Хранение возобновляемой энергии: глобальная перспектива

Мир быстро переходит на возобновляемые источники энергии, такие как солнечная, ветровая и гидроэнергетика. Однако прерывистый характер этих ресурсов представляет собой серьезную проблему. Хранение возобновляемой энергии (ХВЭ) имеет решающее значение для решения этой проблемы, обеспечивая надежное и постоянное энергоснабжение. В этом всеобъемлющем руководстве рассматриваются технологии, области применения и глобальный ландшафт хранения возобновляемой энергии.

Почему хранение возобновляемой энергии так важно?

Возобновляемые источники энергии, хотя и являются чистыми и устойчивыми, часто нестабильны. Солнечная энергия зависит от солнечного света, а ветровая — от погодных условий. Эта прерывистость может приводить к колебаниям в электросети, вызывая нестабильность и возможные отключения электроэнергии. Системы хранения энергии действуют как буфер, накапливая избыточную энергию, вырабатываемую в периоды пиковой производительности, и высвобождая ее, когда спрос высок или возобновляемые источники недоступны. Это позволяет в большей степени интегрировать возобновляемые источники в энергетический баланс, снижая зависимость от ископаемого топлива и смягчая последствия изменения климата.

• Повышает стабильность сети: Обеспечивая стабильное и надежное энергоснабжение, хранение энергии помогает поддерживать частоту и напряжение сети в допустимых пределах.
• Сокращает потери: Энергия, которая в противном случае была бы потрачена впустую из-за перепроизводства, может быть сохранена и использована позже.
• Обеспечивает временной сдвиг: Энергия, выработанная в часы низкой нагрузки, может быть сохранена и использована во время пикового спроса, снижая пиковую нагрузку на сеть.
• Обеспечивает резервное питание: Системы хранения могут обеспечивать резервное питание во время сбоев в сети, повышая энергетическую безопасность.
• Способствует развитию микросетей: Хранение энергии необходимо для микросетей, позволяя сообществам генерировать и хранить собственную энергию из возобновляемых источников.

Типы технологий хранения возобновляемой энергии

Существует множество технологий хранения энергии, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки. Лучшая технология для конкретного применения зависит от таких факторов, как емкость хранения, продолжительность разряда, стоимость и воздействие на окружающую среду.

Аккумуляторные накопители

Аккумуляторные накопители — одна из наиболее широко используемых и быстро развивающихся технологий хранения энергии. Батареи хранят энергию электрохимически, обеспечивая быстрое время отклика и высокую эффективность. Существуют различные химические составы батарей, каждый со своими характеристиками.

Литий-ионные аккумуляторы

Литий-ионные аккумуляторы — наиболее распространенный тип батарей, используемых для хранения энергии, благодаря их высокой плотности энергии, длительному сроку службы и относительно низкой стоимости. Они используются в широком спектре применений, от бытовых накопителей энергии до крупномасштабных проектов по хранению энергии в сетях.

Пример: Электростанция Hornsdale Power Reserve в Южной Австралии, работающая на литий-ионных аккумуляторах Tesla, является ярким примером крупномасштабной системы хранения энергии, которая значительно улучшила стабильность сети и снизила цены на электроэнергию в регионе. Эта система продемонстрировала возможности быстрого реагирования аккумуляторов для стабилизации сети после непредвиденных событий.

Свинцово-кислотные аккумуляторы

Свинцово-кислотные аккумуляторы — это зрелая и хорошо зарекомендовавшая себя технология, предлагающая более низкие первоначальные затраты по сравнению с литий-ионными аккумуляторами. Однако они имеют более короткий срок службы, меньшую плотность энергии и требуют большего обслуживания.

Проточные аккумуляторы

Проточные аккумуляторы хранят энергию в жидких электролитах, что позволяет независимо масштабировать мощность и энергоемкость. Они обладают длительным сроком службы и возможностью глубокого разряда, что делает их подходящими для применения в масштабах энергосистемы.

Пример: В настоящее время по всему миру реализуется несколько проектов проточных аккумуляторов, в том числе в Китае и США, направленных на обеспечение длительного хранения энергии для стабилизации сети и интеграции возобновляемых источников энергии.

Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС)

Гидроаккумулирующие электростанции — это зрелая и широко распространенная технология, использующая гравитацию для хранения энергии. Вода перекачивается из нижнего резервуара в верхний в периоды низкого спроса или избыточной выработки возобновляемой энергии. Когда энергия необходима, вода сбрасывается обратно в нижний резервуар, приводя в движение турбины для выработки электроэнергии.

Пример: Гидроаккумулирующая станция Бат-Каунти в Вирджинии, США, является одной из крупнейших в мире. Гидроаккумулирование особенно эффективно для обеспечения крупномасштабного и долговременного хранения. Другие значительные ГАЭС существуют в Китае, Японии и Европе.

Тепловые накопители энергии (ТНЭ)

Тепловое хранение энергии включает в себя накопление энергии в виде тепла или холода. Это может быть достигнуто с использованием различных материалов, таких как вода, расплавленная соль или материалы с фазовым переходом (МФП). ТНЭ можно использовать для хранения тепла от солнечных тепловых коллекторов, промышленных процессов или источников отработанного тепла, а затем высвобождать его для отопления, охлаждения или выработки электроэнергии.

Пример: Концентрирующие солнечные электростанции (КСЭС) часто используют ТНЭ на расплавленной соли для хранения солнечной энергии и выработки электроэнергии даже при отсутствии солнца. В регионе Ближнего Востока и Северной Африки (MENA), где солнечные ресурсы обильны, ТНЭ играет решающую роль в проектах КСЭС.

Химическое хранение энергии

Химическое хранение энергии включает в себя накопление энергии в виде химических связей. Водород является перспективным химическим носителем энергии, поскольку его можно производить из возобновляемых источников путем электролиза, а затем использовать в топливных элементах или двигателях внутреннего сгорания для выработки электроэнергии или тепла.

Пример: Проекты по производству и хранению водорода разрабатываются в различных странах, включая Германию, Японию и Австралию, для поддержки интеграции возобновляемой энергии и декарбонизации различных секторов, таких как транспорт и промышленность. Эти проекты часто включают использование избыточной возобновляемой энергии для производства водорода путем электролиза, который затем можно хранить и использовать по требованию.

Маховиковые накопители энергии

Маховиковые накопители используют вращающуюся массу для хранения кинетической энергии. Энергия накапливается путем ускорения маховика до высокой скорости и извлекается путем его замедления. Маховики обеспечивают быстрое время отклика и длительный срок службы, что делает их подходящими для таких применений, как регулирование частоты и стабилизация сети.

Пример: Системы маховиковых накопителей энергии используются в различных приложениях, включая источники бесперебойного питания (ИБП) и услуги по стабилизации сети. Компании в Европе и Северной Америке развернули маховиковые системы для улучшения качества и надежности электроснабжения.

Применение систем хранения возобновляемой энергии

Системы хранения возобновляемой энергии имеют широкий спектр применений, от бытовых до сетевых.

• Бытовые накопители энергии: Домовладельцы могут устанавливать аккумуляторные системы хранения для накопления избыточной солнечной энергии, вырабатываемой днем, и использовать ее ночью или во время отключений электроэнергии.
• Коммерческие и промышленные накопители энергии: Предприятия могут использовать накопители энергии для снижения платежей за пиковую нагрузку, улучшения качества электроэнергии и обеспечения резервного питания.
• Сетевые накопители энергии: Проекты по хранению энергии в масштабах коммунальных предприятий могут предоставлять различные сетевые услуги, включая регулирование частоты, поддержку напряжения и сглаживание пиковых нагрузок.
• Микросети: Хранение энергии необходимо для микросетей, позволяя сообществам генерировать и хранить собственную энергию из возобновляемых источников.
• Зарядка электромобилей: Накопители энергии можно использовать для буферизации сети от высоких нагрузок зарядных станций для электромобилей.

Глобальные тенденции в области хранения возобновляемой энергии

Мировой рынок хранения энергии переживает стремительный рост, обусловленный растущим внедрением возобновляемых источников энергии и снижением стоимости технологий хранения. Будущее хранения энергии определяют несколько ключевых тенденций.

• Снижение затрат: Затраты на аккумуляторные накопители в последние годы резко упали, что делает их все более конкурентоспособными по сравнению с традиционными источниками энергии.
• Политическая поддержка: Правительства по всему миру внедряют политику поддержки развертывания систем хранения энергии, такую как налоговые льготы, субсидии и предписания.
• Технологические инновации: Постоянные исследования и разработки направлены на улучшение производительности, срока службы и безопасности технологий хранения энергии.
• Увеличение внедрения: Развертывание систем хранения энергии быстро растет, особенно в регионах с высокой долей возобновляемых источников энергии.
• Модернизация сети: Хранение энергии играет ключевую роль в модернизации электросети, обеспечивая большую гибкость и устойчивость.

Региональные примеры внедрения систем хранения возобновляемой энергии

Различные регионы мира применяют разные подходы к хранению энергии в зависимости от своих конкретных потребностей и ресурсов.

• Европа: Европа является лидером по внедрению систем хранения энергии, имея несколько крупномасштабных проектов аккумуляторных накопителей и гидроаккумулирующих станций. В Германии, в частности, высока доля бытовых солнечных фотоэлектрических систем в сочетании с аккумуляторными накопителями.
• Северная Америка: В Соединенных Штатах наблюдается быстрый рост внедрения систем хранения энергии, обусловленный политикой на уровне штатов и снижением стоимости аккумуляторов. Калифорния является ведущим рынком хранения энергии.
• Азиатско-Тихоокеанский регион: Азиатско-Тихоокеанский регион является крупнейшим и наиболее быстрорастущим рынком хранения энергии, лидируют Китай, Япония и Южная Корея. Китай активно инвестирует в гидроаккумулирующие и аккумуляторные накопители для поддержки своих амбициозных целей в области возобновляемой энергетики.
• Австралия: В Австралии высока доля солнечных фотоэлектрических систем на крышах, и наблюдается быстрый рост бытовых и сетевых аккумуляторных накопителей. Ярким примером является Hornsdale Power Reserve в Южной Австралии.

Проблемы и возможности

Хотя хранение возобновляемой энергии предлагает многочисленные преимущества, необходимо решить несколько проблем, чтобы раскрыть его полный потенциал.

Проблемы

• Стоимость: Хотя затраты значительно снизились, хранение энергии все еще относительно дорого по сравнению с традиционными источниками энергии.
• Производительность: Производительность технологий хранения энергии со временем может снижаться, уменьшая их емкость и эффективность.
• Безопасность: Некоторые технологии хранения энергии, такие как литий-ионные аккумуляторы, могут представлять риски безопасности при неправильном управлении.
• Цепочка поставок: Цепочка поставок материалов для хранения энергии может быть уязвима для сбоев.
• Нормативно-правовая база: Необходимы четкие и последовательные нормативно-правовые рамки для поддержки внедрения систем хранения энергии.

Возможности

• Технологические инновации: Продолжающиеся инновации в технологиях хранения энергии будут снижать затраты и улучшать производительность.
• Политическая поддержка: Поддерживающая государственная политика может ускорить внедрение систем хранения энергии и создать новые рыночные возможности.
• Модернизация сети: Хранение энергии может сыграть ключевую роль в модернизации электросети и создании более устойчивой и гибкой энергетической системы.
• Декарбонизация: Хранение энергии необходимо для декарбонизации энергетического сектора и смягчения последствий изменения климата.
• Создание рабочих мест: Индустрия хранения энергии создает новые рабочие места в производстве, установке и обслуживании.

Будущее хранения возобновляемой энергии

Хранение возобновляемой энергии будет играть все более важную роль в глобальном энергетическом переходе. По мере того как стоимость технологий хранения продолжает снижаться, а государственная политика становится более поддерживающей, мы можем ожидать значительного увеличения внедрения систем хранения энергии по всему миру. Это позволит в большей степени интегрировать возобновляемую энергию в энергетический баланс, снизить зависимость от ископаемого топлива и создать более устойчивую и надежную энергетическую систему.

Будущее, вероятно, будет включать в себя сочетание различных технологий хранения, адаптированных к конкретным приложениям и региональным условиям. Аккумуляторные накопители будут по-прежнему доминировать на бытовом и коммерческом рынках, в то время как гидроаккумулирующие и проточные аккумуляторы будут играть ключевую роль в хранении на уровне сети. Новые технологии, такие как хранение водорода и тепловые накопители энергии, также станут важными участниками ландшафта хранения энергии.

Заключение

Хранение возобновляемой энергии является критически важным фактором глобального энергетического перехода. Решая проблему прерывистости возобновляемых источников энергии, хранение энергии обеспечивает надежное и устойчивое энергоснабжение. Благодаря постоянным технологическим достижениям, поддерживающей политике и растущему внедрению, хранение возобновляемой энергии готово сыграть преобразующую роль в будущем энергетики.

По мере нашего продвижения к более чистому и устойчивому энергетическому будущему, хранение возобновляемой энергии будет иметь важное значение для раскрытия полного потенциала возобновляемых источников энергии и создания более надежной и справедливой энергетической системы для всех.