Globální scéna výzkumu ukládání energie: Inovace, aplikace a budoucí trendy

Ukládání energie se rychle stává klíčovým prvkem pro udržitelnou energetickou budoucnost. Jak svět přechází na obnovitelné zdroje energie, jako je solární a větrná energie, přerušovaná povaha těchto zdrojů vyžaduje robustní řešení pro ukládání energie, aby bylo zajištěno spolehlivé a stabilní napájení. Tento blogový příspěvek se zabývá globální scénou výzkumu ukládání energie, zkoumá rozmanité technologie, probíhající iniciativy, reálné aplikace a vzrušující budoucí směry tohoto životně důležitého oboru.

Proč je ukládání energie důležité: Globální perspektiva

Integrace obnovitelných zdrojů energie do globálního energetického mixu je prvořadá pro zmírnění klimatických změn a zajištění energetické bezpečnosti. Variabilita výroby z obnovitelných zdrojů však představuje významnou výzvu. Systémy pro ukládání energie (ESS) tuto výzvu řeší tím, že:

• Vyrovnávají nabídku a poptávku: Ukládají přebytečnou energii vyrobenou v obdobích vysoké produkce (např. slunečné dny pro solární energii) a uvolňují ji, když poptávka převyšuje nabídku (např. ve večerních špičkách).
• Zlepšují stabilitu sítě: Poskytují podpůrné služby, jako je regulace frekvence a podpora napětí, které jsou klíčové pro udržení stabilní a spolehlivé elektrické sítě.
• Umožňují mikrosítě a off-grid řešení: Usnadňují přístup k čisté energii v odlehlých oblastech a komunitách s nedostatečnými službami, čímž podporují energetickou nezávislost a odolnost.
• Podporují zavádění elektromobilů (EV): Zajišťují kapacitu pro ukládání energie potřebnou pro rozsáhlé zavádění elektromobilů, čímž se snižuje závislost na fosilních palivech v dopravním sektoru.

Tyto přínosy jsou hnacím motorem významných investic a výzkumných snah po celém světě, jejichž cílem je vyvinout účinnější, nákladově efektivnější a udržitelnější technologie pro ukládání energie.

Rozmanité portfolio technologií pro ukládání energie

Oblast ukládání energie zahrnuje širokou škálu technologií, z nichž každá má své silné a slabé stránky, díky nimž jsou vhodné pro různé aplikace. Zde je přehled některých klíčových technologií:

1. Elektrochemické ukládání energie: Baterie

Baterie jsou nejznámější a nejrozšířenější technologií pro ukládání energie. Přeměňují chemickou energii na elektrickou prostřednictvím elektrochemických reakcí.

a. Lithium-iontové baterie (LIB)

LIB dominují na trzích s přenosnou elektronikou a elektromobily díky své vysoké energetické hustotě, dlouhé životnosti a relativně vysoké hustotě výkonu. Probíhající výzkum se zaměřuje na:

• Zlepšení energetické hustoty a životnosti cyklů: Zkoumání nových materiálů pro elektrody a složení elektrolytů pro zvýšení výkonu. Například výzkumníci v Japonsku pracují na křemíkových anodových materiálech, aby dramaticky zvýšili energetickou hustotu.
• Zvýšení bezpečnosti: Řešení bezpečnostních obav souvisejících s tepelným únikem vývojem bezpečnějších elektrolytů a návrhů článků. Polovodičové elektrolyty jsou slibnou cestou ke zlepšení bezpečnosti.
• Snížení nákladů: Zkoumání alternativních katodových materiálů, jako je fosforečnan lithno-železitý (LFP) a sodíkovo-iontové baterie, s cílem snížit závislost na drahých a vzácných materiálech, jako je kobalt a nikl.
• Vývoj schopností rychlého nabíjení: Zaměření na materiály a návrhy článků, které mohou umožnit rychlé nabíjení, klíčové pro přijetí elektromobilů. Společnosti jako Tesla v této oblasti neustále inovují.

b. Polovodičové baterie (SSB)

SSB nahrazují kapalný elektrolyt v LIB pevným elektrolytem, což nabízí potenciální výhody z hlediska bezpečnosti, energetické hustoty a životnosti cyklů. Výzkumné úsilí se soustředí na:

• Vývoj pevných elektrolytů s vysokou iontovou vodivostí: Nalezení materiálů s vysokou iontovou vodivostí při pokojové teplotě, aby byl umožněn účinný transport iontů. Zkoumají se různé materiály, včetně keramiky, polymerů a kompozitů.
• Zlepšení mezifázového kontaktu: Zajištění dobrého kontaktu mezi pevným elektrolytem a elektrodami pro minimalizaci odporu. To je hlavní výzva při vývoji SSB.
• Rozšíření výroby: Vývoj škálovatelných a nákladově efektivních výrobních procesů pro produkci SSB. Společnosti jako QuantumScape a Solid Power jsou v čele vývoje SSB.

c. Průtokové baterie

Průtokové baterie ukládají energii v kapalných elektrolytech obsažených ve vnějších nádržích. Nabízejí výhody z hlediska škálovatelnosti, dlouhé životnosti cyklů a nezávislého řízení energetické a výkonové kapacity. Výzkum se zaměřuje na:

• Zlepšení energetické hustoty: Vývoj elektrolytů s vyšší energetickou hustotou pro snížení velikosti a nákladů na systémy průtokových baterií.
• Snížení nákladů: Zkoumání levnějších a hojnějších materiálů pro elektrolyty.
• Zvýšení účinnosti: Optimalizace návrhu článků a složení elektrolytů pro zlepšení celkové účinnosti cyklu.
• Vývoj nových chemií elektrolytů: Zkoumání nevodných a organických elektrolytů pro zlepšení výkonu a udržitelnosti.

Průtokové baterie jsou obzvláště vhodné pro aplikace ukládání energie v síťovém měřítku. Společnosti jako VanadiumCorp a Primus Power se aktivně podílejí na vývoji a nasazování průtokových baterií.

d. Sodíkovo-iontové baterie (SIB)

SIB využívají sodíkové ionty jako nosiče náboje, což nabízí potenciální alternativu k LIB díky hojnosti a nízké ceně sodíku. Výzkumné úsilí se zaměřuje na:

• Vývoj vhodných elektrodových materiálů: Nalezení materiálů, které mohou účinně a reverzibilně interkalovat sodíkové ionty.
• Zlepšení životnosti cyklů: Zvýšení stability elektrodových materiálů a elektrolytů pro dosažení dlouhé životnosti cyklů.
• Zvýšení energetické hustoty: Zkoumání nových materiálů a návrhů článků pro zlepšení energetické hustoty.

SIB získávají na popularitě pro aplikace ukládání energie v síťovém měřítku díky svým nákladovým výhodám.

2. Mechanické ukládání energie

Technologie mechanického ukládání energie uchovávají energii fyzickým pohybem nebo deformací média. Mezi tyto technologie patří:

a. Přečerpávací vodní elektrárny (PVE)

PVE je nejvyspělejší a nejrozšířenější formou ukládání energie v síťovém měřítku. Zahrnuje čerpání vody do výše položené nádrže v obdobích přebytku energie a její vypouštění přes turbíny k výrobě elektřiny v případě potřeby. Výzkum se zaměřuje na:

• Vývoj PVE systémů s uzavřeným cyklem: Minimalizace dopadu na životní prostředí použitím nádrží mimo vodní toky.
• Zlepšení účinnosti: Optimalizace konstrukcí turbín a čerpadel pro zvýšení celkové účinnosti cyklu.
• Integrace PVE s obnovitelnými zdroji energie: Vývoj řídicích strategií pro optimalizaci provozu systémů PVE ve spojení s proměnlivou výrobou z obnovitelných zdrojů energie.

PVE je osvědčená technologie pro velkokapacitní ukládání energie, která poskytuje významné výhody pro stabilizaci sítě.

b. Ukládání energie stlačeným vzduchem (CAES)

CAES ukládá energii stlačením vzduchu a jeho uchováním v podzemních kavernách nebo nádržích. Stlačený vzduch se poté uvolňuje k pohonu turbíny a výrobě elektřiny. Výzkum se zaměřuje na:

• Zlepšení účinnosti: Vývoj adiabatických systémů CAES, které zachycují a ukládají teplo vzniklé během komprese, čímž se zlepšuje celková účinnost cyklu.
• Snížení nákladů: Zkoumání levnějších možností skladování, jako jsou solné kaverny.
• Vývoj hybridních systémů CAES: Integrace CAES s obnovitelnými zdroji energie a dalšími technologiemi pro ukládání energie.

c. Setrvačníkové ukládání energie

Setrvačníky ukládají energii rotací hmoty vysokou rychlostí. Nabízejí rychlou odezvu a vysokou hustotu výkonu, což je činí vhodnými pro krátkodobé aplikace, jako je regulace frekvence. Výzkum se zaměřuje na:

• Zlepšení energetické hustoty: Vývoj setrvačníků s vyššími otáčkami a pevnějšími materiály pro zvýšení energetické hustoty.
• Snížení ztrát třením: Minimalizace tření pro zlepšení celkové účinnosti cyklu.
• Optimalizace řídicích systémů: Vývoj pokročilých řídicích systémů pro přesný a citlivý provoz.

3. Tepelné ukládání energie (TES)

TES ukládá energii ve formě tepla nebo chladu. Lze jej použít pro různé aplikace, včetně:

• Vytápění a chlazení budov: Ukládání tepelné energie pro pozdější použití při vytápění nebo chlazení budov, což snižuje spotřebu energie a poptávku ve špičce.
• Průmyslové procesy: Ukládání tepelné energie pro použití v průmyslových procesech, zlepšení energetické účinnosti a snížení emisí.
• Koncentrovaná solární energie (CSP): Ukládání tepelné energie generované elektrárnami CSP pro dispečerskou výrobu elektřiny.

Technologie TES zahrnují:

• Ukládání citlivého tepla: Ukládání energie zvýšením teploty akumulačního média, jako je voda, olej nebo hornina.
• Ukládání latentního tepla: Ukládání energie využitím fázové změny materiálu, jako je tání ledu nebo tuhnutí hydrátu soli.
• Termochemické ukládání energie: Ukládání energie využitím reverzibilních chemických reakcí.

Výzkumné úsilí se zaměřuje na vývoj nových materiálů s vysokou kapacitou pro ukládání tepla a zlepšení účinnosti systémů TES.

Globální výzkumné iniciativy a financování

Výzkum ukládání energie je celosvětovým úsilím, s významnými investicemi a iniciativami probíhajícími v různých zemích a regionech. Některé významné příklady zahrnují:

• Ministerstvo energetiky USA (DOE): DOE spustilo několik iniciativ k urychlení výzkumu a vývoje v oblasti ukládání energie, včetně Energy Storage Grand Challenge a Joint Center for Energy Storage Research (JCESR).
• Evropská unie (EU): EU založila Evropskou bateriovou alianci (EBA) na podporu rozvoje konkurenceschopného a udržitelného bateriového průmyslu v Evropě. Program EU Horizon Europe také financuje četné výzkumné projekty v oblasti ukládání energie.
• Čína: Čína masivně investuje do technologií ukládání energie jako součást svých snah o přechod na čistší energetický systém. Země se silně zaměřuje na výrobu baterií a nasazování úložišť energie v síťovém měřítku.
• Japonsko: Japonsko má dlouhou historii inovací v technologii baterií a nadále investuje do pokročilého výzkumu ukládání energie, zejména v oblasti polovodičových baterií a skladování vodíku.
• Austrálie: Austrálie ve velkém měřítku nasazuje systémy pro ukládání energie na podporu své rostoucí kapacity obnovitelných zdrojů. Země také investuje do výzkumu ukládání energie v síťovém měřítku a virtuálních elektráren.

Tyto iniciativy poskytují financování pro výzkumné projekty, podporují vývoj nových technologií a podporují spolupráci mezi výzkumnými pracovníky, průmyslem a vládními agenturami.

Reálné aplikace ukládání energie

Systémy pro ukládání energie se již nasazují v široké škále aplikací po celém světě. Některé příklady zahrnují:

• Ukládání energie v síťovém měřítku: Bateriové úložné systémy se používají k poskytování síťových služeb, jako je regulace frekvence, podpora napětí a snižování špiček (peak shaving). Například Hornsdale Power Reserve v Jižní Austrálii je rozsáhlý bateriový úložný systém, který výrazně zlepšil stabilitu sítě a snížil ceny elektřiny.
• Mikrosítě: Systémy pro ukládání energie umožňují rozvoj mikrosítí, které mohou fungovat nezávisle na hlavní síti. Mikrosítě se používají k zajištění spolehlivého napájení odlehlých komunit, průmyslových zařízení a vojenských základen. Například četné mikrosítě v ostrovních státech používají baterie a obnovitelnou energii ke snížení závislosti na dovážených fosilních palivech.
• Elektrická vozidla: Baterie jsou klíčovou součástí elektrických vozidel a poskytují kapacitu pro ukládání energie potřebnou pro jízdu na dlouhé vzdálenosti. Růst trhu s elektromobily je hnacím motorem významných inovací v technologii baterií.
• Domácí ukládání energie: Domácí bateriové systémy se stávají stále populárnějšími a umožňují majitelům domů ukládat solární energii vyrobenou během dne a používat ji v noci, čímž snižují svou závislost na síti.
• Průmyslové ukládání energie: Systémy pro ukládání energie se používají v průmyslových zařízeních ke snížení poplatků za špičkovou poptávku, zlepšení kvality energie a poskytování záložního napájení.

Budoucí trendy ve výzkumu ukládání energie

Oblast výzkumu ukládání energie se neustále vyvíjí a objevují se nové materiály, technologie a aplikace. Některé klíčové budoucí trendy zahrnují:

• Pokročilé technologie baterií: Pokračující vývoj polovodičových baterií, lithium-sirných baterií a dalších pokročilých technologií baterií s vyšší energetickou hustotou, zlepšenou bezpečností a delší životností cyklů.
• Inovace v průtokových bateriích: Vývoj nových chemií elektrolytů a návrhů článků pro zlepšení výkonu a snížení nákladů na průtokové baterie.
• Průlomy v materiálových vědách: Objevování nových materiálů pro elektrody, elektrolyty a další komponenty systémů pro ukládání energie se zlepšeným výkonem a udržitelností.
• AI a strojové učení: Aplikace technik AI a strojového učení k optimalizaci návrhu, provozu a řízení systémů pro ukládání energie.
• Integrace a správa sítě: Vývoj pokročilých systémů pro správu sítě pro integraci systémů pro ukládání energie s obnovitelnými zdroji energie a elektrickou sítí.
• Skladování vodíku: Výzkum účinných a nákladově efektivních metod pro skladování vodíku, slibného nosiče energie pro různé aplikace.
• Elektrochemické kondenzátory (Superkapacitory): Pokračující vývoj superkapacitorů s vysokou hustotou výkonu a schopností rychlého nabíjení/vybíjení.
• Nové způsoby tepelného ukládání energie: Zkoumání nových materiálů a konfigurací pro účinnější a kompaktnější tepelné ukládání energie.

Závěr: Směrem k udržitelné energetické budoucnosti

Výzkum ukládání energie hraje klíčovou roli v umožnění udržitelné energetické budoucnosti. Vývoj účinnějších, nákladově efektivnějších a udržitelnějších technologií pro ukládání energie je nezbytný pro integraci obnovitelných zdrojů energie do globálního energetického mixu, zlepšení stability sítě a umožnění přístupu k čisté energii pro všechny. Jak výzkum postupuje, můžeme očekávat, že se objeví ještě inovativnější řešení pro ukládání energie, která změní způsob, jakým vyrábíme, ukládáme a využíváme energii.

Globální společenství musí nadále podporovat a investovat do výzkumu ukládání energie, aby se urychlil přechod k čistší a udržitelnější energetické budoucnosti pro příští generace. Spolupráce mezi výzkumnými pracovníky, průmyslem a vládními agenturami je klíčem k překonání výzev a realizaci plného potenciálu technologií pro ukládání energie. Podporou inovací a spolupráce můžeme odemknout sílu ukládání energie a vytvořit tak světlejší a udržitelnější budoucnost pro všechny.