Znanost o pohrani energije: Globalna perspektiva

Pohrana energije ključna je za održivu budućnost. Ona premošćuje jaz između povremenih obnovljivih izvora energije poput solarne i vjetroelektrana te kontinuiranih energetskih potreba modernog društva. Ovaj članak dublje zaranja u znanost o pohrani energije, istražuje razne tehnologije i analizira njihove globalne primjene.

Zašto je pohrana energije važna

Sve veća upotreba obnovljivih izvora energije mijenja globalni energetski pejzaž. Međutim, obnovljivi izvori poput solarne i vjetra inherentno su varijabilni. Sunce ne sja uvijek, a vjetar ne puše uvijek. Pohrana energije rješava ovu povremenost, omogućujući nam hvatanje viška energije tijekom razdoblja visoke proizvodnje i njezino oslobađanje kada je potražnja visoka ili obnovljivi izvori nisu dostupni.

Pohrana energije pruža brojne prednosti:

• Stabilizacija mreže: Poboljšava pouzdanost mreže pružanjem rezervnog napajanja i regulacijom frekvencije i napona.
• Smanjena ovisnost o fosilnim gorivima: Omogućuje veću integraciju obnovljivih izvora energije, smanjujući našu ovisnost o fosilnim gorivima i ublažavajući klimatske promjene.
• Uštede: Smanjuje troškove vršne potražnje i omogućuje potrošačima korištenje vlastite proizvedene obnovljive energije.
• Energetska neovisnost: Poboljšava energetsku sigurnost dopuštajući zemljama da se oslanjaju na lokalno proizvedenu i pohranjenu obnovljivu energiju.
• Omogućuje elektrifikaciju prijevoza: Pruža energiju potrebnu za napajanje električnih vozila (EV) i smanjenje emisija iz prometa.

Vrste tehnologija pohrane energije

Razne tehnologije pohrane energije zadovoljavaju različite primjene i razmjere. Evo pregleda nekih istaknutih metoda:

1. Elektro kemijska pohrana energije (Baterije)

Baterije su najčešći oblik pohrane energije. One pretvaraju kemijsku energiju u električnu putem elektro kemijskih reakcija.

Litij-ionske baterije

Litij-ionske (Li-ion) baterije dominiraju tržištem zbog svoje visoke gustoće energije, dugog vijeka trajanja i relativno niske stope samopražnjenja. Koriste se u prijenosnoj elektronici, EV-ima i pohrani na razini mreže. Li-ion baterije rade pomicanjem litijevih iona između anode (negativne elektrode) i katode (pozitivne elektrode) kroz elektrolit. Kretanje tih iona stvara električnu struju.

Primjer: Tesla Megapack je veliki Li-ion baterijski sustav koji se koristi za stabilizaciju mreže i smanjenje vršne potražnje. Brojne zemlje diljem svijeta, od Australije do UK, implementiraju Megapack sustave kako bi poboljšale svoju infrastrukturu obnovljivih izvora energije.

Izazovi: Li-ion baterije suočavaju se s izazovima u vezi s troškovima, sigurnošću (toplinski bijeg) i dostupnošću sirovina poput litija i kobalta. Istraživanja su usmjerena na razvoj alternativnih materijala katoda i poboljšanje sustava upravljanja baterijama kako bi se riješili ti problemi.

Olovno-kiselinske baterije

Olovno-kiselinske baterije su zrela tehnologija koja se koristi više od stoljeća. Jeftine su i pouzdane, ali imaju nižu gustoću energije i kraći vijek trajanja od Li-ion baterija. Olovno-kiselinske baterije se najčešće koriste u automobilskim aplikacijama, sustavima za rezervno napajanje i izvanmrežnim solarnim instalacijama.

Primjer: U mnogim zemljama u razvoju, olovno-kiselinske baterije su još uvijek isplativo rješenje za pohranu energije iz solarnih kućnih sustava, osiguravajući električnu energiju za kućanstva bez pristupa mreži.

Protočne baterije

Protočne baterije pohranjuju energiju u tekućim elektrolitima koji se pumpaju kroz elektro kemijske ćelije. Nude visoku skalabilnost, dug životni vijek i neovisnu kontrolu energije i snage. Protočne baterije su prikladne za pohranu na razini mreže i primjene koje zahtijevaju dugotrajno pražnjenje.

Primjer: Nekoliko tvrtki razvija i implementira protočne baterije s vanadijevim redoksom (VRFB) za stabilizaciju mreže i integraciju obnovljivih izvora energije. Ove baterije su posebno pogodne za primjene gdje su potrebna duga vremena pražnjenja, poput pružanja rezervnog napajanja tijekom produženih razdoblja oblačnog pokrova ili niskog vjetra.

Baterije sa čvrstim elektrolitom

Baterije sa čvrstim elektrolitom zamjenjuju tekući elektrolit u konvencionalnim Li-ion baterijama čvrstim elektrolitom. To nudi potencijalne prednosti u pogledu sigurnosti, gustoće energije i životnog vijeka. Baterije sa čvrstim elektrolitom obećavajuća su tehnologija za EV-e i druge primjene.

Izazovi: Proširenje proizvodnje baterija sa čvrstim elektrolitom i prevladavanje izazova povezanih s inter facialnim otporom su područja tekućih istraživanja.

Natrij-ionske baterije

Natrij-ionske baterije koriste natrij, rasprostranjen i jeftin element, kao nositelj naboja. One nude potencijalno jeftiniju alternativu Li-ion baterijama za pohranu u mreži i druge primjene.

Izazovi: Natrij-ionske baterije uglavnom imaju nižu gustoću energije od Li-ion baterija. Međutim, tekuća istraživanja usmjerena su na poboljšanje njihovih performansi.

2. Mehanička pohrana energije

Sustavi mehaničke pohrane energije pohranjuju energiju fizičkim pomicanjem ili komprimiranjem medija.

Reverzibilna hidroelektrana (PHS)

Reverzibilna hidroelektrana je najšire korišteni oblik velikih pohrana energije u svijetu. Uključuje pumpanje vode iz donjeg bazena u gornji bazen tijekom razdoblja niske potražnje ili viška proizvodnje energije iz obnovljivih izvora. Kada je energija potrebna, voda se ispušta, teče nizbrdo kroz turbine za proizvodnju električne energije.

Primjer: Kina ima najveći instalirani kapacitet reverzibilne hidroelektrane u svijetu, koristeći ga za integraciju velikih količina energije vjetra i sunca u svoju mrežu. Slično tome, mnoge zemlje u Europi i Sjevernoj Americi oslanjaju se na reverzibilnu hidroelektranu za stabilizaciju mreže.

Izazovi: PHS zahtijeva specifične geološke uvjete (razlike u nadmorskoj visini i dostupnost vode) i može imati utjecaj na okoliš povezan s korištenjem zemljišta i vodnim resursima.

Pohrana energije komprimiranim zrakom (CAES)

Pohrana energije komprimiranim zrakom uključuje komprimiranje zraka i njegovo pohranjivanje u podzemne špilje ili nadzemne spremnike. Kada je energija potrebna, komprimirani zrak se ispušta i zagrijava, a zatim širi kroz turbine za proizvodnju električne energije.

Primjer: Postojeći CAES postrojenja rade u Njemačkoj i Sjedinjenim Državama. Razvijaju se napredni CAES sustavi za poboljšanje učinkovitosti i smanjenje ovisnosti o prirodnom plinu za zagrijavanje komprimiranog zraka.

Izazovi: CAES zahtijeva prikladne geološke formacije za pohranu zraka i može imati relativno nisku učinkovitost povratnog kruga.

Zamašnjaci

Zamašnjaci pohranjuju energiju rotiranjem teškog rotora pri velikim brzinama. Kinetička energija pohranjena u zamašnjaku može se pretvoriti natrag u električnu energiju kada je potrebna. Zamašnjaci nude brzo vrijeme odziva i dug životni vijek, čineći ih prikladnima za regulaciju frekvencije i kratkotrajno rezervno napajanje.

Primjer: Sustavi za pohranu energije zamašnjaka koriste se za poboljšanje kvalitete napajanja u industrijskim postrojenjima i za stabilizaciju mreže u područjima s velikom penetracijom obnovljivih izvora energije.

Izazovi: Zamašnjaci imaju relativno nisku gustoću energije u usporedbi s baterijama i mogu doživjeti gubitke energije zbog trenja i otpora zraka.

3. Toplinska pohrana energije (TES)

Toplinska pohrana energije uključuje pohranu energije u obliku topline ili hladnoće. To se može postići korištenjem raznih materijala, kao što su voda, rastaljene soli ili materijali s promjenom faze (PCM).

Koncentrirana solarna energija (CSP) s TES-om

Koncentrirani solarni elektrane koriste zrcala za fokusiranje sunčeve svjetlosti na prijemnik, koji zagrijava radni fluid. Toplina se može izravno koristiti za proizvodnju električne energije ili pohraniti u sustavima toplinske pohrane energije, omogućujući elektrani proizvodnju električne energije čak i kada sunce ne sja.

Primjer: Marokanska solarna elektrana Noor Ouarzazate koristi pohranu toplinske energije u rastaljenim solima za opskrbu električnom energijom 24 sata dnevno. Španjolska također ima značajan CSP kapacitet s integriranim TES-om.

Daljinsko grijanje i hlađenje

Toplinska pohrana energije može se koristiti u sustavima daljinskog grijanja i hlađenja za pohranu viška topline ili hladnoće generirane tijekom sati izvan vršne potražnje. Ta pohranjena energija se zatim može koristiti za zadovoljavanje vršne potražnje, smanjujući troškove energije i poboljšavajući učinkovitost.

Primjer: Mnogi gradovi u Skandinaviji koriste toplinsku pohranu energije u svojim sustavima daljinskog grijanja za pohranu viška topline iz industrijskih procesa ili spaljivanja otpada.

Pohrana leda

Sustavi pohrane leda stvaraju led tijekom sati izvan vršne potražnje i koriste ga za hlađenje zgrada tijekom vršnih sati. To smanjuje potražnju za električnom energijom i snižava troškove energije.

Primjer: Pohrana leda često se koristi u komercijalnim zgradama, bolnicama i podatkovnim centrima za smanjenje troškova hlađenja.

4. Kemijska pohrana energije

Kemijska pohrana energije uključuje pohranu energije u obliku kemijskih veza. Proizvodnja i pohrana vodika ključni su primjeri.

Pohrana energije vodikom

Vodik se može proizvoditi elektrolizom vode pomoću obnovljive energije. Vodik se zatim može pohraniti u različitim oblicima, kao što su komprimirani plin, tekući vodik ili metalni hidridi. Kada je energija potrebna, vodik se može koristiti u gorivim ćelijama za proizvodnju električne energije, topline ili goriva za prijevoz.

Primjer: Nekoliko zemalja ulaže u projekte proizvodnje i pohrane vodika, s ciljem korištenja vodika kao čistog goriva za prijevoz, industriju i proizvodnju energije. Japan, na primjer, ima ambiciozne planove za korištenje vodika za pokretanje svoje ekonomije.

Izazovi: Proizvodnja, pohrana i transport vodika još su uvijek relativno skupi. Razvoj isplativih i učinkovitih tehnologija za pohranu vodika i gorivih ćelija ključan je za njegovu široku primjenu.

Globalne primjene pohrane energije

Pohrana energije se primjenjuje u raznim aplikacijama širom svijeta:

• Pohrana energije na razini mreže: Stabilizacija mreža, integracija obnovljivih izvora i osiguravanje rezervnog napajanja. Zemlje poput Australije, Sjedinjenih Država i Ujedinjenog Kraljevstva snažno ulažu u pohranu baterija na razini mreže.
• Pohrana energije u stambenim objektima: Kombiniranje solarnih panela s pohranom baterija za smanjenje računa za električnu energiju i povećanje energetske neovisnosti. Ovo je posebno popularno u zemljama s visokim cijenama električne energije i jakim solarnim resursima, poput Njemačke i Australije.
• Punjenje električnih vozila: Omogućavanje brzog i pouzdanog punjenja EV-a, smanjenje anksioznosti oko dosega i ubrzanje usvajanja električnog prijevoza.
• Mikromreže: Omogućavanje udaljenim zajednicama i kritičnim objektima da rade neovisno o mreži, osiguravajući pouzdanu opskrbu električnom energijom. Mikromreže su ključne u područjima s nepouzdanom mrežnom infrastrukturom ili čestim prirodnim katastrofama.
• Industrijske primjene: Poboljšanje kvalitete napajanja, smanjenje troškova energije i osiguravanje rezervnog napajanja za industrijska postrojenja.

Budućnost pohrane energije

Budućnost pohrane energije je svijetla, s tekućim istraživanjima i razvojem usmjerenim na:

• Poboljšanje tehnologije baterija: Povećanje gustoće energije, životnog vijeka i sigurnosti uz smanjenje troškova. Istraživanja su usmjerena na razvoj novih kemija baterija, poput baterija sa čvrstim elektrolitom i natrij-ionskih baterija.
• Razvoj naprednih sustava toplinske pohrane energije: Povećanje učinkovitosti i isplativosti toplinske pohrane energije za CSP te daljinsko grijanje i hlađenje.
• Poboljšanje tehnologija proizvodnje i pohrane vodika: Smanjenje troškova proizvodnje vodika i razvoj učinkovitih i sigurnih metoda za pohranu i transport vodika.
• Stvaranje pametnih mreža: Integracija pohrane energije s tehnologijama pametnih mreža za optimizaciju protoka energije i poboljšanje otpornosti mreže.
• Smanjenje utjecaja na okoliš: Rješavanje problema utjecaja proizvodnje i odlaganja baterija putem recikliranja i održivog izvora materijala.

Praktični uvidi:

1. Ostanite informirani: Budite u tijeku s najnovijim dostignućima u tehnologijama i politikama pohrane energije.
2. Razmotrite pohranu energije za svoj dom ili posao: Procijenite potencijalne prednosti integracije pohrane energije u vaš energetski sustav.
3. Podržite politike obnovljive energije: Zagovarajte politike koje promiču razvoj i implementaciju obnovljive energije i pohrane energije.

Zaključak

Pohrana energije je neophodna komponenta održive energetske budućnosti. Omogućuje integraciju obnovljivih izvora energije, poboljšava pouzdanost mreže, smanjuje ovisnost o fosilnim gorivima i osnažuje pojedince i zajednice da preuzmu kontrolu nad svojom energijom. Kako tehnologija napreduje i troškovi opadaju, pohrana energije će igrati sve važniju ulogu u transformaciji globalnog energetskog krajolika.