Хранилище энергии - Energy storage

Плотина Llyn Stwlan системы гидроаккумулирования Ffestiniog в Уэльсе. Нижняя электростанция имеет четыре водяные турбины, которые могут вырабатывать в общей сложности 360 МВт электроэнергии в течение нескольких часов, что является примером искусственного хранения и преобразования энергии.

Накопление энергии - это улавливание энергии, произведенной за один раз, для использования в более позднее время, чтобы уменьшить дисбаланс между спросом на энергию и производством энергии. Устройство, хранящее энергию, обычно называют аккумулятором или батареей . Энергия бывает разных форм, включая излучение, химический потенциал , гравитационный потенциал , электрический потенциал , электричество, повышенную температуру, скрытое тепло и кинетику . Хранение энергии включает преобразование энергии из форм, которые трудно хранить, в более удобные или экономичные формы.

Некоторые технологии обеспечивают кратковременное хранение энергии, в то время как другие могут работать намного дольше. В настоящее время в массовом хранении энергии преобладают плотины гидроэлектростанций, как обычные, так и гидроаккумулирующие. Сетевое накопление энергии - это набор методов, используемых для крупномасштабного накопления энергии в электрической сети.

Распространенными примерами накопления энергии являются аккумуляторная батарея , в которой накапливается химическая энергия, легко преобразуемая в электричество для работы мобильного телефона; гидроэлектростанция плотины, которая хранит энергию в резервуаре в качестве гравитационной потенциальной энергии ; и хранения льда танков, которые хранят лед , замороженные более дешевой энергии в ночное время до пика удовлетворения спроса в дневное время для охлаждения. Ископаемые виды топлива, такие как уголь и бензин, хранят древнюю энергию, полученную из солнечного света организмами, которые позже умерли, оказались захороненными и со временем были преобразованы в это топливо. Пища (которая производится с помощью того же процесса, что и ископаемое топливо) - это форма энергии, хранящаяся в химической форме.

История

В энергосистеме 20-го века электроэнергия в основном вырабатывалась за счет сжигания ископаемого топлива. Когда требовалось меньше мощности, сжигалось меньше топлива. Гидроэнергетика , метод накопления механической энергии, является наиболее широко применяемым механическим накопителем энергии и используется на протяжении столетий. Крупные плотины гидроэлектростанций служат хранилищами энергии более ста лет. Обеспокоенность загрязнением воздуха, импортом энергии и глобальным потеплением породила рост возобновляемых источников энергии, таких как солнечная и ветровая энергия. Энергия ветра не контролируется и может вырабатываться в то время, когда дополнительная энергия не требуется. Солнечная энергия меняется в зависимости от облачности и в лучшем случае доступна только в дневное время, в то время как спрос часто достигает пика после захода солнца ( см. Кривую утки ). Интерес к хранению энергии из этих непостоянных источников растет, поскольку отрасль возобновляемых источников энергии начинает генерировать большую долю от общего потребления энергии.

Использование автономной электроэнергии было нишевым рынком в 20-м веке, но в 21-м веке оно расширилось. Портативные устройства используются во всем мире. Солнечные панели сейчас широко распространены в сельской местности по всему миру. Доступ к электричеству теперь является вопросом экономики и финансовой жизнеспособности, а не только технических аспектов. Электромобили постепенно вытесняют автомобили с двигателями внутреннего сгорания. Однако создание транспортных средств на дальние расстояния без сжигания топлива все еще находится в стадии разработки.

Методы

Сравнение различных технологий хранения энергии

Контур

В следующем списке представлены различные типы накопителей энергии:

Механический

Энергия может храниться в воде, перекачиваемой на более высокую высоту, с использованием методов накопления с помощью перекачки или путем перемещения твердого вещества в более высокие места ( гравитационные батареи ). Другие коммерческие механические методы включают сжатие воздуха и маховики, которые преобразуют электрическую энергию во внутреннюю или кинетическую энергию, а затем обратно, когда потребность в электроэнергии достигает пика.

Гидроэлектроэнергия

Плотины гидроэлектростанций с водохранилищами могут использоваться для обеспечения электроэнергией в периоды пикового спроса. Вода хранится в резервуаре в периоды низкой потребности и сбрасывается, когда потребность высока. Чистый эффект аналогичен гидроаккумулирующему резервуару, но без потерь при перекачке.

Хотя плотина гидроэлектростанции не накапливает энергию напрямую от других генерирующих блоков, она ведет себя аналогичным образом, снижая выработку в периоды избытка электроэнергии из других источников. В этом режиме плотины являются одним из наиболее эффективных способов накопления энергии, потому что меняется только время ее генерации. Время пуска гидроэлектрических турбин составляет порядка нескольких минут.

Насосная гидро

Сэр Адам Бек Генерирование комплекс в Ниагара Фолс, Канада , которая включает в себя большой гидроаккумулирующих гидроэлектроэнергии резервуар , чтобы обеспечить дополнительный 174 МВт электроэнергии в периоды пикового спроса.

Во всем мире гидроаккумулирующая гидроэлектроэнергия (PSH) является самой мощной формой активного накопления энергии в сети, и по состоянию на март 2012 года Исследовательский институт электроэнергетики (EPRI) сообщает, что на долю PSH приходится более 99% мощностей накопителя. во всем мире, что составляет около 127 000 МВт . На практике энергоэффективность PSH колеблется от 70% до 80%, с заявленными значениями до 87%.

Во времена низкого спроса на электроэнергию избыточная генерирующая мощность используется 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 , генерирующую электричество. Реверсивные агрегаты турбогенератора действуют как насос и турбина (обычно это турбина Фрэнсиса ). Практически все сооружения используют перепад высот между двумя водоемами. Чистые гидроаккумулирующие установки перемещают воду между резервуарами, в то время как подход «обратной откачки» представляет собой комбинацию гидроаккумулирующих станций и обычных гидроэлектростанций , использующих естественный поток.

Сжатый воздух

Локомотива сжатого воздуха используется внутри шахты между 1928 и 1961 годами.

Накопитель энергии сжатого воздуха (CAES) использует излишки энергии для сжатия воздуха для последующего производства электроэнергии. Маломасштабные системы давно используются в таких приложениях, как движение шахтных локомотивов. Сжатый воздух хранится в подземном резервуаре , таком как соляной купол .

Установки хранения энергии сжатого воздуха (CAES) могут ликвидировать разрыв между нестабильностью производства и нагрузкой. Накопители CAES удовлетворяют потребности потребителей в энергии, эффективно обеспечивая легкодоступную энергию для удовлетворения спроса. Возобновляемые источники энергии, такие как энергия ветра и солнца, различаются. Поэтому иногда, когда они вырабатывают небольшую мощность, их необходимо дополнять другими формами энергии для удовлетворения спроса на энергию. Установки по хранению энергии на сжатом воздухе могут использовать избыточную выработку энергии из возобновляемых источников энергии в периоды перепроизводства энергии. Эта накопленная энергия может быть использована позже, когда спрос на электроэнергию возрастет или доступность энергетических ресурсов снизится.

Сжатие из воздуха создает тепло; после сжатия воздух становится теплее. Расширение требует тепла. Если не добавлять дополнительное тепло, после расширения воздух будет намного холоднее. Если тепло, выделяемое во время сжатия, можно сохранить и использовать во время расширения, эффективность значительно повысится. Система CAES может справиться с жарой тремя способами. Хранение воздуха может быть адиабатическим , диабатическим или изотермическим . Другой подход использует сжатый воздух для приведения в движение транспортных средств.

Маховик

Основные компоненты типичного маховика.
Flybrid Kinetic Energy Recovery System маховик . Созданный для использования на гоночных автомобилях Формулы 1 , он используется для восстановления и повторного использования кинетической энергии, полученной при торможении.

Накопитель энергии маховика (FES) работает путем ускорения ротора ( маховика ) до очень высокой скорости, удерживая энергию как энергию вращения . При добавлении энергии скорость вращения маховика увеличивается, а при отборе энергии скорость уменьшается из-за сохранения энергии .

Большинство систем FES используют электричество для ускорения и замедления маховика, но рассматриваются устройства, которые напрямую используют механическую энергию.

Системы FES имеют роторы, изготовленные из высокопрочных композитов из углеродного волокна , подвешенные на магнитных подшипниках и вращающиеся со скоростью от 20 000 до 50 000 оборотов в минуту (об / мин) в вакуумном корпусе. Такие маховики могут развивать максимальную скорость («заряжаться») за считанные минуты. Система маховика соединена с комбинированным электродвигателем / генератором .

Системы FES имеют относительно длительный срок службы (десятилетия при минимальном техническом обслуживании или без него; срок службы полного цикла, указанный для маховиков, колеблется от более 10 5 до 10 7 циклов использования), высокую удельную энергию (100–130 Вт · ч. / кг, или 360–500 кДж / кг) и удельной мощности .

Твердая масса гравитационная

Изменение высоты твердых масс может накапливать или высвобождать энергию через подъемную систему, приводимую в действие электродвигателем / генератором. Исследования показывают, что энергия может начать выделяться с предупреждением всего за 1 секунду, что делает этот метод полезным дополнительным источником питания в электросети для уравновешивания скачков нагрузки.

Эффективность может достигать 85% восстановления накопленной энергии.

Это может быть достигнуто путем размещения масс внутри старых вертикальных шахтных стволов или в специально построенных башнях, где тяжелые грузы поднимаются лебедкой для хранения энергии и позволяют контролируемому спуску высвобождать ее. В 2020 году прототип вертикального магазина будет построен в Эдинбурге, Шотландия.

В 2013 году в сотрудничестве с независимым системным оператором Калифорнии активно разрабатывались потенциальные накопители энергии или накопители гравитационной энергии . В нем исследовалось движение вагонов - хопперов с грунтовым покрытием, приводимых в движение электровозами, с более низких высот на более высокие.

Другие предлагаемые методы включают: -

  • использование рельсов и кранов для перемещения бетонных грузов вверх и вниз;
  • использование высотных баллонных платформ на солнечных батареях, поддерживающих лебедки, для подъема и опускания твердых масс, подвешенных под ними,
  • использование лебедок, поддерживаемых океанской баржей, для использования разницы в высоте 4 км (13000 футов) между поверхностью моря и морским дном,
Аккумуляторная башня централизованного теплоснабжения от Тайсс возле Кремс-ан-дер-Донау в Нижней Австрии с тепловой мощностью 2 ГВтч

Тепловой

Накопление тепловой энергии (TES) - это временное хранение или отвод тепла.

Явное тепло термическое

Явное хранение тепла использует явное тепло в материале для хранения энергии.

Сезонное накопление тепловой энергии (STES) позволяет использовать тепло или холод через несколько месяцев после того, как они были собраны из отходов энергии или природных источников. Материал может храниться в замкнутых водоносных горизонтах, скоплениях скважин в геологических субстратах, таких как песок или кристаллическая порода, в ямах с футеровкой, заполненных гравием и водой, или в шахтах, заполненных водой. Проекты по сезонному хранению тепловой энергии (СТЭС) часто окупаются через четыре-шесть лет. Примером может служить сообщество Drake Landing Solar Community в Канаде, для которого 97% круглогодичного тепла обеспечивается солнечно-тепловыми коллекторами на крышах гаражей, а скважинный накопитель тепловой энергии (BTES) является технологией. В Бредструпе, Дания, общественная солнечная система централизованного теплоснабжения также использует STES при температуре 65 ° C (149 ° F). Тепловой насос , который запускается только тогда , когда есть избыток энергии ветра доступны на национальной сети, используется для повышения температуры до 80 ° C (176 ° F) для распределения. Когда избыток ветровой электроэнергии недоступен, используется газовый котел. Двадцать процентов тепла Бредструпа приходится на солнечную энергию.

Скрытое тепло термическое (LHTES)

Скрытые системы хранения тепловой энергии работают, передавая тепло материалу или от него, чтобы изменить его фазу. Фазовый переход - это плавление, затвердевание, испарение или разжижение. Такой материал называется материалом с фазовым переходом (PCM). Материалы, используемые в LHTES, часто имеют высокую скрытую теплоту, так что при их определенной температуре фазовый переход поглощает большое количество энергии, намного больше, чем физическое тепло.

Паровой аккумулятор представляет собой тип LHTES , где изменение фазы между жидкостью и газом , и использует скрытую теплоту парообразования воды. В системах кондиционирования воздуха для хранения льда используется непиковое электричество для хранения холода путем замораживания воды в лед. Холод, хранящийся во льду, высвобождается в процессе таяния и может использоваться для охлаждения в часы пик.

Криогенный накопитель тепловой энергии

См. Основную статью Криогенное хранение энергии

Воздух можно сжижать путем охлаждения с помощью электричества и хранить в виде криогенного вещества с помощью существующих технологий. Затем жидкий воздух может быть расширен за счет турбины, а энергия восстановлена ​​в виде электричества. Система была продемонстрирована на пилотном заводе в Великобритании в 2012 году. В 2019 году Highview объявила о планах строительства 50 МВт на севере Англии и в северном Вермонте, с предлагаемым объектом, способным хранить от пяти до восьми часов энергии в течение Емкость хранилища 250-400 МВтч.

Карно аккумулятор

См. Основную статью Аккумулятор Карно

Электрическая энергия может храниться в аккумуляторе тепла с помощью резистивного нагрева или тепловых насосов, а накопленное тепло может быть преобразовано обратно в электричество с помощью цикла Ренкина или цикла Брайтона . Эта технология была изучена для переоборудования существующих угольных электростанций в системы производства электроэнергии, не использующие ископаемое топливо. Угольные котлы заменяются высокотемпературными накопителями тепла, которые заряжаются за счет избыточной электроэнергии из переменных возобновляемых источников энергии. В 2020 году Немецкий аэрокосмический центр приступает к строительству первой в мире крупномасштабной аккумуляторной системы Carnot с емкостью хранения 1000 МВтч.

Электрохимический

Аккумуляторная батарея

Аккумуляторная батарея, используемая в качестве источника бесперебойного питания в центре обработки данных.

Аккумуляторная батарея содержит один или несколько электрохимических элементов . Он известен как «вторичный элемент», потому что его электрохимические реакции электрически обратимы. Перезаряжаемые батареи бывают разных форм и размеров, от кнопочных ячеек до мегаваттных сетевых систем.

Аккумуляторные батареи имеют более низкую общую стоимость использования и меньшее воздействие на окружающую среду, чем одноразовые (одноразовые) батареи. Некоторые типы аккумуляторов доступны в тех же форм-факторах, что и одноразовые. Перезаряжаемые батареи имеют более высокую начальную стоимость, но их можно очень дешево перезаряжать и использовать многократно.

Обычный химический состав аккумуляторных батарей включает:

  • Свинцово-кислотные батареи . Свинцово-кислотные батареи занимают самую большую долю рынка аккумуляторов электроэнергии. При зарядке одна ячейка вырабатывает около 2 В. В заряженном состоянии отрицательный электрод из металлического свинца и положительный электрод из сульфата свинца погружены в разбавленный электролит серной кислоты (H 2 SO 4 ) . В процессе разряда электроны выталкиваются из ячейки, поскольку на отрицательном электроде образуется сульфат свинца, а электролит восстанавливается до воды.
  • Технология свинцово-кислотных аккумуляторов получила широкое развитие. Содержание требует минимальных трудозатрат и невысоких затрат. Доступная энергоемкость аккумулятора подвержена быстрой разрядке, что приводит к сокращению срока службы и низкой плотности энергии.
Батарея потока

Батареи потока работает путем пропускания раствора через мембрану , где происходит обмен ионами для зарядки или разрядки ячейки. Напряжение ячейки химически определяется уравнением Нернста и в практических приложениях находится в диапазоне от 1,0 В до 2,2 В. Запоминающая способность зависит от объема раствора. Проточная батарея технически похожа как на топливный элемент, так и на электрохимический аккумулятор . Коммерческие приложения предназначены для хранения с длительным полупериодом, например, для резервного питания от сети.

Суперконденсатор

Один из парка электрических мощностей с суперконденсаторами на станции быстрой зарядки-автобусной остановке, эксплуатируемой во время выставки Expo 2010 Shanghai China . Над автобусом можно увидеть рельсы для зарядки.

Суперконденсаторы , также называемые электрическими двухслойными конденсаторами (EDLC) или ультраконденсаторами, представляют собой семейство электрохимических конденсаторов , в которых нет обычных твердых диэлектриков . Емкость определяется двумя принципами хранения: емкостью двойного слоя и псевдоемкостью .

Суперконденсаторы ликвидируют разрыв между обычными конденсаторами и аккумуляторными батареями . Они хранят больше всего энергии на единицу объема или массы ( плотности энергии ) среди конденсаторов. Они поддерживают до 10 000 фарад / 1,2 В, что в 10 000 раз больше, чем у электролитических конденсаторов , но выдают или принимают менее половины энергии в единицу времени (удельная мощность ).

Хотя суперконденсаторы обладают удельной энергией и плотностью энергии, которые составляют примерно 10% от батарей, их удельная мощность обычно в 10-100 раз больше. Это приводит к гораздо более коротким циклам зарядки / разрядки. Кроме того, они выдерживают гораздо больше циклов заряда-разряда, чем батареи.

Суперконденсаторы имеют множество применений, в том числе:

  • Низкий ток питания для резервного копирования памяти в статической оперативной памяти (SRAM)
  • Электроэнергия для автомобилей, автобусов, поездов, кранов и лифтов, включая рекуперацию энергии при торможении, кратковременное накопление энергии и подачу мощности в импульсном режиме

Химическая

Мощность на газ

Новая технология помогает снизить выбросы парниковых газов и эксплуатационные расходы на двух действующих электростанциях в Норуолке и Ранчо Кукамонга . Аккумуляторная система хранения мощностью 10 мегаватт в сочетании с газовой турбиной позволяет электростанции более быстро реагировать на меняющиеся потребности в энергии, тем самым повышая надежность электросети.

Энергия в газ - это преобразование электричества в газообразное топливо, такое как водород или метан . В трех коммерческих методах используется электричество для преобразования воды в водород и кислород посредством электролиза .

В первом методе водород закачивается 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 преобразования 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 устройство для обогащения биогаза смешивается с водородом из электролизера, чтобы улучшить качество биогаза.

Водород

Элемент водород может быть формой накопленной энергии. Водород может производить электричество через водородный топливный элемент .

При проникновении ниже 20% потребности в сети возобновляемые источники энергии не сильно меняют экономику; но за пределами 20% от общего спроса становится важным внешнее хранилище. Если эти источники используются для получения ионного водорода, их можно свободно расширять. Пятилетняя пилотная программа на базе местных сообществ с использованием ветряных турбин и водородных генераторов началась в 2007 году в отдаленных районах Рамеа, Ньюфаундленда и Лабрадора . Аналогичный проект начался в 2004 году на небольшом норвежском острове Утсира .

Потери энергии, связанные с циклом хранения водорода, происходят из-за электролиза воды , сжижения или сжатия водорода и преобразования в электричество.

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 киловатт-час, что является обычным тарифом для высоковольтных линий в непиковые периоды в Соединенных Штатах , водород стоит 1,50 доллара за килограмм электроэнергии, что эквивалентно 1,50 доллара за галлон бензина . Другие затраты включают установку электролизера , водородные компрессоры или сжижение , хранение и транспортировку .

Водород также можно получить из алюминия и воды , удалив естественный барьер из оксида алюминия алюминия и поместив его в воду. Этот метод выгоден, потому что переработанные алюминиевые баллончики могут использоваться для производства водорода, однако системы, использующие этот вариант, не были коммерчески разработаны и намного сложнее, чем системы электролиза. Обычные методы удаления оксидного слоя включают щелочные катализаторы, такие как гидроксид натрия и сплавы с галлием , ртутью и другими металлами.

Подземное хранение водорода - это практика хранения водорода в пещерах , соляных куполах и истощенных нефтяных и газовых месторождениях. В течение многих лет компания Imperial Chemical Industries без каких-либо проблем хранила большие количества газообразного водорода в пещерах . Европейский проект Hyunder показал в 2013 году, что для хранения энергии ветра и солнца с использованием подземного водорода потребуется 85 пещер.

Powerpaste - это жидкий гель на основе магния и водорода, который выделяет водород при взаимодействии с водой . Он был изобретен , запатентован и разрабатывается Институтом производственных технологий и передовых материалов Фраунгофера ( IFAM ) при Фраунгофер-Гезельшафт . Паста 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 . Эфир и соль металла , затем добавляют , чтобы готовый продукт. Фраунгофер заявляет, что они строят завод, который должен начать производство в 2021 году и будет производить 4 тонны пасты Powerpaste в год. Фраунгофер запатентовал свое изобретение в США и ЕС . Фраунгофер утверждает, что паста Powerpaste способна накапливать водородную энергию в 10 раз большей плотности энергии , чем литиевая батарея аналогичного размера, и безопасна и удобна для использования в автомобилях.

Метан

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 ( синтез-газ или SNG) может быть создан в многоступенчатом процессе, начиная с водорода и кислорода. Затем водород реагирует с диоксидом углерода в процессе Сабатье с образованием метана и воды. Метан можно хранить, а затем использовать для производства электроэнергии. Полученная вода перерабатывается, что снижает потребность в воде. На стадии электролиза кислород хранится для сжигания метана в чистой кислородной среде на соседней электростанции, удаляя оксиды азота .

При сжигании метана образуется диоксид углерода (CO 2 ) и вода. Двуокись углерода может быть переработана для ускорения процесса Сабатье, а вода может быть переработана для дальнейшего электролиза. При производстве, хранении и сжигании метана рециклируются продукты реакции.

CO 2 имеет экономическую ценность как компонент вектора накопления энергии, а не стоимость, как улавливание и хранение углерода .

Мощность для жидкости

Энергия для жидкости аналогична мощности для газа, 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 с водородом. Их можно использовать на транспорте , в том числе в самолетах , а также в промышленных целях или в энергетическом секторе.

Биотопливо

Различные виды биотоплива, такие как биодизель , растительное масло , спиртосодержащее топливо или биомасса, могут заменить ископаемое топливо . Различные химические процессы могут преобразовывать углерод и водород в угле, природном газе, биомассе растений и животных и органических отходах в короткие углеводороды, подходящие для замены существующего углеводородного топлива. Примерами являются дизельное топливо Фишера-Тропша , метанол , диметиловый эфир и синтез-газ . Этот источник дизельного топлива широко использовался во время Второй мировой войны в Германии, которая столкнулась с ограниченным доступом к поставкам сырой нефти. Южная Африка производит большую часть дизельного топлива в стране из угля по тем же причинам. Долгосрочная цена на нефть выше 35 долларов США за баррель может сделать такое крупномасштабное синтетическое жидкое топливо экономичным.

Алюминий

Ряд исследователей предложили алюминий в качестве накопителя энергии. Его электрохимический эквивалент (8,04 Ач / см3) почти в четыре раза больше, чем у лития (2,06 Ач / см3). Энергия может быть извлечена из алюминия путем его реакции с водой с образованием водорода . Однако сначала необходимо удалить его естественный оксидный слой, а этот процесс требует измельчения, химических реакций с едкими веществами или сплавами. Побочным продуктом реакции образования водорода является оксид алюминия , который может быть переработан в алюминий с помощью процесса Холла – Эру , что делает реакцию теоретически возобновляемой. Если процесс Холла-Эру выполняется с использованием солнечной или ветровой энергии, алюминий может использоваться для хранения произведенной энергии с более высокой эффективностью, чем прямой солнечный электролиз.

Бор, кремний и цинк

Бор , кремний и цинк были предложены в качестве решений для хранения энергии.

Прочие химические вещества

Органическое соединение норборнадиен при воздействии света  превращается в квадрициклан , сохраняя солнечную энергию в виде энергии химических связей. В Швеции была разработана рабочая система как молекулярная солнечная тепловая система.

Электрические методы

Конденсатор

Этот майларовый пленочный масляный конденсатор имеет очень низкую индуктивность и низкое сопротивление, что позволяет производить разряды большой мощности (70 мегаватт) и очень высокой скорости (1,2 микросекунды), необходимые для работы лазера на красителях .

Конденсатор (первоначально известный как «конденсатор») представляет собой пассивный двухполюсник электрического компонент используется для хранения энергии электростатический . Практические конденсаторы сильно различаются, но все они содержат как минимум два электрических проводника (пластины), разделенные диэлектриком (т. Е. Изолятором ). Конденсатор может накапливать электрическую энергию при отключении от его зарядной цепи, поэтому его можно использовать как временный аккумулятор или как другие типы перезаряжаемых систем хранения энергии . Конденсаторы обычно используются в электронных устройствах для поддержания питания при замене батарей. (Это предотвращает потерю информации в энергозависимой памяти.) Обычные конденсаторы обеспечивают менее 360 джоулей на килограмм, в то время как обычная щелочная батарея имеет плотность 590 кДж / кг.

Конденсаторы накапливают энергию в электростатическом поле между своими пластинами. Учитывая разность потенциалов на проводниках (например, когда конденсатор подключен к батарее), электрическое поле развивается через диэлектрик, заставляя положительный заряд (+ Q) собираться на одной пластине, а отрицательный заряд (-Q) накапливаться на одной пластине. другая пластина. Если батарея подключена к конденсатору на достаточное время, через конденсатор не может протекать ток. Однако, если на выводы конденсатора подается ускоряющее или переменное напряжение, может течь ток смещения . Помимо обкладок конденсатора, заряд также может храниться в диэлектрическом слое.

Емкость больше, чем меньше расстояние 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 перспективен для нового поколения самовосстанавливающихся конденсаторов. Проводники и выводы создают нежелательную индуктивность и сопротивление .

Исследования оценивают квантовые эффекты наноразмерных конденсаторов для цифровых квантовых батарей.

Сверхпроводящие магнетики

Системы сверхпроводящего накопления магнитной энергии (SMES) хранят энергию в магнитном поле, создаваемом потоком постоянного тока в сверхпроводящей катушке, которая была охлаждена до температуры ниже ее сверхпроводящей критической температуры . 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 храниться бесконечно.

Сохраненная энергия может быть передана в сеть при разрядке катушки. Соответствующий инвертор / выпрямитель дает около 2–3% потерь энергии в каждом направлении. SMES теряет наименьшее количество электроэнергии в процессе хранения энергии по сравнению с другими методами хранения энергии. Системы SMES обеспечивают эффективность в обоих направлениях более 95%.

Из-за требований к энергии охлаждения и стоимости сверхпроводящего провода SMES используется для кратковременного хранения, например, для улучшения качества электроэнергии . Он также может применяться для балансировки сети.

Приложения

Миллс

Классическим применением до промышленной революции было управление водными путями для привода водяных мельниц для обработки зерна или привода машин. Были построены сложные системы водохранилищ и плотин для хранения и сброса воды (и потенциальной энергии, которую она содержала), когда это необходимо.

Дома

Ожидается, что домашнее хранение энергии станет все более распространенным, учитывая растущее значение распределенной генерации возобновляемых источников энергии (особенно фотоэлектрических) и значительную долю потребления энергии в зданиях. Для превышения самообеспеченности в 40% в доме, оборудованном фотоэлектрическими батареями, необходимо накопление энергии. Многие производители производят аккумуляторные батареи для хранения энергии, как правило, для удержания излишков энергии от домашней солнечной или ветровой генерации. Сегодня для домашнего накопления энергии литий-ионные батареи предпочтительнее свинцово-кислотных, учитывая их аналогичную стоимость, но гораздо более высокую производительность.

Tesla Motors производит две модели Tesla Powerwall . Один - это версия с недельным циклом 10 кВтч для приложений резервного копирования, а другой - версия на 7 кВтч для приложений с суточным циклом. В 2016 году ограниченная версия Tesla Powerpack 2 стоила 398 долларов США / кВтч для хранения электроэнергии стоимостью 12,5 центов / кВтч (средняя цена сети в США), что делает сомнительную положительную окупаемость инвестиций, если только цены на электроэнергию не превышают 30 центов / кВтч.

RoseWater Energy производит две модели «Системы энергии и хранения», HUB 120 и SB20. Обе версии обеспечивают выходную мощность 28,8 кВтч, что позволяет использовать их в больших домах или легких коммерческих помещениях и защищает индивидуальные установки. Система объединяет пять ключевых элементов в одну систему, включая обеспечение чистой синусоидальной волны 60 Гц, нулевое время переключения, защиту от перенапряжения промышленного уровня, возврат возобновляемой энергии в сеть (опция) и резервное питание от батареи.

Enphase Energy анонсировала интегрированную систему, которая позволяет домашним пользователям хранить, контролировать и управлять электричеством. В системе хранится 1,2 кВтч энергии и выходная мощность 275 Вт / 500 Вт.

Хранение энергии ветра или солнца с использованием аккумуляторов тепловой энергии, хотя и менее гибко, но значительно дешевле, чем батареи. Простой электрический водонагреватель на 52 галлона может хранить около 12 кВтч энергии для пополнения запасов горячей воды или обогрева помещения.

В чисто финансовых целях в районах, где доступны чистые измерения, электроэнергия , произведенная в домашних условиях, может продаваться в сеть через сетевой инвертор без использования аккумуляторов для хранения.

Сетевые электричество и электростанции

Возобновляемая энергия

Строительство соляных резервуаров, которые обеспечивают эффективное хранение тепловой энергии, чтобы электричество можно было вырабатывать после захода солнца, а производство можно было бы запланировать для удовлетворения спроса. Электростанция Solana мощностью 280 МВт рассчитана на шесть часов хранения. Это позволяет предприятию вырабатывать около 38% своей проектной мощности в течение года.
Солнечная электростанция Andasol мощностью 150 МВт в Испании представляет собой солнечную тепловую электростанцию с параболическим желобом, которая накапливает энергию в резервуарах с расплавленной солью, чтобы продолжать вырабатывать электроэнергию, когда солнце не светит.

Самый большой источник и самый большой запас возобновляемой энергии обеспечивают плотины гидроэлектростанций. Большой водохранилище за плотиной может хранить достаточно воды, чтобы усреднить годовой сток реки между засушливым и влажным сезонами. В очень большом водохранилище может храниться достаточно воды, чтобы усреднить сток реки между засушливыми и влажными годами. Хотя плотина гидроэлектростанции не накапливает энергию напрямую от непостоянных источников, она уравновешивает сеть, снижая ее мощность и удерживая воду, когда энергия вырабатывается солнечными или ветровыми источниками. Если ветровая или солнечная генерация превышает гидроэлектрическую мощность региона, то необходим дополнительный источник энергии.

Многие возобновляемые источники энергии (особенно солнечная и ветровая) производят переменную мощность . Системы хранения могут выровнять вызванный этим дисбаланс между спросом и предложением. Электричество необходимо использовать в том виде, в каком оно вырабатывается, или сразу же преобразовывать в пригодные для хранения формы.

Основным способом хранения электроэнергии в электросетях является гидроаккумулирующая энергия . Такие регионы мира, как Норвегия, Уэльс, Япония и США, использовали возвышенные географические объекты для резервуаров , используя насосы с электрическим приводом для их заполнения. При необходимости вода проходит через генераторы и преобразует гравитационный потенциал падающей воды в электричество. Насосные гидроаккумуляторы 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% этой мощности регулируется, ее можно значительно расширить.

Некоторые формы накопителей, которые производят электричество, включают гидроаккумулирующие плотины , перезаряжаемые батареи , аккумуляторы тепла, включая расплавленные соли, которые могут эффективно накапливать и выделять очень большие количества тепловой энергии, а также аккумуляторы энергии сжатого воздуха , маховики , криогенные системы и сверхпроводящие магнитные катушки .

Избыточная энергия также может быть преобразована в метан ( процесс Сабатье ) с запасом в сети природного газа.

В 2011 году Энергетическое управление Бонневилля на северо-западе США разработало экспериментальную программу по поглощению избыточной энергии ветра и гидроэнергии, генерируемой ночью или во время штормовых периодов, сопровождаемых сильными ветрами. Под централизованным управлением бытовые приборы поглощают излишки энергии, нагревая керамические кирпичи в специальных обогревателях до сотен градусов и повышая температуру модифицированных баков водонагревателя . После зарядки приборы обеспечивают отопление дома и горячую воду по мере необходимости. Экспериментальная система была создана в результате сильного шторма 2010 года, в результате которого возобновляемые источники энергии были перевыпущены до такой степени, что были остановлены все обычные источники энергии, или, в случае атомной электростанции, снижены до минимально возможного рабочего уровня, в результате чего остался большой запас энергии. территория почти полностью работает на возобновляемых источниках энергии.

Еще один передовой метод, используемый в бывшем проекте Solar Two в Соединенных Штатах и ​​в башне Solar Tres Power Tower в Испании, использует расплавленную соль для хранения тепловой энергии, полученной от солнца, а затем ее преобразования и отправки в качестве электроэнергии. Система перекачивает расплавленную соль через башню или другие специальные трубопроводы для нагрева от солнца. Изолированные резервуары хранят раствор. Электроэнергия производится путем превращения воды в пар, который подается на турбины .

С начала 21 века батареи применялись для выравнивания нагрузки и регулирования частоты .

При межсетевом хранении электромобили, подключенные к энергосистеме, могут при необходимости доставлять накопленную электроэнергию от своих батарей в сеть.

Кондиционирование воздуха

Аккумулятор тепловой энергии (TES) можно использовать для кондиционирования воздуха . Он наиболее широко используется для охлаждения отдельных больших зданий и / или групп небольших зданий. Коммерческие системы кондиционирования воздуха вносят наибольший вклад в пиковые электрические нагрузки. В 2009 году аккумуляторы тепла использовались более чем в 3300 зданиях в более чем 35 странах. Он работает, охлаждая материал ночью и используя охлажденный материал для охлаждения в жаркие дневные периоды.

Самый популярный метод - хранение льда , которое требует меньше места, чем вода, и дешевле, чем топливные элементы или маховики. В этом случае стандартный чиллер работает ночью, чтобы произвести кучу льда. Вода циркулирует в куче в течение дня, чтобы охладить воду, которая обычно является дневной производительностью чиллера.

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 от 16 до 18 часов в день и тает лед в течение шести часов в день. Капитальные затраты снижаются, поскольку чиллеры могут составлять всего 40–50% от размера, необходимого для традиционной конструкции без хранения. Хранения, достаточного для хранения доступного тепла на полдня, обычно бывает достаточно.

Полная система хранения отключает чиллеры в часы пиковой нагрузки. Капитальные затраты выше, поскольку для такой системы требуются более крупные чиллеры и более крупная система хранения льда.

Этот лед образуется, когда тарифы на электроэнергию ниже. Системы охлаждения в непиковое время могут снизить затраты на электроэнергию. Совет по экологическому строительству США разработал программу « Лидерство в энергетическом и экологическом проектировании» (LEED), чтобы поощрять проектирование зданий с меньшим воздействием на окружающую среду. Внепиковое охлаждение может помочь в получении сертификата LEED.

Тепловые аккумуляторы для обогрева встречаются реже, чем для охлаждения. Примером накопления тепла является накопление солнечного тепла для использования в ночное время.

Скрытое тепло может также накапливаться в материалах с техническим фазовым переходом (ПКМ). Их можно инкапсулировать в стеновые и потолочные панели до умеренных комнатных температур.

Транспорт

Жидкое углеводородное топливо - наиболее часто используемые формы хранения энергии на транспорте , за которыми следует все более широкое 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 электричества, но из-за их изменчивости в движении стабильное снабжение электричеством с помощью возобновляемых источников энергии является сложной задачей. Фотоэлектрические системы, установленные на крышах зданий, могут использоваться для питания систем общественного транспорта в периоды повышенного спроса на электроэнергию, а доступ к другим формам энергии затруднен. Предстоящие изменения в транспортной системе также включают, например, паромы и самолеты, где электроснабжение рассматривается как интересная альтернатива.

Электроника

Конденсаторы широко используются в электронных схемах для блокировки постоянного тока и пропускания переменного тока . В сетях аналоговых фильтров они сглаживают выходной сигнал источников питания . В резонансных цепях они настраивают радио на определенные частоты . В системах передачи электроэнергии они стабилизируют напряжение и поток мощности.

Случаи применения

США Департамент энергетики международной базы данных Energy Storage (IESDB), представляет собой базу данных свободного доступа проектов аккумулирования энергии и политики , финансируемых из департамента Соединенных Штатов энергетики Управления электроэнергетики и Sandia National Labs .

Емкость

Емкость накопителя - это количество энергии, извлеченное из устройства или системы накопления энергии; обычно измеряется в джоулях или киловатт-часах и их кратных величинах, он может быть выражен в количестве часов производства электроэнергии на паспортной мощности электростанции ; когда хранилище первичного типа (например, тепловое или водоснабжение), выходная мощность обеспечивается только встроенной системой хранения электростанции.

Экономика

Экономика накопления энергии строго зависит от запрошенной резервной услуги, и несколько факторов неопределенности влияют на рентабельность накопления энергии. Следовательно, не каждый метод хранения технически и экономически подходит для хранения нескольких МВтч, а оптимальный размер накопителя энергии зависит от рынка и местоположения.

Более того, ESS подвержены нескольким рискам, например:

  • Технико-экономические риски, связанные с конкретной технологией;
  • Рыночные риски - факторы, влияющие на систему электроснабжения;
  • Регулирующие и политические риски.

Следовательно, традиционные методы, основанные на детерминированном дисконтированном денежном потоке (DCF) для оценки инвестиций, не полностью подходят для оценки этих рисков и неопределенностей, а также гибкости инвестора для их решения. Следовательно, в литературе рекомендуется оценивать значение рисков и неопределенностей с помощью анализа реальных опционов (ROA), который является ценным методом в условиях неопределенности.

Экономическая оценка крупномасштабных применений (включая гидроаккумуляторы и сжатый воздух) учитывает преимущества, в том числе: предотвращение сокращения расходов, предотвращение перегрузки сети, ценовой арбитраж и безуглеродную поставку энергии. Согласно одной технической оценке Центра электроэнергетики Карнеги-Меллона , экономические цели могут быть достигнуты с использованием батарей, если их капитальные затраты составляют от 30 до 50 долларов за киловатт-час.

Показателем энергоэффективности хранения является накопление энергии за счет вложенной энергии (ESOI), то есть количество энергии, которое может быть сохранено технологией, деленное на количество энергии, необходимое для создания этой технологии. Чем выше ESOI, тем энергетически лучше технология хранения. Для литий-ионных аккумуляторов это около 10, а для свинцово-кислотных аккумуляторов - около 2. Другие формы хранения, такие как гидроаккумуляторы, обычно имеют более высокий ESOI, например 210.

Гидроэлектроэнергия с гидроаккумулятором на сегодняшний день является самой крупной технологией накопления, используемой в мире, но имеет ограниченный потенциал роста в большинстве стран из-за очень интенсивного землепользования для относительно небольшой мощности . Высокая стоимость и ограниченный срок службы по-прежнему делают батареи «слабой заменой» диспетчерских источников энергии и не могут покрыть переменные перебои в подаче электроэнергии из возобновляемых источников, которые сохраняются в течение нескольких дней, недель или месяцев. В сетевых моделях с высокой долей VRE чрезмерная стоимость хранения имеет тенденцию преобладать над стоимостью всей сети - например, только в Калифорнии для 80% доли VRE потребуется 9,6 ТВтч хранилища, а для 100% потребуется 36,3 ТВтч. По состоянию на 2018 год в штате было всего 150 ГВтч хранилищ, в основном в гидроаккумулирующих установках и небольшую долю в батареях. Согласно другому исследованию, для удовлетворения 80% спроса США на VRE потребуется интеллектуальная сеть, охватывающая всю страну, или аккумулятор, способный обеспечивать всю систему в течение 12 часов, при стоимости, оцененной в 2,5 триллиона долларов.

Исследовать

Германия

По словам представителя Немецкой ассоциации накопителей энергии, в 2013 году федеральное правительство Германии выделило 200 млн евро (примерно 270 млн долларов США) на исследования и еще 50 млн евро на субсидирование аккумуляторов в солнечных панелях на крыше жилых домов.

Компания Siemens AG поручила открыть в 2015 году производственно-исследовательский завод в Zentrum für Sonnenenergie und Wasserstoff (ZSW, Немецкий центр исследований солнечной энергии и водорода в земле Баден-Вюртемберг ), университетско-промышленном предприятии в Штутгарте, Ульме и Widderstall, в котором работают около 350 ученых, исследователей, инженеров и техников. Завод разрабатывает новые производственные материалы и процессы, близкие к производству (NPMM & P), с использованием компьютеризированной системы диспетчерского управления и сбора данных (SCADA). Он направлен на расширение производства аккумуляторных батарей с повышенным качеством и более низкой стоимостью.

Соединенные Штаты

В 2014 году открылись исследовательские и испытательные центры для оценки технологий хранения энергии. Среди них была лаборатория Advanced Systems Test в Университете штата Висконсин в Мэдисоне в Висконсине штате , который сотрудничает с производителем батареи Johnson Controls . Лаборатория была создана в рамках недавно открытого Висконсинского энергетического института университета . В их задачи входит оценка современных аккумуляторных батарей для электромобилей и нового поколения , в том числе их использование в качестве дополнений к электросети.

Штата Нью - Йорк представила в Нью - Йорке батареи и энергетических технологий хранения (Нью - Йорк-BEST) Тест и коммерциализация центр в Eastman Business Park в Рочестере, штат Нью - Йорк , на сумму $ 23 млн за его почти 1700 м 2 лаборатории. Центр включает в себя центр для будущих энергетических систем, сотрудничество между Корнельского университета в Итаке, штат Нью - Йорк и Rensselaer политехнический институт в Трое, штат Нью - Йорк . NY-BEST тестирует, проверяет и независимо сертифицирует различные формы накопителей энергии, предназначенные для коммерческого использования.

27 сентября 2017 года сенаторы Аль Франкен из Миннесоты и Мартин Хайнрих из Нью-Мексико представили Закон о продвижении сетевых хранилищ (AGSA), в соответствии с которым более 1 миллиарда долларов будет выделено на исследования, техническую помощь и гранты для поощрения хранения энергии в Соединенных Штатах.

В сетевых моделях с высокой долей VRE чрезмерная стоимость хранения имеет тенденцию преобладать над стоимостью всей сети - например, только в Калифорнии для 80% доли VRE потребуется 9,6 ТВтч хранилища, а для 100% потребуется 36,3 ТВтч. Согласно другому исследованию, для удовлетворения 80% спроса США на VRE потребуется интеллектуальная сеть, охватывающая всю страну, или аккумулятор, способный обеспечивать всю систему в течение 12 часов, при стоимости, оцененной в 2,5 триллиона долларов.

Объединенное Королевство

В Соединенном Королевстве около 14 промышленных и государственных агентств объединились с семью британскими университетами в мае 2014 года, чтобы создать SUPERGEN Energy Storage Hub, чтобы помочь в координации исследований и разработок в области технологий хранения энергии.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

Журналы и статьи

  • Чен, Хайшэн; Тханг Нгок Конг; Вэй Ян; Чуньцин Тан; Юнлян Ли; Юлонг Дин. Прогресс в системе хранения электроэнергии: критический обзор , Progress in Natural Science , принят 2 июля 2008 г., опубликован в Vol. 19, 2009, стр. 291–312, DOI: 10.1016 / j.pnsc.2008.07.014. Источник: Национальный фонд естественных наук Китая и Китайская академия наук . Опубликовано Elsevier и Science in China Press. Синопсис: обзор технологий хранения электроэнергии для стационарных приложений. Получено с ac.els-cdn.com 13 мая 2014 г. (PDF)
  • Corum, Lyn. Новая основная технология: накопление энергии является частью эволюции умных сетей , Журнал энергоэффективности и надежности , 31 декабря 2009 г. Обсуждаются: Департамент коммунальных услуг Анахайма, литий-ионные накопители энергии, iCel Systems, Beacon Power, Исследовательский институт электроэнергетики (EPRI), ICEL, Программа стимулирования самообразования, ICE Energy, окислительно-восстановительный поток ванадия, литий-ионный, регенеративный топливный элемент, ZBB, VRB, свинцово-кислотный, CAES и накопитель тепловой энергии. (PDF)
  • de Oliveira e Silva, G .; Хендрик, П. (2016). «Свинцово-кислотные батареи в сочетании с фотоэлектрическими элементами для повышения самообеспеченности домохозяйствами электроэнергией». Прикладная энергия . 178 : 856–867. DOI : 10.1016 / j.apenergy.2016.06.003 .
  • Уиттингем, М. Стэнли. История, эволюция и будущее состояние хранения энергии , Труды IEEE , рукопись принята 20 февраля 2012 г., дата публикации 16 апреля 2012 г .; дата текущей версии 10 мая 2012 г., опубликовано в Proceedings of the IEEE , Vol. 100, 13 мая 2012 г., 0018–9219, стр. 1518–1534, DOI: 10.1109 / JPROC.2012.219017. Получено с ieeexplore.ieee.org, 13 мая 2014 г. Сводка: обсуждение важных аспектов накопления энергии, включая новые аккумуляторные технологии, и важность систем хранения в ключевых областях применения, включая электронные устройства, транспорт и коммунальные сети. (PDF)

Книги

внешние ссылки