Энергия для будущего: Глобальное руководство по решениям для хранения энергии

Решения для хранения энергии стремительно меняют мировой энергетический ландшафт. По мере того как мир переходит к более чистым и устойчивым источникам энергии, способность эффективно и действенно хранить энергию становится все более важной. В этом всеобъемлющем руководстве рассматривается широкий спектр технологий хранения энергии, их применение и жизненно важная роль в построении устойчивого и декарбонизированного энергетического будущего для всех.

Почему хранение энергии необходимо

Непостоянство возобновляемых источников энергии, таких как солнечная и ветровая, представляет собой серьезную проблему. Хранение энергии действует как буфер, сглаживая колебания спроса и предложения, присущие этим ресурсам. Это обеспечивает надежное и стабильное энергоснабжение, даже когда солнце не светит или ветер не дует.

Помимо сглаживания непостоянства, хранение энергии предлагает множество преимуществ:

• Повышенная стабильность сети: Системы хранения энергии могут быстро реагировать на сбои в сети, обеспечивая регулирование частоты и поддержку напряжения, тем самым предотвращая отключения электроэнергии и поддерживая стабильность сети.
• Снижение зависимости от ископаемого топлива: Накапливая избыточную возобновляемую энергию, системы хранения снижают потребность в резервных генераторах на ископаемом топливе, уменьшая выбросы углерода.
• Экономия средств: Хранение энергии позволяет коммунальным предприятиям и потребителям покупать электроэнергию в часы минимальной нагрузки, когда цены ниже, и использовать ее в часы пикового спроса, снижая затраты на энергию.
• Повышение энергетической независимости: Хранение энергии дает возможность сообществам и предприятиям стать более энергонезависимыми, позволяя самостоятельно потреблять локально произведенную возобновляемую энергию.
• Электрификация транспорта: Передовые аккумуляторные технологии способствуют электрификации транспорта, снижая зависимость от ископаемого топлива и улучшая качество воздуха в городских районах.

Типы технологий хранения энергии

Существует широкий спектр технологий хранения энергии, каждая из которых имеет свои сильные и слабые стороны. Оптимальный выбор зависит от таких факторов, как применение, емкость хранения энергии, продолжительность разряда и стоимость.

Аккумуляторные накопители

Аккумуляторные накопители — это наиболее широко применяемая технология хранения энергии, предлагающая универсальное и масштабируемое решение для различных применений.

Литий-ионные аккумуляторы

Литий-ионные аккумуляторы являются доминирующей технологией на рынке благодаря их высокой плотности энергии, длительному сроку службы и относительно низкой стоимости. Они используются в широком спектре приложений, от электромобилей и бытовой электроники до систем хранения энергии в масштабах сети.

Пример: Электростанция Hornsdale Power Reserve в Южной Австралии, работающая на литий-ионных аккумуляторах Tesla, продемонстрировала способность быстро реагировать на сбои в сети, предотвращая отключения и экономя деньги потребителей. Аналогичным образом, в Калифорнии развертываются масштабные проекты для поддержки сети в часы пик, что снижает зависимость от газовых пиковых электростанций. На мировом уровне такие компании, как CATL, LG Chem и Panasonic, являются ключевыми игроками на рынке литий-ионных аккумуляторов, предоставляя решения для различных областей применения.

Проточные аккумуляторы

Проточные аккумуляторы хранят энергию в жидких электролитах, которые прокачиваются через стопку электрохимических ячеек. Это позволяет независимо масштабировать емкость и мощность, что делает их хорошо подходящими для длительного хранения энергии.

Пример: Различные проекты с проточными аккумуляторами пилотируются и внедряются по всему миру, особенно для хранения энергии в масштабах сети и для микросетей. Компании, такие как Sumitomo Electric, Primus Power и ESS Inc., разрабатывают и внедряют системы проточных аккумуляторов для различных применений, включая интеграцию возобновляемых источников энергии и стабилизацию сети. Китай все активнее инвестирует в технологию проточных аккумуляторов как в важнейший компонент своей стратегии энергетического перехода.

Другие аккумуляторные технологии

Другие аккумуляторные технологии, такие как свинцово-кислотные, никель-металлгидридные и натрий-ионные аккумуляторы, также используются в конкретных приложениях для хранения энергии. Свинцово-кислотные аккумуляторы обычно используются в системах резервного питания и автономного хранения энергии, в то время как натрий-ионные аккумуляторы становятся недорогой альтернативой литий-ионным. Постоянные исследования и разработки непрерывно улучшают производительность и экономическую эффективность этих технологий.

Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС)

Гидроаккумулирующие электростанции — это старейшая и наиболее зрелая форма хранения энергии, на которую приходится большая часть мировых мощностей по хранению энергии в масштабах сети. Она заключается в перекачке воды из нижнего резервуара в верхний в часы минимальной нагрузки и спуске воды для выработки электроэнергии в часы пикового спроса.

Пример: Крупномасштабные гидроаккумулирующие сооружения существуют во многих странах, включая США, Европу и Азию. Китай активно инвестирует в гидроаккумулирующие электростанции для поддержки растущих мощностей возобновляемой энергетики. Эти объекты обеспечивают значительную стабильность сети и возможность длительного хранения энергии. Гидроаккумулирующая электростанция Бат-Каунти в Вирджинии, США, является одной из крупнейших в мире.

Тепловые накопители энергии (ТНЭ)

Тепловые накопители энергии хранят энергию в виде тепла или холода. Их можно использовать для различных применений, включая отопление и охлаждение зданий, промышленные процессы и концентрированные солнечные электростанции.

Пример: Системы ТНЭ используются в различных климатических условиях по всему миру. В жарком климате системы ТНЭ могут накапливать охлажденную воду ночью для охлаждения зданий днем, снижая пиковый спрос на электроэнергию. В холодном климате системы ТНЭ могут накапливать тепло от солнечных тепловых коллекторов для отопления помещений. Такие страны, как Дания, изучают крупномасштабные системы централизованного теплоснабжения с использованием ТНЭ для повышения энергоэффективности и сокращения выбросов. Концентрированные солнечные электростанции (CSP) используют ТНЭ для хранения солнечной энергии для выработки электроэнергии даже тогда, когда солнце не светит.

Хранение энергии в сжатом воздухе (ХЭСВ)

Хранение энергии в сжатом воздухе предполагает сжатие воздуха и его хранение в подземных пещерах или надземных резервуарах. Во время пикового спроса сжатый воздух высвобождается, нагревается и используется для привода турбины и выработки электроэнергии.

Пример: Установки ХЭСВ работают в таких странах, как Германия и США. Хотя эта технология менее распространена, чем гидроаккумулирующие станции, она имеет потенциал для крупномасштабного хранения энергии, особенно в регионах с подходящими геологическими формациями. Усовершенствования в адиабатических ХЭСВ (A-ХЭСВ), которые сохраняют тепло, выделяющееся при сжатии, повышают эффективность этой технологии.

Другие технологии хранения энергии

Несколько других технологий хранения энергии находятся в стадии разработки, в том числе:

• Хранение водорода: Хранение энергии в виде водорода, который можно использовать в топливных элементах или сжигать для выработки электроэнергии.
• Механическое хранение энергии: Использование маховиков или других механических устройств для хранения кинетической энергии.
• Суперконденсаторы: Обеспечение быстрых всплесков мощности для таких приложений, как гибридные автомобили и стабилизация сети.

Применение систем хранения энергии

Хранение энергии трансформирует различные сектора и приложения, создавая новые возможности для инноваций и устойчивого развития.

Хранение энергии в масштабах сети

Хранение энергии в масштабах сети играет решающую роль в интеграции возобновляемых источников энергии, повышении стабильности сети и снижении зависимости от ископаемого топлива. Оно позволяет коммунальным предприятиям накапливать избыточную возобновляемую энергию в периоды низкого спроса и высвобождать ее во время пикового спроса, сглаживая баланс спроса и предложения.

Пример: Крупномасштабные проекты аккумуляторных накопителей развертываются по всему миру для поддержки модернизации сетей и интеграции возобновляемой энергии. Эти проекты часто включают партнерство между коммунальными предприятиями, разработчиками систем хранения энергии и поставщиками технологий. В США Калифорния лидирует во внедрении аккумуляторных накопителей в масштабах сети, а Китай развертывает накопители в огромных масштабах для поддержки своих целей в области возобновляемой энергетики. Европейские страны, такие как Великобритания и Германия, также активно инвестируют в сетевые накопители для повышения стабильности сети и содействия энергетическому переходу.

Микросети

Микросети — это локализованные энергетические сети, которые могут работать независимо от основной сети. Хранение энергии является ключевым компонентом микросетей, позволяя им обеспечивать надежное и устойчивое электроснабжение для сообществ, предприятий и критически важной инфраструктуры.

Пример: Микросети с системами хранения энергии развертываются в удаленных сообществах, на островах и военных базах по всему миру. Эти микросети часто включают возобновляемые источники энергии, такие как солнечная и ветровая, чтобы уменьшить зависимость от дизельных генераторов и повысить энергетическую безопасность. Например, несколько островных государств переходят на микросети на базе возобновляемых источников энергии с накопителями, чтобы снизить зависимость от импортируемого ископаемого топлива. Многие университетские кампусы и промышленные парки также внедряют микросети для повышения энергетической устойчивости и экологичности.

Хранение энергии для коммерческих и промышленных предприятий (C&I)

Коммерческие и промышленные предприятия могут извлечь выгоду из хранения энергии за счет снижения затрат на энергию, улучшения качества электроэнергии и повышения отказоустойчивости. Системы хранения энергии могут использоваться для сглаживания пиковых нагрузок, управления спросом и резервного питания.

Пример: Предприятия с высоким энергопотреблением, такие как производственные заводы и центры обработки данных, все чаще внедряют системы хранения энергии для снижения своих счетов за электроэнергию. Накапливая энергию в непиковые часы и используя ее в часы пик, они могут снизить плату за мощность и общие затраты на энергию. Накопители энергии также могут обеспечивать резервное питание в случае сбоев в сети, гарантируя непрерывность бизнеса. Компании, такие как Tesla, Stem и Enel X, предлагают решения для хранения энергии, адаптированные к потребностям коммерческих и промышленных клиентов. В Германии и Австралии предприятия C&I устанавливают накопители, чтобы уменьшить свою зависимость от высоких цен на энергию и поддержать интеграцию локальной генерации из возобновляемых источников.

Хранение энергии в жилом секторе

Хранение энергии в жилом секторе позволяет домовладельцам накапливать избыточную солнечную энергию, произведенную в течение дня, и использовать ее ночью, снижая зависимость от сети и свои счета за электроэнергию. Оно также может обеспечивать резервное питание во время отключений.

Пример: Системы хранения энергии для жилых домов становятся все более популярными, особенно в регионах с высокими ценами на электроэнергию и обильными солнечными ресурсами. Домовладельцы могут устанавливать аккумуляторные накопители вместе со своими солнечными панелями, чтобы максимизировать собственное потребление возобновляемой энергии. Государственные стимулы и падение цен на аккумуляторы способствуют внедрению систем хранения энергии в жилом секторе. Компании, такие как Tesla, LG Chem и Sonnen, предлагают решения для хранения энергии для домовладельцев. В таких странах, как Германия и Австралия, высокие розничные цены на электроэнергию и щедрые «зеленые» тарифы сделали системы «солнечная панель + накопитель» экономически привлекательными.

Зарядка электромобилей (ЭМ)

Хранение энергии играет жизненно важную роль в поддержке растущего внедрения электромобилей. Оно может использоваться для обеспечения быстрой зарядки на общественных зарядных станциях, снижения воздействия зарядки ЭМ на сеть и реализации технологий «vehicle-to-grid» (V2G).

Пример: Станции быстрой зарядки часто включают системы хранения энергии для снижения нагрузки на местную сеть и обеспечения более надежного и экономичного процесса зарядки. Технология V2G позволяет электромобилям отдавать энергию обратно в сеть во время пикового спроса, предоставляя сетевые услуги и потенциально принося доход владельцам ЭМ. Многие страны пилотируют проекты V2G для изучения потенциала электромобилей как распределенного ресурса хранения энергии. Компании, такие как Nuvve и Fermata Energy, разрабатывают технологии V2G и сотрудничают с коммунальными предприятиями для внедрения программ V2G.

Проблемы и возможности

Хотя хранение энергии предлагает значительные преимущества, необходимо решить несколько проблем, чтобы полностью раскрыть его потенциал.

Стоимость

Стоимость хранения энергии, особенно аккумуляторных накопителей, остается барьером для более широкого внедрения. Однако в последние годы цены на аккумуляторы быстро снижаются благодаря технологическим достижениям, эффекту масштаба и усилению конкуренции. В ближайшие годы ожидается дальнейшее снижение затрат, что сделает хранение энергии более конкурентоспособным по сравнению с традиционными источниками энергии.

Политические и нормативно-правовые рамки

Четкие и поддерживающие политические и нормативно-правовые рамки необходимы для поощрения инвестиций в хранение энергии. Это включает предоставление стимулов для внедрения накопителей, упрощение процедур получения разрешений и разработку стандартов подключения к сети, учитывающих системы хранения энергии. Многие страны внедряют политику поддержки хранения энергии, такую как налоговые льготы, субсидии и предписания. Также необходимы изменения в регулировании, чтобы обеспечить эффективное участие систем хранения энергии на оптовых рынках электроэнергии.

Технологические инновации

Постоянные технологические инновации имеют решающее значение для улучшения производительности, срока службы и безопасности технологий хранения энергии. Исследования и разработки сосредоточены на создании новых химических составов аккумуляторов, совершенствовании систем управления батареями и изучении альтернативных технологий хранения энергии. Инновации в таких областях, как твердотельные аккумуляторы, проточные аккумуляторы и хранение водорода, могут значительно повлиять на ландшафт хранения энергии в будущем.

Безопасность цепочки поставок

Обеспечение безопасной и диверсифицированной цепочки поставок критически важных материалов, используемых в технологиях хранения энергии, является обязательным. Это включает диверсификацию источников лития, кобальта, никеля и других материалов, используемых в аккумуляторах. Предпринимаются усилия по разработке более устойчивых и этичных практик добычи этих материалов, а также по переработке и повторному использованию компонентов аккумуляторов по окончании их срока службы.

Будущее хранения энергии

Хранение энергии готово играть все более важную роль в глобальном энергетическом переходе. По мере того как возобновляемые источники энергии продолжают расти, потребность в хранении энергии станет еще более критичной. Будущее хранения энергии будет определяться технологическими достижениями, политической поддержкой и динамикой рынка.

Расширение внедрения

Ожидается, что мировые мощности по хранению энергии будут расти экспоненциально в ближайшие годы. Этот рост будет обусловлен такими факторами, как снижение цен на аккумуляторы, растущий спрос на возобновляемую энергию и поддерживающая государственная политика. Хранение энергии будет развертываться в различных секторах, от приложений в масштабах сети до жилых и коммерческих зданий.

Технологическая диверсификация

Ландшафт хранения энергии, вероятно, станет более диверсифицированным, с более широким спектром технологий, конкурирующих за долю на рынке. Хотя литий-ионные аккумуляторы останутся доминирующей технологией в ближайшей перспективе, ожидается, что другие технологии, такие как проточные аккумуляторы, хранение водорода и тепловые накопители энергии, наберут популярность в конкретных приложениях.

Умные сети и микросети

Хранение энергии станет ключевым фактором для развития умных сетей и микросетей. Эти передовые энергетические системы будут использовать хранение энергии для повышения надежности, устойчивости и эффективности сетей. Хранение энергии также позволит интегрировать распределенные энергетические ресурсы, такие как солнечные панели на крышах и электромобили.

Электрификация всего

Хранение энергии будет играть решающую роль в электрификации различных секторов, включая транспорт, отопление и промышленность. Аккумуляторные накопители будут питать электромобили, а тепловые накопители обеспечат отопление и охлаждение зданий. Хранение энергии также позволит электрифицировать промышленные процессы, снижая зависимость от ископаемого топлива.

Заключение

Решения для хранения энергии революционизируют способы генерации, распределения и потребления энергии. Решая проблему непостоянства возобновляемых источников энергии, повышая стабильность сети и снижая зависимость от ископаемого топлива, хранение энергии прокладывает путь к более чистому, устойчивому и отказоустойчивому энергетическому будущему. По мере того как технологии продолжают развиваться, а затраты — снижаться, хранение энергии станет все более важным компонентом глобальной энергетической системы, давая возможность сообществам, предприятиям и отдельным лицам принять более чистое и устойчивое энергетическое будущее.

Путь к устойчивому энергетическому будущему — это глобальное усилие, и хранение энергии — критически важный инструмент в нашем арсенале. Принимая инновации, развивая сотрудничество и внедряя поддерживающую политику, мы можем раскрыть весь потенциал хранения энергии и создать мир, питаемый чистой и надежной энергией для грядущих поколений.