Хранение энергии — это улавливание энергии , произведенной в один момент времени, для использования в более позднее время [1] для уменьшения дисбаланса между спросом на энергию и ее производством. Устройство, накапливающее энергию, обычно называют аккумулятором или батареей . Энергия существует в нескольких формах, включая радиацию, химическую , гравитационный потенциал , электрический потенциал , электричество, повышенную температуру, скрытое тепло и кинетическую . Хранение энергии предполагает преобразование энергии из форм, которые трудно хранить, в более удобные и экономичные формы.
Некоторые технологии обеспечивают кратковременное хранение энергии, тогда как другие могут работать гораздо дольше. В настоящее время в хранении энергии преобладают плотины гидроэлектростанций, как обычных, так и насосных. Сетевое хранение энергии — это совокупность методов, используемых для хранения энергии в больших масштабах в электрической сети.
Распространенными примерами хранения энергии являются перезаряжаемые батареи , которые хранят химическую энергию, легко преобразуемую в электричество для работы мобильного телефона; плотина гидроэлектростанции , которая хранит энергию в водохранилище в виде гравитационной потенциальной энергии ; и резервуары для хранения льда , в которых в ночное время хранится лед, замороженный с помощью более дешевой энергии, чтобы удовлетворить пиковую дневную потребность в охлаждении. 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. [ нужна ссылка ] [2] [ не удалось проверить ] [3] [ не удалось проверить ] Ископаемое топливо , такое как уголь и бензин, хранит древнюю энергию, полученную от солнечного света организмами, которые позже умерли, были похоронены и со временем были преобразованы в это топливо. Еда (которая производится тем же процессом, что и ископаемое топливо) — это форма энергии, хранящаяся в химической форме.
В энергосистеме 20-го века электроэнергия в основном производилась за счет сжигания ископаемого топлива. Когда требовалось меньше мощности, сжигалось меньше топлива. [4] Гидроэнергетика , метод хранения механической энергии, является наиболее широко распространенным способом хранения механической энергии и используется на протяжении веков. Крупные плотины гидроэлектростанций уже более ста лет служат хранилищами энергии. [5] Проблемы загрязнения воздуха, импорта энергии и глобального потепления привели к росту использования возобновляемых источников энергии, таких как солнечная и ветровая энергия. [4] Энергия ветра не контролируется и может генерироваться в то время, когда дополнительная мощность не требуется. Солнечная энергия варьируется в зависимости от облачности и в лучшем случае доступна только в дневное время, тогда как спрос часто достигает пика после захода солнца ( см. кривую утки ). Интерес к хранению энергии из этих непостоянных источников растет по мере того, как отрасль возобновляемой энергетики начинает генерировать большую долю общего потребления энергии. [6]
Использование автономной электроэнергии было нишевым рынком в 20 веке, но в 21 веке оно расширилось. Портативные устройства используются во всем мире. Солнечные панели теперь распространены в сельской местности по всему миру. Доступ к электроэнергии теперь является вопросом экономики и финансовой жизнеспособности, а не только технических аспектов. Электромобили постепенно вытесняют автомобили с двигателями внутреннего сгорания. Однако обеспечение транспорта на дальние расстояния без сжигания топлива все еще находится в стадии разработки.
Следующий список включает в себя различные типы накопителей энергии:
Энергию можно хранить в воде, перекачиваемой на более высокую высоту, используя методы гидроаккумулирования или путем перемещения твердых веществ на более высокие места ( гравитационные батареи ). Другие коммерческие механические методы включают сжатие воздуха и маховики , которые преобразуют электрическую энергию во внутреннюю энергию или кинетическую энергию, а затем обратно, когда потребность в электроэнергии достигает пика.
Плотины гидроэлектростанций с водохранилищами могут использоваться для обеспечения электроэнергией в периоды пиковой нагрузки. Вода хранится в резервуаре в периоды низкого спроса и сбрасывается, когда спрос высок. Конечный эффект аналогичен гидроаккумулированию, но без потерь при перекачке.
Хотя плотина гидроэлектростанции не хранит напрямую энергию от других энергоблоков, она ведет себя аналогичным образом, снижая выработку в периоды избытка электроэнергии из других источников. В этом режиме плотины являются одной из наиболее эффективных форм хранения энергии, поскольку изменяются только сроки ее генерации. Гидроэлектрические турбины имеют время запуска порядка нескольких минут. [7]
Во всем мире гидроаккумулирующая гидроэлектроэнергия (PSH) является самой мощной формой активного хранения энергии в сети, и по состоянию на март 2012 года Научно-исследовательский институт электроэнергетики (EPRI) сообщает, что на долю PSH приходится более 99% общей мощности накопителей. во всем мире, что составляет около 127 000 МВт . [8] Энергоэффективность PSH на практике варьируется от 70% до 80%, [8] [9] [10] [11] с заявленными значениями до 87%. [12]
В периоды низкого спроса на электроэнергию избыточные генерирующие мощности используются для перекачки воды из более низкого источника в более высокий резервуар. Когда спрос растет, вода сбрасывается обратно в нижний резервуар (или водный путь или водоем) через турбину , производящую электроэнергию. Реверсивные турбогенераторные агрегаты действуют как насос и турбина (обычно конструкция турбины Фрэнсиса ). Почти все объекты используют перепад высот между двумя водоемами. Чистые гидроаккумулирующие станции перемещают воду между резервуарами, тогда как подход «обратной закачки» представляет собой комбинацию гидроаккумулирующих электростанций и обычных гидроэлектростанций , использующих естественный поток рек.
Система хранения энергии сжатого воздуха (CAES) использует избыточную энергию для сжатия воздуха для последующего производства электроэнергии. [13] Малые системы уже давно используются в таких приложениях, как приведение в движение шахтных локомотивов. Сжатый воздух хранится в подземном резервуаре , таком как соляной купол .
Установки хранения энергии на сжатом воздухе (CAES) могут устранить разрыв между нестабильностью производства и нагрузкой. Система хранения данных CAES удовлетворяет энергетические потребности потребителей, эффективно обеспечивая легкодоступную энергию для удовлетворения спроса. Возобновляемые источники энергии, такие как ветер и солнечная энергия, различаются. Поэтому иногда, когда они обеспечивают мало энергии, их необходимо дополнять другими формами энергии для удовлетворения спроса на энергию. Установки хранения энергии на сжатом воздухе могут использовать избыточную выработку энергии из возобновляемых источников энергии в периоды перепроизводства энергии. Эту накопленную энергию можно использовать позже, когда спрос на электроэнергию увеличится или доступность энергоресурсов уменьшится. [14]
Сжатие воздуха создает тепло ; воздух после сжатия становится теплее. Для расширения требуется тепло. Если не добавлять дополнительное тепло, воздух после расширения будет намного холоднее. Если тепло, выделяемое при сжатии, можно сохранить и использовать при расширении, эффективность значительно повысится. [15] Система CAES может бороться с нагревом тремя способами. Хранение воздуха может быть адиабатическим , диабатическим или изотермическим . Другой подход использует сжатый воздух для привода транспортных средств. [16] [17]
Накопитель энергии на маховике (FES) работает путем ускорения ротора ( маховика ) до очень высокой скорости, удерживая энергию в виде энергии вращения . Когда энергия добавляется, скорость вращения маховика увеличивается, а когда энергия извлекается, скорость снижается из-за сохранения энергии .
Большинство систем FES используют электричество для ускорения и замедления маховика, но рассматриваются устройства, которые напрямую используют механическую энергию. [18]
Системы FES имеют роторы, изготовленные из высокопрочных композитов из углеродного волокна , подвешенные на магнитных подшипниках и вращающиеся со скоростью от 20 000 до более 50 000 оборотов в минуту (об/мин) в вакуумной камере. [19] Такие маховики могут достигать максимальной скорости («заряда») за считанные минуты. Система маховика соединена с комбинацией электродвигатель / генератор .
Системы FES имеют относительно длительный срок службы (десятки лет при незначительном обслуживании или вообще без него; [19] указанный срок службы полного цикла для маховиков варьируется от более 10 5 до 10 7 циклов использования), [20] высокую удельную энергию ( 100–130 Вт·ч/кг или 360–500 кДж/кг) [20] [21] и удельная мощность .
Изменение высоты твердых масс может накапливать или выделять энергию с помощью подъемной системы, приводимой в движение электродвигателем/генератором. Исследования показывают, что энергия может начать выделяться всего за 1 секунду предупреждения, что делает этот метод полезным дополнительным питанием в электросети для балансировки скачков нагрузки. [22]
Эффективность может достигать 85% рекуперации накопленной энергии. [23]
Этого можно достичь, поместив массы внутри старых вертикальных шахтных стволов или в специально построенных башнях, где тяжелые грузы поднимаются лебедкой для накопления энергии и позволяют контролируемому спуску высвободить ее. В 2020 году в Эдинбурге, Шотландия, строится прототип вертикального магазина [24].
Потенциальное хранилище энергии или гравитационное хранилище энергии активно разрабатывалось в 2013 году совместно с Калифорнийским независимым системным оператором . [25] [26] [27] Он исследовал движение заполненных землей вагонов -хопперов , приводимых в движение электровозами, с нижних на более высокие высоты. [28]
Другие предлагаемые методы включают:
Аккумулирование тепловой энергии (ТЭС) – это временное хранение или отвод тепла.
Реальное накопление тепла использует явное тепло в материале для хранения энергии. [33]
Сезонное хранение тепловой энергии (STES) позволяет использовать тепло или холод через несколько месяцев после того, как оно было собрано из отходов или природных источников. Материал может храниться в закрытых водоносных горизонтах, группах скважин в геологических субстратах, таких как песок или кристаллическая коренная порода, в облицованных ямах, заполненных гравием и водой, или в заполненных водой шахтах. [34] Проекты сезонного хранения тепловой энергии (СТЭС) часто окупаются за четыре-шесть лет. [35] Примером может служить солнечное сообщество Drake Landing в Канаде, для которого 97% круглогодичного тепла обеспечивается солнечно-тепловыми коллекторами на крышах гаражей, работающими благодаря скважинному накопителю тепловой энергии (BTES). [36] [37] [38] В Брадструпе, Дания, солнечная система централизованного теплоснабжения также использует STES при температуре 65 °C (149 °F). Тепловой насос , который работает только при наличии избыточной энергии ветра. Он используется для повышения температуры до 80 ° C (176 ° F) при распространении. Когда энергия ветра недоступна, используется газовый котел. Двадцать процентов тепла Бредструпа приходится на солнечное излучение. [39]
Системы хранения скрытой тепловой энергии работают путем передачи тепла к материалу или от него для изменения его фазы. Фазовый переход — это плавление, затвердевание, испарение или сжижение. Такой материал называется материалом с фазовым переходом (PCM). Материалы, используемые в LHTES, часто имеют высокую скрытую теплоту , поэтому при их конкретной температуре фазовый переход поглощает большое количество энергии, намного больше, чем явное тепло. [40]
Паровой аккумулятор — это тип LHTES, в котором фазовый переход происходит между жидкостью и газом и используется скрытая теплота испарения воды. Системы кондиционирования воздуха с хранилищем льда используют внепиковую электроэнергию для хранения холода путем замораживания воды в лед. Накопленный во льду холод высвобождается в процессе таяния и может быть использован для охлаждения в часы пик.
Воздух можно сжижать путем охлаждения с помощью электричества и хранить в виде криогена с помощью существующих технологий. Затем жидкий воздух можно расширить с помощью турбины, а полученную энергию восстановить в виде электричества. Система была продемонстрирована на пилотной электростанции в Великобритании в 2012 году. [41] В 2019 году Highview объявила о планах построить электростанцию мощностью 50 МВт на севере Англии и северном Вермонте, при этом предлагаемая установка сможет хранить от пяти до восьми часов энергии. , для аккумулирующей мощности 250-400 МВтч. [42]
Электрическая энергия может храниться термически с помощью резистивного нагрева или тепловых насосов, а накопленное тепло может быть преобразовано обратно в электричество с помощью цикла Ренкина или цикла Брайтона . [43] Эта технология была изучена для модернизации угольных электростанций в системы генерации без использования ископаемого топлива. [44] Угольные котлы заменяются высокотемпературными накопителями тепла, заряжаемыми избыточной электроэнергией из возобновляемых источников энергии. В 2020 году Немецкий аэрокосмический центр приступил к строительству первой в мире крупномасштабной аккумуляторной системы Карно емкостью 1000 МВтч. [45]
Перезаряжаемая батарея содержит один или несколько электрохимических элементов . Он известен как «вторичный элемент», поскольку его электрохимические реакции электрически обратимы. Аккумуляторные батареи бывают разных форм и размеров: от таблеточных элементов до мегаваттных сетевых систем.
Аккумуляторные батареи имеют более низкую общую стоимость использования и воздействие на окружающую среду, чем неперезаряжаемые (одноразовые) батареи. Некоторые типы перезаряжаемых батарей доступны в том же форм-факторе, что и одноразовые. Аккумуляторные батареи имеют более высокую первоначальную стоимость, но их можно перезаряжать очень дешево и использовать много раз.
Общий химический состав аккумуляторных батарей включает в себя:
Проточная батарея работает путем пропускания раствора через мембрану, где происходит обмен ионов для зарядки или разрядки элемента. Напряжение элемента химически определяется уравнением Нернста и в практических приложениях колеблется от 1,0 В до 2,2 В. Емкость хранения зависит от объема раствора. Проточная батарея технически похожа как на топливный элемент , так и на электрохимический аккумуляторный элемент . Коммерческие приложения предназначены для длительного хранения в полупериоде, например, для резервного электроснабжения.
Суперконденсаторы , также называемые электрическими двухслойными конденсаторами (EDLC) или ультраконденсаторами, представляют собой семейство электрохимических конденсаторов [49] , которые не имеют обычных твердых диэлектриков . Емкость определяется двумя принципами хранения: двухслойной емкостью и псевдоемкостью . [50] [51]
Суперконденсаторы заполняют пробел между обычными конденсаторами и перезаряжаемыми батареями . Они хранят наибольшую энергию на единицу объема или массы ( плотность энергии ) среди конденсаторов. Они выдерживают до 10 000 фарад /1,2 В, [52] в 10 000 раз больше, чем электролитические конденсаторы , но передают или принимают менее половины мощности в единицу времени ( плотность мощности ). [49]
Хотя удельная энергия и плотность энергии суперконденсаторов составляют примерно 10% от аккумуляторов, их удельная мощность обычно в 10–100 раз выше. Это приводит к гораздо более коротким циклам зарядки/разрядки. Кроме того, они выдерживают гораздо больше циклов зарядки-разрядки, чем аккумуляторы.
Суперконденсаторы имеют множество применений, в том числе:
Энергия в газ — это преобразование электроэнергии в газообразное топливо , такое как водород или метан . Три коммерческих метода используют электричество для превращения воды в водород и кислород посредством электролиза .
В первом методе водород впрыскивается в сеть природного газа или используется для транспортировки. Второй метод заключается в объединении водорода с диоксидом углерода для получения метана с использованием реакции метанирования , такой как реакция Сабатье , или биологического метанирования, что приводит к дополнительным потерям при преобразовании энергии в 8%. Затем метан можно подавать в сеть природного газа. Третий метод использует выходной газ генератора древесного газа или биогазовой установки после того, как освежитель биогаза смешивается с водородом из электролизера, для повышения качества биогаза.
Элемент водород может быть формой запасенной энергии. Водород может производить электричество с помощью водородного топливного элемента . 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 . [ нужна ссылка ] [2] [ не удалось проверить ] [3] [ не удалось проверить ]
При проникновении менее 20% потребности в сети возобновляемые источники энергии не меняют серьезно экономику; но за пределами примерно 20% общего спроса [53] важное значение приобретает внешнее хранилище. Если эти источники использовать для получения ионного водорода, их можно будет свободно расширять. Пятилетняя пилотная программа на уровне местного сообщества с использованием ветряных турбин и водородных генераторов началась в 2007 году в отдаленном поселке Рамеа, Ньюфаундленд и Лабрадор . [54] Похожий проект начался в 2004 году на Утсире , небольшом норвежском острове.
Потери энергии, связанные с циклом хранения водорода , возникают в результате электролиза воды, сжижения или сжатия водорода и преобразования в электричество. [55]
Для производства килограмма водорода требуется около 50 кВт·ч (180 МДж) солнечной энергии, поэтому стоимость электроэнергии имеет решающее значение. При цене 0,03 доллара за кВтч, обычной в США внепиковой стоимости высоковольтной линии , водород стоит 1,50 доллара за килограмм электроэнергии, что эквивалентно 1,50 доллара за галлон бензина . Другие затраты включают установку электролизера , компрессоры водорода или сжижение , хранение и транспортировку . [ нужна цитата ]
Водород также можно получить из алюминия и воды , сняв естественный барьер из оксида алюминия и введя его в воду. Этот метод выгоден, поскольку переработанные алюминиевые банки можно использовать для производства водорода, однако системы, использующие этот вариант, не были коммерчески разработаны и намного сложнее, чем системы электролиза. [56] Общие методы удаления оксидного слоя включают каустические катализаторы, такие как гидроксид натрия и сплавы с галлием , ртутью и другими металлами. [57]
Подземное хранение водорода — это практика хранения водорода в пещерах , соляных куполах и истощенных месторождениях нефти и газа. [58] [59] Большие количества газообразного водорода хранились в пещерах Imperial Chemical Industries в течение многих лет без каких-либо проблем. [60] Европейский проект Hyunder в 2013 году указал, что для хранения энергии ветра и солнца с использованием подземного водорода потребуется 85 пещер. [61]
Powerpaste — это жидкий гель на основе магния и водорода , который при реакции с водой выделяет водород . Он был изобретен , запатентован и разрабатывается Фраунгоферовским институтом производственных технологий и передовых материалов ( IFAM ) Fraunhofer-Gesellschaft . Powerpaste производится путем объединения порошка магния с водородом с образованием гидрида магния в процессе, проводимом при 350 °C и давлении, в пять-шесть раз превышающем атмосферное . Затем добавляют сложный эфир и соль металла для получения готового продукта . Фраунгофер заявляет, что они строят завод, который начнет производство в 2021 году и будет производить 4 тонны Powerpaste в год. [62] Фраунгофер запатентовал свое изобретение в США и ЕС . [63] Фраунгофер утверждает, что Powerpaste способен хранить водородную энергию с плотностью энергии, в 10 раз превышающей плотность энергии литиевой батареи аналогичного размера, и безопасен и удобен для автомобильных ситуаций. [62]
Метан – простейший углеводород с молекулярной формулой CH 4 . Метан легче хранить и транспортировать, чем водород. Инфраструктура хранения и сжигания (трубопроводы, газометры , электростанции) развита.
Синтетический природный газ ( синтетический газ или СНГ) может быть создан в ходе многоэтапного процесса, начиная с водорода и кислорода. Затем водород вступает в реакцию с диоксидом углерода в процессе Сабатье , в результате чего образуется метан и вода. Метан можно хранить, а затем использовать для производства электроэнергии. Полученная вода перерабатывается, что снижает потребность в воде. На этапе электролиза кислород хранится для сжигания метана в среде чистого кислорода на соседней электростанции, удаляя оксиды азота .
При сжигании метана образуются углекислый газ (CO 2 ) и вода. Диоксид углерода можно переработать для ускорения процесса Сабатье, а воду можно повторно использовать для дальнейшего электролиза. Производство, хранение и сжигание метана перерабатывает продукты реакции.
CO 2 имеет экономическую ценность как компонент вектора хранения энергии, а не как стоимость, как при улавливании и хранении углерода .
Преобразование энергии в жидкость аналогично преобразованию энергии в газ, за исключением того, что водород преобразуется в жидкости, такие как метанол или аммиак . С ними легче обращаться, чем с газами, и они требуют меньше мер безопасности, чем водород. Их можно использовать для транспорта , в том числе на самолетах , а также в промышленных целях или в энергетике. [64]
Различные виды биотоплива, такие как биодизель , растительное масло , спиртовое топливо или биомасса , могут заменить ископаемое топливо . Различные химические процессы могут превращать углерод и водород в угле, природном газе, растительной и животной биомассе и органических отходах в короткие углеводороды, пригодные в качестве замены существующему углеводородному топливу. Примерами являются дизельное топливо Фишера-Тропша , метанол , диметиловый эфир и синтез-газ . Этот дизельный источник широко использовался во время Второй мировой войны в Германии, которая столкнулась с ограниченным доступом к запасам сырой нефти. По тем же причинам Южная Африка производит большую часть дизельного топлива в стране из угля. [65] Долгосрочная цена на нефть выше 35 долларов США за баррель может сделать такое крупномасштабное синтетическое жидкое топливо экономичным.
Ряд исследователей предлагали алюминий в качестве хранилища энергии. Его электрохимический эквивалент (8,04 Ач/см3) почти в четыре раза больше, чем у лития (2,06 Ач/см3). [66] Энергию можно извлечь из алюминия путем реакции его с водой с образованием водорода . [67] Однако сначала его необходимо очистить от естественного оксидного слоя, а этот процесс требует измельчения, [68] химических реакций с едкими веществами или сплавами. [57] Побочным продуктом реакции создания водорода является оксид алюминия , который можно переработать в алюминий с помощью процесса Холла-Эру , что делает реакцию теоретически возобновляемой. [57] Если процесс Холла-Эру осуществляется с использованием солнечной или ветровой энергии, алюминий можно использовать для хранения производимой энергии с более высокой эффективностью, чем прямой солнечный электролиз. [69]
Бор , [70], кремний , [71] и цинк [72] были предложены в качестве решений для хранения энергии.
Органическое соединение норборнадиен под воздействием света превращается в квадрициклан , сохраняя солнечную энергию в виде энергии химических связей. Рабочая система была разработана в Швеции как молекулярная солнечная тепловая система. [73]
Конденсатор (первоначально известный как «конденсатор») представляет собой пассивный двухконтактный электрический компонент , используемый для электростатического хранения энергии . Практические конденсаторы сильно различаются, но все они содержат как минимум два электрических проводника (обкладки), разделенных диэлектриком ( т. е. изолятором ). Конденсатор может хранить электрическую энергию, когда он отключен от цепи зарядки, поэтому его можно использовать как временную батарею или как другие типы перезаряжаемых систем хранения энергии . [74] Конденсаторы обычно используются в электронных устройствах для поддержания электропитания во время замены батарей. (Это предотвращает потерю информации в энергозависимой памяти.) Обычные конденсаторы обеспечивают менее 360 джоулей на килограмм, тогда как обычная щелочная батарея имеет плотность 590 кДж/кг.
Конденсаторы хранят энергию в электростатическом поле между пластинами. При наличии разности потенциалов между проводниками (например, когда конденсатор подключен к батарее) в диэлектрике возникает электрическое поле , в результате чего положительный заряд (+Q) собирается на одной пластине, а отрицательный заряд (-Q) — на другая тарелка. Если батарея подключена к конденсатору на достаточное время, через конденсатор не может течь ток. Однако если к выводам конденсатора приложить ускоряющее или переменное напряжение, может протекать ток смещения . Помимо обкладок конденсатора, заряд может храниться и в диэлектрическом слое. [75]
Емкость больше при более узком расстоянии между проводниками и когда проводники имеют большую площадь поверхности. На практике диэлектрик между пластинами излучает небольшой ток утечки и имеет предел напряженности электрического поля, известный как напряжение пробоя . Однако эффект восстановления диэлектрика после высоковольтного пробоя открывает перспективы для нового поколения самовосстанавливающихся конденсаторов. [76] [77] Проводники и выводы создают нежелательную индуктивность и сопротивление .
Исследования оценивают квантовые эффекты наноразмерных конденсаторов [78] для цифровых квантовых батарей. [79] [80]
Системы сверхпроводникового хранения магнитной энергии (SMES) хранят энергию в магнитном поле , создаваемом потоком постоянного тока в сверхпроводящей катушке, охлажденной до температуры ниже критической температуры сверхпроводимости . Типичная система SMES включает в себя сверхпроводящую катушку , систему кондиционирования питания и холодильник. После того как сверхпроводящая катушка заряжена, ток не затухает, и магнитная энергия может сохраняться неопределенно долго. [81]
Запасенная энергия может быть передана в сеть путем разрядки катушки. На соответствующий 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 обеспечивают КПД в обе стороны более 95%. [82]
Из-за энергетических потребностей в охлаждении и стоимости сверхпроводящих проводов , SMES используется для кратковременного хранения, например, для улучшения качества электроэнергии . Он также имеет приложения для балансировки сети. [81]
Классическим применением до промышленной революции было управление водными путями для привода водяных мельниц для переработки зерна или привода машин. Сложные системы водохранилищ и плотин были построены для хранения и выпуска воды (и содержащейся в ней потенциальной энергии ), когда это необходимо. [83]
Ожидается, что домашнее хранение энергии станет все более распространенным, учитывая растущую важность распределенного производства возобновляемых источников энергии (особенно фотоэлектрических) и важную долю энергопотребления в зданиях. [84] Чтобы превысить уровень самообеспеченности в 40% в домашнем хозяйстве, оснащенном фотоэлектрическими установками, необходимо накопление энергии. [84] Многие производители производят системы перезаряжаемых батарей для хранения энергии, как правило, для хранения избыточной энергии от домашней солнечной или ветровой генерации. Сегодня для домашнего хранения энергии литий-ионные аккумуляторы предпочтительнее свинцово-кислотных, учитывая их аналогичную стоимость, но гораздо лучшую производительность. [85]
Tesla Motors производит две модели Tesla Powerwall . Одна из них — версия с недельным циклом на 10 кВтч для резервных приложений, а другая — версия на 7 кВтч для приложений с ежедневным циклом. [86] В 2016 году ограниченная версия Tesla Powerpack 2 стоила 398 долларов США/кВтч для хранения электроэнергии стоимостью 12,5 центов/кВтч (средняя сетевая цена в США), что делало положительную отдачу от инвестиций сомнительной, если только цены на электроэнергию не превышали 30 центов. /кВтч. [87]
RoseWater Energy производит две модели «Системы энергоснабжения и хранения»: HUB 120 [88] и SB20. [89] Обе версии обеспечивают выходную мощность 28,8 кВтч, что позволяет использовать их в больших домах или легких коммерческих помещениях, а также защищать индивидуальные установки. Система объединяет пять ключевых элементов в одной системе, включая обеспечение чистой синусоидальной волны частотой 60 Гц, нулевое время переключения, защиту от скачков напряжения промышленного уровня, обратную продажу сети возобновляемых источников энергии (опционально) и резервную батарею. [90] [91]
Enphase Energy анонсировала интегрированную систему, которая позволяет домашним пользователям хранить, контролировать и управлять электроэнергией. Система сохраняет 1,2 кВтч энергии и обеспечивает выходную мощность 275/500 Вт. [92]
Хранение энергии ветра или солнца с использованием накопителей тепловой энергии , хотя и менее гибкое, значительно дешевле, чем использование батарей. Простой электрический водонагреватель емкостью 52 галлона может хранить примерно 12 кВтч энергии для пополнения горячей воды или отопления помещений. [93]
В чисто финансовых целях в районах, где доступны чистые измерения , электроэнергия, вырабатываемая дома, может продаваться в сеть через сетевой инвертор без использования батарей для хранения.
.jpg/1280px-Abengoa_Solar_(7336087392).jpg)
Крупнейшим источником и самым большим хранилищем возобновляемой энергии являются плотины гидроэлектростанций. Большой резервуар за плотиной может хранить достаточно воды, чтобы усреднить годовой расход реки между засушливыми и влажными сезонами, а очень большой резервуар может хранить достаточно воды, чтобы усреднить расход реки в засушливые и влажные годы. Хотя плотина гидроэлектростанции не хранит энергию напрямую из непостоянных источников, она балансирует энергосистему, снижая ее мощность и сохраняя воду, когда энергия вырабатывается за счет солнечной энергии или ветра. Если ветровая или солнечная генерация превышает гидроэнергетические мощности региона, то необходим какой-то дополнительный источник энергии.
Многие возобновляемые источники энергии (особенно солнечная и ветровая) производят переменную мощность . [98] Системы хранения могут нивелировать возникающий при этом дисбаланс между спросом и предложением. Электричество должно использоваться по мере его генерации или немедленного преобразования в сохраняемую форму. [99]
Основным методом хранения электроэнергии в сети является гидроаккумулирующая электроэнергия . В таких регионах мира, как Норвегия, Уэльс, Япония и США, для создания резервуаров использовались возвышенные географические объекты , а для их наполнения использовались насосы с электрическим приводом. При необходимости вода проходит через генераторы и преобразует гравитационный потенциал падающей воды в электричество. [98] Гидроаккумулирующие мощности в Норвегии, которые получают почти всю электроэнергию от гидроэлектростанций, в настоящее время имеют мощность 1,4 ГВт, но поскольку общая установленная мощность составляет почти 32 ГВт и 75% из них является регулируемой, ее можно значительно расширить. [100]
Некоторые формы хранения, производящие электроэнергию, включают гидроаккумулирующие плотины , перезаряжаемые батареи , тепловые хранилища , в том числе расплавленные соли , которые могут эффективно хранить и выделять очень большие количества тепловой энергии, [101] и хранилища энергии на сжатом воздухе , маховики , криогенные системы и сверхпроводящие устройства. магнитные катушки .
Избыточная электроэнергия также может быть преобразована в метан ( процесс Сабатье ) с хранением в сети природного газа. [102] [103]
В 2011 году Управление энергетики Бонневилля на северо-западе США разработало экспериментальную программу по поглощению избыточной ветровой и гидроэнергии, вырабатываемой ночью или во время штормов, сопровождающихся сильными ветрами. Под централизованным управлением бытовая техника поглощает избыточную энергию, нагревая керамический кирпич в специальных обогревателях до сотен градусов и повышая температуру модифицированных резервуаров водонагревателей . После зарядки приборы обеспечивают отопление дома и горячую воду по мере необходимости. Экспериментальная система была создана в результате сильного шторма 2010 года, который привел к перепроизводству возобновляемой энергии до такой степени, что все традиционные источники энергии были отключены или, в случае атомной электростанции, снижены до минимально возможного рабочего уровня, оставив большой область, почти полностью работающая на возобновляемых источниках энергии. [104] [105]
Другой передовой метод, используемый в бывшем проекте Solar Two в США и Solar Tres Power Tower в Испании, использует расплавленную соль для хранения тепловой энергии, полученной от Солнца, а затем преобразует ее и передает в виде электрической энергии. Система прокачивает расплавленную соль через башню или другие специальные трубопроводы, которые нагреваются солнцем. Изолированные резервуары хранят раствор. Электричество производится путем превращения воды в пар, который подается на турбины .
С начала 21 века батареи применяются для выравнивания нагрузки и регулирования частоты в коммунальных предприятиях . [98]
При хранении электроэнергии от автомобиля к сети электромобили, подключенные к энергосистеме, могут при необходимости доставлять накопленную электроэнергию из своих батарей в сеть.
Накопитель тепловой энергии (ТЭС) можно использовать для кондиционирования воздуха . [106] Чаще всего он используется для охлаждения отдельных крупных зданий и/или групп небольших зданий. Коммерческие системы кондиционирования воздуха вносят наибольший вклад в пиковые электрические нагрузки. В 2009 году аккумулирование тепла использовалось в более чем 3300 зданиях в более чем 35 странах. Он работает путем охлаждения материала ночью и использования охлажденного материала для охлаждения в жаркие дневные периоды. [101]
Самый популярный метод — хранение льда , которое требует меньше места, чем вода, и дешевле, чем топливные элементы или маховики. В этом случае стандартный охладитель работает ночью, производя груду льда. Вода циркулирует через котел в течение дня для охлаждения воды, которая обычно используется чиллером в дневное время.
Система частичного хранения сводит к минимуму капитальные вложения, поскольку чиллеры работают почти 24 часа в сутки. Ночью они производят лед для хранения, а днем охлаждают воду. Вода, циркулирующая через тающий лед, увеличивает производство охлажденной воды. Такая система производит лед по 16–18 часов в день и плавит лед по шесть часов в день. Капитальные затраты сокращаются, поскольку размеры чиллеров могут составлять всего 40–50 % от размера, необходимого для традиционной конструкции без хранения. Хранения, достаточного для хранения доступного тепла на полдня, обычно достаточно.
Полная система хранения отключает чиллеры в часы пиковой нагрузки. Капитальные затраты выше, поскольку такая система требует более крупных чиллеров и более крупной системы хранения льда.
Этот лед образуется, когда тарифы на электроэнергию ниже. [107] Системы охлаждения в непиковые часы могут снизить затраты на электроэнергию. Совет по экологическому строительству США разработал программу «Лидерство в энергетическом и экологическом проектировании» (LEED), чтобы стимулировать проектирование зданий с пониженным воздействием на окружающую среду. Охлаждение вне пиковой нагрузки может помочь в получении сертификации LEED. [108]
Аккумулирование тепла для отопления встречается реже, чем для охлаждения. Примером аккумулирования тепла является сохранение солнечного тепла для использования в ночное время для отопления.
Скрытое тепло также может храниться в технических материалах с фазовым переходом (PCM). Их можно инкапсулировать в стеновые и потолочные панели для смягчения комнатной температуры.
Жидкое углеводородное топливо является наиболее часто используемой формой хранения энергии для использования на транспорте , за которым следует растущее использование аккумуляторных электромобилей и гибридных электромобилей . Другие энергоносители, такие как водород, можно использовать, чтобы избежать образования парниковых газов.
Системы общественного транспорта, такие как трамваи и троллейбусы, требуют электроэнергии, но из-за их непостоянства в движении устойчивое снабжение электроэнергией за счет возобновляемых источников энергии является сложной задачей. Фотоэлектрические системы, установленные на крышах зданий, могут использоваться для питания систем общественного транспорта в периоды, когда существует повышенный спрос на электроэнергию, а доступ к другим видам энергии затруднен. [109] Предстоящие изменения в транспортной системе также включают, например, паромы и самолеты, где электроснабжение рассматривается как интересная альтернатива. [110]
Конденсаторы широко используются в электронных схемах для блокировки постоянного тока и пропускания переменного тока . В аналоговых сетях фильтров они сглаживают выходной сигнал источников питания . В резонансных цепях настраивают радиоприемники на определенные частоты . В системах передачи электроэнергии они стабилизируют напряжение и поток мощности. [111]
Международная база данных по хранению энергии Министерства энергетики США (IESDB) — это база данных с бесплатным доступом по проектам и политике хранения энергии, финансируемая Управлением электроэнергетики Министерства энергетики США и Национальными лабораториями Сандии . [112]
Емкость хранения — это количество энергии, извлеченное из устройства или системы хранения энергии; обычно измеряется в джоулях или киловатт-часах и кратных им часах, оно может выражаться в количестве часов производства электроэнергии при паспортной мощности электростанции ; когда хранилище является первичным типом (т.е. термальным или насосно-водяным), выходная мощность обеспечивается только встроенной системой хранения электростанции. [113] [114]
Экономика хранения энергии строго зависит от запрашиваемой резервной услуги, и на рентабельность хранения энергии влияет ряд факторов неопределенности. Таким образом, не каждый метод хранения технически и экономически подходит для хранения нескольких МВтч, а оптимальный размер хранилища энергии зависит от рынка и местоположения. [115]
Более того, на ESS влияет несколько рисков, например: [116]
Таким образом, традиционные методы, основанные на детерминированном дисконтированном денежном потоке (DCF) для оценки инвестиций, не полностью адекватны для оценки этих рисков и неопределенностей, а также гибкости инвестора в борьбе с ними. Следовательно, в литературе рекомендуется оценивать ценность рисков и неопределенностей с помощью анализа реальных опционов (ROA), который является ценным методом в условиях неопределенности. [116]
Экономическая оценка крупномасштабных применений (включая гидроаккумулирование и сжатый воздух) учитывает преимущества, в том числе: предотвращение сокращения выбросов , предотвращение перегрузки сети, ценовой арбитраж и безуглеродную поставку энергии. [101] [117] [118] Согласно одной технической оценке Центра электроэнергетической промышленности Карнеги-Меллона , экономические цели могут быть достигнуты с использованием батарей, если их капитальные затраты составят от 30 до 50 долларов за киловатт-час. [101]
Показателем энергоэффективности хранения является накопление энергии на вложенную энергию (ESOI), которое представляет собой количество энергии, которое может быть сохранено с помощью технологии, разделенное на количество энергии, необходимое для создания этой технологии. Чем выше ESOI, тем лучше технология хранения с энергетической точки зрения. Для литий-ионных батарей это значение составляет около 10, а для свинцово-кислотных — около 2. Другие формы хранения, такие как гидроаккумулирующие батареи, обычно имеют более высокий ESOI, например 210. [119]
Гидроаккумулирующая гидроэлектроэнергия на сегодняшний день является крупнейшей технологией хранения энергии, используемой в мире. [120] Однако использование традиционных гидроаккумуляторов ограничено, поскольку для этого требуется местность с перепадами высот, а также очень интенсивное землепользование для относительно небольшой мощности . [121] В местах без подходящей естественной географии также можно использовать подземные гидроаккумуляторы. [122] Высокая стоимость и ограниченный срок службы по-прежнему делают батареи «слабой заменой» управляемым источникам энергии и не способны покрыть переменные перерывы в подаче электроэнергии из возобновляемых источников, продолжающиеся в течение нескольких дней, недель или месяцев. В моделях сетей с высокой долей ПВИЭ чрезмерная стоимость хранения, как правило, доминирует над затратами всей сети — например, только в Калифорнии для 80% доли ПВИЭ потребуется 9,6 ТВтч хранения, а для 100% потребуется 36,3 ТВтч. По состоянию на 2018 год в штате было всего 150 ГВтч накопителей, в основном в виде гидроаккумуляторов и небольшая часть в батареях. Согласно другому исследованию, для обеспечения 80% спроса в США с помощью VRE потребуется интеллектуальная сеть, охватывающая всю страну, или аккумуляторная батарея, способная обеспечить питание всей системы в течение 12 часов, и то и другое оценивается в 2,5 триллиона долларов. [123] [124] Аналогичным образом, несколько исследований показали, что использование только ПВИЭ и хранения энергии будет стоить примерно на 30-50% дороже, чем сопоставимая система, которая сочетает в себе ПВИЭ с атомными электростанциями или станции с улавливанием и хранением углерода вместо хранения энергии. [125] [126]
По словам представителя Немецкой ассоциации хранения энергии, в 2013 году правительство Германии выделило 200 миллионов евро (приблизительно 270 миллионов долларов США) на исследования и еще 50 миллионов евро на субсидирование хранения аккумуляторов в солнечных панелях на крышах жилых домов. [127]
Компания Siemens AG ввела в эксплуатацию производственно-исследовательский завод, который откроется в 2015 году в Zentrum für Sonnenenergie und Wasserstoff (ZSW, Немецкий центр исследований солнечной энергии и водорода в земле Баден-Вюртемберг ), сотрудничестве университетов и промышленности в Штутгарте, Ульме и Виддерстолл, в котором работают около 350 ученых, исследователей, инженеров и техников. Завод разрабатывает новые материалы и процессы околопроизводственного производства (NPMM&P) с использованием компьютеризированной системы диспетчерского управления и сбора данных (SCADA). Целью проекта является расширение производства аккумуляторных батарей с повышенным качеством и более низкой стоимостью. [128] [129]
В 2014 году открылись исследовательские и испытательные центры для оценки технологий хранения энергии. Среди них была Лаборатория испытаний передовых систем в Университете Висконсина в Мэдисоне, штат Висконсин , которая сотрудничала с производителем аккумуляторов Johnson Controls . [130] Лаборатория была создана в рамках недавно открытого при университете Висконсинского энергетического института . Их цели включают оценку современных аккумуляторов для электромобилей и аккумуляторов следующего поколения , в том числе их использование в качестве дополнения к электросети. [130]
Штат Нью-Йорк открыл свой Нью-Йоркский центр испытаний и коммерциализации технологий хранения аккумуляторов и энергии (NY-BEST) в бизнес-парке Eastman в Рочестере, штат Нью-Йорк , стоимость лаборатории площадью почти 1700 м 2 составила 23 миллиона долларов . В состав центра входит Центр будущих энергетических систем, созданный в результате сотрудничества Корнеллского университета Итаки , Нью-Йорк , и Политехнического института Ренсселера в Трое, Нью-Йорк . NY-BEST тестирует, проверяет и независимо сертифицирует различные формы хранения энергии, предназначенные для коммерческого использования. [131]
27 сентября 2017 года сенаторы Эл Франкен из Миннесоты и Мартин Генрих из Нью-Мексико представили Закон о развитии энергосистемных систем хранения данных (AGSA), согласно которому более 1 миллиарда долларов будет выделено на исследования, техническую помощь и гранты для поощрения хранения энергии в Соединенных Штатах. [132]
В моделях сетей с высокой долей ПВИЭ чрезмерная стоимость хранения, как правило, доминирует над затратами всей сети — например, только в Калифорнии для 80% доли ПВИЭ потребуется 9,6 ТВтч хранения, а для 100% потребуется 36,3 ТВтч. Согласно другому исследованию, для удовлетворения 80% спроса США с помощью VRE потребуется интеллектуальная сеть, охватывающая всю страну, или аккумуляторная батарея, способная обеспечить питание всей системы в течение 12 часов, и то и другое оценивается в 2,5 триллиона долларов. [123] [124]
В Соединенном Королевстве около 14 промышленных и правительственных учреждений объединились с семью британскими университетами в мае 2014 года для создания Центра хранения энергии SUPERGEN, чтобы помочь в координации исследований и разработок в области технологий хранения энергии. [133] [134]
Простые водяные колеса использовались на Балканах в Европе в 100 г. до н. э. для привода в действие мельниц. Сложные ирригационные системы были построены в Египте и Месопотамии за тысячу лет до этого, и весьма вероятно, что эти системы содержали простые водяные колеса. Водяные колеса, приводимые в движение протекающим под ними потоком, были обычным явлением в Римской империи в третьем и четвертом веках нашей эры. После падения Западной Римской империи водные технологии продвинулись дальше на Ближнем Востоке, чем в Европе, но водяные колеса обычно использовались для использования воды в качестве источника энергии. источник власти в Европе в средние века. В «Книге Судного дня» 1086 года нашей эры перечислено 5624 водяных мельницы в южной половине Англии. Конструкции более эффективных водяных колес были привезены в Европу с Ближнего Востока крестоносцами и использовались для измельчения зерна и привода в действие сильфонов печей.
{{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )Журналы и статьи
Книги
