Věda o ukládání energie: Globální perspektiva

Ukládání energie je klíčové pro udržitelnou budoucnost. Překlenuje mezeru mezi intermitentními zdroji obnovitelné energie, jako je solární a větrná energie, a nepřetržitými energetickými požadavky moderní společnosti. Tento článek se zabývá vědou o ukládání energie, zkoumá různé technologie a zkoumá jejich globální aplikace.

Proč je ukládání energie důležité

Rostoucí přijetí zdrojů obnovitelné energie přetváří globální energetickou krajinu. Nicméně obnovitelné zdroje, jako je solární a větrná energie, jsou ze své podstaty proměnlivé. Slunce nesvítí vždy a vítr nefouká vždy. Ukládání energie řeší tuto intermitenci a umožňuje nám zachytit přebytečnou energii v obdobích vysoké výroby a uvolnit ji, když je poptávka vysoká nebo obnovitelné zdroje nejsou k dispozici.

Ukládání energie poskytuje řadu výhod:

• Stabilizace sítě: Zlepšuje spolehlivost sítě poskytováním záložního napájení a regulací frekvence a napětí.
• Snížená závislost na fosilních palivech: Umožňuje větší integraci zdrojů obnovitelné energie, čímž snižuje naši závislost na fosilních palivech a zmírňuje změnu klimatu.
• Úspora nákladů: Snižuje poplatky za špičkovou poptávku a umožňuje spotřebitelům využívat vlastní generovanou obnovitelnou energii.
• Energetická nezávislost: Zvyšuje energetickou bezpečnost tím, že umožňuje zemím spoléhat se na místně vyráběnou a uloženou obnovitelnou energii.
• Umožňuje elektrifikaci dopravy: Poskytuje energii potřebnou k napájení elektrických vozidel (EV) a snížení emisí z dopravy.

Typy technologií ukládání energie

Různé technologie ukládání energie se zaměřují na různé aplikace a rozsahy. Zde je přehled některých významných metod:

1. Elektrochemické ukládání energie (baterie)

Baterie jsou nejběžnější formou ukládání energie. Přeměňují chemickou energii na elektrickou energii prostřednictvím elektrochemických reakcí.

Lithium-iontové baterie

Lithium-iontové (Li-ion) baterie dominují trhu díky své vysoké hustotě energie, dlouhé životnosti a relativně nízké míře samovybíjení. Používají se v přenosné elektronice, elektromobilech a ukládání v měřítku sítě. Li-ion baterie fungují tak, že přenášejí ionty lithia mezi anodou (záporná elektroda) a katodou (kladná elektroda) prostřednictvím elektrolytu. Pohyb těchto iontů vytváří elektrický proud.

Příklad: Tesla Megapack je velkokapacitní Li-ion bateriový systém používaný pro stabilizaci sítě a vyrovnávání špiček. Řada zemí po celém světě, od Austrálie po Spojené království, zavádí systémy Megapack ke zlepšení své infrastruktury pro obnovitelnou energii.

Výzvy: Li-ion baterie čelí výzvám souvisejícím s náklady, bezpečností (tepelný únik) a dostupností surovin, jako je lithium a kobalt. Výzkum se zaměřuje na vývoj alternativních katodových materiálů a zlepšení systémů řízení baterií, aby se tyto problémy vyřešily.

Olověné baterie

Olověné baterie jsou vyspělá technologie, která se používá již více než století. Jsou levné a spolehlivé, ale mají nižší hustotu energie a kratší životnost než Li-ion baterie. Olověné baterie se běžně používají v automobilových aplikacích, záložních napájecích systémech a solárních instalacích mimo síť.

Příklad: V mnoha rozvojových zemích jsou olověné baterie stále nákladově efektivním řešením pro ukládání energie ze solárních domácích systémů, které poskytují elektřinu domácnostem bez přístupu k síti.

Průtokové baterie

Průtokové baterie ukládají energii v kapalných elektrolytech, které jsou čerpány elektrochemickými články. Nabízejí vysokou škálovatelnost, dlouhou životnost a nezávislé řízení energie a výkonu. Průtokové baterie jsou vhodné pro ukládání v měřítku sítě a aplikace vyžadující dlouhodobé vybíjení.

Příklad: Několik společností vyvíjí a zavádí vanadové redoxní průtokové baterie (VRFB) pro stabilizaci sítě a integraci obnovitelné energie. Tyto baterie jsou zvláště vhodné pro aplikace, kde je zapotřebí dlouhá doba vybíjení, například poskytování záložního napájení během delších období oblačnosti nebo slabého větru.

Baterie s pevným elektrolytem

Baterie s pevným elektrolytem nahrazují kapalný elektrolyt v konvenčních Li-ion bateriích pevným elektrolytem. To nabízí potenciální výhody z hlediska bezpečnosti, hustoty energie a životnosti. Baterie s pevným elektrolytem jsou slibnou technologií pro elektromobily a další aplikace.

Výzvy: Zvyšování výroby baterií s pevným elektrolytem a překonávání problémů souvisejících s mezifázovým odporem jsou probíhající oblasti výzkumu.

Sodíko-iontové baterie

Sodíko-iontové baterie využívají sodík, hojný a levný prvek, jako nosič náboje. Nabízejí potenciálně levnější alternativu k Li-ion bateriím pro ukládání do sítě a další aplikace.

Výzvy: Sodíko-iontové baterie mají obecně nižší hustotu energie než Li-ion baterie. Nicméně probíhající výzkum se zaměřuje na zlepšení jejich výkonu.

2. Mechanické ukládání energie

Mechanické systémy ukládání energie ukládají energii fyzickým pohybem nebo stlačováním média.

Přečerpávací vodní elektrárny (PHS)

Přečerpávací vodní elektrárny jsou nejrozšířenější formou velkokapacitního ukládání energie na světě. Zahrnuje čerpání vody z nižší nádrže do vyšší nádrže v obdobích nízké poptávky nebo nadměrné výroby obnovitelné energie. Když je energie potřeba, voda se uvolní a proudí dolů přes turbíny, aby generovala elektřinu.

Příklad: Čína má největší instalovaný výkon přečerpávacích vodních elektráren na světě a využívá je k integraci velkého množství větrné a solární energie do své sítě. Podobně se mnoho zemí v Evropě a Severní Americe spoléhá na přečerpávací vodní elektrárny pro stabilizaci sítě.

Výzvy: PHS vyžaduje specifické geologické podmínky (výškové rozdíly a dostupnost vody) a může mít dopady na životní prostředí související s využitím půdy a vodních zdrojů.

Ukládání energie stlačeným vzduchem (CAES)

Ukládání energie stlačeným vzduchem zahrnuje stlačování vzduchu a jeho ukládání v podzemních jeskyních nebo nadzemních nádržích. Když je energie potřeba, stlačený vzduch se uvolní a zahřeje, poté se expanduje přes turbíny, aby se generovala elektřina.

Příklad: Stávající elektrárny CAES fungují v Německu a Spojených státech. Pokročilé systémy CAES jsou vyvíjeny pro zlepšení účinnosti a snížení závislosti na zemním plynu pro ohřev stlačeného vzduchu.

Výzvy: CAES vyžaduje vhodné geologické formace pro ukládání vzduchu a může mít relativně nízkou účinnost oběhu.

Setrvačníky

Setrvačníky ukládají energii otáčením těžkého rotoru vysokou rychlostí. Kinetická energie uložená v setrvačníku může být v případě potřeby převedena zpět na elektřinu. Setrvačníky nabízejí rychlé odezvy a dlouhou životnost, díky čemuž jsou vhodné pro regulaci frekvence a krátkodobé zálohování napájení.

Příklad: Systémy ukládání energie do setrvačníku se používají ke zlepšení kvality energie v průmyslových zařízeních a ke stabilizaci sítě v oblastech s vysokým pronikáním obnovitelné energie.

Výzvy: Setrvačníky mají relativně nízkou hustotu energie ve srovnání s bateriemi a mohou zaznamenávat ztráty energie v důsledku tření a odporu vzduchu.

3. Tepelné ukládání energie (TES)

Tepelné ukládání energie zahrnuje ukládání energie ve formě tepla nebo chladu. Toho lze dosáhnout pomocí různých materiálů, jako je voda, roztavené soli nebo materiály s fázovou změnou (PCM).

Koncentrovaná solární energie (CSP) s TES

Koncentrované solární elektrárny používají zrcadla k zaostření slunečního světla na přijímač, který ohřívá pracovní tekutinu. Teplo lze použít přímo k výrobě elektřiny nebo uložit do systémů tepelného ukládání energie, což umožňuje elektrárně vyrábět elektřinu, i když slunce nesvítí.

Příklad: Marocká solární elektrárna Noor Ouarzazate využívá tepelné ukládání energie do roztavené soli k poskytování elektřiny 24 hodin denně. Španělsko má také významnou kapacitu CSP s integrovaným TES.

Dálkové vytápění a chlazení

Tepelné ukládání energie lze použít v systémech dálkového vytápění a chlazení k ukládání přebytečného tepla nebo chladu generovaného v době mimo špičku. Tato uložená energie může být poté použita k uspokojení špičkové poptávky, snížení nákladů na energii a zlepšení účinnosti.

Příklad: Mnoho měst ve Skandinávii využívá tepelné ukládání energie ve svých systémech dálkového vytápění k ukládání přebytečného tepla z průmyslových procesů nebo spalování odpadu.

Ukládání ledu

Systémy ukládání ledu vytvářejí led v době mimo špičku a používají jej k chlazení budov v době špičky. To snižuje poptávku po elektřině a snižuje náklady na energii.

Příklad: Ukládání ledu se běžně používá v komerčních budovách, nemocnicích a datových centrech ke snížení nákladů na chlazení.

4. Chemické ukládání energie

Chemické ukládání energie zahrnuje ukládání energie ve formě chemických vazeb. Klíčovým příkladem je výroba a skladování vodíku.

Ukládání energie vodíku

Vodík lze vyrábět elektrolýzou vody pomocí obnovitelné energie. Vodík lze poté uložit v různých formách, jako je stlačený plyn, kapalný vodík nebo hydridy kovů. Když je energie potřeba, vodík lze použít v palivových článcích k výrobě elektřiny, tepla nebo paliva pro dopravu.

Příklad: Několik zemí investuje do projektů výroby a skladování vodíku s cílem využít vodík jako čisté palivo pro dopravu, průmysl a výrobu energie. Například Japonsko má ambiciózní plány na využití vodíku k pohonu své ekonomiky.

Výzvy: Výroba, skladování a přeprava vodíku jsou stále relativně drahé. Vývoj nákladově efektivních a účinných technologií pro skladování vodíku a palivové články je zásadní pro jeho široké přijetí.

Globální aplikace ukládání energie

Ukládání energie se zavádí v různých aplikacích po celém světě:

• Ukládání energie v měřítku sítě: Stabilizace sítí, integrace obnovitelných zdrojů a poskytování záložního napájení. Země jako Austrálie, Spojené státy a Spojené království masivně investují do ukládání energie do baterií v měřítku sítě.
• Rezidenční ukládání energie: Kombinace solárních panelů s ukládáním energie do baterií ke snížení účtů za elektřinu a zvýšení energetické nezávislosti. To je zvláště populární v zemích s vysokými cenami elektřiny a silnými solárními zdroji, jako je Německo a Austrálie.
• Nabíjení elektrických vozidel: Poskytování rychlého a spolehlivého nabíjení pro elektromobily, snížení obav z dojezdu a urychlení přijetí elektrické dopravy.
• Mikrosítě: Umožnění vzdáleným komunitám a kritickým zařízením fungovat nezávisle na síti, čímž se zajistí spolehlivé napájení. Mikrosítě jsou zásadní v oblastech s nespolehlivou infrastrukturou sítě nebo častými přírodními katastrofami.
• Průmyslové aplikace: Zlepšení kvality energie, snížení nákladů na energii a poskytování záložního napájení pro průmyslová zařízení.

Budoucnost ukládání energie

Budoucnost ukládání energie je zářivá, s probíhajícím výzkumem a vývojem zaměřeným na:

• Zlepšení technologie baterií: Zvýšení hustoty energie, životnosti a bezpečnosti při současném snížení nákladů. Výzkum se zaměřuje na vývoj nových chemických složení baterií, jako jsou baterie s pevným elektrolytem a sodíko-iontové baterie.
• Vývoj pokročilých systémů tepelného ukládání energie: Zvýšení účinnosti a nákladové efektivnosti tepelného ukládání energie pro CSP a dálkové vytápění a chlazení.
• Zlepšení technologií výroby a skladování vodíku: Snížení nákladů na výrobu vodíku a vývoj účinných a bezpečných metod pro skladování a přepravu vodíku.
• Vytváření inteligentních sítí: Integrace ukládání energie s technologiemi inteligentních sítí k optimalizaci toku energie a zlepšení odolnosti sítě.
• Snížení dopadu na životní prostředí: Řešení obav z dopadu výroby a likvidace baterií na životní prostředí prostřednictvím recyklace a udržitelného získávání materiálů.

Praktické poznatky:

1. Zůstaňte informováni: Buďte v obraze ohledně nejnovějších pokroků v technologiích a politikách ukládání energie.
2. Zvažte ukládání energie pro svůj domov nebo firmu: Vyhodnoťte potenciální výhody integrace ukládání energie do vašeho energetického systému.
3. Podporujte politiky obnovitelné energie: Zasazujte se o politiky, které podporují rozvoj a zavádění obnovitelné energie a ukládání energie.

Závěr

Ukládání energie je základní součástí udržitelné energetické budoucnosti. Umožňuje integraci zdrojů obnovitelné energie, zlepšuje spolehlivost sítě, snižuje závislost na fosilních palivech a umožňuje jednotlivcům a komunitám převzít kontrolu nad svou energií. S tím, jak se technologie vyvíjí a náklady klesají, bude ukládání energie hrát stále důležitější roli při transformaci globální energetické krajiny.