stringtranslate.com

Сетевое хранение энергии

Упрощенная электрическая сеть с накопителем энергии
Упрощенный поток энергии в сети с идеализированным накопителем энергии и без него в течение одного дня

Сетевое хранение энергии (также называемое крупномасштабным хранением энергии ) представляет собой набор методов, используемых для хранения энергии в больших масштабах в электросети . Электрическая энергия хранится в то время, когда электричества много и оно недорогое (особенно из переменных возобновляемых источников энергии, таких как энергия ветра и солнца ) или когда спрос низкий, а затем возвращается в сеть, когда спрос высок, а цены на электроэнергию, как правило, выше.

По состоянию на 2023 год крупнейшей формой хранения сетевой энергии является гидроаккумулирующая электростанция , на втором и третьем месте находятся аккумуляторные батареи коммунального масштаба и аккумуляторные батареи, устанавливаемые за счетчиком. [1] Развитие аккумуляторных батарей позволило реализовать коммерчески жизнеспособные проекты по хранению энергии во время пикового производства и ее выработке во время пикового спроса, а также для использования в случаях, когда производство неожиданно падает, что дает время для подключения более медленно реагирующих ресурсов.

Зеленый водород , который вырабатывается путем 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 аккумуляторные батареи. [2] [3]

Две альтернативы сетевому хранению электроэнергии — это использование пиковых электростанций для покрытия пробелов в поставках и регулирование спроса для переноса нагрузки на другое время.

Преимущества

Накопление энергии может обеспечить множество преимуществ для сети: оно может перемещать электроэнергию из периодов низких цен в периоды высоких цен, оно может помочь сделать сеть более стабильной (например, помочь отрегулировать частоту сети) и помочь сократить инвестиции в инфраструктуру передачи. [4] Любая электрическая сеть должна соответствовать производству электроэнергии потреблению, оба из которых значительно меняются с течением времени. Любая комбинация накопления энергии и реагирования на спрос имеет следующие преимущества:

Энергия, получаемая из солнечных, приливных и ветровых источников, по своей сути меняется в масштабах времени от минут до недель и дольше — количество вырабатываемой электроэнергии меняется в зависимости от времени суток, фазы луны, сезона и случайных факторов, таких как погода. Таким образом, возобновляемые источники энергии при отсутствии хранилища представляют особые проблемы для электроэнергетических компаний. Хотя подключение множества отдельных ветровых источников может снизить общую изменчивость, солнечная энергия надежно недоступна ночью, а приливная мощность смещается вместе с луной, поэтому слабые приливы происходят четыре раза в день.

То, насколько это влияет на любую конкретную коммунальную услугу, значительно различается. В пиковые летние коммунальные услуги, как правило, можно поглотить больше солнечной энергии и сопоставить ее со спросом. В пиковые зимние коммунальные услуги, в меньшей степени, ветер коррелирует с потребностью в отоплении и может использоваться для удовлетворения этой потребности. В зависимости от этих факторов, за пределами примерно 20–40% от общего объема генерации, подключенные к сети непостоянные источники, такие как солнечная энергия и энергия ветра, как правило, требуют инвестиций в сетевые соединения, хранение энергии в сети или управление спросом.

В электросети без накопителей энергии генерация, которая полагается на энергию, хранящуюся в топливе (уголь, биомасса, природный газ, ядерная энергия), должна масштабироваться вверх и вниз, чтобы соответствовать росту и падению производства электроэнергии из непостоянных источников (см. электростанция, следящая за нагрузкой ). В то время как гидроэлектростанции и электростанции, работающие на природном газе, могут быстро масштабироваться вверх или вниз, чтобы следовать за спросом, ветряным, угольным и атомным электростанциям требуется значительное время, чтобы отреагировать на нагрузку. Таким образом, коммунальные службы с меньшим количеством природного газа или гидроэлектростанций больше зависят от управления спросом, сетевых соединений или дорогостоящего гидроаккумулирования.

Управление спросом и сетевое хранение

Сторона спроса также может хранить электроэнергию из сети, например, зарядка аккумулятора электромобиля хранит энергию для транспортного средства, а накопительные обогреватели , хранилища централизованного теплоснабжения или хранилища льда обеспечивают тепловое хранение для зданий. [5] В настоящее время это хранилище служит только для переноса потребления на непиковое время суток, электричество не возвращается в сеть.

Потребность в сетевом хранилище для обеспечения пиковой мощности снижается за счет ценообразования на основе спроса , что является одним из преимуществ интеллектуальных счетчиков . На уровне домохозяйств потребители могут выбирать менее затратное время вне пиковой нагрузки для стирки и сушки одежды, использования посудомоечных машин, принятия душа и приготовления пищи. Кроме того, коммерческие и промышленные пользователи воспользуются экономией средств, отложив некоторые процессы на внепиковое время.

Региональные воздействия непредсказуемой работы ветровой энергии создали новую потребность в интерактивном реагировании на спрос , когда коммунальное предприятие взаимодействует со спросом. Исторически это делалось только в сотрудничестве с крупными промышленными потребителями, но теперь может быть распространено на целые сети. [6] Например, несколько крупномасштабных проектов в Европе связывают изменения ветровой энергии с изменением загрузки промышленных морозильников для пищевых продуктов, вызывая небольшие изменения температуры. Если бы они были переданы в масштабе всей сети, небольшие изменения температур нагрева/охлаждения мгновенно изменили бы потребление по всей сети.

В отчете, опубликованном в декабре 2013 года Министерством энергетики США, далее описываются потенциальные преимущества технологий хранения энергии и спроса для электросети: «Модернизация электросистемы поможет стране справиться с задачей удовлетворения прогнозируемых потребностей в энергии, включая решение проблемы изменения климата путем интеграции большего количества энергии из возобновляемых источников и повышения эффективности процессов невозобновляемой энергии. Развитие электросети должно поддерживать надежную и устойчивую систему поставки электроэнергии, а хранение энергии может сыграть значительную роль в решении этих задач за счет улучшения эксплуатационных возможностей сети, снижения затрат и обеспечения высокой надежности, а также отсрочки и сокращения инвестиций в инфраструктуру. Наконец, хранение энергии может сыграть важную роль в обеспечении готовности к чрезвычайным ситуациям из-за его способности обеспечивать резервное питание, а также услуги по стабилизации сети». [7]

Накопление энергии для сетевых приложений

Активы хранения энергии являются ценным активом для электросети . [8] Они могут предоставлять такие преимущества и услуги, как управление нагрузкой , качество электроэнергии и бесперебойное электропитание для повышения эффективности и безопасности поставок. Это становится все более и 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 , маховиковые накопители энергии , суперконденсаторы и т. д.) подходят для приложений в масштабе сети, однако их характеристики различаются. Например, гидроаккумулирующие станции хорошо подходят для приложений управления большой нагрузкой из-за их большой емкости и мощности. Однако подходящие места ограничены, и их полезность исчезает при решении локальных проблем с качеством электроэнергии . С другой стороны, маховики и конденсаторы наиболее эффективны для поддержания качества электроэнергии , но не имеют емкостей хранения для использования в более крупных приложениях. Эти ограничения являются естественным ограничением применимости хранилища.

Несколько исследований проявили интерес и изучили пригодность или выбор оптимального накопителя энергии для определенных приложений. Обзоры литературы включают доступную информацию о состоянии дел и сравнивают использование накопителя на основе текущих существующих проектов. [9] [10] Другие исследования делают шаг вперед в оценке накопителей энергии друг с другом и ранжируют их пригодность на основе многокритериального анализа решений . [11] [12] В другой статье предложена схема оценки посредством исследования и моделирования накопителя как эквивалентных цепей. [13] [14] В нескольких исследованиях также был предложен подход индексации, но он все еще находится на новых стадиях. [15] 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, можно получить несколько потоков доходов с помощью одного накопителя и, таким образом, также повысить степень использования. [16] В качестве двух примеров можно привести сочетание частотной характеристики и резервных служб, рассматриваемое в [17], в то время как сглаживание пиковой нагрузки вместе со сглаживанием мощности рассматривается в [18] .

Формы

Воздух

СО
2

Итальянская фирма Energy Dome использует сверхкритический (сжиженный путем сжатия) CO
2извлекается из атмосферного газгольдера. Энергия извлекается путем испарения и расширения CO
2в турбину. Газ возвращается в атмосферный газгольдер до следующего цикла зарядки. Система может работать в замкнутом цикле, избегая выбросов. В июле 2024 года Управление демонстраций чистой энергии Министерства энергетики США выделило 7 миллионов долларов на испытательный проект Energy Dome, организованный американским поставщиком газа и электроэнергии Alliant Energy. [19]

Сжатый воздух

Хранилище энергии сжатого воздуха (CAES) хранит электроэнергию путем сжатия воздуха. Сжатый воздух обычно хранится в больших подземных пещерах. Расширяющийся воздух может использоваться для привода турбин, преобразуя энергию обратно в электричество. Поскольку воздух охлаждается при расширении , на этом этапе необходимо добавить некоторое количество тепла, чтобы предотвратить замерзание. Это может быть обеспечено теплом, сохраненным из низкоуглеродного источника, или, в случае усовершенствованного CAES, повторным использованием тепла, которое выделяется при сжатии воздуха. По состоянию на 2023 год в Китае действуют три усовершенствованных проекта CAES. [20] Типичная эффективность усовершенствованных CAES составляет от 60% до 80%. [21]

Жидкий воздух

Другой метод хранения электроэнергии — сжатие и охлаждение воздуха, превращение его в жидкий воздух, который можно хранить и расширять при необходимости, вращая турбину, вырабатывающую электроэнергию. Это называется хранением энергии жидкого воздуха (LAES). [22] Воздух будет охлажден до температуры −196 °C (−320,8 °F), чтобы стать жидким. Как и в случае со сжатым воздухом, для этапа расширения необходимо тепло. В случае LAES для этого можно использовать низкопотенциальное промышленное тепло. [23] Энергоэффективность для LEAS составляет от 50% до 70%. По состоянию на 2023 год LAES переходит от докоммерческого к коммерческому. [24]

Аккумуляторы

Электростанция постоянного тока мощностью 900 Вт, использующая 16 отдельных свинцово-кислотных аккумуляторных ячеек (32 вольта), 1917 г. [25]
Кривая обучения литий-ионных аккумуляторов: цена аккумуляторов снизилась на 97% за три десятилетия. [26] [27]

Литий-ионные аккумуляторы

Литий-ионные аккумуляторы являются наиболее часто используемыми аккумуляторами для сетевых приложений, по состоянию на 2024 год , после применения аккумуляторов в электромобилях (ЭМ). По сравнению с ЭМ, сетевые аккумуляторы требуют меньшей плотности энергии , что означает, что больше внимания можно уделить затратам, возможности частой зарядки и разрядки и сроку службы. Это привело к переходу на литий-железо-фосфатные аккумуляторы (LFP-аккумуляторы), которые дешевле и имеют более длительный срок службы, чем традиционные литий-ионные аккумуляторы. [28]

Стоимость батарей стремительно снижается; с 2010 по 2023 год стоимость упала на 90%. [29] По состоянию на 2024 год на системы коммунального масштаба приходится две трети добавленной мощности, а на домашние приложения (за счетчиком) — одна треть. [30] Литий-ионные батареи отлично подходят для кратковременного хранения (<8 ч), но вряд ли станут самой дешевой формой хранения электроэнергии для длительного хранения. [28]

Электромобили
Nissan Leaf — самый продаваемый в мире электромобиль, пригодный для езды по шоссе, по состоянию на 2015 год.

Парк электромобилей имеет большую общую емкость аккумуляторов, которая потенциально может быть использована для хранения энергии в сети. Это может быть в форме транспортного средства-сети (V2G), где автомобили хранят энергию, когда они не используются, или путем повторного использования аккумуляторов из автомобилей в конце срока службы транспортного средства. Автомобильные аккумуляторы обычно находятся в диапазоне от 33 до 100 кВт·ч; [31] для сравнения, типичное домохозяйство высшего среднего класса в Испании может использовать около 18 кВт·ч в день. [32] По состоянию на 2024 год во всем мире было более 100 пилотных проектов V2G. [33] Влияние зарядки V2G на срок службы аккумуляторов может быть как положительным, так и отрицательным. Увеличение циклов аккумуляторов может привести к более быстрой деградации, но из-за лучшего управления состоянием заряда и более щадящей зарядки и разрядки V2G может вместо этого увеличить срок службы аккумуляторов. [33] [34] Бывшие в употреблении батареи могут быть пригодны для стационарного хранения в сети примерно в течение 6 лет, когда их емкость упадет примерно с 80% до 60% от первоначальной емкости. Батареи LFP особенно подходят для вторичного использования, поскольку они деградируют меньше, чем другие литий-ионные батареи, а переработка менее привлекательна, поскольку их материалы не столь ценны. [33]

Другие типы батарей

В окислительно-восстановительных проточных батареях энергия хранится в жидкостях, которые помещаются в два отдельных резервуара. При зарядке или разрядке жидкости закачиваются в ячейку с электродами. Количество хранимой энергии (устанавливается размером резервуаров) можно регулировать отдельно от выходной мощности (устанавливается скоростью насосов). [35] Проточные батареи имеют преимущества низких капитальных затрат на длительность заряда-разряда более 4 часов и длительный срок службы (много лет). Проточные батареи уступают литий-ионным батареям с точки зрения энергоэффективности , средняя эффективность составляет от 60 до 75%. Ванадий-восстановительные батареи являются наиболее коммерчески продвинутым типом проточных батарей, по состоянию на 2022 год их производят примерно 40 компаний . [36]

Натрий-ионные батареи являются возможной альтернативой литий-ионным батареям, поскольку они используют более дешевые материалы и в меньшей степени критические материалы. Они имеют более низкую плотность энергии и, возможно, более короткий срок службы. Если производить их в тех же масштабах, что и литий-ионные батареи, они могут стать на 20–30 % дешевле. [35] Железо-воздушные батареи могут быть пригодны для даже более длительного хранения, чем проточные батареи (недели), но технология еще не развита. [37]

Маховик

Маховик NASA G2

Маховики хранят энергию в форме механической энергии. Они подходят для подачи большого количества электроэнергии в течение нескольких минут и могут быстро заряжаться. Они имеют длительный срок службы и могут использоваться в условиях сильно меняющихся температур. Технология зрелая, но более дорогая, чем батареи и суперконденсаторы, и не используется часто. [23]

Powercorp в Австралии разрабатывает приложения с использованием ветровых турбин, маховиков и технологии маломощного дизельного топлива (LLD) для максимизации ветрового потока в малые сети. Система, установленная в Корал-Бей, Западная Австралия, использует ветровые турбины в сочетании с системой управления на основе маховика и LLD. Технология маховика позволяет ветровым турбинам поставлять до 95 процентов энергоснабжения Корал-Бей в определенные периоды времени, с общим годовым проникновением ветра в 45 процентов. [38]

Водород

Водород может использоваться в качестве долгосрочного хранилища. [39] Зеленый водород производится путем электролиза воды и преобразуется обратно в электричество в двигателе внутреннего сгорания или топливном элементе с эффективностью кругового перемещения примерно 41%. [40] Ожидается, что это будет более экономичным средством долгосрочного хранения возобновляемой энергии, чем гидроаккумулирующие электростанции или батареи . [2] [3]

Низкая эффективность хранения водорода накладывает экономические ограничения. [41] [42] Соотношение цен между покупкой и продажей электроэнергии должно быть по крайней мере пропорционально эффективности, чтобы система была экономичной. Может ли водород использовать инфраструктуру природного газа, зависит от строительных материалов сети, стандартов соединений и давления хранения. [43]

Водород можно хранить над землей в резервуарах или под землей в больших количествах. Подземное хранение проще всего в соляных пещерах , но только определенное количество мест имеет подходящую геологию. [44] Хранение в пористых породах, например, в пустых газовых месторождениях и некоторых водоносных горизонтах , может хранить водород в больших масштабах, но этот тип хранения может иметь некоторые недостатки. Например, часть водорода может вытекать или реагировать с образованием H 2 S или метана . [45]

Электроэнергия-газ

Power-to-gas — это технология, которая преобразует электроэнергию в газовое топливо . Существует 2 метода: первый — использовать электричество для расщепления воды и впрыскивать полученный водород в сеть природного газа. Второй, менее эффективный метод — преобразовывать углекислый газ и воду в метан (см. природный газ ) с помощью электролиза и реакции Сабатье . Избыточная мощность или мощность вне пиковой нагрузки, вырабатываемая ветряными генераторами или солнечными батареями, затем используется для балансировки нагрузки в энергосистеме. Используя существующую систему природного газа для водорода, производитель топливных элементов Hydrogenics и дистрибьютор природного газа Enbridge объединились для разработки такой системы преобразования энергии в газ в Канаде. [42]

Трубопроводное хранение водорода, где для хранения водорода используется сеть природного газа. До перехода на природный газ немецкие газовые сети работали с использованием городского газа , который по большей части состоял из водорода. Емкость хранения немецкой сети природного газа составляет более 200 000 ГВт·ч, что достаточно для нескольких месяцев потребности в энергии. Для сравнения, мощность всех немецких гидроаккумулирующих электростанций составляет всего около 40 ГВт·ч. Транспортировка энергии через газовую сеть осуществляется с гораздо меньшими потерями (<0,1%), чем в электрической сети (8%) [ необходимо разъяснение ] .

Аммиак

В моменты, когда есть избыток низкоуглеродной энергии , ее можно использовать для создания аммиачного топлива. Аммиак может быть получен путем расщепления воды на водород и кислород с помощью электричества, затем используются высокая температура и давление для соединения азота из воздуха с водородом, создавая аммиак. В жидком состоянии он похож на пропан, в отличие от водорода, который трудно хранить в виде газа под давлением или криогенно сжижать и хранить при температуре −253 °C.

Как и природный газ, хранящийся аммиак может использоваться в качестве термического топлива для транспортировки и выработки электроэнергии или использоваться в топливном элементе. [46] Стандартный резервуар жидкого аммиака объемом 60 000 м³ содержит около 211 ГВт·ч энергии, что эквивалентно годовой выработке примерно 30 ветряных турбин. Аммиак можно сжигать чисто: выделяется вода и азот, но не выделяется CO2 и мало или совсем не выделяется оксидов азота. Аммиак имеет множество применений помимо того, что он является энергоносителем, он является основой для производства многих химикатов, наиболее распространенным применением является удобрение. [47] Учитывая эту гибкость использования и то, что инфраструктура для безопасной транспортировки, распределения и использования аммиака уже существует, это делает аммиак хорошим кандидатом на роль крупномасштабного, неуглеродного энергоносителя будущего.

Гидроэлектроэнергия

Перекачиваемая вода

Плотина гидроаккумулирующей электростанции Минтан в Наньтоу , Тайвань

В 2023 году мировые гидроаккумулирующие электростанции (PHS) были крупнейшей технологией хранения с мощностью 181 ГВт по сравнению с примерно 55 ГВт хранения в аккумуляторных батареях коммунального масштаба и 33 ГВт аккумуляторных батарей за счетчиком. [48] PHS хорошо подходит для выравнивания суточных колебаний, перекачивания воды в резервуар с высоким уровнем хранения в непиковые часы и использования этой воды в пиковые часы для выработки гидроэлектроэнергии . [49] Эффективность PHS колеблется от 75% до 85%, а время отклика быстрое, от секунд до минут. [50]

Системы PHS могут быть построены только в ограниченном количестве мест. Системы гидроаккумулирования также могут быть возможны при использовании глубоких соляных пещер или строительстве полого месторождения на морском дне , и использовании самого моря в качестве более высокого резервуара. [49] Строительство PHS может быть дорогостоящим, занимает относительно много времени и может быть разрушительным для окружающей среды и людей, живущих поблизости. [49] Эффективность гидроаккумулирования может быть увеличена путем размещения плавающих солнечных панелей сверху, которые предотвращают испарение. Это также повышает эффективность солнечных панелей, поскольку они постоянно охлаждаются. [51]

Плотины гидроэлектростанций

Плотина гидроэлектростанции Фетсуи в Нью-Тайбэе , Тайвань

Плотины гидроэлектростанций с большими водохранилищами также могут эксплуатироваться для обеспечения пиковой генерации в периоды пикового спроса. Вода хранится в водохранилище в периоды низкого спроса и выпускается через установку, когда спрос выше. Чистый эффект такой же, как у гидроаккумулирующего хранилища, но без потерь при перекачке. В зависимости от емкости водохранилища установка может обеспечивать ежедневную, еженедельную или сезонную нагрузку.

Многие существующие плотины гидроэлектростанций довольно старые (например, плотина Гувера была построена в 1930-х годах), и их первоначальный проект предшествовал новым прерывистым источникам энергии, таким как ветер и солнце, на десятилетия. Гидроэлектростанция, изначально построенная для обеспечения базовой мощности, будет иметь свои генераторы, рассчитанные в соответствии со средним потоком воды в водохранилище. Модернизация такой плотины дополнительными генераторами увеличивает ее пиковую выходную мощность, тем самым увеличивая ее способность работать в качестве виртуального накопителя энергии сети. [52] [53] Бюро мелиорации США сообщает об инвестиционной стоимости в размере 69 долларов за киловатт мощности для модернизации существующей плотины [52] по сравнению с более чем 400 долларами за киловатт для пиковых генераторов на мазуте. Хотя модернизированная плотина гидроэлектростанции не хранит напрямую избыточную энергию от других генерирующих установок, она ведет себя эквивалентно, накапливая собственное топливо — поступающую речную воду — в периоды высокой выработки от других генерирующих установок. Выполняя функцию виртуального сетевого накопителя, улучшенная плотина является одной из наиболее эффективных форм хранения энергии, поскольку в ней отсутствуют потери при перекачке воды для заполнения водохранилища, а имеются лишь повышенные потери на испарение и утечки.

Плотина, которая запирает большой водохранилище, может хранить и высвобождать соответственно большое количество энергии, контролируя сток реки и поднимая или опуская уровень водохранилища на несколько метров. Ограничения применяются к эксплуатации плотин, их сбросы обычно подлежат регулируемым правительством правам на воду , чтобы ограничить воздействие на реки вниз по течению. Например, существуют ситуации в сети, когда базовые тепловые электростанции, атомные или ветряные турбины уже производят избыточную энергию ночью, плотины по-прежнему должны высвобождать достаточно воды для поддержания адекватного уровня реки, независимо от того, вырабатывается ли электричество или нет. И наоборот, существует ограничение пиковой мощности, которая, если она чрезмерна, может привести к разливу реки на несколько часов каждый день. [54]

Термальный

В Дании прямое хранение электроэнергии воспринимается как слишком дорогое для очень масштабного использования, хотя значительное использование осуществляется существующими Norwegian Hydro. Вместо этого использование существующих резервуаров для хранения горячей воды, подключенных к системам централизованного теплоснабжения, нагреваемых либо электродными котлами, либо тепловыми насосами, рассматривается как предпочтительный подход. Затем накопленное тепло передается в жилые помещения по трубам централизованного теплоснабжения .

Расплавленная соль используется для хранения тепла, собранного солнечной электростанцией , чтобы его можно было использовать для выработки электроэнергии в плохую погоду или ночью. [55]

Системы отопления и охлаждения зданий могут управляться для хранения тепловой энергии либо в массе здания, либо в выделенных тепловых резервуарах. Это тепловое хранилище может обеспечивать переключение нагрузки или даже более сложные вспомогательные услуги за счет увеличения потребления энергии (зарядка хранилища) в непиковые часы и снижения потребления энергии (разрядка хранилища) в более дорогие пиковые часы. [56] Например, электричество в непиковые часы может использоваться для производства льда из воды, и лед может храниться. Сохраненный лед может использоваться для охлаждения воздуха в большом здании, которое обычно использовало бы электрический переменный ток, тем самым сдвигая электрическую нагрузку на непиковые часы. В других системах сохраненный лед используется для охлаждения всасываемого воздуха газотурбинного генератора , тем самым увеличивая мощность генерации в пиковые часы и эффективность в пиковые часы.

Система хранения электроэнергии с насосным теплом использует высокообратимый тепловой двигатель/тепловой насос для перекачки тепла между двумя сосудами хранения, нагревая один и охлаждая другой. Британская инжиниринговая компания Isentropic, которая разрабатывает систему, заявляет о потенциальной эффективности кругового цикла от входного электричества к выходному электричеству 72–80%. [57]

Батарея Карно — это тип систем хранения энергии, которая хранит электричество в тепловом хранилище и преобразует сохраненное тепло обратно в электричество посредством термодинамических циклов. Эта концепция была исследована и разработана многими исследовательскими проектами в последнее время. [58] Одним из преимуществ этого типа системы является то, что стоимость при крупномасштабном и длительном хранении тепла может быть намного ниже, чем у других технологий хранения.

Гравитация

Альтернативы включают хранение энергии путем перемещения больших твердых масс вверх против силы тяжести. Это может быть достигнуто внутри старых шахтных стволов [59] или в специально построенных башнях, где тяжелые грузы поднимаются лебедкой для хранения энергии и позволяют контролируемому спуску высвобождать ее. [60] [61]

Экономика

Нормированная стоимость хранения электроэнергии во многом зависит от типа и цели хранения: как регулирование частоты в масштабе субсекунды , пиковые установки в масштабе минуты/часа или сезонное хранение в масштабе дня/недели. [62] [63] [64]

Использование аккумуляторных батарей, как говорят, имеет нормированную стоимость от $120 [65] до $170 [66] за МВт·ч. Это сопоставимо с газовыми турбинами открытого цикла, которые по состоянию на 2020 год имеют стоимость около $151–198 за МВт·ч. [67]

В общем, хранение энергии является экономичным, когда предельная стоимость электроэнергии варьируется больше, чем стоимость хранения и извлечения энергии плюс цена энергии, потерянной в процессе. Например, предположим, что гидроаккумулирующий резервуар может перекачивать в свой верхний резервуар объем воды, способный производить 1200 МВт·ч после учета всех потерь (испарение и просачивание в резервуаре, потери эффективности и т. д.). Если предельная стоимость электроэнергии в непиковые часы составляет 15 долларов за МВт·ч, а резервуар работает с эффективностью 75% (т. е. потребляется 1500 МВт·ч и извлекается 1200 МВт·ч энергии), то общая стоимость заполнения резервуара составляет 22 500 долларов. Если вся накопленная энергия будет продана на следующий день в часы пик по средней цене 40 долларов США за МВт·ч, то доход водохранилища за день составит 48 000 долларов США, а валовая прибыль — 25 500 долларов США.

Однако предельная стоимость электроэнергии варьируется из-за различных эксплуатационных и топливных затрат различных классов генераторов. [68] С одной стороны, электростанции с базовой нагрузкой , такие как угольные электростанции и атомные электростанции , являются генераторами с низкой предельной стоимостью, поскольку у них высокие капитальные и эксплуатационные затраты, но низкие затраты на топливо. С другой стороны, пиковые электростанции, такие как газотурбинные установки на природном газе , сжигают дорогое топливо, но их дешевле строить, эксплуатировать и обслуживать. Чтобы минимизировать общие эксплуатационные затраты на выработку электроэнергии, генераторы с базовой нагрузкой отправляются большую часть времени, в то время как генераторы с пиковой мощностью отправляются только при необходимости, как правило, когда спрос на энергию достигает пика. Это называется «экономической диспетчеризацией».

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 все чаще операторы хранят более дешевую энергию, произведенную ночью, а затем отпускают ее в сеть в пиковые периоды дня, когда она более ценна. [69] В районах, где существуют плотины гидроэлектростанций, отпуск может быть отложен до тех пор, пока спрос не станет больше; эта форма хранения распространена и может использовать существующие водохранилища. Это не хранение «излишков» энергии, произведенной в другом месте, но чистый эффект тот же — хотя и без потерь эффективности. Возобновляемые источники с переменной производительностью, такие как энергия ветра и солнца , имеют тенденцию увеличивать чистое изменение электрической нагрузки, увеличивая возможность для хранения энергии в сети.

Может быть более экономичным найти альтернативный рынок для неиспользованной электроэнергии, чем пытаться ее хранить. Высоковольтный постоянный ток позволяет передавать электроэнергию, теряя всего 3% на 1000 км.

Выравнивание нагрузки

Спрос на электроэнергию со стороны потребителей и промышленности постоянно меняется, в основном по следующим категориям:

В настоящее время существует три основных метода реагирования на меняющийся спрос:

Проблема с резервными газовыми турбинами заключается в более высоких затратах; дорогостоящее генерирующее оборудование большую часть времени простаивает. Вращающийся резерв также имеет свою стоимость; электростанции, работающие ниже максимальной мощности, обычно менее эффективны. Сетевое хранение энергии используется для переноса генерации с периодов пиковой нагрузки на непиковые часы. Электростанции могут работать с максимальной эффективностью по ночам и в выходные дни.

Стратегии выравнивания спроса и предложения могут быть направлены на снижение стоимости поставки пиковой мощности или на компенсацию прерывистой генерации ветровой и солнечной энергии.

Надежность

Практически все устройства, работающие на электричестве, подвергаются неблагоприятному воздействию внезапного отключения питания. Существуют такие решения, как ИБП ( источники бесперебойного питания ) или резервные генераторы, но они дороги. Эффективные методы хранения энергии позволят устройствам иметь встроенный резерв на случай отключения электроэнергии, а также уменьшить влияние сбоя на генерирующей станции. Примеры этого в настоящее время доступны с использованием топливных элементов и маховиков.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Коцци, Петропулос и Ваннер 2024, стр. 68.
  2. ^ ab Schrotenboer, Albert H.; Veenstra, Arjen AT; uit het Broek, Michiel AJ; Ursavas, Evrim (октябрь 2022 г.). «Зеленая водородная энергетическая система: оптимальные стратегии управления для интегрированного хранения водорода и генерации электроэнергии с использованием энергии ветра» (PDF) . Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 168 : 112744. arXiv : 2108.00530 . Bibcode : 2022RSERv.16812744S. doi : 10.1016/j.rser.2022.112744. S2CID  250941369.
  3. ^ ab Lipták, Béla (24 января 2022 г.). «Водород — ключ к устойчивой зеленой энергетике». Control . Получено 12 февраля 2023 г. .
  4. ^ Армстронг и Чианг 2022, стр. 6–7.
  5. ^ "Grid Energy Storage" (PDF) . Министерство энергетики США . Декабрь 2013 г. стр. 28. Архивировано (PDF) из оригинала 28 февраля 2017 г. . Получено 13 февраля 2017 г. .
  6. ^ Doug Hurley; Paul Peterson; Melissa Whited (май 2013 г.). «Demand Response as a Power System Resource» (PDF) . RAP Energy Solutions, Synapse Energy Economics. стр. 13. Архивировано (PDF) из оригинала 30 апреля 2017 г. . Получено 13 февраля 2017 г. .
  7. ^ "Министерство энергетики опубликовало отчет о хранении энергии в сетях". 12 декабря 2013 г. Архивировано из оригинала 13 мая 2017 г.
  8. ^ Лай, Чун Синг; Локателли, Джорджио; Пимм, Эндрю; Ву, Сяомей; Лай, Лой Лей (сентябрь 2020 г.). «Обзор долгосрочного моделирования электроэнергетических систем с накоплением энергии». Журнал более чистого производства . 280 : 124298. doi : 10.1016/j.jclepro.2020.124298 . hdl : 11311/1204822 .
  9. ^ Пализбан, Омид; Кауханиеми, Киммо (май 2016 г.). «Системы хранения энергии в современных сетях — матрица технологий и приложений». Журнал хранения энергии . 6 : 248–259. Bibcode :2016JEnSt...6..248P. doi :10.1016/j.est.2016.02.001.
  10. ^ Луо, Син; Ван, Цзихун; Дунер, Марк; Кларк, Джонатан (1 января 2015 г.). «Обзор текущего развития технологий хранения электроэнергии и потенциал их применения в работе энергосистем». Applied Energy . 137 : 511–536. Bibcode :2015ApEn..137..511L. doi : 10.1016/j.apenergy.2014.09.081 .
  11. ^ Дайм, Тугрул У.; Ли, Синь; Ким, Джисун; Симмс, Скотт (июнь 2012 г.). «Оценка технологий хранения энергии для интеграции с возобновляемой электроэнергией: количественная оценка мнений экспертов». Экологические инновации и социальные переходы . 3 : 29–49. Bibcode : 2012EIST....3...29D. doi : 10.1016/j.eist.2012.04.003.
  12. ^ Фам, Конг-Тоан; Монссон, Даниэль (ноябрь 2015 г.). «Анализ пригодности нечеткой логики как метода оценки для выбора технологий хранения энергии в приложениях Smart Grid». Международный симпозиум по интеллектуальным системам и технологиям распределения электроэнергии (EDST) 2015 г. Т. Международный симпозиум по интеллектуальным системам и технологиям распределения электроэнергии (EDST) 2015 г. стр. 452–457. doi :10.1109/SEDST.2015.7315251. ISBN 978-1-4799-7736-9. S2CID  42921444.
  13. ^ Фам, Конг-Тоан; Монссон, Даниэль (октябрь 2017 г.). «О физическом моделировании систем хранения энергии как эквивалентных цепей с описанием параметров для переменного спроса на нагрузку (часть I)». Журнал хранения энергии . 13 : 73–84. Bibcode : 2017JEnSt..13...73P. doi : 10.1016/j.est.2017.05.015.
  14. ^ Фам, Конг-Тоан; Манссон, Даниэль (август 2018 г.). «Оптимальный размер накопителя энергии с использованием моделирования эквивалентной схемы для приложений полупотребителей (часть II)». Журнал хранения энергии . 18 : 1–15. Bibcode : 2018JEnSt..18....1P. doi : 10.1016/j.est.2018.04.015. S2CID  64857425.
  15. ^ Raza, Syed Shabbar; Janajreh, Isam; Ghenai, Chaouki (декабрь 2014 г.). «Подход индекса устойчивости как критерий выбора для системы хранения энергии прерывистого возобновляемого источника энергии». Applied Energy . 136 : 909–920. Bibcode : 2018JEnSt..18....1P. doi : 10.1016/j.est.2018.04.015. S2CID  64857425.
  16. ^ Морено, Родриго; Морейра, Роберто; Стрбак, Горан (январь 2015 г.). «Модель MILP для оптимизации многофункциональных портфелей распределенного хранения энергии» (PDF) . Applied Energy . 137 : 554–566. Bibcode :2015ApEn..137..554M. doi :10.1016/j.apenergy.2014.08.080. hdl : 10044/1/39706 .
  17. ^ Ли, Рэйчел; Хоман, Сэмюэл; Мак Доуэлл, Ниалл; Браун, Соломон (15 февраля 2019 г.). «Анализ замкнутого контура систем батарей в масштабе сетки, обеспечивающих частотную характеристику и резервные услуги в сети с переменной инерцией» (PDF) . Applied Energy . 236 : 961–972. Bibcode : 2019ApEn..236..961L. doi : 10.1016/j.apenergy.2018.12.044. S2CID  116444177.
  18. ^ Рейхани, Эхсан; Моталлеб, Махди; Горбани, Реза; Саад Сауд, Лайес (февраль 2016 г.). «Сглаживание пиковых нагрузок и мощности распределительной сети с высоким уровнем проникновения возобновляемой энергии». Возобновляемая энергетика . 86 : 1372–1379. Bibcode : 2016REne...86.1372R. doi : 10.1016/j.renene.2015.09.050 .
  19. ^ Кейси, Тина (26 августа 2024 г.). «Гигантский пузырь CO2 для длительного хранения энергии». CleanTechnica . Получено 28 августа 2024 г.
  20. ^ Смит 2023, стр. 19.
  21. ^ Чжан, Синьцзин; Гао, Зию; Чжоу, Бинцянь; Го, Хуан; Сюй, Юцзе; Дин, Юлун; Чен, Хайшэн (2024). «Усовершенствованные системы хранения энергии на сжатом воздухе: основы и применение». Инженерное дело . 34 : 246–269. дои : 10.1016/j.eng.2023.12.008 . ISSN  2095-8099.
  22. ^ Смит 2023, стр. 20.
  23. ^ ab IPCC AR6 WG3 Ch6 2022, стр. 655.
  24. ^ Лян, Тин; Чжан, Тунтун; Линь, Сипэн; Алессио, Тафон; Легран, Матье; Хэ, Сюфэнь; Килдаль, Харриет; Лу, Чанг; Чэнь, Хайшэн; Романьоли, Алессандро; Ван, Ли; Хэ, Цин; Ли, Юнлян; Ян, Личжун; Дин, Юйлун (2023). «Технология хранения энергии в жидком воздухе: всесторонний обзор исследований, разработок и внедрения». Прогресс в энергетике . 5 (1): 012002. doi :10.1088/2516-1083/aca26a. ISSN  2516-1083.
  25. ^ Хокинс, Неемия (1917). Руководство по электрике Хокинса ...: вопросы, ответы и иллюстрации; прогрессивный курс обучения для инженеров, электриков, студентов и тех, кто желает приобрести практические знания об электричестве и его применении; практический трактат. T. Audel & Company. стр. 989–.
  26. ^ Циглер, Мика С.; Транчик, Джессика Э. (2021). «Пересмотр темпов совершенствования технологии литий-ионных аккумуляторов и снижения стоимости». Энергетика и наука об окружающей среде . 14 (4): 1635–1651. arXiv : 2007.13920 . doi : 10.1039/D0EE02681F . ISSN  1754-5692. S2CID  220830992.
  27. ^ «Цена на батареи снизилась на 97% за последние три десятилетия». Our World in Data . Получено 26 апреля 2022 г. .
  28. ^ ab Cozzi, Petropoulos & Wanner 2024, стр. 45.
  29. ^ Коцци, Петропулос и Ваннер 2024, стр. 18.
  30. ^ Коцци, Петропулос и Ваннер 2024, стр. 20.
  31. ^ Сюй, Чэнцзянь; Беренс, Пол; Гаспер, Пол; Смит, Кандлер; Ху, Минмин; Таккер, Арнольд; Штойбинг, Бернхард (17 января 2023 г.). «Одни только аккумуляторы для электромобилей могли бы удовлетворить краткосрочный спрос на хранение энергии в сетях уже к 2030 году». Nature Communications . 14 (1). doi :10.1038/s41467-022-35393-0. ISSN  2041-1723. PMC 9845221 . 
  32. ^ Гарсия-Васкес, Карлос Андрес; Эспиноза-Ортега, Эрнан; Льоренс-Иборра, Франсиско; Фернандес-Рамирес, Луис М. (1 ноября 2022 г.). «Анализ осуществимости гибридной системы возобновляемой энергии с операциями «транспорт-дом» для дома в автономных и подключенных к сети приложениях». Устойчивые города и общество . 86 : 104124. doi : 10.1016/j.scs.2022.104124. ISSN  2210-6707.
  33. ^ abc Агилар Лопес, Фернандо; Лауингер, Дирк; Вюй, Франсуа; Мюллер, Даниэль Б. (16 мая 2024 г.). «О потенциале аккумуляторов, подключаемых к сети, и батарей вторичного использования для обеспечения энергетической и материальной безопасности». Nature Communications . 15 (1). doi :10.1038/s41467-024-48554-0. ISSN  2041-1723. PMC 11099178 . 
  34. ^ Бхойр, Шубхам; Калиандро, Присцилла; Бривио, Клаудио (1 декабря 2021 г.). «Влияние предоставления услуг V2G на срок службы батареи». Журнал хранения энергии . 44 : 103178. doi : 10.1016/j.est.2021.103178. ISSN  2352-152X.
  35. ^ ab Cozzi, Petropoulos & Wanner 2024, стр. 46.
  36. ^ Толмачев, Юрий В. (1 марта 2023 г.). «Обзор — Проточные батареи с 1879 по 2022 год и далее». Журнал Электрохимического общества . 170 (3): 030505. Bibcode : 2023JElS..170c0505T. doi : 10.1149/1945-7111/acb8de. ISSN  0013-4651.
  37. ^ ab Cozzi, Petropoulos & Wanner 2024, стр. 47.
  38. ^ "Coral Bay PowerStore Flywheel Project". DOE Global Energy Storage Database . Архивировано из оригинала 26 августа 2017 года . Получено 26 августа 2017 года .,
  39. ^ Смит 2023, стр. 5.
  40. ^ Смит 2023, стр. 14.
  41. ^ Эберле, Ульрих; Мюллер, Бернд; фон Гельмольт, Риттмар (15 июля 2012 г.). «Электромобили на топливных элементах и ​​инфраструктура водорода: статус 2012 г.». Королевское химическое общество . Архивировано из оригинала 9 февраля 2014 г. Получено 8 января 2013 г.
  42. ^ ab Anscombe, Nadya (4 июня 2012 г.). «Хранение энергии: может ли водород стать ответом?». Solar Novus Today . Архивировано из оригинала 19 августа 2013 г. Получено 3 ноября 2012 г.
  43. ^ "Переоборудование газовой системы Великобритании для транспортировки водорода". Архивировано из оригинала 16 мая 2016 года.
  44. ^ Армстронг и Чианг 2022, стр. 150.
  45. ^ Miocic, Johannes; Heinemann, Niklas; Edlmann, Katriona; Scafidi, Jonathan; Molaei, Fatemeh; Alcalde, Juan (30 августа 2023 г.). «Подземное хранение водорода: обзор». Геологическое общество, Лондон, Специальные публикации . 528 (1): 73–86. doi :10.1144/SP528-2022-88. ISSN  0305-8719.
  46. ^ Лан, Ронг; Тао, Шаньвэнь (5 мая 2018 г.). «Аммиак как подходящее топливо для топливных элементов». Frontiers in Energy Research . 2. doi : 10.3389/fenrg.2014.00035 .
  47. ^ Service, Robert F. (12 июля 2018 г.). «Аммиак — возобновляемое топливо, получаемое из солнца, воздуха и воды, — может обеспечить энергией весь мир без углерода». Наука | AAAS . Получено 15 апреля 2021 г. .
  48. ^ "Глобальная установленная емкость хранения энергии по сценариям, 2023 и 2030 гг. – Диаграммы – Данные и статистика". Международное энергетическое агентство . Получено 25 августа 2024 г.
  49. ^ abc IPCC AR6 WG3 Ch6 2022, стр. 654.
  50. ^ Джавед, Мухаммад Шахзад; Ма, Тао; Юраш, Якуб; Амин, Мухаммад Ясир (1 апреля 2020 г.). «Системы солнечной и ветровой генерации с гидроаккумулированием: обзор и перспективы на будущее». Возобновляемая энергия . 148 : 176–192. doi :10.1016/j.renene.2019.11.157. ISSN  0960-1481.
  51. ^ IRENA 2020, стр. 7.
  52. ^ ab "Гидроэлектростанции" (PDF) . Бюро мелиорации США . Архивировано из оригинала (PDF) 21 октября 2008 г. . Получено 13 октября 2008 г. .
  53. ^ "Страница проекта SCPPA Hoover". Southern California Public Power Authority . Архивировано из оригинала 27 сентября 2008 года . Получено 13 октября 2008 года .
  54. ^ "Переосмысление наших водных путей - 5.3 Планы водопользования". www.rethinkingwater.ca . Архивировано из оригинала 5 октября 2017 г. . Получено 5 мая 2018 г. .
  55. ^ Преимущества использования расплавленной соли Архивировано 5 июня 2011 г. в Wayback Machine Том Манчини, Sandia National Laboratories, Альбукерке, Нью-Мексико Доступно в декабре 2007 г.
  56. ^ Ли, Закари Э.; Сан, Цинсюань; Ма, Чжао; Ван, Цзянфэн; Макдональд, Джейсон С.; Чжан, К. Макс (февраль 2020 г.). «Предоставление сетевых услуг с помощью тепловых насосов: обзор». Журнал инженерии для устойчивых зданий и городов . 1 (1). doi : 10.1115/1.4045819 . S2CID  213898377.
  57. ^ "Технология PHES компании Isentropic". Архивировано из оригинала 10 октября 2014 г.
  58. ^ Дюмон, Оливье; Фрате, Гвидо Франческо; Пиллаи, Адитья; Лекомпт, Стивен; Депаепе, Мишель; Леморт, Винсент (2020). «Технология батарей Карно: обзор современного состояния». Журнал хранения энергии . 32 : 101756. Bibcode : 2020JEnSt..3201756D. doi : 10.1016/j.est.2020.101756. hdl : 2268/251473 . ISSN  2352-152X. S2CID  225019981.
  59. ^ «Как заброшенные шахты Великобритании можно использовать для хранения возобновляемой энергии». The Guardian . 21 октября 2019 г.
  60. ^ Гурли, Перри (31 августа 2020 г.). «Эдинбургская фирма, стоящая за невероятным проектом по хранению гравитационной энергии, приветствует достижение важной вехи». www.edinburghnews.scotsman.com . Получено 1 сентября 2020 г.
  61. ^ Акшат Рати (18 августа 2018 г.). «Укладка бетонных блоков — удивительно эффективный способ хранения энергии». Кварц .
  62. ^ «Некоторые хранилища энергии уже стоят конкурентоспособно, новое исследование оценки показывает». Utility Dive . 24 ноября 2015 г. Архивировано из оригинала 18 октября 2016 г. Получено 15 октября 2016 г.
  63. ^ "Lazard's Levelized Cost of Storage Analysis" (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 2 февраля 2017 г. . Получено 2 февраля 2017 г. .
  64. ^ Лай, Чун Синг; Маккалок, Малкольм Д. (март 2017 г.). «Выровненная стоимость электроэнергии для солнечных фотоэлектрических систем и систем хранения электрической энергии». Applied Energy . 190 : 191–203. Bibcode : 2017ApEn..190..191L. doi : 10.1016/j.apenergy.2016.12.153. S2CID  113623853.
  65. ^ Chip Register (13 января 2015 г.). «Революция в области аккумуляторов: технологический прорыв, обсуждение экономики и применения на уровне сети с использованием Eos Energy Storage». Forbes . Архивировано из оригинала 11 ноября 2016 г.
  66. ^ "Eos Energy Storage – Technology and Products". eosenergystorage.com . Архивировано из оригинала 6 февраля 2014 года.
  67. ^ "Нивелированная стоимость энергии и хранения". Архивировано из оригинала 20 февраля 2021 г. Получено 5 января 2021 г.
  68. ^ Лай, Чун Синг; Цзя, Ювэй; Сюй, Чжао; Лай, Лой Лэй; Ли, Сюэкун; Цао, Цзюнь; Маккалок, Малкольм Д. (декабрь 2017 г.). «Выровненная стоимость электроэнергии для гибридной системы фотоэлектрической/биогазовой электростанции с затратами на деградацию хранения электроэнергии». Преобразование энергии и управление . 153 : 34–47. Bibcode : 2017ECM...153...34L. doi : 10.1016/j.enconman.2017.09.076.
  69. ^ Управление энергетической информации / Ежегодный обзор энергетики 2006 г. Архивировано 25 июня 2008 г. на Wayback Machine , таблица 8.2a.
  70. ^ "BBC News – Christmas Television – Великая война телевизионных рейтингов". BBC . Архивировано из оригинала 12 января 2009 года.

Цитируемые источники

Внешние ссылки