Мировой ландшафт исследований в области хранения энергии: инновации, применение и будущие тенденции

Накопление энергии быстро становится ключевым фактором устойчивого энергетического будущего. По мере того как мир переходит на возобновляемые источники энергии, такие как солнце и ветер, прерывистый характер этих ресурсов требует надежных решений для хранения энергии, чтобы обеспечить стабильное и бесперебойное электроснабжение. В этом блог-посте мы углубимся в мировой ландшафт исследований в области хранения энергии, рассматривая разнообразные технологии, текущие инициативы, реальные примеры применения и захватывающие будущие направления этой жизненно важной области.

Почему хранение энергии важно: глобальная перспектива

Интеграция возобновляемых источников энергии в мировой энергетический баланс имеет первостепенное значение для смягчения последствий изменения климата и обеспечения энергетической безопасности. Однако переменчивость производства возобновляемой энергии представляет собой серьезную проблему. Системы накопления энергии (СНЭ) решают эту проблему следующим образом:

• Балансировка спроса и предложения: Хранение избыточной энергии, произведенной в периоды высокой выработки (например, в солнечные дни для солнечной энергии), и ее отдача, когда спрос превышает предложение (например, в вечерние часы пик).
• Повышение стабильности сети: Предоставление вспомогательных услуг, таких как регулирование частоты и поддержка напряжения, что крайне важно для поддержания стабильной и надежной электросети.
• Обеспечение работы микросетей и автономных решений: Содействие доступу к чистой энергии в удаленных районах и недостаточно обслуживаемых сообществах, способствуя энергетической независимости и устойчивости.
• Поддержка внедрения электромобилей (ЭМ): Обеспечение емкости хранения энергии, необходимой для широкого распространения электромобилей, что снижает зависимость от ископаемого топлива в транспортном секторе.

Эти преимущества стимулируют значительные инвестиции и исследовательские усилия по всему миру, направленные на разработку более эффективных, экономичных и устойчивых технологий хранения энергии.

Разнообразный портфель технологий хранения энергии

Ландшафт технологий хранения энергии охватывает широкий спектр технологий, каждая из которых имеет свои сильные и слабые стороны, что делает их подходящими для различных применений. Вот обзор некоторых ключевых технологий:

1. Электрохимическое хранение энергии: аккумуляторы

Аккумуляторы — наиболее широко известная и применяемая технология хранения энергии. Они преобразуют химическую энергию в электрическую посредством электрохимических реакций.

a. Литий-ионные аккумуляторы (ЛИА)

ЛИА доминируют на рынках портативной электроники и электромобилей благодаря своей высокой плотности энергии, длительному сроку службы и относительно высокой удельной мощности. Текущие исследования сосредоточены на:

• Улучшение плотности энергии и срока службы: Изучение новых материалов для электродов и составов электролитов для повышения производительности. Например, исследователи в Японии работают над кремниевыми анодными материалами, чтобы значительно увеличить плотность энергии.
• Повышение безопасности: Решение проблем безопасности, связанных с тепловым разгоном, путем разработки более безопасных электролитов и конструкций ячеек. Твердотельные электролиты являются многообещающим направлением для повышения безопасности.
• Снижение стоимости: Изучение альтернативных катодных материалов, таких как литий-железо-фосфат (LFP) и натрий-ионные аккумуляторы, для снижения зависимости от дорогих и дефицитных материалов, таких как кобальт и никель.
• Развитие возможностей быстрой зарядки: Сосредоточение на материалах и конструкциях ячеек, которые могут обеспечить быструю зарядку, что крайне важно для внедрения электромобилей. Компании, такие как Tesla, постоянно внедряют инновации в этой области.

b. Твердотельные аккумуляторы (ТТА)

В ТТА жидкий электролит в ЛИА заменяется твердым, что дает потенциальные преимущества в плане безопасности, плотности энергии и срока службы. Исследования сосредоточены на:

• Разработка твердых электролитов с высокой ионной проводимостью: Поиск материалов с высокой ионной проводимостью при комнатной температуре для обеспечения эффективного транспорта ионов. Исследуются различные материалы, включая керамику, полимеры и композиты.
• Улучшение межфазного контакта: Обеспечение хорошего контакта между твердым электролитом и электродами для минимизации сопротивления. Это одна из основных проблем в разработке ТТА.
• Масштабирование производства: Разработка масштабируемых и экономически эффективных производственных процессов для производства ТТА. Компании, такие как QuantumScape и Solid Power, находятся на переднем крае разработок ТТА.

c. Проточные аккумуляторы

Проточные аккумуляторы хранят энергию в жидких электролитах, содержащихся во внешних резервуарах. Они предлагают преимущества в плане масштабируемости, длительного срока службы и независимого контроля емкости и мощности. Исследования сосредоточены на:

• Улучшение плотности энергии: Разработка электролитов с более высокой плотностью энергии для уменьшения размера и стоимости систем проточных аккумуляторов.
• Снижение стоимости: Изучение более дешевых и распространенных материалов для электролитов.
• Повышение эффективности: Оптимизация конструкции ячеек и состава электролита для улучшения эффективности полного цикла.
• Разработка новых химических составов электролитов: Исследование неводных и органических электролитов для улучшения производительности и устойчивости.

Проточные аккумуляторы особенно хорошо подходят для применения в сетевых накопителях энергии. Компании, такие как VanadiumCorp и Primus Power, активно участвуют в разработке и внедрении проточных аккумуляторов.

d. Натрий-ионные аккумуляторы (НИА)

НИА используют ионы натрия в качестве носителей заряда, предлагая потенциальную альтернативу ЛИА благодаря распространенности и низкой стоимости натрия. Исследования сосредоточены на:

• Разработка подходящих материалов для электродов: Поиск материалов, которые могут эффективно и обратимо интеркалировать ионы натрия.
• Улучшение срока службы: Повышение стабильности материалов электродов и электролитов для достижения длительного срока службы.
• Увеличение плотности энергии: Изучение новых материалов и конструкций ячеек для улучшения плотности энергии.

НИА приобретают все большую популярность для сетевых накопителей энергии благодаря своим ценовым преимуществам.

2. Механическое хранение энергии

Технологии механического хранения энергии накапливают энергию путем физического перемещения или деформации среды. К этим технологиям относятся:

a. Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС)

ГАЭС — это наиболее зрелая и широко распространенная форма сетевого хранения энергии. Она включает перекачку воды вверх в водохранилище в периоды избытка энергии и ее сброс через турбины для выработки электроэнергии при необходимости. Исследования сосредоточены на:

• Разработка замкнутых систем ГАЭС: Минимизация воздействия на окружающую среду за счет использования водохранилищ вне русел рек.
• Повышение эффективности: Оптимизация конструкций турбин и насосов для повышения эффективности полного цикла.
• Интеграция ГАЭС с возобновляемыми источниками энергии: Разработка стратегий управления для оптимизации работы систем ГАЭС в сочетании с переменной выработкой возобновляемой энергии.

ГАЭС является проверенной технологией для крупномасштабного хранения энергии, обеспечивающей значительные преимущества для стабилизации сети.

b. Хранение энергии на сжатом воздухе (CAES)

CAES хранит энергию путем сжатия воздуха и его хранения в подземных кавернах или резервуарах. Сжатый воздух затем выпускается для привода турбины и выработки электроэнергии. Исследования сосредоточены на:

• Повышение эффективности: Разработка адиабатических систем CAES, которые улавливают и сохраняют тепло, выделяющееся при сжатии, что повышает эффективность полного цикла.
• Снижение стоимости: Изучение более дешевых вариантов хранения, таких как соляные каверны.
• Разработка гибридных систем CAES: Интеграция CAES с возобновляемыми источниками энергии и другими технологиями хранения энергии.

c. Маховиковые накопители энергии

Маховики хранят энергию, вращая массу на высоких скоростях. Они обладают быстрым временем отклика и высокой удельной мощностью, что делает их подходящими для кратковременных применений, таких как регулирование частоты. Исследования сосредоточены на:

• Улучшение плотности энергии: Разработка маховиков с более высокими скоростями вращения и более прочными материалами для увеличения плотности энергии.
• Снижение потерь на трение: Минимизация трения для повышения эффективности полного цикла.
• Оптимизация систем управления: Разработка передовых систем управления для точной и быстрой работы.

3. Тепловое хранение энергии (TES)

TES хранит энергию в виде тепла или холода. Оно может использоваться для различных применений, включая:

• Отопление и охлаждение зданий: Хранение тепловой энергии для последующего использования в отоплении или охлаждении зданий, что снижает потребление энергии и пиковую нагрузку.
• Промышленные процессы: Хранение тепловой энергии для использования в промышленных процессах, что повышает энергоэффективность и сокращает выбросы.
• Концентрированная солнечная энергетика (CSP): Хранение тепловой энергии, вырабатываемой станциями CSP, для диспетчеризируемой выработки электроэнергии.

Технологии TES включают:

• Хранение явной теплоты: Накопление энергии путем повышения температуры среды-носителя, такой как вода, масло или камень.
• Хранение скрытой теплоты: Накопление энергии за счет использования фазового перехода материала, такого как таяние льда или кристаллизация гидрата соли.
• Термохимическое хранение энергии: Накопление энергии за счет использования обратимых химических реакций.

Исследования направлены на разработку новых материалов с высокой теплоемкостью и повышение эффективности систем TES.

Глобальные исследовательские инициативы и финансирование

Исследования в области хранения энергии — это глобальная задача, в рамках которой в различных странах и регионах осуществляются значительные инвестиции и инициативы. Некоторые примечательные примеры включают:

• Министерство энергетики США (DOE): DOE запустило несколько инициатив для ускорения исследований и разработок в области хранения энергии, включая Energy Storage Grand Challenge и Объединенный центр исследований в области хранения энергии (JCESR).
• Европейский союз (ЕС): ЕС создал Европейский аккумуляторный альянс (EBA) для содействия развитию конкурентоспособной и устойчивой аккумуляторной промышленности в Европе. Программа ЕС Horizon Europe также финансирует многочисленные исследовательские проекты в области хранения энергии.
• Китай: Китай активно инвестирует в технологии хранения энергии в рамках своих усилий по переходу к более чистой энергетической системе. Страна уделяет большое внимание производству аккумуляторов и развертыванию сетевых накопителей энергии.
• Япония: Япония имеет долгую историю инноваций в области аккумуляторных технологий и продолжает инвестировать в передовые исследования в области хранения энергии, особенно в твердотельные аккумуляторы и хранение водорода.
• Австралия: Австралия в больших масштабах внедряет системы хранения энергии для поддержки своей растущей мощности возобновляемой энергетики. Страна также инвестирует в исследования сетевых накопителей энергии и виртуальных электростанций.

Эти инициативы обеспечивают финансирование исследовательских проектов, поддерживают разработку новых технологий и способствуют сотрудничеству между исследователями, промышленностью и государственными учреждениями.

Реальные примеры применения хранения энергии

Системы хранения энергии уже применяются в широком спектре приложений по всему миру. Некоторые примеры включают:

• Сетевые накопители энергии: Аккумуляторные системы хранения используются для предоставления сетевых услуг, таких как регулирование частоты, поддержка напряжения и сглаживание пиковых нагрузок. Например, Hornsdale Power Reserve в Южной Австралии — это крупномасштабная аккумуляторная система хранения, которая значительно улучшила стабильность сети и снизила цены на электроэнергию.
• Микросети: Системы хранения энергии позволяют развивать микросети, которые могут работать независимо от основной сети. Микросети используются для обеспечения надежного электроснабжения удаленных сообществ, промышленных объектов и военных баз. Например, многочисленные микросети на островных государствах используют аккумуляторы и возобновляемые источники энергии для снижения зависимости от импортного ископаемого топлива.
• Электромобили: Аккумуляторы являются ключевым компонентом электромобилей, обеспечивая емкость хранения энергии, необходимую для дальних поездок. Рост рынка электромобилей стимулирует значительные инновации в аккумуляторных технологиях.
• Домашние накопители энергии: Домашние аккумуляторные системы становятся все более популярными, позволяя домовладельцам накапливать солнечную энергию, выработанную днем, и использовать ее ночью, снижая зависимость от сети.
• Промышленные накопители энергии: Системы хранения энергии используются на промышленных объектах для снижения платы за пиковую нагрузку, улучшения качества электроэнергии и обеспечения резервного питания.

Будущие тенденции в исследованиях хранения энергии

Область исследований в области хранения энергии постоянно развивается, появляются новые материалы, технологии и области применения. Некоторые ключевые будущие тенденции включают:

• Передовые аккумуляторные технологии: Продолжение разработки твердотельных аккумуляторов, литий-серных аккумуляторов и других передовых аккумуляторных технологий с более высокой плотностью энергии, улучшенной безопасностью и более длительным сроком службы.
• Инновации в проточных аккумуляторах: Разработка новых химических составов электролитов и конструкций ячеек для улучшения производительности и снижения стоимости проточных аккумуляторов.
• Прорывы в материаловедении: Открытие новых материалов для электродов, электролитов и других компонентов систем хранения энергии с улучшенной производительностью и устойчивостью.
• ИИ и машинное обучение: Применение методов ИИ и машинного обучения для оптимизации проектирования, эксплуатации и управления системами хранения энергии.
• Интеграция с сетью и управление: Разработка передовых систем управления сетью для интеграции систем хранения энергии с возобновляемыми источниками энергии и электросетью.
• Хранение водорода: Исследование эффективных и экономичных методов хранения водорода, перспективного энергоносителя для различных применений.
• Электрохимические конденсаторы (суперконденсаторы): Продолжение разработки суперконденсаторов с высокой удельной мощностью и быстрыми возможностями зарядки/разрядки.
• Новые технологии теплового хранения энергии: Изучение новых материалов и конфигураций для более эффективного и компактного теплового хранения энергии.

Заключение: к устойчивому энергетическому будущему

Исследования в области хранения энергии играют решающую роль в обеспечении устойчивого энергетического будущего. Разработка более эффективных, экономичных и устойчивых технологий хранения энергии необходима для интеграции возобновляемых источников энергии в мировой энергетический баланс, повышения стабильности сети и обеспечения доступа к чистой энергии для всех. По мере продвижения исследований мы можем ожидать появления еще более инновационных решений для хранения энергии, которые преобразят способы производства, хранения и использования энергии.

Мировое сообщество должно продолжать поддерживать и инвестировать в исследования в области хранения энергии, чтобы ускорить переход к более чистому и устойчивому энергетическому будущему для грядущих поколений. Сотрудничество между исследователями, промышленностью и государственными учреждениями является ключом к преодолению трудностей и реализации полного потенциала технологий хранения энергии. Способствуя инновациям и сотрудничеству, мы можем раскрыть мощь хранения энергии для создания более светлого и устойчивого будущего для всех.