Науката за съхранение на енергия: Глобална перспектива

Съхранението на енергия е от решаващо значение за устойчивото бъдеще. То запълва пропастта между прекъсващите възобновяеми енергийни източници като слънцето и вятъра и непрекъснатите енергийни нужди на модерното общество. Тази статия се задълбочава в науката за съхранение на енергия, изследва различни технологии и разглежда техните глобални приложения.

Защо съхранението на енергия е важно

Нарастващото приемане на възобновяеми енергийни източници променя глобалния енергиен пейзаж. Въпреки това, възобновяемите източници като слънцето и вятъра по своята същност са променливи. Слънцето не винаги грее, а вятърът не винаги духа. Съхранението на енергия решава тази прекъсваемост, позволявайки ни да улавяме излишната енергия по време на периоди на високо производство и да я освобождаваме, когато търсенето е голямо или възобновяемите източници не са налични.

Съхранението на енергия осигурява многобройни ползи:

• Стабилизиране на мрежата: Подобрява надеждността на мрежата, като осигурява резервно захранване и регулира честотата и напрежението.
• Намалена зависимост от изкопаеми горива: Дава възможност за по-голяма интеграция на възобновяеми енергийни източници, намалявайки зависимостта ни от изкопаеми горива и смекчавайки изменението на климата.
• Спестяване на разходи: Намалява таксите за пиково търсене и позволява на потребителите да използват самогенерирана възобновяема енергия.
• Енергийна независимост: Подобрява енергийната сигурност, като позволява на страните да разчитат на локално генерирана и съхранявана възобновяема енергия.
• Дава възможност за електрификация на транспорта: Осигурява енергията, необходима за захранване на електрически превозни средства (EV) и намалява емисиите от транспорта.

Видове технологии за съхранение на енергия

Различни технологии за съхранение на енергия отговарят на различни приложения и мащаби. Ето преглед на някои видни методи:

1. Електрохимично съхранение на енергия (Батерии)

Батериите са най-често срещаната форма на съхранение на енергия. Те преобразуват химическата енергия в електрическа енергия чрез електрохимични реакции.

Литиево-йонни батерии

Литиево-йонните (Li-ion) батерии доминират на пазара поради високата си енергийна плътност, дългия живот и сравнително ниската скорост на саморазряд. Те се използват в преносима електроника, електрически превозни средства и съхранение в мрежата. Li-ion батериите работят, като преместват литиеви йони между анода (отрицателен електрод) и катода (положителен електрод) през електролит. Движението на тези йони създава електрически ток.

Пример: Megapack на Tesla е мащабна литиево-йонна батерийна система, използвана за стабилизиране на мрежата и обръсване на върховото потребление. Много страни по света, от Австралия до Обединеното кралство, разполагат системи Megapack за подобряване на своята инфраструктура за възобновяема енергия.

Предизвикателства: Li-ion батериите са изправени пред предизвикателства, свързани с разходите, безопасността (термично избягване) и наличността на суровини като литий и кобалт. Изследванията са насочени към разработване на алтернативни катодни материали и подобряване на системите за управление на батериите за решаване на тези проблеми.

Оловно-киселинни батерии

Оловно-киселинните батерии са зряла технология, която се използва от над век. Те са евтини и надеждни, но имат по-ниска енергийна плътност и по-кратък живот от Li-ion батериите. Оловно-киселинните батерии обикновено се използват в автомобилни приложения, резервни захранващи системи и извън мрежата слънчеви инсталации.

Пример: В много развиващи се страни оловно-киселинните батерии все още са рентабилно решение за съхранение на енергия от слънчеви домашни системи, осигурявайки електричество на домакинствата без достъп до мрежата.

Поточни батерии

Поточните батерии съхраняват енергия в течни електролити, които се изпомпват през електрохимични клетки. Те предлагат висока мащабируемост, дълъг живот и независим контрол на енергията и мощността. Поточните батерии са подходящи за съхранение в мрежата и приложения, изискващи дълготрайно разреждане.

Пример: Няколко компании разработват и внедряват ванадиеви редокс поточни батерии (VRFB) за стабилизиране на мрежата и интеграция на възобновяема енергия. Тези батерии са особено подходящи за приложения, където са необходими дълги времена на разреждане, като например осигуряване на резервно захранване по време на продължителни периоди на облачно покритие или нисък вятър.

Твърдотелни батерии

Твърдотелните батерии заместват течния електролит в конвенционалните Li-ion батерии с твърд електролит. Това предлага потенциални предимства по отношение на безопасността, енергийната плътност и продължителността на живота. Твърдотелните батерии са перспективна технология за електрически превозни средства и други приложения.

Предизвикателства: Увеличаването на производството на твърдотелни батерии и преодоляването на предизвикателствата, свързани с граничното съпротивление, са текущи области на изследване.

Натриево-йонни батерии

Натриево-йонните батерии използват натрий, обилен и евтин елемент, като носител на заряда. Те предлагат потенциално по-ниска цена алтернатива на Li-ion батериите за съхранение в мрежата и други приложения.

Предизвикателства: Натриево-йонните батерии като цяло имат по-ниска енергийна плътност от Li-ion батериите. Въпреки това, текущите изследвания имат за цел да подобрят тяхната производителност.

2. Механично съхранение на енергия

Механичните системи за съхранение на енергия съхраняват енергия чрез физическо преместване или компресиране на среда.

Помпено-хидро съхранение (PHS)

Помпено-хидро съхранението е най-широко използваната форма на мащабно съхранение на енергия в световен мащаб. То включва изпомпване на вода от долно хранилище към горно хранилище по време на периоди на ниско търсене или излишък от генериране на възобновяема енергия. Когато е необходима енергия, водата се освобождава, тече надолу през турбини, за да генерира електричество.

Пример: Китай има най-големия инсталиран капацитет за помпено-хидро съхранение в света, използвайки го за интегриране на големи количества вятърна и слънчева енергия в своята мрежа. По същия начин много страни в Европа и Северна Америка разчитат на помпено-хидро съхранение за стабилизиране на мрежата.

Предизвикателства: PHS изисква специфични геоложки условия (разлики във височината и наличност на вода) и може да има въздействия върху околната среда, свързани с използването на земята и водните ресурси.

Съхранение на енергия със сгъстен въздух (CAES)

Съхранението на енергия със сгъстен въздух включва компресиране на въздух и съхраняването му в подземни пещери или надземни резервоари. Когато е необходима енергия, сгъстеният въздух се освобождава и нагрява, след което се разширява през турбини, за да генерира електричество.

Пример: Съществуващите CAES инсталации работят в Германия и Съединените щати. Разработват се усъвършенствани CAES системи за подобряване на ефективността и намаляване на зависимостта от природен газ за отопление на сгъстения въздух.

Предизвикателства: CAES изисква подходящи геоложки формации за съхранение на въздух и може да има сравнително ниска ефективност при двупосочно преобразуване.

Маховици

Маховиците съхраняват енергия, като въртят тежък ротор с висока скорост. Кинетичната енергия, съхранена в маховика, може да бъде преобразувана обратно в електричество, когато е необходимо. Маховиците предлагат бързо време за реакция и дълъг живот, което ги прави подходящи за регулиране на честотата и краткосрочно резервно захранване.

Пример: Системите за съхранение на енергия с маховици се използват за подобряване на качеството на електроенергията в индустриалните съоръжения и за стабилизиране на мрежата в райони с голям дял на възобновяема енергия.

Предизвикателства: Маховиците имат сравнително ниска енергийна плътност в сравнение с батериите и могат да претърпят загуби на енергия поради триене и съпротивление на въздуха.

3. Съхранение на топлинна енергия (TES)

Съхранението на топлинна енергия включва съхранение на енергия под формата на топлина или студ. Това може да се постигне с помощта на различни материали, като вода, разтопени соли или материали за фазова промяна (PCM).

Концентрирана слънчева енергия (CSP) с TES

Инсталациите за концентрирана слънчева енергия използват огледала, за да фокусират слънчевата светлина върху приемник, който загрява работна течност. Топлината може да се използва директно за генериране на електричество или да се съхранява в системи за съхранение на топлинна енергия, което позволява на централата да генерира електричество дори когато слънцето не грее.

Пример: Слънчевата електроцентрала Noor Ouarzazate в Мароко използва съхранение на топлинна енергия с разтопена сол, за да осигури електричество 24 часа в денонощието. Испания също има значителен CSP капацитет с интегрирано TES.

Централно отопление и охлаждане

Съхранението на топлинна енергия може да се използва в централизирани системи за отопление и охлаждане за съхранение на излишната топлина или студ, генерирани в извънпиковите часове. Тази съхранена енергия може след това да се използва за задоволяване на пиковото търсене, намалявайки разходите за енергия и подобрявайки ефективността.

Пример: Много градове в Скандинавия използват съхранение на топлинна енергия в своите системи за централно отопление, за да съхраняват излишната топлина от индустриални процеси или изгаряне на отпадъци.

Съхранение на лед

Системите за съхранение на лед създават лед в извънпиковите часове и го използват за охлаждане на сгради в пиковите часове. Това намалява търсенето на електроенергия и намалява разходите за енергия.

Пример: Съхранението на лед обикновено се използва в търговски сгради, болници и центрове за данни за намаляване на разходите за охлаждане.

4. Химично съхранение на енергия

Химичното съхранение на енергия включва съхранение на енергия под формата на химически връзки. Производството и съхранението на водород са ключов пример.

Съхранение на водородна енергия

Водородът може да бъде произведен чрез електролиза на вода с помощта на възобновяема енергия. След това водородът може да бъде съхраняван в различни форми, като сгъстен газ, течен водород или метални хидриди. Когато е необходима енергия, водородът може да се използва в горивни клетки за генериране на електричество, топлина или транспортно гориво.

Пример: Няколко страни инвестират в проекти за производство и съхранение на водород, като се стремят да използват водорода като чисто гориво за транспорт, индустрия и производство на енергия. Япония, например, има амбициозни планове да използва водород за захранване на своята икономика.

Предизвикателства: Производството, съхранението и транспортирането на водород все още са сравнително скъпи. Разработването на рентабилни и ефективни технологии за съхранение на водород и горивни клетки е от решаващо значение за широкото му приемане.

Глобални приложения на съхранението на енергия

Съхранението на енергия се внедрява в различни приложения по целия свят:

• Съхранение на енергия в мрежата: Стабилизиране на мрежи, интегриране на възобновяеми енергийни източници и осигуряване на резервно захранване. Страни като Австралия, Съединените щати и Обединеното кралство инвестират сериозно в съхранение на енергия в мрежата.
• Съхранение на енергия в жилищни сгради: Комбиниране на слънчеви панели със съхранение на батерии за намаляване на сметките за електричество и увеличаване на енергийната независимост. Това е особено популярно в страни с високи цени на електроенергията и силни слънчеви ресурси, като Германия и Австралия.
• Зареждане на електрически превозни средства: Осигуряване на бързо и надеждно зареждане за електрически превозни средства, намаляване на тревожността за пробега и ускоряване на приемането на електрическия транспорт.
• Микро-мрежи: Позволяване на отдалечени общности и критични съоръжения да работят независимо от мрежата, осигурявайки надеждно електрозахранване. Микро-мрежите са от решаващо значение в райони с ненадеждна мрежова инфраструктура или чести природни бедствия.
• Индустриални приложения: Подобряване на качеството на електроенергията, намаляване на разходите за енергия и осигуряване на резервно захранване за индустриални съоръжения.

Бъдещето на съхранението на енергия

Бъдещето на съхранението на енергия е светло, с текущи изследвания и разработки, фокусирани върху:

• Подобряване на батерийната технология: Увеличаване на енергийната плътност, продължителността на живота и безопасността, като същевременно се намаляват разходите. Изследванията са фокусирани върху разработването на нови батерийни химикали, като твърдотелни батерии и натриево-йонни батерии.
• Разработване на усъвършенствани системи за съхранение на топлинна енергия: Увеличаване на ефективността и рентабилността на съхранението на топлинна енергия за CSP и централно отопление и охлаждане.
• Подобряване на технологиите за производство и съхранение на водород: Намаляване на цената на производството на водород и разработване на ефективни и безопасни методи за съхранение и транспортиране на водород.
• Създаване на интелигентни мрежи: Интегриране на съхранението на енергия с технологии за интелигентна мрежа за оптимизиране на енергийния поток и подобряване на устойчивостта на мрежата.
• Намаляване на въздействието върху околната среда: Разглеждане на опасенията относно въздействието върху околната среда на производството и изхвърлянето на батерии чрез рециклиране и устойчиво снабдяване с материали.

Полезни идеи:

1. Бъдете информирани: Бъдете в крак с най-новите постижения в технологиите и политиките за съхранение на енергия.
2. Помислете за съхранение на енергия за вашия дом или бизнес: Оценете потенциалните ползи от интегрирането на съхранението на енергия във вашата енергийна система.
3. Подкрепете политиките за възобновяема енергия: Застъпвайте се за политики, които насърчават развитието и внедряването на възобновяема енергия и съхранение на енергия.

Заключение

Съхранението на енергия е съществен компонент на устойчивото енергийно бъдеще. То дава възможност за интегриране на възобновяеми енергийни източници, подобрява надеждността на мрежата, намалява зависимостта от изкопаеми горива и дава възможност на лицата и общностите да поемат контрола върху своята енергия. С напредъка на технологиите и намаляването на разходите, съхранението на енергия ще играе все по-важна роля в трансформирането на глобалния енергиен пейзаж.