энергетических возможностей. Однако подходящие места ограничены, и их полезность снижается при решении локальных проблем с качеством электроэнергии . С другой стороны, маховики и конденсаторы наиболее эффективны для поддержания качества электроэнергии , но им не хватает емкости для хранения энергии, чтобы их можно было использовать в более крупных приложениях. Эти ограничения являются естественным ограничением применимости хранилища.
Несколько исследований вызвали интерес и исследовали пригодность или выбор оптимального накопителя энергии для определенных приложений. Обзоры литературы включают имеющуюся информацию о современном состоянии и сравнивают использование хранилища на основе текущих существующих проектов. [10] [11] Другие исследования делают еще один шаг вперед в оценке накопления энергии друг с другом и ранжируют их пригодность на основе анализа решений по множеству критериев . [12] [13] В другой статье была предложена схема оценки посредством исследования и моделирования хранилища как эквивалентных схем. [14] [15] Подход к индексированию также был предложен в нескольких исследованиях, но он все еще находится на новой стадии. [16] Чтобы получить повышенный экономический потенциал систем хранения энергии, подключенных к сети, интересно рассмотреть портфель с несколькими услугами для одного или нескольких приложений для системы хранения энергии. Таким образом, одно хранилище может обеспечить несколько источников дохода, что также повысит степень использования. [17] Приведем два примера: сочетание частотной характеристики и резервных услуг рассматривается в [18] , в то время как сглаживание пиковой нагрузки вместе со сглаживанием мощности рассматривается в [19] .
Одним из методов хранения энергии в сети является использование внепиковой или возобновляемой электроэнергии для сжатия воздуха , который обычно хранится в старой шахте или каком-либо другом геологическом объекте. Когда потребность в электроэнергии высока, сжатый воздух нагревается небольшим количеством природного газа , а затем проходит через турбодетандеры для выработки электроэнергии. [20]
Эффективность хранения сжатого воздуха обычно составляет около 60–90%. [21]
Другой метод хранения электроэнергии — сжимать и охлаждать воздух, превращая его в жидкий воздух, [22] который можно хранить и при необходимости расширять, вращая турбину, вырабатывающую электроэнергию, с эффективностью хранения до 70%. [23]
На севере Англии строится коммерческая установка по хранению энергии в жидком воздухе, [24] [25] [26] [27] , коммерческая эксплуатация которой запланирована на 2022 год. [28] Мощность накопителя энергии составит 250 МВтч. почти в два раза превышает емкость крупнейшей в мире существующей литий-ионной батареи Hornsdale Power Reserve в Южной Австралии. [29]
Газообразный углекислый газ можно сжимать для хранения энергии в масштабе сети. Газ хорошо подходит на эту роль, поскольку, в отличие от воздуха, он сжижается при температуре окружающей среды. Жидкий CO 2 можно хранить неограниченное время в баллонах высокого давления для использования при необходимости. [30] [31]
Основным сторонником технологии является начинающая компания Energy Dome, которая в 2022 году построила демонстрационную электростанцию мощностью 2,5 МВт/4 МВт-ч на Сардинии. Компания заявляет, что эффективность в обоих направлениях составляет 75%, а прогнозируемая стоимость аккумуляторной емкости составляет 220 евро/кВтч, что вдвое ниже, чем у литий-ионных батарей. [32] [33] [34]
Аккумуляторные батареи использовались на заре развития электроэнергии постоянного тока . Там, где электроэнергия переменного тока была недоступна, изолированные осветительные установки, работающие на ветряных турбинах или двигателях внутреннего сгорания, обеспечивали освещение и питание небольших двигателей. Аккумуляторную систему можно было использовать для работы нагрузки без запуска двигателя или при спокойном ветре. Группа свинцово-кислотных батарей в стеклянных банках обеспечивала питание как для освещения ламп, так и для запуска двигателя для подзарядки батарей. Технология хранения аккумуляторов обычно имеет эффективность от 80% до более чем 90% для новых литий-ионных устройств. [38] [39]
Аккумуляторные системы, подключенные к крупным твердотельным преобразователям, использовались для стабилизации сетей распределения электроэнергии. Некоторые сетевые батареи размещаются рядом с электростанциями, работающими на возобновляемых источниках энергии, либо для того, чтобы сгладить мощность, вырабатываемую прерывистым ветром или солнечной энергией, либо для переноса выработки мощности на другие часы дня, когда электростанция, использующая возобновляемые источники энергии, не может производить электроэнергию напрямую (см. Примеры установки). ). Эти гибридные системы (генерации и хранения) могут либо снизить нагрузку на сеть при подключении возобновляемых источников, либо использоваться для достижения самодостаточности и работы «автономно» (см. Автономная энергосистема ).
В отличие от электромобилей, аккумуляторы для стационарного хранения не страдают от ограничений по массе или объему. Однако из-за большого количества подразумеваемой энергии и мощности решающее значение имеет стоимость единицы мощности или единицы энергии. Соответствующими показателями для оценки интереса к технологии хранения в масштабе сети является соотношение $/Втч (или $/Вт), а не Втч/кг (или Вт/кг). Электрохимическое сетевое хранилище стало возможным благодаря развитию электромобилей, что привело к быстрому снижению затрат на производство аккумуляторов ниже 300 долларов США за кВтч. Оптимизируя производственную цепочку, крупные промышленные предприятия стремились достичь 150 долларов США за кВтч к концу 2020 года, но фактически достигли 140 долларов США за кВтч. Темпы снижения цен на аккумуляторы неизменно превышают большинство оценок, достигнув 132 долларов США за кВтч в 2021 году. [40] Эти аккумуляторы основаны на литий-ионной технологии, которая подходит для мобильных приложений (высокая стоимость, высокая плотность). Технологии, оптимизированные для сети, должны быть ориентированы на низкую стоимость кВтч. Литий-железо-фосфатные батареи все чаще используются как в транспортных средствах, так и в энергосистемах из-за их низкой стоимости, масштаба и приемлемой плотности энергии для многих применений. [41]
Натрий-ионные аккумуляторы являются дешевой и устойчивой альтернативой литий-ионным, поскольку натрий гораздо более распространен и дешевле лития, но у него меньшая удельная мощность. Однако они все еще находятся на ранних стадиях своего развития.
Технологии, ориентированные на автомобильную промышленность, основаны на твердых электродах, которые обладают высокой плотностью энергии, но требуют дорогостоящего производственного процесса. Жидкие электроды представляют собой более дешевую и менее плотную альтернативу, поскольку не требуют какой-либо обработки.
Эти батареи состоят из двух расплавленных металлических сплавов, разделенных электролитом. Их просто изготовить, но для поддержания сплавов в жидком состоянии требуется температура в несколько сотен градусов Цельсия. Эта технология включает в себя ZEBRA , натриево-серные аккумуляторы и жидкий металл . [42] Натриево-серные батареи используются для энергоаккумулирования в Японии и США. [43] Электролит состоит из твердого бета-оксида алюминия. Жидкометаллический аккумулятор, разработанный группой Пр. Дональд Садовей использует расплавленные сплавы магния и сурьмы, разделенные электроизолирующей расплавленной солью. Ее выводит на рынок дочерняя компания MIT Ambri , с которой в настоящее время заключен контракт на установку первой системы мощностью 250 МВт-ч для компании-центра обработки данных TerraScale недалеко от Рино, штат Невада. [44] [45]
В проточных аккумуляторных батареях , хранящих энергию в жидкостях, таких как растворы ионов переходных металлов в воде при комнатной температуре. Преимуществом проточных аккумуляторов являются низкие капитальные затраты при продолжительности заряда-разряда более 2-4 часов и длительный срок службы (много лет). Проточные батареи уступают литий-ионным батареям по энергоэффективности . [46] Проточные батареи в настоящее время используются для хранения энергии из периодически возобновляемых источников, таких как ветер и солнечная энергия. [47]
Ванадиевые окислительно-восстановительные батареи являются наиболее технологически и коммерчески продвинутым типом проточных батарей. [48] [49] В настоящее время на различных объектах установлены десятки ванадиевых батарей Redox Flow, в том числе; Ветряная электростанция Хаксли-Хилл (Австралия), Tomari Wind Hills на Хоккайдо (Япония), а также в приложениях, не связанных с ветровыми электростанциями. Проточную батарею мощностью 12 МВт·ч планировалось установить на ветряной электростанции Sorne Hill ( Ирландия ). [50] [ требуется обновление ] Эти системы хранения предназначены для сглаживания кратковременных колебаний ветра.
В Пуэрто-Рико система [ требуются дополнительные пояснения ] мощностью 20 мегаватт в течение 15 минут (5 мегаватт-час) стабилизирует частоту вырабатываемой на острове электроэнергии. В 2003 году в Фэрбенксе, Аляска, в Фэрбенксе на Аляске была установлена никель-кадмиевая аккумуляторная батарея мощностью 27 мегаватт и длительностью 15 минут (6,75 мегаватт-час) для стабилизации напряжения в конце длинной линии электропередачи. [51]
В 2014 году проект хранения энергии Техачапи был заказан компанией Southern California Edison . [52]
В 2016 году ионно-цинковая батарея была предложена для использования в сетевых накопителях. [53]
В 2017 году Комиссия по коммунальным предприятиям Калифорнии установила 396 батарей Tesla размером с холодильник на подстанции Мира Лома в Онтарио, Калифорния . Стеки развернуты в двух модулях по 10 МВт каждый (всего 20 МВт), каждый из которых способен работать в течение 4 часов, что позволяет увеличить емкость хранилища до 80 МВтч. Массив способен обеспечивать электроэнергией 15 000 домов в течение более четырех часов. [54]
BYD предлагает использовать традиционные технологии потребительских аккумуляторов, такие как литий-железо-фосфатные батареи (LiFePO4) , соединяя множество батарей параллельно.
Крупнейшие сетевые аккумуляторные батареи в Соединенных Штатах включают батарею мощностью 31,5 МВт на электростанции Гранд-Ридж в Иллинойсе и батарею мощностью 31,5 МВт в Бич-Ридж, Западная Вирджиния. [55] Две батареи, строящиеся в 2015 году, включают проект Edison мощностью 400 МВт (100 МВт на 4 часа) в Южной Калифорнии и проект мощностью 52 МВт на Кауаи, Гавайи, чтобы полностью перенести выработку солнечной электростанции мощностью 13 МВт на вечер. [56] Две батареи находятся в Фэрбенксе, Аляска (40 МВт в течение 7 минут с использованием никель-кадмиевых элементов), [57] и в Нотрисе, штат Техас (36 МВт в течение 40 минут с использованием свинцово-кислотных батарей ). [58] [59] Батарея мощностью 13 МВтч, изготовленная из использованных батарей от электромобилей Daimler Smart , строится в Люнене , Германия, с ожидаемым вторым сроком службы 10 лет. [60]
В 2015 году в США была установлена аккумуляторная батарея мощностью 221 МВт, общая мощность которой, как ожидается, достигнет 1,7 ГВт в 2020 году. [61]
В 2018 году в Великобритании в Хартфордшире была установлена литий-ионная сетевая батарея мощностью 50 МВт. [62] В феврале 2021 года началось строительство аккумуляторной батареи мощностью 50 МВт в Бервелле, Кембриджшир, и площадки мощностью 40 МВт в Барнсли, Южный Йоркшир. [63]
В ноябре 2017 года Tesla установила аккумуляторную систему мощностью 100 МВт и 129 МВтч в Южной Австралии. [64] Австралийский оператор энергетического рынка заявил, что это «быстро и точно по сравнению с услугой, обычно предоставляемой обычной синхронной генерирующей установкой». [65] [66]
Компании изучают возможности использования электромобилей для удовлетворения пикового спроса. Припаркованный и подключенный к электросети электромобиль может продавать электроэнергию от аккумулятора во время пиковых нагрузок и заряжать либо ночью (дома), либо в непиковое время. [69]
Гибриды или электромобили с подключаемыми модулями могут использоваться [70] [71] [72] из-за их возможностей накопления энергии. Можно использовать технологию « автомобиль-сеть» , превращая каждый автомобиль с аккумуляторной батареей мощностью от 20 до 50 кВтч в устройство распределенной балансировки нагрузки или источник аварийного питания. Это составляет от двух до пяти дней на одно транспортное средство при средней потребности домохозяйства в 10 кВтч в день, при условии годового потребления 3650 кВтч. Это количество энергии эквивалентно пробегу от 60 до 480 километров (от 40 до 300 миль) в таких транспортных средствах, потребляющих от 0,1 до 0,3 киловатт-часов на километр (от 0,16 до 0,5 кВтч / миля). Таких цифр можно достичь даже при самодельных переоборудованиях электромобилей . Некоторые электроэнергетические компании планируют использовать старые автомобильные аккумуляторы (иногда в результате получается гигантская батарея) для хранения электроэнергии [73] [74] Однако большим недостатком использования транспортных средств для хранения энергии в сети будет то, что каждый цикл хранения будет нагружать аккумулятор. с одним полным циклом зарядки-разрядки. [70] Однако одно крупное исследование показало, что при разумном использовании аккумуляторная батарея от автомобиля к сети фактически увеличивает срок службы аккумуляторов. [75] Обычные литий-ионные батареи (на основе кобальта) выходят из строя в зависимости от количества циклов; новые литий-ионные батареи не выходят из строя при каждом цикле и поэтому имеют гораздо более длительный срок службы. Один из подходов заключается в повторном использовании ненадежных автомобильных аккумуляторов в специализированных сетевых хранилищах [76] , поскольку ожидается, что они прослужат в этой роли в течение десяти лет. [77] Если такое хранение осуществляется в больших масштабах, становится намного проще гарантировать замену автомобильного аккумулятора, деградировавшего при мобильном использовании, поскольку старый аккумулятор имеет ценность и может использоваться немедленно.
Механическая инерция является основой этого метода хранения. Когда электроэнергия поступает в устройство, электродвигатель ускоряет тяжелый вращающийся диск. Двигатель действует как генератор, когда поток энергии меняется на противоположный, замедляя диск и производя электричество. Электричество сохраняется в виде кинетической энергии диска. Трение должно быть сведено к минимуму, чтобы продлить срок хранения. Это часто достигается путем помещения маховика в вакуум и использования магнитных подшипников , что делает метод дорогостоящим. Более высокие скорости маховика позволяют увеличить емкость хранилища, но требуют использования прочных материалов, таких как сталь или композитные материалы, чтобы противостоять центробежным силам . Однако диапазон технологий мощности и хранения энергии, которые делают этот метод экономичным, имеют тенденцию делать маховики непригодными для общего применения в энергосистемах; они, вероятно, лучше всего подходят для выравнивания нагрузки в железнодорожных энергосистемах и для улучшения качества электроэнергии в системах возобновляемой энергии, таких как система мощностью 20 МВт в Ирландии. [78] [79]
Приложения, использующие маховиковое хранилище, - это те, которые требуют очень высоких всплесков мощности в течение очень короткого времени, такие как токамак [80] и лазерные эксперименты, где двигатель-генератор раскручивается до рабочей скорости и частично замедляется во время разряда.
В настоящее время накопитель на маховике также используется в виде дизельных роторных источников бесперебойного питания для обеспечения систем бесперебойного электропитания (например, в крупных центрах обработки данных ) для обеспечения сквозной мощности, необходимой во время передачи [81] – то есть относительно короткого количества энергии. время между потерей электропитания в сети и прогревом альтернативного источника, например дизель-генератора .
Это потенциальное решение было реализовано EDA [82] [ нужен лучший источник ] на Азорских островах , на островах Грасиоза и Флорес . Эта система использует маховик мощностью 18 мегаватт-секунд для улучшения качества электроэнергии и, таким образом, позволяет увеличить использование возобновляемых источников энергии. Как следует из описания, эти системы снова предназначены для сглаживания кратковременных колебаний в поставках и никогда не могут быть использованы для устранения отключения электроэнергии, превышающего пару дней.
Powercorp в Австралии разрабатывает приложения с использованием ветряных турбин, маховиков и дизельной технологии малой нагрузки (LLD), чтобы максимизировать подачу ветра в малые сети. Система, установленная в Корал Бэй, Западная Австралия, использует ветряные турбины в сочетании с системой управления на основе маховика и LLD. Технология маховика позволяет ветряным турбинам время от времени обеспечивать до 95 процентов энергоснабжения Корал Бэй, при этом общее годовое проникновение ветра составляет 45 процентов. [83]
Водород разрабатывается как носитель электрической энергии. [70] [84] Водород производят, затем сжимают или сжижают, хранят в криогенных условиях при температуре -252,882 °C, а затем преобразуют обратно в электрическую энергию или тепло. Водород можно использовать в качестве топлива для портативных (транспортных средств) или стационарных источников энергии. По сравнению с насосными хранилищами воды и батареями водород имеет то преимущество, что это топливо с высокой плотностью энергии. [84] Зеленый водород , получаемый в результате электролиза воды , является более экономичным средством долгосрочного хранения возобновляемой энергии с точки зрения капитальных затрат , чем гидроаккумулирующие электростанции или батареи . [3] [4]
Водород можно производить либо путем реформинга природного газа с водяным паром , либо путем электролиза воды на водород и кислород (см. Производство водорода ). В результате риформинга природного газа в качестве побочного продукта образуется углекислый газ . Электролиз при высокой температуре и электролиз при высоком давлении — это два метода, с помощью которых можно повысить эффективность производства водорода. Затем водород преобразуется обратно в электричество в двигателе внутреннего сгорания или топливном элементе .
Было показано, что эффективность хранения водорода при переменном токе составляет порядка 20–45%, что накладывает экономические ограничения. [84] [85] Чтобы система была экономичной, соотношение цен между покупкой и продажей электроэнергии должно быть как минимум пропорциональным эффективности. Водородные топливные элементы могут реагировать достаточно быстро, чтобы корректировать быстрые колебания спроса или предложения электроэнергии и регулировать частоту. Сможет ли водород использовать инфраструктуру природного газа, зависит от строительных материалов сети, стандартов соединений и давления хранения. [86]
Оборудование, необходимое для хранения водородной энергии, включает электролизную установку, водородные компрессоры или ожижители и резервуары для хранения.
Биоводород — это исследуемый процесс производства водорода с использованием биомассы.
Микрокомбинированное производство тепла и электроэнергии (микроТЭЦ) может использовать водород в качестве топлива.
Некоторые атомные электростанции могут получить выгоду от симбиоза с производством водорода. Высокотемпературные (от 950 до 1000 ° C) ядерные реакторы поколения IV с газовым охлаждением могут электролизовать водород из воды термохимическими методами с использованием ядерного тепла, как в серо-йодном цикле . Первые коммерческие реакторы ожидаются в 2030 году.
Пилотная программа на уровне местного сообщества с использованием ветряных турбин и водородных генераторов была начата в 2007 году в отдаленном поселке Рамеа, Ньюфаундленд и Лабрадор . [87] Похожий проект осуществляется с 2004 года в Утсире , небольшом норвежском островном муниципалитете.
Подземное хранение водорода — это практика хранения водорода в пещерах , соляных куполах и истощенных месторождениях нефти и газа. [70] [88] Большие количества газообразного водорода хранились в пещерах Imperial Chemical Industries (ICI) в течение многих лет без каких-либо проблем. [89] Европейский проект Hyunder [90] указал в 2013 году, что для хранения энергии ветра и солнца требуются дополнительные 85 пещер, поскольку они не могут быть покрыты системами PHES и CAES . [91]
Power to gas — это технология, которая преобразует электроэнергию в газовое топливо . Существует два метода: первый — использовать электричество для расщепления воды и закачивать полученный водород в сеть природного газа. Второй менее эффективный метод используется для преобразования углекислого газа и воды в метан (см. природный газ ) с использованием электролиза и реакции Сабатье . Избыточная мощность или непиковая мощность, генерируемая ветрогенераторами или солнечными батареями, затем используется для балансировки нагрузки в энергосистеме. Используя существующую систему природного газа для получения водорода, производитель топливных элементов Hydrogenics и дистрибьютор природного газа Enbridge объединились для разработки такой системы преобразования энергии в газ в Канаде. [85]
Трубопроводное хранилище водорода, где для хранения водорода используется сеть природного газа. До перехода на природный газ немецкие газовые сети эксплуатировались с использованием городского газа , который по большей части состоял из водорода. Емкость хранения немецкой сети природного газа составляет более 200 000 ГВт·ч, чего достаточно для удовлетворения потребностей в энергии на несколько месяцев. Для сравнения, мощность всех гидроаккумулирующих электростанций Германии составляет всего около 40 ГВт·ч. Транспортировка энергии по газовой сети осуществляется с гораздо меньшими потерями (<0,1%), чем по электрической сети (8%) [ необходимы разъяснения ] . Использование существующих газопроводов для водорода было изучено NaturalHy [92]
Концепция преобразования энергии в аммиак предлагает путь безуглеродного хранения энергии с разнообразной палитрой приложений. Иногда, когда появляется избыток низкоуглеродной энергии , ее можно использовать для создания аммиачного топлива. Аммиак можно получить путем расщепления воды на водород и кислород с помощью электричества, затем при высокой температуре и давлении используются соединения азота из воздуха с водородом, в результате чего образуется аммиак. В жидком состоянии он похож на пропан, в отличие от одного водорода, который трудно хранить в виде газа под давлением или криогенно сжижать и хранить при -253 ° C.
Как и природный газ, хранящийся аммиак можно использовать в качестве теплового топлива для транспорта и производства электроэнергии или использовать в топливных элементах. [93] Стандартный резервуар с жидким аммиаком объемом 60 000 м³ содержит около 211 ГВтч энергии, что эквивалентно годовому производству примерно 30 ветряных турбин. Аммиак можно сжечь чисто: при этом выделяются вода и азот, но не CO 2 и мало или вообще не выделяется оксидов азота. Аммиак имеет множество применений, помимо того, что он является энергоносителем, он является основой для производства многих химических веществ, наиболее распространенным из которых является удобрение. [94] Учитывая такую гибкость использования, а также то, что инфраструктура для безопасной транспортировки, распределения и использования аммиака уже существует, это делает аммиак хорошим кандидатом на роль крупномасштабного неуглеродного энергоносителя будущее.
В 2008 году мировая мощность гидроаккумулирующих электростанций составляла 104 ГВт [95], в то время как другие источники утверждают, что она составляет 127 ГВт, что составляет подавляющее большинство всех типов сетевых накопителей электроэнергии – все остальные типы вместе взятые составляют несколько сотен МВт. [96]
Во многих местах гидроаккумулирующая гидроэлектроэнергия используется для выравнивания ежедневной генерирующей нагрузки путем перекачки воды в высокий резервуар в непиковые часы и в выходные дни, используя избыточную базовую мощность угольных или ядерных источников. В часы пик эту воду можно использовать для выработки гидроэлектроэнергии , часто в качестве ценного резерва быстрого реагирования для покрытия переходных пиков спроса. Насосное хранилище восстанавливает от 70% до 85% потребляемой энергии и в настоящее время является наиболее экономически эффективной формой массового хранения энергии. [97] Основная проблема с гидроаккумулирующими хранилищами заключается в том, что для этого обычно требуются два близлежащих резервуара, расположенных на значительно разной высоте, и часто требуются значительные капитальные затраты. [98]
Системы накачки воды обладают высокой диспетчеризуемостью , что означает, что они могут включаться в работу очень быстро, обычно в течение 15 секунд, [99] что делает эти системы очень эффективными при реагировании на изменчивость спроса на электроэнергию со стороны потребителей. В мире эксплуатируется более 90 ГВт гидроаккумулирующих электростанций, что составляет около 3% мгновенной мировой генерирующей мощности. Насосные системы хранения воды, такие как система хранения Динорвиг в Великобритании, удерживают генерирующую мощность в течение пяти или шести часов [99] и используются для сглаживания колебаний спроса.
Другим примером является Тяньхуанпинская гидроаккумулирующая электростанция мощностью 1836 МВт в Китае, емкость резервуара которой составляет восемь миллионов кубических метров (2,1 миллиарда галлонов США или объем воды над Ниагарским водопадом за 25 минут) с вертикальным расстоянием 600 м ( 1970 футов). Резервуар может обеспечить около 13 ГВт·ч запасенной гравитационной потенциальной энергии (преобразуемой в электричество с эффективностью около 80%), или около 2% ежедневного потребления электроэнергии в Китае. [100]
Новая концепция гидроаккумулирования заключается в использовании энергии ветра или солнечной энергии для перекачки воды. Ветровые турбины или солнечные элементы, которые управляют водяными насосами для накопления энергии ветряной или солнечной плотины , могут сделать этот процесс более эффективным, но ограничены. Такие системы могут увеличивать кинетический объем воды только в ветреные и дневные периоды. Исследование, опубликованное в 2013 году, показало, что солнечные батареи на крыше в сочетании с существующими гидроаккумулирующими электростанциями могут заменить реакторы, потерянные на Фукусиме, с эквивалентным коэффициентом мощности. [101]
Плотины гидроэлектростанций с большими водохранилищами также могут эксплуатироваться для обеспечения пиковой выработки электроэнергии в периоды пикового спроса. Вода хранится в резервуаре в периоды низкого спроса и выпускается через установку, когда спрос выше. Конечный эффект такой же, как и при гидроаккумулировании, но без потерь при перекачке. В зависимости от емкости резервуара установка может обеспечивать ежедневное, еженедельное или сезонное слежение за нагрузкой.
Многие существующие плотины гидроэлектростанций довольно старые (например, плотина Гувера была построена в 1930-х годах), и их первоначальная конструкция на десятилетия предшествовала появлению новых источников прерывистой энергии, таких как ветер и солнечная энергия. Плотина гидроэлектростанции, изначально построенная для обеспечения базовой нагрузки , будет иметь размеры генераторов в соответствии со средним потоком воды в водохранилище. Увеличение мощности такой плотины с помощью дополнительных генераторов увеличивает ее пиковую выходную мощность, тем самым увеличивая ее способность работать в качестве виртуального сетевого накопителя энергии. [102] [103] Бюро мелиорации США сообщает, что инвестиционные затраты составляют 69 долларов за киловатт мощности для модернизации существующей плотины, [102] по сравнению с более чем 400 долларами за киловатт для пиковых генераторов, работающих на нефти. Хотя модернизированная плотина гидроэлектростанции не хранит напрямую избыточную энергию от других энергоблоков, она ведет себя аналогичным образом, накапливая собственное топливо – поступающую речную воду – в периоды высокой производительности других энергоблоков. Функционируя таким образом как виртуальное сетевое хранилище, модернизированная плотина является одной из наиболее эффективных форм хранения энергии, поскольку у нее нет потерь при перекачке для заполнения резервуара, а есть только увеличенные потери на испарение и утечку.
Плотина, перекрывающая большое водохранилище, может накапливать и высвобождать соответственно большое количество энергии, контролируя сток реки и повышая или опуская уровень водохранилища на несколько метров. Ограничения действительно применяются к эксплуатации плотин, их сбросы обычно регулируются государством, регулирующим права на воду , чтобы ограничить воздействие на реки в нижнем течении. Например, в энергосистеме существуют ситуации, когда тепловые электростанции, атомные или ветряные турбины с базовой нагрузкой уже производят избыточную электроэнергию в ночное время, а плотины по-прежнему необходимы для сброса достаточного количества воды для поддержания адекватного уровня воды в реке, независимо от того, вырабатывается ли электричество или нет. И наоборот, существует ограничение на пиковую мощность, превышение которого может привести к разливу реки на несколько часов каждый день. [104]
Системы сверхпроводящего накопления магнитной энергии (SMES) хранят энергию в магнитном поле , создаваемом потоком постоянного тока в сверхпроводящей катушке, которая была криогенно охлаждена до температуры ниже критической температуры сверхпроводимости. Типичная система SMES включает три части: сверхпроводящую катушку, систему кондиционирования питания и холодильник с криогенным охлаждением. Как только сверхпроводящая катушка заряжена, ток не будет затухать, и магнитная энергия может храниться бесконечно. Запасенная энергия может быть возвращена в сеть путем разрядки катушки. Система кондиционирования питания использует инвертор / выпрямитель для преобразования мощности переменного тока (AC) в постоянный ток или преобразования постоянного тока обратно в мощность переменного тока. На инвертор/выпрямитель приходится около 2–3% потерь энергии в каждом направлении. СМИС теряет наименьшее количество электроэнергии в процессе хранения энергии по сравнению с другими методами хранения энергии. Системы SMES высокоэффективны; КПД туда и обратно превышает 95%. Высокая стоимость сверхпроводников является основным ограничением коммерческого использования этого метода хранения энергии.
Из-за энергетических потребностей холодильного оборудования и ограничений на общую энергию, которую можно хранить, SMES в настоящее время используется для кратковременного хранения энергии. Поэтому SMES чаще всего занимается улучшением качества электроэнергии . Если SMES будет использоваться в коммунальных услугах , это будет дневное устройство хранения данных, заряжающееся от мощности базовой нагрузки в ночное время и отвечающее пиковым нагрузкам в течение дня.
Для того чтобы сверхпроводящее хранение магнитной энергии стало практичным, еще предстоит решить серьезные технические проблемы .
В Дании прямое хранение электроэнергии считается слишком дорогим для крупномасштабного использования, хотя в значительной степени используются существующие норвежские гидроэлектростанции. Вместо этого использование существующих резервуаров для хранения горячей воды, подключенных к системам централизованного теплоснабжения и обогреваемых либо электродными котлами, либо тепловыми насосами, рассматривается как предпочтительный подход. Накопленное тепло затем передается в жилые помещения по трубам централизованного теплоснабжения .
Расплавленная соль используется для хранения тепла, собранного солнечной энергетической башней , чтобы его можно было использовать для выработки электроэнергии в плохую погоду или ночью. [105]
Системы отопления и охлаждения зданий могут управляться таким образом, чтобы хранить тепловую энергию либо в общих резервуарах здания, либо в специальных резервуарах для хранения тепла. Такое тепловое хранилище может обеспечивать перераспределение нагрузки или даже более сложные вспомогательные услуги за счет увеличения энергопотребления (зарядки хранилища) в непиковые периоды и снижения энергопотребления (разгрузки хранилища) в более дорогостоящие часы пик. [106] Например, внепиковое электричество можно использовать для производства льда из воды, а лед можно хранить. Хранящийся лед можно использовать для охлаждения воздуха в большом здании, где обычно используется электрический ток переменного тока, тем самым перенеся электрическую нагрузку в часы внепиковой нагрузки. В других системах хранящийся лед используется для охлаждения всасываемого воздуха газотурбинного генератора , тем самым увеличивая пиковую генерирующую мощность и пиковую эффективность.
Система хранения электроэнергии с накачкой тепла использует высокообратимый тепловой двигатель/тепловой насос для перекачки тепла между двумя резервуарами хранения, нагревая один и охлаждая другой. Британская инжиниринговая компания Isentropic, которая разрабатывает систему, заявляет, что потенциальная эффективность прохождения электроэнергии туда и обратно составляет 72–80%. [107]
Батарея Карно — это тип систем хранения энергии, которые накапливают электроэнергию в накопителе тепла и преобразуют накопленное тепло обратно в электричество посредством термодинамических циклов. В последнее время эта концепция изучалась и развивалась во многих исследовательских проектах. [108] Одним из преимуществ этого типа системы является то, что стоимость крупномасштабного и длительного хранения тепла может быть намного ниже, чем у других технологий хранения.
Альтернативы включают сохранение энергии путем перемещения больших твердых масс вверх против силы тяжести. Этого можно достичь внутри старых шахтных стволов [109] или в специально построенных башнях, где тяжелые грузы поднимаются лебедками для накопления энергии и позволяют контролируемому спуску высвободить ее. [110] [111] При железнодорожном аккумулировании энергии железнодорожные вагоны, перевозящие большой вес, перемещаются вверх или вниз по участку наклонного рельсового пути, в результате накапливая или высвобождая энергию; [112] При хранении потенциальной энергии в вышедшей из эксплуатации нефтяной скважине грузы поднимаются или опускаются в глубокой, выведенной из эксплуатации нефтяной скважине.
Нормированная стоимость хранения электроэнергии во многом зависит от типа и назначения хранилища; как регулирование частоты в субсекундном масштабе , пиковые установки в минутном/часовом масштабе или сезонное хранилище в масштабе дня/недели. [113] [114] [115]
Утверждается, что использование аккумуляторных батарей имеет нормированную стоимость от 120 долларов США [116] до 170 долларов США [117] за МВтч. Это сопоставимо с газовыми турбинами открытого цикла, стоимость которых по состоянию на 2020 год составляет около 151–198 долларов за МВтч. [118]
Вообще говоря, хранение энергии экономично, когда предельная стоимость электроэнергии варьируется в большей степени, чем затраты на хранение и извлечение энергии плюс цена энергии, потерянной в процессе. Например, предположим, что гидроаккумулирующий резервуар может перекачивать в верхний резервуар объем воды, способный производить 1200 МВт·ч , после учета всех потерь (испарение и просачивание в резервуар, потери эффективности и т. д.). Если предельная стоимость электроэнергии в непиковое время составляет 15 долларов за МВт·ч, а водохранилище работает с КПД 75 % (т. е. потребляется 1500 МВт·ч и извлекается 1200 МВт·ч энергии), то общая стоимость наполнения резервуара составляет 22 500 долларов США. Если вся накопленная энергия будет продана на следующий день в часы пик по средней цене 40 долларов за МВт·ч, то доход водохранилища за день составит 48 000 долларов, а валовая прибыль составит 25 500 долларов.
Однако предельная стоимость электроэнергии варьируется из-за разных эксплуатационных расходов и затрат на топливо для разных классов генераторов. [119] С одной стороны, электростанции с базовой нагрузкой, такие как угольные электростанции и атомные электростанции , являются генераторами с низкими предельными затратами, поскольку они имеют высокие капитальные затраты и затраты на техническое обслуживание, но низкие затраты на топливо. С другой стороны, пиковые электростанции , такие как газотурбинные электростанции, работающие на природном газе, сжигают дорогое топливо, но их дешевле строить, эксплуатировать и обслуживать. Чтобы свести к минимуму общие эксплуатационные затраты на выработку электроэнергии, генераторы базовой нагрузки задействуются большую часть времени, тогда как генераторы пиковой мощности запускаются только при необходимости, обычно при пиковом спросе на энергию. Это называется «экономическая отправка».
Спрос на электроэнергию из различных сетей мира меняется в течение дня и от сезона к сезону. По большей части изменение спроса на электроэнергию удовлетворяется за счет изменения количества электроэнергии, поставляемой из первичных источников. Однако операторы все чаще хранят более дешевую энергию, производимую ночью, а затем передают ее в сеть в пиковые периоды дня, когда она более ценна. [120] В районах, где существуют плотины гидроэлектростанций, выбросы могут быть отложены до тех пор, пока спрос не увеличится; эта форма хранения распространена и может использовать существующие резервуары. Это не сохранение «избыточной» энергии, произведенной где-то еще, но конечный эффект тот же – хотя и без потерь эффективности. Возобновляемые источники энергии с переменным производством, такие как ветровая и солнечная энергия , имеют тенденцию увеличивать чистое изменение электрической нагрузки, увеличивая возможности хранения энергии в сети.
Возможно, будет более экономично найти альтернативный рынок для неиспользованной электроэнергии, чем пытаться ее хранить. Постоянный ток высокого напряжения позволяет передавать электроэнергию, теряя всего 3% на 1000 км.
Международная база данных по хранению энергии Министерства энергетики США предоставляет бесплатный список проектов по хранению энергии в сети, во многих из которых указаны источники и суммы финансирования. [121]
Спрос на электроэнергию со стороны потребителей и промышленности постоянно меняется, в основном в следующих категориях:
В настоящее время существует три основных метода борьбы с меняющимся спросом:
Проблема с резервными газовыми турбинами заключается в более высоких затратах; дорогое генерирующее оборудование большую часть времени не используется. Вращающийся резерв также имеет свою цену; заводы, работающие с производительностью ниже максимальной, обычно менее эффективны. Сетевое хранилище энергии используется для переноса выработки электроэнергии с периодов пиковой нагрузки на часы внепиковой нагрузки. Электростанции могут работать с максимальной эффективностью в ночное время и в выходные дни.
Стратегии выравнивания спроса и предложения могут быть направлены на снижение стоимости поставок пиковой электроэнергии или на компенсацию прерывистой генерации ветровой и солнечной энергии.
Это область наибольшего успеха современных технологий хранения энергии. Одноразовые и перезаряжаемые батареи распространены повсеместно и обеспечивают питание устройств с такими разнообразными потребностями, как цифровые часы и автомобили. Однако развитие аккумуляторных технологий в целом происходит медленно, причем большая часть увеличения срока службы аккумуляторов, по мнению потребителей, связана с эффективным управлением питанием, а не с увеличением емкости хранилища. Портативная бытовая электроника значительно выиграла от уменьшения размера и мощности, связанного с законом Мура . К сожалению, закон Мура не применим к перевозке людей и грузов; базовые потребности в энергии для транспорта остаются намного выше, чем для информационных и развлекательных приложений. Емкость аккумуляторов стала проблемой, поскольку растет потребность в альтернативах двигателям внутреннего сгорания в автомобилях, грузовиках, автобусах, поездах, кораблях и самолетах. Эти виды использования требуют гораздо большей плотности энергии (количества энергии, хранимой в заданном объеме или весе), чем может обеспечить современная аккумуляторная технология. Жидкое углеводородное топливо (например, бензин / бензин и дизельное топливо ), а также спирты ( метанол , этанол и бутанол ) и липиды ( прямое растительное масло , биодизель ) имеют гораздо более высокую плотность энергии.
Существуют синтетические способы использования электричества для превращения углекислого газа и воды в жидкие углеводороды или спиртовое топливо. [123] Эти пути начинаются с электролиза воды для получения водорода, а затем восстановления углекислого газа избытком водорода в вариантах обратной реакции конверсии водяного газа . Неископаемые источники углекислого газа включают ферментационные заводы и очистные сооружения. Преобразование электрической энергии в жидкое топливо на основе углерода потенциально может обеспечить портативное хранилище энергии, пригодное для использования большим количеством существующих автомобилей и другого оборудования с приводом от двигателей, без трудностей, связанных с работой с водородом или другим экзотическим энергоносителем . Эти синтетические пути могут привлечь внимание в связи с попытками улучшить энергетическую безопасность в странах, которые полагаются на импортируемую нефть, но имеют или могут развивать крупные источники возобновляемой или ядерной электроэнергии, а также для борьбы с возможным будущим сокращением количества доступной нефти. импортировать.
Поскольку транспортный сектор использует энергию нефти очень неэффективно, замена нефти электричеством для мобильной энергетики не потребует очень больших инвестиций в течение многих лет. [ нужна цитата ]
Практически все устройства, работающие от электричества, страдают от внезапного отключения питания. Доступны такие решения, как ИБП ( источники бесперебойного питания ) или резервные генераторы, но они дороги. Эффективные методы хранения энергии позволят устройствам иметь встроенную резервную копию на случай отключения электроэнергии, а также уменьшат последствия сбоя на электростанции. Примеры этого в настоящее время доступны с использованием топливных элементов и маховиков.
Он сталкивается с жесткой конкуренцией, но батарея CO
2
обладает некоторыми уникальными преимуществами, которые могут ускорить переход к экологически чистой энергии.
