Globalni pregled istraživanja pohrane energije: inovacije, primjene i budući trendovi

Pohrana energije brzo se nameće kao ključni pokretač održive energetske budućnosti. Dok svijet prelazi na obnovljive izvore energije poput sunca i vjetra, isprekidana priroda tih resursa zahtijeva robusna rješenja za pohranu energije kako bi se osigurala pouzdana i stabilna opskrba električnom energijom. Ovaj blog post istražuje globalni pregled istraživanja pohrane energije, razmatrajući različite tehnologije, trenutne inicijative, primjene u stvarnom svijetu i uzbudljive buduće smjerove ovog vitalnog područja.

Zašto je pohrana energije važna: globalna perspektiva

Integracija obnovljivih izvora energije u globalni energetski miks od presudne je važnosti za ublažavanje klimatskih promjena i osiguranje energetske sigurnosti. Međutim, varijabilnost proizvodnje obnovljive energije predstavlja značajan izazov. Sustavi za pohranu energije (eng. Energy Storage Systems - ESS) rješavaju taj izazov na sljedeće načine:

• Uravnoteženje ponude i potražnje: Pohranjivanje viška energije proizvedene tijekom razdoblja visoke proizvodnje (npr. sunčanih dana za solarnu energiju) i njezino otpuštanje kada potražnja premašuje ponudu (npr. tijekom večernjih vršnih sati).
• Poboljšanje stabilnosti mreže: Pružanje pomoćnih usluga poput regulacije frekvencije i podrške naponu, ključnih za održavanje stabilne i pouzdane elektroenergetske mreže.
• Omogućavanje mikromreža i rješenja izvan mreže: Olakšavanje pristupa čistoj energiji u udaljenim područjima i zajednicama s nedovoljnom opskrbom, promičući energetsku neovisnost i otpornost.
• Podrška usvajanju električnih vozila (EV): Osiguravanje kapaciteta za pohranu energije potrebnog za široko usvajanje električnih vozila, smanjujući ovisnost o fosilnim gorivima u prometnom sektoru.

Ove prednosti potiču značajna ulaganja i istraživačke napore diljem svijeta, s ciljem razvoja učinkovitijih, isplativijih i održivijih tehnologija za pohranu energije.

Raznolik portfelj tehnologija za pohranu energije

Područje pohrane energije obuhvaća širok spektar tehnologija, od kojih svaka ima svoje prednosti i nedostatke, što ih čini prikladnima za različite primjene. Slijedi pregled nekih ključnih tehnologija:

1. Elektrokemijska pohrana energije: Baterije

Baterije su najprepoznatljivija i najraširenija tehnologija pohrane energije. One pretvaraju kemijsku energiju u električnu energiju putem elektrokemijskih reakcija.

a. Litij-ionske baterije (LIB)

Litij-ionske baterije dominiraju tržištima prijenosne elektronike i električnih vozila zbog svoje visoke gustoće energije, dugog životnog ciklusa i relativno visoke gustoće snage. Trenutna istraživanja usmjerena su na:

• Poboljšanje gustoće energije i životnog ciklusa: Istraživanje novih materijala za elektrode i sastava elektrolita radi poboljšanja performansi. Primjerice, istraživači u Japanu rade na materijalima za silicijske anode kako bi dramatično povećali gustoću energije.
• Povećanje sigurnosti: Rješavanje sigurnosnih problema vezanih uz toplinski bijeg razvojem sigurnijih elektrolita i dizajna ćelija. Elektroliti u čvrstom stanju obećavajući su put za poboljšanje sigurnosti.
• Smanjenje troškova: Istraživanje alternativnih katodnih materijala poput litij-željezo-fosfata (LFP) i natrij-ionskih baterija kako bi se smanjila ovisnost o skupim i rijetkim materijalima poput kobalta i nikla.
• Razvoj mogućnosti brzog punjenja: Usredotočenost na materijale i dizajn ćelija koji mogu omogućiti brzo punjenje, ključno za usvajanje električnih vozila. Tvrtke poput Tesle neprestano inoviraju na ovom području.

b. Baterije s čvrstim elektrolitom (SSB)

SSB baterije zamjenjuju tekući elektrolit u litij-ionskim baterijama čvrstim elektrolitom, nudeći potencijalne prednosti u pogledu sigurnosti, gustoće energije i životnog ciklusa. Istraživački napori usmjereni su na:

• Razvoj čvrstih elektrolita visoke ionske vodljivosti: Pronalaženje materijala s visokom ionskom vodljivošću na sobnoj temperaturi kako bi se omogućio učinkovit transport iona. Istražuju se različiti materijali, uključujući keramiku, polimere i kompozite.
• Poboljšanje međuslojnog kontakta: Osiguravanje dobrog kontakta između čvrstog elektrolita i elektroda kako bi se minimizirao otpor. To je jedan od glavnih izazova u razvoju SSB baterija.
• Povećanje proizvodnje: Razvoj skalabilnih i isplativih proizvodnih procesa za proizvodnju SSB baterija. Tvrtke poput QuantumScape i Solid Power predvodnice su u razvoju SSB tehnologije.

c. Protočne baterije

Protočne baterije pohranjuju energiju u tekućim elektrolitima koji se nalaze u vanjskim spremnicima. Nude prednosti u pogledu skalabilnosti, dugog životnog ciklusa i neovisne kontrole energetskog i snagom kapaciteta. Istraživanja su usmjerena na:

• Poboljšanje gustoće energije: Razvoj elektrolita veće gustoće energije kako bi se smanjila veličina i trošak sustava protočnih baterija.
• Smanjenje troškova: Istraživanje jeftinijih i dostupnijih materijala za elektrolite.
• Povećanje učinkovitosti: Optimiziranje dizajna ćelije i sastava elektrolita radi poboljšanja povratne učinkovitosti.
• Razvoj novih kemija elektrolita: Istraživanje nevodenih i organskih elektrolita radi poboljšanja performansi i održivosti.

Protočne baterije posebno su prikladne za primjene pohrane energije na razini elektroenergetske mreže. Tvrtke poput VanadiumCorp i Primus Power aktivno su uključene u razvoj i implementaciju protočnih baterija.

d. Natrij-ionske baterije (SIB)

SIB baterije koriste natrijeve ione kao nositelje naboja, nudeći potencijalnu alternativu litij-ionskim baterijama zbog obilja i niske cijene natrija. Istraživački napori usmjereni su na:

• Razvoj prikladnih materijala za elektrode: Pronalaženje materijala koji mogu učinkovito i reverzibilno interkalirati natrijeve ione.
• Poboljšanje životnog ciklusa: Povećanje stabilnosti materijala za elektrode i elektrolita radi postizanja dugog životnog ciklusa.
• Povećanje gustoće energije: Istraživanje novih materijala i dizajna ćelija radi poboljšanja gustoće energije.

SIB baterije postaju sve popularnije za primjene pohrane energije na razini mreže zbog svojih troškovnih prednosti.

2. Mehanička pohrana energije

Tehnologije mehaničke pohrane energije pohranjuju energiju fizičkim pomicanjem ili deformiranjem medija. Ove tehnologije uključuju:

a. Reverzibilne hidroelektrane (RHE)

RHE su najzreliji i najrašireniji oblik pohrane energije na razini mreže. Uključuju pumpanje vode uzbrdo u akumulacijsko jezero tijekom razdoblja viška energije i njezino ispuštanje kroz turbine za proizvodnju električne energije prema potrebi. Istraživanja su usmjerena na:

• Razvoj RHE sustava zatvorene petlje: Minimiziranje utjecaja na okoliš korištenjem akumulacija koje nisu na rijekama.
• Poboljšanje učinkovitosti: Optimiziranje dizajna turbina i pumpi radi povećanja povratne učinkovitosti.
• Integracija RHE s obnovljivim izvorima energije: Razvoj upravljačkih strategija za optimizaciju rada RHE sustava u kombinaciji s varijabilnom proizvodnjom iz obnovljivih izvora.

RHE su dokazana tehnologija za pohranu energije velikih razmjera, pružajući značajne koristi za stabilizaciju mreže.

b. Pohrana energije komprimiranim zrakom (CAES)

CAES pohranjuje energiju komprimiranjem zraka i njegovim skladištenjem u podzemnim šupljinama ili spremnicima. Komprimirani zrak se zatim ispušta kako bi pokretao turbinu i proizvodio električnu energiju. Istraživanja su usmjerena na:

• Poboljšanje učinkovitosti: Razvoj adijabatskih CAES sustava koji hvataju i pohranjuju toplinu nastalu tijekom kompresije, poboljšavajući povratnu učinkovitost.
• Smanjenje troškova: Istraživanje jeftinijih opcija za skladištenje, poput slanih kaverni.
• Razvoj hibridnih CAES sustava: Integracija CAES-a s obnovljivim izvorima energije i drugim tehnologijama za pohranu energije.

c. Pohrana energije zamašnjakom

Zamašnjaci pohranjuju energiju rotiranjem mase pri velikim brzinama. Nude brzo vrijeme odziva i visoku gustoću snage, što ih čini prikladnima za kratkotrajne primjene poput regulacije frekvencije. Istraživanja su usmjerena na:

• Poboljšanje gustoće energije: Razvoj zamašnjaka s većim brzinama rotacije i jačim materijalima za povećanje gustoće energije.
• Smanjenje gubitaka zbog trenja: Minimiziranje trenja radi poboljšanja povratne učinkovitosti.
• Optimizacija sustava upravljanja: Razvoj naprednih sustava upravljanja za precizan i odzivan rad.

3. Toplinska pohrana energije (TES)

TES pohranjuje energiju u obliku topline ili hladnoće. Može se koristiti za različite primjene, uključujući:

• Grijanje i hlađenje zgrada: Pohranjivanje toplinske energije za kasniju upotrebu u grijanju ili hlađenju zgrada, smanjujući potrošnju energije i vršnu potražnju.
• Industrijski procesi: Pohranjivanje toplinske energije za upotrebu u industrijskim procesima, poboljšavajući energetsku učinkovitost i smanjujući emisije.
• Koncentrirana solarna energija (CSP): Pohranjivanje toplinske energije proizvedene u CSP postrojenjima za upravljivu proizvodnju električne energije.

TES tehnologije uključuju:

• Osjetna toplinska pohrana: Pohranjivanje energije podizanjem temperature medija za pohranu, poput vode, ulja ili kamena.
• Latentna toplinska pohrana: Pohranjivanje energije korištenjem fazne promjene materijala, poput topljenja leda ili skrućivanja solnog hidrata.
• Termokemijska pohrana energije: Pohranjivanje energije korištenjem reverzibilnih kemijskih reakcija.

Istraživački napori usmjereni su na razvoj novih materijala s visokim kapacitetom toplinske pohrane i poboljšanje učinkovitosti TES sustava.

Globalne istraživačke inicijative i financiranje

Istraživanje pohrane energije globalni je pothvat, sa značajnim ulaganjima i inicijativama koje se provode u raznim zemljama i regijama. Neki značajni primjeri uključuju:

• Ministarstvo energetike SAD-a (DOE): DOE je pokrenuo nekoliko inicijativa za ubrzanje istraživanja i razvoja pohrane energije, uključujući Energy Storage Grand Challenge i Joint Center for Energy Storage Research (JCESR).
• Europska unija (EU): EU je uspostavila Europski savez za baterije (EBA) kako bi promicala razvoj konkurentne i održive industrije baterija u Europi. Program EU-a Obzor Europa također financira brojne istraživačke projekte u području pohrane energije.
• Kina: Kina ulaže velika sredstva u tehnologije pohrane energije kao dio svojih napora za prelazak na čišći energetski sustav. Zemlja ima snažan fokus na proizvodnju baterija i implementaciju pohrane energije na razini mreže.
• Japan: Japan ima dugu povijest inovacija u tehnologiji baterija i nastavlja ulagati u napredna istraživanja pohrane energije, posebno u baterije s čvrstim elektrolitom i pohranu vodika.
• Australija: Australija implementira sustave za pohranu energije velikih razmjera kako bi podržala svoje rastuće kapacitete obnovljive energije. Zemlja također ulaže u istraživanja pohrane energije na razini mreže i virtualnih elektrana.

Ove inicijative osiguravaju financiranje za istraživačke projekte, podržavaju razvoj novih tehnologija i promiču suradnju između istraživača, industrije i vladinih agencija.

Primjene pohrane energije u stvarnom svijetu

Sustavi za pohranu energije već se primjenjuju u širokom rasponu aplikacija diljem svijeta. Neki primjeri uključuju:

• Pohrana energije na razini mreže: Baterijski sustavi za pohranu koriste se za pružanje mrežnih usluga, kao što su regulacija frekvencije, podrška naponu i smanjenje vršnog opterećenja. Primjerice, Hornsdale Power Reserve u Južnoj Australiji je veliki baterijski sustav za pohranu koji je značajno poboljšao stabilnost mreže i smanjio cijene električne energije.
• Mikromreže: Sustavi za pohranu energije omogućuju razvoj mikromreža koje mogu raditi neovisno o glavnoj mreži. Mikromreže se koriste za pružanje pouzdane energije udaljenim zajednicama, industrijskim postrojenjima i vojnim bazama. Na primjer, brojne mikromreže u otočnim državama koriste baterije i obnovljivu energiju kako bi smanjile ovisnost o uvoznim fosilnim gorivima.
• Električna vozila: Baterije su ključna komponenta električnih vozila, pružajući kapacitet pohrane energije potreban za vožnju na duge udaljenosti. Rast tržišta električnih vozila potiče značajne inovacije u tehnologiji baterija.
• Pohrana energije u kućanstvima: Kućni baterijski sustavi postaju sve popularniji, omogućujući vlasnicima kuća da pohrane solarnu energiju proizvedenu tijekom dana i koriste je noću, smanjujući svoju ovisnost o mreži.
• Industrijska pohrana energije: Sustavi za pohranu energije koriste se u industrijskim postrojenjima za smanjenje troškova vršne potražnje, poboljšanje kvalitete električne energije i pružanje rezervnog napajanja.

Budući trendovi u istraživanju pohrane energije

Područje istraživanja pohrane energije neprestano se razvija, s pojavom novih materijala, tehnologija i primjena. Neki ključni budući trendovi uključuju:

• Napredne tehnologije baterija: Nastavak razvoja baterija s čvrstim elektrolitom, litij-sumpornih baterija i drugih naprednih tehnologija baterija s većom gustoćom energije, poboljšanom sigurnošću i dužim životnim ciklusom.
• Inovacije u protočnim baterijama: Razvoj novih kemija elektrolita i dizajna ćelija za poboljšanje performansi i smanjenje troškova protočnih baterija.
• Proboji u znanosti o materijalima: Otkriće novih materijala za elektrode, elektrolite i druge komponente sustava za pohranu energije s poboljšanim performansama i održivošću.
• Umjetna inteligencija i strojno učenje: Primjena tehnika umjetne inteligencije i strojnog učenja za optimizaciju dizajna, rada i upravljanja sustavima za pohranu energije.
• Integracija u mrežu i upravljanje: Razvoj naprednih sustava za upravljanje mrežom radi integracije sustava za pohranu energije s obnovljivim izvorima energije i elektroenergetskom mrežom.
• Pohrana vodika: Istraživanje učinkovitih i isplativih metoda za pohranu vodika, obećavajućeg nositelja energije za različite primjene.
• Elektrokemijski kondenzatori (superkondenzatori): Nastavak razvoja superkondenzatora s visokom gustoćom snage i mogućnostima brzog punjenja/pražnjenja.
• Nove tehnologije toplinske pohrane energije: Istraživanje novih materijala i konfiguracija za učinkovitiju i kompaktniju toplinsku pohranu energije.

Zaključak: prema održivoj energetskoj budućnosti

Istraživanje pohrane energije igra ključnu ulogu u omogućavanju održive energetske budućnosti. Razvoj učinkovitijih, isplativijih i održivijih tehnologija za pohranu energije ključan je za integraciju obnovljivih izvora energije u globalni energetski miks, poboljšanje stabilnosti mreže i omogućavanje pristupa čistoj energiji za sve. Kako istraživanja napreduju, možemo očekivati pojavu još inovativnijih rješenja za pohranu energije koja će transformirati način na koji proizvodimo, pohranjujemo i koristimo energiju.

Globalna zajednica mora nastaviti podržavati i ulagati u istraživanje pohrane energije kako bi ubrzala prijelaz na čišću, održiviju energetsku budućnost za generacije koje dolaze. Suradnja između istraživača, industrije i vladinih agencija ključna je za prevladavanje izazova i ostvarivanje punog potencijala tehnologija za pohranu energije. Poticanjem inovacija i suradnje možemo osloboditi snagu pohrane energije kako bismo stvorili svjetliju i održiviju budućnost za sve.