Наука хранения энергии: глобальная перспектива

Хранение энергии имеет решающее значение для устойчивого будущего. Оно устраняет разрыв между непостоянными возобновляемыми источниками энергии, такими как солнечная и ветровая энергия, и непрерывными потребностями современной жизни в энергии. В этой статье рассматривается наука хранения энергии, изучаются различные технологии и анализируются их глобальные применения.

Почему хранение энергии имеет значение

Растущее внедрение возобновляемых источников энергии меняет глобальный энергетический ландшафт. Однако возобновляемые источники, такие как солнечная и ветровая энергия, по своей сути изменчивы. Солнце не всегда светит, и ветер не всегда дует. Хранение энергии решает эту проблему прерывистости, позволяя нам улавливать избыточную энергию в периоды высокой генерации и высвобождать ее, когда спрос высок или возобновляемые источники недоступны.

Хранение энергии предоставляет многочисленные преимущества:

Стабилизация сети: Улучшает надежность сети, обеспечивая резервное питание и регулируя частоту и напряжение.
Снижение зависимости от ископаемого топлива: Обеспечивает большую интеграцию возобновляемых источников энергии, снижая нашу зависимость от ископаемого топлива и смягчая изменение климата.
Экономия затрат: Снижает плату за пиковую нагрузку и позволяет потребителям использовать самостоятельно генерируемую возобновляемую энергию.
Энергетическая независимость: Повышает энергетическую безопасность, позволяя странам полагаться на местную генерируемую и хранящуюся возобновляемую энергию.
Обеспечивает электрификацию транспорта: Обеспечивает энергию, необходимую для питания электромобилей (EV) и снижения транспортных выбросов.

Типы технологий хранения энергии

Различные технологии хранения энергии удовлетворяют различные потребности и масштабы. Вот обзор некоторых известных методов:

1. Электрохимическое хранение энергии (аккумуляторы)

Аккумуляторы являются наиболее распространенной формой хранения энергии. Они преобразуют химическую энергию в электрическую энергию посредством электрохимических реакций.

Литий-ионные аккумуляторы

Литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы доминируют на рынке благодаря своей высокой плотности энергии, длительному сроку службы и относительно низкому уровню саморазряда. Они используются в портативной электронике, электромобилях и хранилищах сетевого масштаба. Литий-ионные аккумуляторы работают, перемещая ионы лития между анодом (отрицательным электродом) и катодом (положительным электродом) через электролит. Движение этих ионов создает электрический ток.

Пример: Tesla Megapack — это крупномасштабная литий-ионная аккумуляторная система, используемая для стабилизации сети и сглаживания пиков. Многочисленные страны по всему миру, от Австралии до Великобритании, развертывают системы Megapack для улучшения своей инфраструктуры возобновляемой энергии.

Проблемы: Литий-ионные аккумуляторы сталкиваются с проблемами, связанными со стоимостью, безопасностью (тепловой разгон) и доступностью сырья, такого как литий и кобальт. Исследования сосредоточены на разработке альтернативных катодных материалов и улучшении систем управления аккумуляторами для решения этих проблем.

Свинцово-кислотные аккумуляторы

Свинцово-кислотные аккумуляторы — это зрелая технология, которая используется более века. Они недорогие и надежные, но имеют более низкую плотность энергии и более короткий срок службы, чем литий-ионные аккумуляторы. Свинцово-кислотные аккумуляторы обычно используются в автомобильной промышленности, системах резервного питания и автономных солнечных установках.

Пример: Во многих развивающихся странах свинцово-кислотные аккумуляторы по-прежнему являются экономически эффективным решением для хранения энергии от солнечных домашних систем, обеспечивая электроэнергией домохозяйства, не имеющие доступа к электросети.

Проточные аккумуляторы

Проточные аккумуляторы хранят энергию в жидких электролитах, которые прокачиваются через электрохимические ячейки. Они предлагают высокую масштабируемость, длительный срок службы и независимый контроль энергии и мощности. Проточные аккумуляторы подходят для хранения в масштабах сети и приложений, требующих длительного разряда.

Пример: Несколько компаний разрабатывают и развертывают ванадиевые окислительно-восстановительные проточные аккумуляторы (VRFB) для стабилизации сети и интеграции возобновляемой энергии. Эти аккумуляторы особенно хорошо подходят для приложений, где требуются длительные периоды разряда, например, для обеспечения резервного питания в течение длительных периодов облачности или слабого ветра.

Твердотельные аккумуляторы

В твердотельных аккумуляторах жидкий электролит в обычных литий-ионных аккумуляторах заменен твердым электролитом. Это дает потенциальные преимущества с точки зрения безопасности, плотности энергии и срока службы. Твердотельные аккумуляторы являются перспективной технологией для электромобилей и других применений.

Проблемы: Наращивание производства твердотельных аккумуляторов и преодоление проблем, связанных с сопротивлением на границе раздела, являются текущими областями исследований.

Натрий-ионные аккумуляторы

В натрий-ионных аккумуляторах в качестве носителя заряда используется натрий, обильный и недорогой элемент. Они предлагают потенциально более дешевую альтернативу литий-ионным аккумуляторам для хранения энергии в сети и других применениях.

Проблемы: Натрий-ионные аккумуляторы обычно имеют более низкую плотность энергии, чем литий-ионные аккумуляторы. Однако текущие исследования направлены на улучшение их производительности.

2. Механическое хранение энергии

Системы механического хранения энергии хранят энергию путем физического перемещения или сжатия среды.

Гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС)

Гидроаккумулирующая электростанция является наиболее широко используемой формой крупномасштабного хранения энергии в мире. Она включает в себя перекачку воды из нижнего резервуара в верхний резервуар в периоды низкого спроса или избыточной генерации возобновляемой энергии. Когда требуется энергия, вода сбрасывается, стекая вниз через турбины для выработки электроэнергии.

Пример: Китай обладает самой большой установленной мощностью гидроаккумулирующей электростанции в мире, используя ее для интеграции больших объемов ветровой и солнечной энергии в свою сеть. Аналогичным образом, многие страны в Европе и Северной Америке полагаются на гидроаккумулирующую электростанцию для стабилизации сети.

Проблемы: ГАЭС требует определенных геологических условий (перепадов высот и наличия воды) и может оказывать воздействие на окружающую среду, связанное с землепользованием и водными ресурсами.

Хранение энергии сжатым воздухом (CAES)

Хранение энергии сжатым воздухом включает в себя сжатие воздуха и его хранение в подземных пещерах или надземных резервуарах. Когда требуется энергия, сжатый воздух выпускается и нагревается, а затем расширяется через турбины для выработки электроэнергии.

Пример: Существующие установки CAES работают в Германии и Соединенных Штатах. Разрабатываются усовершенствованные системы CAES для повышения эффективности и снижения зависимости от природного газа для нагрева сжатого воздуха.

Проблемы: CAES требует подходящих геологических образований для хранения воздуха и может иметь относительно низкую эффективность в обе стороны.

Маховики

Маховики хранят энергию, вращая тяжелый ротор на высоких скоростях. Кинетическая энергия, хранящаяся в маховике, может быть преобразована обратно в электричество, когда это необходимо. Маховики обеспечивают быстрое время отклика и длительный срок службы, что делает их подходящими для регулирования частоты и кратковременного резервного питания.

Пример: Системы хранения энергии маховика используются для улучшения качества электроэнергии на промышленных предприятиях и для стабилизации сети в районах с высоким проникновением возобновляемой энергии.

Проблемы: Маховики имеют относительно низкую плотность энергии по сравнению с аккумуляторами и могут испытывать потери энергии из-за трения и сопротивления воздуха.

3. Хранение тепловой энергии (TES)

Хранение тепловой энергии включает в себя хранение энергии в виде тепла или холода. Это может быть достигнуто с использованием различных материалов, таких как вода, расплавленные соли или материалы с фазовым переходом (PCM).

Концентрированная солнечная энергия (CSP) с TES

Концентрированные солнечные электростанции используют зеркала для фокусировки солнечного света на приемнике, который нагревает рабочую жидкость. Тепло можно использовать непосредственно для выработки электроэнергии или хранить в системах хранения тепловой энергии, что позволяет электростанции вырабатывать электроэнергию даже тогда, когда солнце не светит.

Пример: Марокканская солнечная электростанция Noor Ouarzazate использует хранилище тепловой энергии с расплавленной солью для обеспечения электроэнергией 24 часа в сутки. Испания также имеет значительные мощности CSP со встроенной TES.

Централизованное теплоснабжение и охлаждение

Хранение тепловой энергии можно использовать в системах централизованного теплоснабжения и охлаждения для хранения избыточного тепла или холода, генерируемых в часы с низким потреблением. Эта накопленная энергия может затем использоваться для удовлетворения пикового спроса, снижения затрат на энергию и повышения эффективности.

Пример: Многие города в Скандинавии используют хранение тепловой энергии в своих системах централизованного теплоснабжения для хранения избыточного тепла от промышленных процессов или сжигания отходов.

Хранение льда

Системы хранения льда создают лед в часы с низким потреблением и используют его для охлаждения зданий в часы пик. Это снижает потребление электроэнергии и снижает затраты на энергию.

Пример: Хранение льда обычно используется в коммерческих зданиях, больницах и центрах обработки данных для снижения затрат на охлаждение.

4. Химическое хранение энергии

Химическое хранение энергии включает в себя хранение энергии в виде химических связей. Производство и хранение водорода являются ключевым примером.

Хранение водородной энергии

Водород можно производить путем электролиза воды с использованием возобновляемой энергии. Затем водород можно хранить в различных формах, таких как сжатый газ, жидкий водород или гидриды металлов. Когда требуется энергия, водород можно использовать в топливных элементах для выработки электроэнергии, тепла или транспортного топлива.

Пример: Несколько стран инвестируют в проекты по производству и хранению водорода, стремясь использовать водород в качестве чистого топлива для транспорта, промышленности и производства электроэнергии. Япония, например, имеет амбициозные планы по использованию водорода для питания своей экономики.

Проблемы: Производство, хранение и транспортировка водорода по-прежнему относительно дороги. Разработка экономически эффективных и эффективных технологий для хранения водорода и топливных элементов имеет решающее значение для его широкого распространения.

Глобальное применение хранения энергии

Хранение энергии развертывается в различных приложениях по всему миру:

Хранение энергии в масштабах сети: Стабилизация сетей, интеграция возобновляемых источников энергии и обеспечение резервного питания. Такие страны, как Австралия, Соединенные Штаты и Соединенное Королевство, активно инвестируют в хранение энергии в сети с помощью аккумуляторов.
Хранение энергии в жилых домах: Объединение солнечных панелей с хранением в аккумуляторах для снижения счетов за электроэнергию и повышения энергетической независимости. Это особенно популярно в странах с высокими ценами на электроэнергию и сильными солнечными ресурсами, таких как Германия и Австралия.
Зарядка электромобилей: Обеспечение быстрой и надежной зарядки электромобилей, снижение беспокойства по поводу запаса хода и ускорение внедрения электрического транспорта.
Микросети: Позволяют удаленным сообществам и критически важным объектам работать независимо от сети, обеспечивая надежное электроснабжение. Микросети имеют решающее значение в районах с ненадежной сетевой инфраструктурой или частыми стихийными бедствиями.
Промышленные применения: Улучшение качества электроэнергии, снижение затрат на энергию и обеспечение резервного питания для промышленных объектов.

Будущее хранения энергии

Будущее хранения энергии выглядит светлым, и текущие исследования и разработки сосредоточены на:

Улучшение аккумуляторных технологий: Увеличение плотности энергии, срока службы и безопасности при одновременном снижении затрат. Исследования сосредоточены на разработке новых химических составов аккумуляторов, таких как твердотельные аккумуляторы и натрий-ионные аккумуляторы.
Разработка передовых систем хранения тепловой энергии: Повышение эффективности и экономичности хранения тепловой энергии для CSP и централизованного теплоснабжения и охлаждения.
Улучшение технологий производства и хранения водорода: Снижение стоимости производства водорода и разработка эффективных и безопасных методов хранения и транспортировки водорода.
Создание интеллектуальных сетей: Интеграция хранения энергии с технологиями интеллектуальных сетей для оптимизации потока энергии и повышения устойчивости сети.
Снижение воздействия на окружающую среду: Решение проблем, связанных с воздействием производства и утилизации аккумуляторов на окружающую среду, посредством переработки и устойчивого поиска материалов.

Действенные советы:

Будьте в курсе: Будьте в курсе последних достижений в технологиях и политике хранения энергии.
Рассмотрите возможность хранения энергии для своего дома или бизнеса: Оцените потенциальные выгоды от интеграции хранения энергии в вашу энергетическую систему.
Поддерживайте политику в области возобновляемых источников энергии: Выступайте за политику, которая способствует развитию и развертыванию возобновляемой энергии и хранения энергии.

Заключение

Хранение энергии является важным компонентом устойчивого энергетического будущего. Оно обеспечивает интеграцию возобновляемых источников энергии, повышает надежность сети, снижает зависимость от ископаемого топлива и позволяет отдельным лицам и сообществам контролировать свою энергию. По мере развития технологий и снижения затрат хранение энергии будет играть все более важную роль в преобразовании глобального энергетического ландшафта.