Enerģijas uzglabāšanas zinātne: globāla perspektīva

Enerģijas uzglabāšana ir būtiska ilgtspējīgai nākotnei. Tā mazina plaisu starp mainīgiem atjaunojamās enerģijas avotiem, piemēram, saules un vēja enerģiju, un mūsdienu sabiedrības nepārtraukto enerģijas pieprasījumu. Šajā rakstā aplūkota enerģijas uzglabāšanas zinātne, izpētītas dažādas tehnoloģijas un analizēti to globālie pielietojumi.

Kāpēc enerģijas uzglabāšana ir svarīga

Pieaugošā atjaunojamo energoresursu izmantošana pārveido globālo enerģētikas ainavu. Tomēr atjaunojamie energoresursi, piemēram, saules un vēja enerģija, ir pēc būtības mainīgi. Saule ne vienmēr spīd, un vējš ne vienmēr pūš. Enerģijas uzglabāšana risina šo nepastāvību, ļaujot mums uzkrāt lieko enerģiju augstas ražošanas periodos un atbrīvot to, kad pieprasījums ir augsts vai atjaunojamie avoti nav pieejami.

Enerģijas uzglabāšana sniedz daudzas priekšrocības:

• Tīkla stabilizācija: Uzlabo tīkla uzticamību, nodrošinot rezerves jaudu un regulējot frekvenci un spriegumu.
• Samazināta atkarība no fosilā kurināmā: Ļauj plašāk integrēt atjaunojamos energoresursus, samazinot mūsu atkarību no fosilā kurināmā un mazinot klimata pārmaiņas.
• Izmaksu ietaupījumi: Samazina maksu par maksimālo pieprasījumu un ļauj patērētājiem izmantot pašu saražoto atjaunojamo enerģiju.
• Enerģētiskā neatkarība: Uzlabo energoapgādes drošību, ļaujot valstīm paļauties uz vietēji ražotu un uzglabātu atjaunojamo enerģiju.
• Nodrošina transporta elektrifikāciju: Nodrošina enerģiju, kas nepieciešama elektrisko transportlīdzekļu (EV) darbināšanai un transporta radīto emisiju samazināšanai.

Enerģijas uzglabāšanas tehnoloģiju veidi

Dažādas enerģijas uzglabāšanas tehnoloģijas ir piemērotas dažādiem pielietojumiem un mērogiem. Šeit ir pārskats par dažām nozīmīgākajām metodēm:

1. Elektroķīmiskā enerģijas uzglabāšana (akumulatori)

Akumulatori ir visizplatītākais enerģijas uzglabāšanas veids. Tie pārveido ķīmisko enerģiju elektriskajā enerģijā, izmantojot elektroķīmiskas reakcijas.

Litija jonu akumulatori

Litija jonu (Li-ion) akumulatori dominē tirgū, pateicoties to augstajam enerģijas blīvumam, ilgajam kalpošanas laikam un salīdzinoši zemajam pašizlādes līmenim. Tos izmanto portatīvajā elektronikā, elektriskajos transportlīdzekļos un tīkla mēroga krātuvēs. Li-ion akumulatori darbojas, pārvietojot litija jonus starp anodu (negatīvo elektrodu) un katodu (pozitīvo elektrodu) caur elektrolītu. Šo jonu kustība rada elektrisko strāvu.

Piemērs: Tesla Megapack ir liela mēroga Li-ion akumulatoru sistēma, ko izmanto tīkla stabilizācijai un pieprasījuma maksimumu izlīdzināšanai. Daudzas valstis visā pasaulē, no Austrālijas līdz Apvienotajai Karalistei, ievieš Megapack sistēmas, lai uzlabotu savu atjaunojamās enerģijas infrastruktūru.

Izaicinājumi: Li-ion akumulatori saskaras ar izaicinājumiem, kas saistīti ar izmaksām, drošību (termiskā nestabilitāte) un izejvielu, piemēram, litija un kobalta, pieejamību. Pētījumi ir vērsti uz alternatīvu katoda materiālu izstrādi un akumulatoru pārvaldības sistēmu uzlabošanu, lai risinātu šīs problēmas.

Svina-skābes akumulatori

Svina-skābes akumulatori ir nobriedusi tehnoloģija, ko izmanto jau vairāk nekā gadsimtu. Tie ir lēti un uzticami, bet tiem ir zemāks enerģijas blīvums un īsāks kalpošanas laiks nekā Li-ion akumulatoriem. Svina-skābes akumulatorus parasti izmanto automobiļu industrijā, rezerves barošanas sistēmās un autonomās saules enerģijas instalācijās.

Piemērs: Daudzās jaunattīstības valstīs svina-skābes akumulatori joprojām ir izmaksu ziņā efektīvs risinājums enerģijas uzglabāšanai no mājas saules enerģijas sistēmām, nodrošinot elektrību mājsaimniecībām bez piekļuves elektrotīklam.

Plūsmas akumulatori

Plūsmas akumulatori uzglabā enerģiju šķidros elektrolītos, kas tiek sūknēti caur elektroķīmiskajām šūnām. Tie piedāvā augstu mērogojamību, ilgu kalpošanas laiku un neatkarīgu enerģijas un jaudas kontroli. Plūsmas akumulatori ir piemēroti tīkla mēroga krātuvēm un lietojumiem, kam nepieciešama ilgstoša izlāde.

Piemērs: Vairāki uzņēmumi izstrādā un ievieš vanādija redoks plūsmas akumulatorus (VRFB) tīkla stabilizācijai un atjaunojamās enerģijas integrācijai. Šie akumulatori ir īpaši piemēroti lietojumiem, kur nepieciešams ilgs izlādes laiks, piemēram, nodrošinot rezerves jaudu ilgstošos mākoņainības vai vāja vēja periodos.

Cietvielu akumulatori

Cietvielu akumulatoros šķidrais elektrolīts tradicionālajos Li-ion akumulatoros tiek aizstāts ar cietu elektrolītu. Tas piedāvā potenciālas priekšrocības drošības, enerģijas blīvuma un kalpošanas laika ziņā. Cietvielu akumulatori ir daudzsološa tehnoloģija elektriskajiem transportlīdzekļiem un citiem pielietojumiem.

Izaicinājumi: Cietvielu akumulatoru ražošanas apjoma palielināšana un ar starpfāžu pretestību saistīto problēmu pārvarēšana ir aktuālas pētniecības jomas.

Nātrija jonu akumulatori

Nātrija jonu akumulatori kā lādiņa nesēju izmanto nātriju, kas ir plaši izplatīts un lēts elements. Tie piedāvā potenciāli lētāku alternatīvu Li-ion akumulatoriem tīkla krātuvēm un citiem pielietojumiem.

Izaicinājumi: Nātrija jonu akumulatoriem parasti ir zemāks enerģijas blīvums nekā Li-ion akumulatoriem. Tomēr pašreizējie pētījumi ir vērsti uz to veiktspējas uzlabošanu.

2. Mehāniskā enerģijas uzglabāšana

Mehāniskās enerģijas uzglabāšanas sistēmas uzglabā enerģiju, fiziski pārvietojot vai saspiežot kādu vidi.

Hidroakumulācijas elektrostacijas (HAES)

Hidroakumulācija ir pasaulē visplašāk izmantotais liela mēroga enerģijas uzglabāšanas veids. Tā ietver ūdens sūknēšanu no apakšējā rezervuāra uz augšējo rezervuāru zema pieprasījuma vai pārmērīgas atjaunojamās enerģijas ražošanas periodos. Kad nepieciešama enerģija, ūdens tiek atbrīvots, plūstot lejup pa turbīnām, lai ražotu elektrību.

Piemērs: Ķīnai ir pasaulē lielākā uzstādītā hidroakumulācijas jauda, un tā to izmanto, lai savā tīklā integrētu lielu daudzumu vēja un saules enerģijas. Līdzīgi daudzas Eiropas un Ziemeļamerikas valstis paļaujas uz hidroakumulāciju tīkla stabilizēšanai.

Izaicinājumi: HAES nepieciešami īpaši ģeoloģiskie apstākļi (augstuma starpības un ūdens pieejamība), un tām var būt ietekme uz vidi saistībā ar zemes izmantošanu un ūdens resursiem.

Saspiesta gaisa enerģijas uzglabāšana (CAES)

Saspiesta gaisa enerģijas uzglabāšana ietver gaisa saspiešanu un uzglabāšanu pazemes alās vai virszemes tvertnēs. Kad nepieciešama enerģija, saspiestais gaiss tiek atbrīvots un uzsildīts, pēc tam izplešoties caur turbīnām, lai ražotu elektrību.

Piemērs: Esošās CAES stacijas darbojas Vācijā un Amerikas Savienotajās Valstīs. Tiek izstrādātas progresīvas CAES sistēmas, lai uzlabotu efektivitāti un samazinātu atkarību no dabasgāzes saspiestā gaisa sildīšanai.

Izaicinājumi: CAES nepieciešami piemēroti ģeoloģiskie veidojumi gaisa uzglabāšanai, un tai var būt salīdzinoši zema cikla efektivitāte.

Spararati

Spararati uzglabā enerģiju, griežot smagu rotoru lielā ātrumā. Spararatā uzkrāto kinētisko enerģiju var pārvērst atpakaļ elektrībā, kad tas nepieciešams. Spararati piedāvā ātru reakcijas laiku un ilgu kalpošanas laiku, padarot tos piemērotus frekvences regulēšanai un īstermiņa rezerves jaudai.

Piemērs: Spararatu enerģijas uzglabāšanas sistēmas tiek izmantotas, lai uzlabotu enerģijas kvalitāti rūpniecības objektos un stabilizētu tīklu apgabalos ar augstu atjaunojamās enerģijas īpatsvaru.

Izaicinājumi: Spararatiem ir salīdzinoši zems enerģijas blīvums salīdzinājumā ar akumulatoriem, un tie var piedzīvot enerģijas zudumus berzes un gaisa pretestības dēļ.

3. Siltumenerģijas uzglabāšana (TES)

Siltumenerģijas uzglabāšana ietver enerģijas uzglabāšanu siltuma vai aukstuma veidā. To var panākt, izmantojot dažādus materiālus, piemēram, ūdeni, kausētus sāļus vai fāžu maiņas materiālus (PCM).

Koncentrēta saules enerģija (CSP) ar TES

Koncentrētas saules enerģijas stacijas izmanto spoguļus, lai fokusētu saules gaismu uz uztvērēju, kas silda darba šķidrumu. Siltumu var izmantot tieši elektrības ražošanai vai uzglabāt siltumenerģijas uzglabāšanas sistēmās, ļaujot stacijai ražot elektrību arī tad, kad saule nespīd.

Piemērs: Marokas Noor Ouarzazate saules elektrostacija izmanto kausētu sāļu siltumenerģijas krātuvi, lai nodrošinātu elektrību 24 stundas diennaktī. Arī Spānijai ir ievērojama CSP jauda ar integrētu TES.

Centralizētā siltumapgāde un dzesēšana

Siltumenerģijas uzglabāšanu var izmantot centralizētās siltumapgādes un dzesēšanas sistēmās, lai uzglabātu lieko siltumu vai aukstumu, kas radīts ārpus noslogojuma stundām. Šo uzkrāto enerģiju pēc tam var izmantot, lai apmierinātu maksimālo pieprasījumu, samazinot enerģijas izmaksas un uzlabojot efektivitāti.

Piemērs: Daudzas Skandināvijas pilsētas izmanto siltumenerģijas uzglabāšanu savās centralizētās siltumapgādes sistēmās, lai uzglabātu lieko siltumu no rūpnieciskiem procesiem vai atkritumu sadedzināšanas.

Ledus uzglabāšana

Ledus uzglabāšanas sistēmas veido ledu ārpus noslogojuma stundām un izmanto to ēku dzesēšanai noslogojuma stundās. Tas samazina elektroenerģijas pieprasījumu un pazemina enerģijas izmaksas.

Piemērs: Ledus uzglabāšana tiek plaši izmantota komerciālās ēkās, slimnīcās un datu centros, lai samazinātu dzesēšanas izmaksas.

4. Ķīmiskā enerģijas uzglabāšana

Ķīmiskā enerģijas uzglabāšana ietver enerģijas uzglabāšanu ķīmisko saišu veidā. Ūdeņraža ražošana un uzglabāšana ir galvenais piemērs.

Ūdeņraža enerģijas uzglabāšana

Ūdeņradi var ražot, veicot ūdens elektrolīzi, izmantojot atjaunojamo enerģiju. Pēc tam ūdeņradi var uzglabāt dažādos veidos, piemēram, kā saspiestu gāzi, sašķidrinātu ūdeņradi vai metālu hidrīdus. Kad nepieciešama enerģija, ūdeņradi var izmantot degvielas šūnās, lai ražotu elektrību, siltumu vai transporta degvielu.

Piemērs: Vairākas valstis investē ūdeņraža ražošanas un uzglabāšanas projektos, ar mērķi izmantot ūdeņradi kā tīru degvielu transportam, rūpniecībai un enerģijas ražošanai. Piemēram, Japānai ir ambiciozi plāni izmantot ūdeņradi savas ekonomikas darbināšanai.

Izaicinājumi: Ūdeņraža ražošana, uzglabāšana un transportēšana joprojām ir salīdzinoši dārga. Izmaksu ziņā efektīvu un lietderīgu tehnoloģiju izstrāde ūdeņraža uzglabāšanai un degvielas šūnām ir būtiska tās plašai ieviešanai.

Enerģijas uzglabāšanas globālie pielietojumi

Enerģijas uzglabāšana tiek ieviesta dažādos pielietojumos visā pasaulē:

• Tīkla mēroga enerģijas uzglabāšana: Tīklu stabilizēšana, atjaunojamo energoresursu integrēšana un rezerves jaudas nodrošināšana. Tādas valstis kā Austrālija, Amerikas Savienotās Valstis un Apvienotā Karaliste lielā mērā investē tīkla mēroga akumulatoru krātuvēs.
• Mājsaimniecību enerģijas uzglabāšana: Saules paneļu apvienošana ar akumulatoru krātuvēm, lai samazinātu elektrības rēķinus un palielinātu enerģētisko neatkarību. Tas ir īpaši populāri valstīs ar augstām elektrības cenām un spēcīgiem saules resursiem, piemēram, Vācijā un Austrālijā.
• Elektrisko transportlīdzekļu uzlāde: Ātras un uzticamas uzlādes nodrošināšana elektriskajiem transportlīdzekļiem, mazinot bažas par nobraukuma attālumu un paātrinot elektriskā transporta ieviešanu.
• Mikrotīkli: Attālinātām kopienām un kritiskiem objektiem tiek dota iespēja darboties neatkarīgi no tīkla, nodrošinot uzticamu elektroapgādi. Mikrotīkli ir būtiski apgabalos ar neuzticamu tīkla infrastruktūru vai biežām dabas katastrofām.
• Rūpnieciskie pielietojumi: Enerģijas kvalitātes uzlabošana, enerģijas izmaksu samazināšana un rezerves jaudas nodrošināšana rūpniecības objektiem.

Enerģijas uzglabāšanas nākotne

Enerģijas uzglabāšanas nākotne ir daudzsološa, un notiekošie pētniecības un attīstības darbi ir vērsti uz:

• Akumulatoru tehnoloģijas uzlabošana: Enerģijas blīvuma, kalpošanas laika un drošības palielināšana, vienlaikus samazinot izmaksas. Pētījumi ir vērsti uz jaunu akumulatoru ķīmisko sastāvu izstrādi, piemēram, cietvielu akumulatoriem un nātrija jonu akumulatoriem.
• Progresīvu siltumenerģijas uzglabāšanas sistēmu izstrāde: Siltumenerģijas uzglabāšanas efektivitātes un izmaksu lietderības palielināšana CSP un centralizētajai siltumapgādei un dzesēšanai.
• Ūdeņraža ražošanas un uzglabāšanas tehnoloģiju uzlabošana: Ūdeņraža ražošanas izmaksu samazināšana un efektīvu un drošu ūdeņraža uzglabāšanas un transportēšanas metožu izstrāde.
• Viedo tīklu izveide: Enerģijas uzglabāšanas integrēšana ar viedo tīklu tehnoloģijām, lai optimizētu enerģijas plūsmu un uzlabotu tīkla noturību.
• Vides ietekmes samazināšana: Risinot bažas par akumulatoru ražošanas un utilizācijas ietekmi uz vidi, izmantojot pārstrādi un ilgtspējīgu materiālu ieguvi.

Praktiski ieteikumi:

1. Esiet informēts: Sekojiet līdzi jaunākajiem sasniegumiem enerģijas uzglabāšanas tehnoloģijās un politikā.
2. Apsveriet enerģijas uzglabāšanu savai mājai vai uzņēmumam: Novērtējiet potenciālos ieguvumus, ko sniedz enerģijas uzglabāšanas integrēšana jūsu energosistēmā.
3. Atbalstiet atjaunojamās enerģijas politiku: Iestājieties par politiku, kas veicina atjaunojamās enerģijas un enerģijas uzglabāšanas attīstību un ieviešanu.

Noslēgums

Enerģijas uzglabāšana ir būtiska ilgtspējīgas enerģētikas nākotnes sastāvdaļa. Tā ļauj integrēt atjaunojamos energoresursus, uzlabo tīkla uzticamību, samazina atkarību no fosilā kurināmā un dod iespēju indivīdiem un kopienām kontrolēt savu enerģiju. Tehnoloģijām attīstoties un izmaksām samazinoties, enerģijas uzglabāšanai būs arvien nozīmīgāka loma globālās enerģētikas ainavas pārveidē.