Energia salvestamise teadus: globaalne vaade

Energia salvestamine on jätkusuutliku tuleviku jaoks ülioluline. See ületab lõhe vahelduvate taastuvate energiaallikate, nagu päikese- ja tuuleenergia, ning tänapäeva ühiskonna pideva energianõudluse vahel. See artikkel süveneb energia salvestamise teadusesse, uurib erinevaid tehnoloogiaid ja analüüsib nende globaalseid rakendusi.

Miks on energia salvestamine oluline

Taastuvate energiaallikate üha laiem kasutuselevõtt kujundab ümber globaalset energiamaastikku. Kuid taastuvad energiaallikad, nagu päike ja tuul, on oma olemuselt muutlikud. Päike ei paista alati ja tuul ei puhu alati. Energia salvestamine lahendab selle vahelduvuse probleemi, võimaldades meil salvestada liigset energiat suure tootmise perioodidel ja vabastada see siis, kui nõudlus on suur või taastuvad allikad pole kättesaadavad.

Energia salvestamine pakub mitmeid eeliseid:

• Võrgu stabiliseerimine: Parandab võrgu töökindlust, pakkudes varutoiteallikat ning reguleerides sagedust ja pinget.
• Vähenenud sõltuvus fossiilkütustest: Võimaldab taastuvate energiaallikate suuremat integreerimist, vähendades meie sõltuvust fossiilkütustest ja leevendades kliimamuutusi.
• Kulude kokkuhoid: Vähendab tippnõudluse tasusid ja võimaldab tarbijatel kasutada ise toodetud taastuvenergiat.
• Energiasõltumatus: Suurendab energiajulgeolekut, võimaldades riikidel tugineda kohapeal toodetud ja salvestatud taastuvenergiale.
• Võimaldab transpordi elektrifitseerimist: Tagab energia, mida on vaja elektrisõidukite (EV) toiteks ja transpordiheitmete vähendamiseks.

Energia salvestamise tehnoloogiate tüübid

Erinevad energia salvestamise tehnoloogiad sobivad erinevateks rakendusteks ja mastaapideks. Siin on ülevaade mõnest silmapaistvast meetodist:

1. Elektrokeemiline energia salvestamine (akud)

Akud on kõige levinum energia salvestamise vorm. Nad muudavad keemilise energia elektrokeemiliste reaktsioonide kaudu elektrienergiaks.

Liitiumioonakud

Liitiumioonakud (Li-ion) domineerivad turul tänu oma suurele energiatihedusele, pikale elueale ja suhteliselt madalale isetühjenemise määrale. Neid kasutatakse kaasaskantavas elektroonikas, elektrisõidukites ja võrgumastaabis salvestamisel. Liitiumioonakud töötavad liitiumiioonide liikumisel anoodi (negatiivne elektrood) ja katoodi (positiivne elektrood) vahel läbi elektrolüüdi. Nende ioonide liikumine tekitab elektrivoolu.

Näide: Tesla Megapack on suuremahuline liitiumioonaku süsteem, mida kasutatakse võrgu stabiliseerimiseks ja tipukoormuse vähendamiseks. Paljud riigid üle maailma, Austraaliast Ühendkuningriigini, võtavad kasutusele Megapacki süsteeme oma taastuvenergia infrastruktuuri täiustamiseks.

Väljakutsed: Liitiumioonakudel on probleeme seoses kulude, ohutuse (termiline läbipõlemine) ja toorainete, nagu liitium ja koobalt, kättesaadavusega. Uuringud on keskendunud alternatiivsete katoodimaterjalide arendamisele ja akuhaldussüsteemide täiustamisele nende probleemide lahendamiseks.

Pliiakud

Pliiakud on küps tehnoloogia, mida on kasutatud üle sajandi. Need on odavad ja töökindlad, kuid neil on madalam energiatihedus ja lühem eluiga kui liitiumioonakudel. Pliiakusid kasutatakse tavaliselt autotööstuses, varutoitesüsteemides ja võrguvälistes päikeseenergia paigaldistes.

Näide: Paljudes arengumaades on pliiakud endiselt kulutõhus lahendus päikeseenergia kodusüsteemide energia salvestamiseks, pakkudes elektrit majapidamistele, kellel puudub juurdepääs elektrivõrgule.

Vooluakud

Vooluakud salvestavad energiat vedelates elektrolüütides, mis pumbatakse läbi elektrokeemiliste elementide. Need pakuvad suurt skaleeritavust, pikka eluiga ning energia ja võimsuse sõltumatut juhtimist. Vooluakud sobivad võrgumastaabis salvestamiseks ja rakendusteks, mis nõuavad pikaajalist tühjenemist.

Näide: Mitmed ettevõtted arendavad ja võtavad kasutusele vanaadium-redoksvooluakusid (VRFB) võrgu stabiliseerimiseks ja taastuvenergia integreerimiseks. Need akud sobivad eriti hästi rakendusteks, kus on vaja pikki tühjenemisaegu, näiteks varutoite tagamiseks pikemate pilviste perioodide või vähese tuule korral.

Tahkisakud

Tahkisakud asendavad tavapärastes liitiumioonakudes oleva vedela elektrolüüdi tahke elektrolüüdiga. See pakub potentsiaalseid eeliseid ohutuse, energiatiheduse ja eluea osas. Tahkisakud on paljutõotav tehnoloogia elektrisõidukite ja muude rakenduste jaoks.

Väljakutsed: Tahkisakude tootmise laiendamine ja liidesetakistusega seotud väljakutsete ületamine on käimasolevad uurimisvaldkonnad.

Naatriumioonakud

Naatriumioonakud kasutavad laengukandjana naatriumi, mis on rikkalik ja odav element. Nad pakuvad potentsiaalselt odavamat alternatiivi liitiumioonakudele võrgu salvestamiseks ja muudeks rakendusteks.

Väljakutsed: Naatriumioonakudel on üldiselt madalam energiatihedus kui liitiumioonakudel. Kuid käimasolevate uuringute eesmärk on nende jõudlust parandada.

2. Mehaaniline energia salvestamine

Mehaanilised energia salvestamise süsteemid salvestavad energiat, liigutades või surudes füüsiliselt kokku keskkonda.

Pumphüdroakumulatsioon (PHA)

Pumphüdroakumulatsioon on maailmas kõige laialdasemalt kasutatav suuremahulise energia salvestamise vorm. See hõlmab vee pumpamist madalamast reservuaarist kõrgemasse reservuaari madala nõudluse või liigse taastuvenergia tootmise perioodidel. Kui energiat on vaja, lastakse vesi vabaks, voolates allamäge läbi turbiinide elektri tootmiseks.

Näide: Hiinal on maailma suurim paigaldatud pumphüdroakumulatsiooni võimsus, mida kasutatakse suurte tuule- ja päikeseenergia koguste integreerimiseks oma võrku. Samamoodi toetuvad paljud riigid Euroopas ja Põhja-Ameerikas võrgu stabiliseerimiseks pumphüdroakumulatsioonile.

Väljakutsed: PHA nõuab spetsiifilisi geoloogilisi tingimusi (kõrguse erinevused ja vee kättesaadavus) ning sellel võib olla keskkonnamõjusid, mis on seotud maakasutuse ja veeressurssidega.

Suruõhuenergia salvestamine (CAES)

Suruõhuenergia salvestamine hõlmab õhu kokkusurumist ja selle hoidmist maa-alustes koobastes või maapealsetes paakides. Kui energiat on vaja, lastakse suruõhk vabaks ja kuumutatakse, seejärel laiendatakse läbi turbiinide elektri tootmiseks.

Näide: Olemasolevad CAES-jaamad töötavad Saksamaal ja Ameerika Ühendriikides. Arendatakse täiustatud CAES-süsteeme, et parandada tõhusust ja vähendada sõltuvust maagaasist suruõhu soojendamiseks.

Väljakutsed: CAES nõuab sobivaid geoloogilisi moodustisi õhu hoidmiseks ja sellel võib olla suhteliselt madal edasi-tagasi kasutegur.

Hoorattad

Hoorattad salvestavad energiat, pannes raske rootori suurel kiirusel pöörlema. Hoorattas salvestatud kineetilise energia saab vajadusel tagasi elektriks muundada. Hoorattad pakuvad kiiret reageerimisaega ja pikka eluiga, mis muudab need sobivaks sageduse reguleerimiseks ja lühiajaliseks varutoiteks.

Näide: Hooratta energia salvestamise süsteeme kasutatakse tööstusrajatiste voolukvaliteedi parandamiseks ja võrgu stabiliseerimiseks piirkondades, kus on suur taastuvenergia osakaal.

Väljakutsed: Hooratastel on akudega võrreldes suhteliselt madal energiatihedus ja need võivad kogeda energiakadusid hõõrdumise ja õhutakistuse tõttu.

3. Soojusenergia salvestamine (TES)

Soojusenergia salvestamine hõlmab energia salvestamist soojuse või külma kujul. Seda saab saavutada erinevate materjalide abil, nagu vesi, sulasoolad või faasimuutusmaterjalid (PCM).

Kontsentreeritud päikeseenergia (CSP) koos TES-iga

Kontsentreeritud päikeseenergiajaamad kasutavad peegleid päikesevalguse fokusseerimiseks vastuvõtjale, mis soojendab töövedelikku. Soojust saab kasutada otse elektri tootmiseks või salvestada soojusenergia salvestussüsteemidesse, mis võimaldab jaamal elektrit toota ka siis, kui päike ei paista.

Näide: Maroko Noor Ouarzazate päikeseenergiajaam kasutab sulasoola soojusenergia salvestamist, et pakkuda elektrit 24 tundi ööpäevas. Hispaanial on samuti märkimisväärne CSP-võimsus koos integreeritud TES-iga.

Kaugküte ja -jahutus

Soojusenergia salvestamist saab kasutada kaugkütte- ja -jahutussüsteemides, et salvestada tipptundidevälisel ajal toodetud liigset soojust või külma. Seda salvestatud energiat saab seejärel kasutada tippnõudluse rahuldamiseks, vähendades energiakulusid ja parandades tõhusust.

Näide: Paljud Skandinaavia linnad kasutavad oma kaugküttesüsteemides soojusenergia salvestamist, et säilitada tööstusprotsessidest või jäätmete põletamisest saadud liigset soojust.

Jääsalvestus

Jääsalvestussüsteemid toodavad jääd tipptundidevälisel ajal ja kasutavad seda hoonete jahutamiseks tipptundidel. See vähendab elektrinõudlust ja alandab energiakulusid.

Näide: Jääsalvestamist kasutatakse tavaliselt ärihoonetes, haiglates ja andmekeskustes jahutuskulude vähendamiseks.

4. Keemiline energia salvestamine

Keemiline energia salvestamine hõlmab energia salvestamist keemiliste sidemete kujul. Vesiniku tootmine ja säilitamine on oluline näide.

Vesinikuenergia salvestamine

Vesinikku saab toota vee elektrolüüsi teel, kasutades taastuvenergiat. Vesinikku saab seejärel säilitada erinevates vormides, näiteks surugaasina, vedela vesinikuna või metallhüdriididena. Kui energiat on vaja, saab vesinikku kasutada kütuseelementides elektri, soojuse või transpordikütuse tootmiseks.

Näide: Mitmed riigid investeerivad vesiniku tootmise ja säilitamise projektidesse, eesmärgiga kasutada vesinikku puhta kütusena transpordis, tööstuses ja energiatootmises. Jaapanil on näiteks ambitsioonikad plaanid kasutada vesinikku oma majanduse toiteks.

Väljakutsed: Vesiniku tootmine, säilitamine ja transport on endiselt suhteliselt kallid. Kulutõhusate ja tõhusate tehnoloogiate arendamine vesiniku säilitamiseks ja kütuseelementideks on selle laialdaseks kasutuselevõtuks ülioluline.

Energia salvestamise globaalsed rakendused

Energia salvestamist kasutatakse mitmesugustes rakendustes üle maailma:

• Võrgumastaabis energia salvestamine: Võrkude stabiliseerimine, taastuvate energiaallikate integreerimine ja varutoite tagamine. Riigid nagu Austraalia, Ameerika Ühendriigid ja Ühendkuningriik investeerivad tugevalt võrgumastaabis akusalvestusse.
• Elamute energia salvestamine: Päikesepaneelide kombineerimine akusalvestusega, et vähendada elektriarveid ja suurendada energiasõltumatust. See on eriti populaarne riikides, kus on kõrged elektrihinnad ja tugevad päikeseenergia ressursid, nagu Saksamaa ja Austraalia.
• Elektrisõidukite laadimine: Elektrisõidukite kiire ja usaldusväärse laadimise pakkumine, vähendades sõiduulatuse ärevust ja kiirendades elektritranspordi kasutuselevõttu.
• Mikrovõrgud: Võimaldavad kaugemates kogukondades ja kriitilistes rajatistes tegutseda võrgust sõltumatult, tagades usaldusväärse toiteallika. Mikrovõrgud on üliolulised piirkondades, kus on ebausaldusväärne võrguinfrastruktuur või sagedased loodusõnnetused.
• Tööstuslikud rakendused: Voolukvaliteedi parandamine, energiakulude vähendamine ja tööstusrajatistele varutoite pakkumine.

Energia salvestamise tulevik

Energia salvestamise tulevik on helge, käimasolevad uurimis- ja arendustegevused keskenduvad:

• Akutehnoloogia parandamine: Energiatiheduse, eluea ja ohutuse suurendamine, vähendades samal ajal kulusid. Uuringud keskenduvad uute akukeemiate, nagu tahkis- ja naatriumioonakude, arendamisele.
• Täiustatud soojusenergia salvestussüsteemide arendamine: Soojusenergia salvestamise tõhususe ja kulutõhususe suurendamine CSP ning kaugkütte ja -jahutuse jaoks.
• Vesiniku tootmis- ja säilitamistehnoloogiate parandamine: Vesiniku tootmise kulude vähendamine ning tõhusate ja ohutute meetodite arendamine vesiniku säilitamiseks ja transportimiseks.
• Arukate võrkude loomine: Energia salvestamise integreerimine arukate võrkude tehnoloogiatega, et optimeerida energiavoogu ja parandada võrgu vastupidavust.
• Keskkonnamõju vähendamine: Akude tootmise ja kõrvaldamise keskkonnamõjuga seotud murede lahendamine materjalide ringlussevõtu ja säästva hankimise kaudu.

Praktilised nõuanded:

1. Olge kursis: Hoidke end kursis energia salvestamise tehnoloogiate ja poliitikate viimaste edusammudega.
2. Kaaluge energia salvestamist oma kodu või ettevõtte jaoks: Hinnake energia salvestamise integreerimise potentsiaalseid eeliseid oma energiasüsteemi.
3. Toetage taastuvenergia poliitikaid: Toetage poliitikaid, mis edendavad taastuvenergia ja energia salvestamise arendamist ja kasutuselevõttu.

Kokkuvõte

Energia salvestamine on jätkusuutliku energiatuleviku oluline osa. See võimaldab integreerida taastuvaid energiaallikaid, parandab võrgu töökindlust, vähendab sõltuvust fossiilkütustest ning annab üksikisikutele ja kogukondadele võimaluse oma energia üle kontrolli võtta. Tehnoloogia arenedes ja kulude langedes hakkab energia salvestamine mängima üha olulisemat rolli globaalse energiamaastiku ümberkujundamisel.