Системы аккумуляторного хранения энергии: комплексное глобальное руководство

Системы аккумуляторного хранения энергии (САХЭ) быстро меняют мировой энергетический ландшафт, предлагая инновационные решения для более устойчивого и надежного энергетического будущего. От повышения стабильности сети до обеспечения более широкого внедрения возобновляемых источников энергии, САХЭ играют ключевую роль в энергетическом переходе. В этом комплексном руководстве рассматриваются технологии, области применения, типы, критерии выбора, экономические выгоды и мировые тенденции, связанные с системами аккумуляторного хранения энергии.

Что такое системы аккумуляторного хранения энергии?

Система аккумуляторного хранения энергии — это технология, которая накапливает электроэнергию в электрохимических аккумуляторах и высвобождает ее при необходимости. Это позволяет использовать энергию позже, обеспечивая гибкость и устойчивость для электросетей, домов, предприятий и промышленных объектов. САХЭ могут быть интегрированы с различными источниками энергии, включая возобновляемые (солнечная, ветровая), традиционные электросети и даже электромобили.

Ключевые компоненты системы аккумуляторного хранения энергии:

• Аккумуляторы: Ядро системы, отвечающее за хранение и высвобождение энергии.
• Система управления аккумулятором (СУА/BMS): Контролирует и управляет работой аккумулятора, обеспечивая безопасную и эффективную эксплуатацию. СУА управляет такими параметрами, как напряжение, ток, температура и уровень заряда (SoC).
• Инвертор: Преобразует постоянный ток (DC) от аккумуляторов в переменный ток (AC) для использования в домах, на предприятиях и в сети.
• Преобразователь (если применимо): Для систем, подключенных к источникам постоянного тока (например, солнечным панелям), может потребоваться преобразователь DC-DC для оптимизации уровней напряжения.
• Система управления: Управляет общей работой САХЭ, координируя циклы заряда и разряда в зависимости от спроса на энергию и состояния сети.
• Корпус и системы безопасности: Обеспечивает физическую защиту компонентов и включает функции безопасности, такие как пожаротушение и вентиляция.

Области применения систем аккумуляторного хранения энергии:

САХЭ предлагают широкий спектр применений в различных секторах:

1. Хранение энергии в масштабах сети:

Сетевые системы аккумуляторного хранения энергии — это крупные установки, подключенные непосредственно к электрической сети. Они предоставляют различные услуги, в том числе:

• Регулирование частоты: Быстрая подача или поглощение мощности для поддержания стабильности частоты в сети, что крайне важно для интеграции прерывистых возобновляемых источников.
• Поддержание напряжения: Предоставление реактивной мощности для стабилизации уровней напряжения в сети.
• Сглаживание пиковых нагрузок: Накопление энергии в часы минимальной нагрузки и ее отдача во время пикового спроса, что снижает нагрузку на сеть и уменьшает затраты на энергию.
• Обеспечение гарантированной мощности: Сглаживание колебаний выработки возобновляемых источников энергии, таких как солнце и ветер, делая их более надежными и предсказуемыми.
• Возможность запуска из обесточенного состояния: Обеспечение энергией для перезапуска критически важной инфраструктуры после отключения электроэнергии.

Пример: В Южной Австралии крупномасштабная литий-ионная аккумуляторная система Hornsdale Power Reserve значительно улучшила стабильность сети и снизила затраты на электроэнергию.

2. Хранение энергии в жилом секторе:

Домашние аккумуляторные системы становятся все более популярными, позволяя домовладельцам:

• Накапливать солнечную энергию: Собирать избыточную солнечную энергию, произведенную днем, и использовать ее ночью или в периоды низкой солнечной активности.
• Снижать счета за электроэнергию: Уменьшать расходы на электричество, используя накопленную энергию в пиковые часы, когда цены выше.
• Обеспечивать резервное питание: Гарантировать бесперебойное электроснабжение во время отключений сети, защищая от сбоев и повышая энергетическую независимость.
• Участвовать в услугах для сети: Некоторые домашние аккумуляторные системы могут участвовать в программах сетевых услуг, предоставляя регулирование частоты или поддержание напряжения для сети в обмен на вознаграждение.

Пример: В Германии значительное количество домохозяйств установили солнечные панели и системы хранения на аккумуляторах, чтобы увеличить собственное потребление и снизить зависимость от сети.

3. Хранение энергии в коммерческом и промышленном секторах:

Предприятия и промышленные объекты используют САХЭ для:

• Снижения платы за пиковую мощность: Уменьшения платы за пиковую мощность за счет использования накопленной энергии для снижения максимального энергопотребления.
• Улучшения качества электроэнергии: Обеспечения бесперебойного питания (ИБП) для защиты чувствительного оборудования от отключений и колебаний напряжения.
• Повышения энергетической устойчивости: Обеспечения непрерывности бизнес-процессов во время сбоев в сети.
• Поддержки интеграции возобновляемой энергии: Максимизации использования собственной генерации из возобновляемых источников, снижая углеродный след.

Пример: Микросети, сочетающие возобновляемую энергию, аккумуляторные хранилища и другие распределенные энергетические ресурсы, развертываются в отдаленных районах и промышленных парках для обеспечения надежной и доступной электроэнергии.

4. Инфраструктура для зарядки электромобилей (EV):

САХЭ могут быть интегрированы с зарядными станциями для электромобилей, чтобы:

• Снизить нагрузку на сеть: Смягчить влияние зарядки электромобилей на сеть, особенно в пиковые часы.
• Снизить затраты на зарядку: Накапливать энергию в часы минимальной нагрузки и использовать ее для зарядки электромобилей в пиковые часы.
• Обеспечить быструю зарядку: Предоставить необходимую мощность для быстрой зарядки даже в районах с ограниченной пропускной способностью сети.

Пример: Системы аккумуляторного хранения энергии развертываются на зарядных станциях для электромобилей в Калифорнии для поддержки растущего числа электромобилей и снижения нагрузки на электросеть.

5. Микросети:

Микросети — это локализованные энергетические сети, которые могут работать независимо от основной сети. Они часто сочетают в себе возобновляемые источники энергии, аккумуляторные хранилища и другие распределенные генерирующие ресурсы. САХЭ играют решающую роль в микросетях, выполняя следующие функции:

• Стабилизация возобновляемой энергии: Управление прерывистым характером солнечной и ветровой энергии.
• Обеспечение резервного питания: Гарантирование непрерывного электроснабжения во время отключений основной сети.
• Снижение затрат на энергию: Оптимизация использования энергии и снижение зависимости от основной сети.

Пример: Отдаленные общины на Аляске используют микросети с аккумуляторными хранилищами, чтобы уменьшить свою зависимость от дорогого дизельного топлива и улучшить доступ к энергии.

Типы аккумуляторных технологий:

В САХЭ используются несколько аккумуляторных технологий, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки:

1. Литий-ионные (Li-ion):

Наиболее широко используемая аккумуляторная технология благодаря высокой плотности энергии, длительному сроку службы и относительно низкой стоимости. Литий-ионные аккумуляторы применяются в различных областях, от портативной электроники до электромобилей и сетевых хранилищ.

Преимущества:

• Высокая плотность энергии
• Длительный циклический ресурс
• Относительно низкая скорость саморазряда

Недостатки:

• Потенциальный тепловой разгон (требует надежных мер безопасности)
• Стоимость может быть выше, чем у некоторых других технологий

2. Свинцово-кислотные:

Зрелая и относительно недорогая аккумуляторная технология. Свинцово-кислотные аккумуляторы обычно используются в системах резервного питания и автомобильной промышленности.

Преимущества:

• Низкая стоимость
• Хорошо отработанная технология

Недостатки:

• Низкая плотность энергии
• Более короткий циклический ресурс по сравнению с литий-ионными
• Содержат свинец, который является экологически опасным

3. Никель-металлгидридные (NiMH):

Аккумуляторная технология с более высокой плотностью энергии и более длительным сроком службы, чем у свинцово-кислотных аккумуляторов. NiMH аккумуляторы используются в гибридных автомобилях и некоторой портативной электронике.

Преимущества:

• Более высокая плотность энергии, чем у свинцово-кислотных
• Более длительный циклический ресурс, чем у свинцово-кислотных

Недостатки:

• Более низкая плотность энергии, чем у литий-ионных
• Более высокая скорость саморазряда, чем у литий-ионных

4. Проточные аккумуляторы:

Тип перезаряжаемого аккумулятора, в котором энергия хранится в жидких электролитах, содержащихся во внешних баках. Проточные аккумуляторы подходят для крупномасштабных систем хранения энергии благодаря их длительному сроку службы и масштабируемости.

Преимущества:

• Длительный циклический ресурс
• Масштабируемая емкость
• Независимое масштабирование мощности и энергии

Недостатки:

• Более низкая плотность энергии, чем у литий-ионных
• Более высокая первоначальная стоимость

5. Натрий-ионные (Na-ion):

Новая аккумуляторная технология, использующая ионы натрия в качестве носителя заряда. Натрий-ионные аккумуляторы рассматриваются как перспективная альтернатива литий-ионным благодаря доступности и низкой стоимости натрия.

Преимущества:

• Доступные и недорогие материалы
• Хорошие характеристики при низких температурах

Недостатки:

• Более низкая плотность энергии, чем у литий-ионных (в настоящее время)
• Все еще в стадии разработки и не так коммерчески зрелы

Ключевые соображения при выборе системы аккумуляторного хранения энергии:

Выбор правильной системы аккумуляторного хранения энергии требует тщательного рассмотрения различных факторов:

1. Применение:

Конкретное применение определит требуемую емкость аккумулятора, выходную мощность и рабочие характеристики. Например, сетевая система хранения энергии будет иметь иные требования, чем бытовая аккумуляторная система.

2. Технология аккумулятора:

Выбор подходящей технологии аккумулятора зависит от таких факторов, как плотность энергии, циклический ресурс, стоимость и требования к безопасности. Литий-ионные часто являются предпочтительным выбором для многих приложений, но другие технологии, такие как проточные или натрий-ионные аккумуляторы, могут быть более подходящими для конкретных нужд.

3. Емкость и мощность:

Емкость аккумулятора (измеряется в кВт·ч) определяет количество энергии, которое можно сохранить, а выходная мощность (измеряется в кВт) — скорость, с которой энергия может быть отдана. Правильный подбор размеров системы имеет решающее значение для удовлетворения спроса на энергию и достижения желаемых выгод.

4. Глубина разряда (DoD):

DoD — это процент емкости аккумулятора, который можно разрядить без значительного влияния на его срок службы. Более высокий DoD позволяет использовать больше энергии, но может сократить общий циклический ресурс аккумулятора.

5. Циклический ресурс:

Циклический ресурс указывает количество циклов заряда-разряда, которые аккумулятор может выдержать до ухудшения своих характеристик. Более длительный циклический ресурс необходим для максимизации возврата инвестиций.

6. Эффективность:

Эффективность аккумулятора — это отношение выходной энергии к входной. Более высокая эффективность снижает потери энергии и улучшает общую производительность системы.

7. Безопасность:

Безопасность является первостепенной задачей при выборе системы аккумуляторного хранения энергии. Ищите системы с надежными функциями безопасности, такими как терморегулирование, защита от перезаряда и пожаротушение.

8. Стоимость:

Стоимость системы аккумуляторного хранения энергии включает первоначальную цену покупки, затраты на установку и текущие расходы на обслуживание. Учитывайте общую стоимость владения в течение всего срока службы системы.

9. Воздействие на окружающую среду:

Оцените воздействие аккумуляторной технологии на окружающую среду, включая материалы, используемые в производстве, процесс утилизации и общий углеродный след.

10. Требования к подключению к сети:

Убедитесь, что система аккумуляторного хранения энергии соответствует требованиям к подключению к сети в вашем регионе. Это может включать получение разрешений, соблюдение стандартов безопасности и координацию с местной энергокомпанией.

Экономические выгоды от систем аккумуляторного хранения энергии:

САХЭ могут принести значительные экономические выгоды различным заинтересованным сторонам:

1. Снижение затрат на энергию:

Накапливая энергию в часы минимальной нагрузки и используя ее в пиковые часы, САХЭ могут снизить счета за электроэнергию и плату за пиковую мощность.

2. Увеличение потоков доходов:

САХЭ могут генерировать доход за счет участия в программах сетевых услуг, таких как регулирование частоты и обеспечение гарантированной мощности.

3. Повышение энергетической независимости:

Накапливая возобновляемую энергию, САХЭ могут снизить зависимость от сети и обеспечить более безопасное и надежное энергоснабжение.

4. Улучшение использования активов:

САХЭ могут оптимизировать использование существующих энергетических активов, таких как солнечные панели и ветряные турбины, накапливая избыточную энергию и отдавая ее при необходимости.

5. Отсрочка модернизации сетевой инфраструктуры:

САХЭ могут помочь отложить или избежать дорогостоящей модернизации сетевой инфраструктуры, предоставляя услуги поддержки сети и снижая пиковый спрос.

6. Стимулы и субсидии:

Правительства и коммунальные предприятия по всему миру предлагают стимулы и субсидии для содействия внедрению систем аккумуляторного хранения энергии.

Мировые тенденции в области систем аккумуляторного хранения энергии:

Мировой рынок аккумуляторных хранилищ переживает бурный рост, обусловленный несколькими факторами:

1. Снижение стоимости аккумуляторов:

Стоимость аккумуляторных технологий, особенно литий-ионных, значительно снизилась в последние годы, что делает САХЭ более экономически выгодными.

2. Увеличение внедрения возобновляемой энергии:

Растущее внедрение возобновляемых источников энергии, таких как солнце и ветер, стимулирует спрос на хранение энергии для решения проблемы их прерывистости.

3. Государственная политика и регулирование:

Поддерживающая государственная политика и нормативные акты, такие как налоговые льготы, субсидии и предписания, ускоряют развертывание САХЭ.

4. Растущий спрос на стабильность сети:

Возрастающая сложность электросети и растущее проникновение возобновляемой энергии обусловливают потребность в сетевых хранилищах энергии для поддержания стабильности сети.

5. Электрификация транспорта:

Электрификация транспорта создает новые возможности для САХЭ, как для зарядной инфраструктуры, так и для поддержки сети.

6. Акцент на энергетическую устойчивость:

Экстремальные погодные явления и другие сбои подчеркивают важность энергетической устойчивости, стимулируя внедрение САХЭ для резервного питания и микросетей.

Будущее систем аккумуляторного хранения энергии:

Будущее систем аккумуляторного хранения энергии выглядит радужным, поскольку текущие исследования и разработки сосредоточены на:

1. Улучшенных аккумуляторных технологиях:

Исследователи работают над созданием новых аккумуляторных технологий с более высокой плотностью энергии, более длительным циклическим ресурсом и более низкой стоимостью.

2. Продвинутых системах управления аккумуляторами:

Разрабатываются продвинутые СУА для оптимизации производительности аккумуляторов, продления их срока службы и повышения безопасности.

3. Технологиях интеграции с сетью:

Разрабатываются новые технологии интеграции с сетью для облегчения бесшовного включения САХЭ в электросеть.

4. Стандартизации и совместимости:

Ведутся работы по стандартизации систем аккумуляторного хранения энергии и улучшению их совместимости, что упростит их интеграцию в различные приложения.

5. Расширении использования искусственного интеллекта (ИИ):

ИИ используется для оптимизации работы систем аккумуляторного хранения, прогнозирования спроса на энергию и улучшения управления сетью.

Заключение:

Системы аккумуляторного хранения энергии являются критически важным компонентом развивающегося мирового энергетического ландшафта. Благодаря своей способности повышать стабильность сети, обеспечивать интеграцию возобновляемой энергии и предоставлять резервное питание, САХЭ готовы играть все более важную роль в создании более устойчивого, надежного и доступного энергетического будущего. По мере развития технологий и дальнейшего снижения затрат мы можем ожидать широкого распространения систем аккумуляторного хранения энергии в различных секторах по всему миру.