Технологии накопления энергии: глобальная перспектива

Накопление энергии быстро становится ключевым компонентом устойчивого глобального энергетического будущего. По мере перехода мира к возобновляемым источникам энергии, таким как солнечная и ветровая, прерывистый характер этих ресурсов требует надежных решений для хранения энергии. Это подробное руководство исследует разнообразный ландшафт технологий накопления энергии, рассматривая их принципы, применение, преимущества, проблемы и будущие тенденции.

Почему накопление энергии так важно

Интеграция возобновляемых источников энергии создает уникальные проблемы для традиционных электросетей. Производство солнечной и ветровой энергии колеблется в зависимости от погодных условий, что приводит к изменчивости поставок электроэнергии. Накопители энергии устраняют этот разрыв, улавливая избыточную энергию в периоды высокой генерации и высвобождая ее, когда спрос превышает предложение. Это обеспечивает стабильное и надежное электроснабжение, даже когда возобновляемые источники недоступны.

Кроме того, накопление энергии повышает устойчивость сети, обеспечивая резервное питание во время сбоев или чрезвычайных ситуаций. Это также способствует внедрению электромобилей (ЭМ), предоставляя зарядную инфраструктуру и смягчая влияние их зарядки на сеть.

Типы технологий накопления энергии

Технологии накопления энергии охватывают широкий спектр методов, каждый из которых имеет свои преимущества и ограничения. Эти технологии можно условно разделить на:

• Электрохимические накопители (аккумуляторы): Это самый распространенный тип накопителей энергии, использующий химические реакции для хранения и высвобождения электрической энергии.
• Механические накопители: Эти технологии хранят энергию физическими способами, например, путем подъема воды на большую высоту или сжатия воздуха.
• Тепловые накопители: Этот метод предполагает хранение энергии в виде тепла или холода.

Электрохимические накопители (аккумуляторы)

Аккумуляторы являются наиболее широко используемой технологией накопления энергии, предлагая универсальное и масштабируемое решение для различных применений.

Литий-ионные аккумуляторы

Литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы стали доминирующей технологией благодаря своей высокой плотности энергии, длительному сроку службы и относительно низкой стоимости. Они используются в широком спектре приложений, включая:

• Электромобили (ЭМ): Литий-ионные аккумуляторы питают подавляющее большинство электромобилей, обеспечивая большой запас хода и быструю зарядку. Например, Гигафабрика Tesla в Неваде (США) является ярким примером крупномасштабного производства литий-ионных аккумуляторов для электромобилей и сетевых накопителей.
• Сетевые накопители: Литий-ионные аккумуляторы все чаще применяются в системах накопления энергии в масштабах сети для балансировки спроса и предложения электроэнергии. Hornsdale Power Reserve в Южной Австралии, работающая на аккумуляторах Tesla, является заметным примером крупномасштабного проекта по хранению энергии на литий-ионных аккумуляторах, который значительно улучшил стабильность сети.
• Потребительская электроника: Литий-ионные аккумуляторы являются источником питания для смартфонов, ноутбуков и других портативных электронных устройств.
• Домашние накопители: Владельцы домов все чаще устанавливают литий-ионные аккумуляторы в паре с солнечными панелями для хранения избыточной солнечной энергии для последующего использования, снижая свою зависимость от сети. В Германии, например, все более распространенными становятся домашние системы «солнечные панели плюс накопитель».

Преимущества литий-ионных аккумуляторов:

• Высокая плотность энергии
• Длительный срок службы
• Относительно низкая стоимость (хотя цены продолжают снижаться)

Недостатки литий-ионных аккумуляторов:

• Потенциальные проблемы безопасности (например, тепловой разгон)
• Экологические проблемы, связанные с добычей и утилизацией материалов аккумуляторов
• Ограниченная доступность некоторых видов сырья (например, лития, кобальта)

Другие аккумуляторные технологии

Помимо литий-ионных, разрабатываются и внедряются и другие аккумуляторные технологии, в том числе:

• Свинцово-кислотные аккумуляторы: Зрелая и экономичная технология, но с меньшей плотностью энергии и более коротким сроком службы по сравнению с литий-ионными. Все еще широко используется в системах резервного питания и автомобильной промышленности.
• Никель-металлгидридные (NiMH) аккумуляторы: Используются в гибридных электромобилях (HEV) и некоторой портативной электронике.
• Натрий-ионные аккумуляторы: Новая технология, которая предлагает потенциальные преимущества с точки зрения стоимости и доступности ресурсов по сравнению с литий-ионными.
• Проточные батареи: Тип аккумуляторов, которые хранят энергию в жидких электролитах, обеспечивая длительный срок службы и масштабируемость для применения в масштабах сети. Компания Rongke Power в Китае разрабатывает и внедряет крупномасштабные ванадиевые проточные окислительно-восстановительные батареи для сетевых накопителей.

Механические накопители

Механические накопители энергии хранят энергию физическими способами.

Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС)

Гидроаккумулирующие электростанции — это наиболее зрелая и широко распространенная форма крупномасштабного накопления энергии. Она включает перекачку воды из нижнего резервуара в верхний в периоды низкого спроса на электроэнергию, а затем сброс воды для выработки электричества при высоком спросе.

Преимущества ГАЭС:

• Большая емкость хранения
• Длительный срок службы
• Относительно низкая стоимость за единицу накопленной энергии

Недостатки ГАЭС:

• Географические ограничения (требуется подходящий рельеф и водные ресурсы)
• Воздействие на окружающую среду (например, изменение режима течения рек)
• Длительные сроки разработки и строительства

Швейцария, с ее горным рельефом, обладает значительными мощностями гидроаккумулирующих электростанций. Китай также активно инвестирует в ГАЭС для поддержки своей растущей мощности возобновляемой энергетики.

Хранение энергии на сжатом воздухе (CAES)

Хранение энергии на сжатом воздухе предполагает сжатие воздуха и его хранение в подземных пещерах или резервуарах. Когда требуется электричество, сжатый воздух высвобождается и используется для привода турбины для выработки электроэнергии.

Преимущества CAES:

• Большая емкость хранения
• Длительный срок службы

Недостатки CAES:

• Географические ограничения (требуются подходящие геологические формации)
• Относительно низкий КПД
• Требуется использование ископаемого топлива (обычно природного газа) для нагрева сжатого воздуха, если не используются передовые адиабатические системы CAES.

Станция CAES в Хунторфе (Германия) была одной из первых коммерческих установок такого типа. В новых проектах CAES исследуется использование передовых адиабатических систем для повышения эффективности и снижения зависимости от ископаемого топлива.

Маховичные накопители энергии

Маховичный накопитель энергии использует вращающуюся массу (маховик) для хранения кинетической энергии. Энергия накапливается путем разгона маховика до очень высокой скорости и высвобождается путем его замедления для выработки электричества.

Преимущества маховичных накопителей:

• Высокая удельная мощность
• Быстрое время отклика
• Длительный срок службы

Недостатки маховичных накопителей:

• Относительно низкая плотность энергии
• Высокий уровень саморазряда

Маховичные накопители часто используются для кратковременных задач, таких как регулирование частоты и улучшение качества электроэнергии. Компании, такие как Beacon Power в США, используют маховичные системы для стабилизации сети.

Тепловые накопители

Тепловое накопление энергии предполагает хранение энергии в виде тепла или холода. Это может использоваться для различных целей, включая отопление и охлаждение зданий, промышленные процессы и выработку электроэнергии.

Аккумулирование явной теплоты

Аккумулирование явной теплоты предполагает хранение энергии путем повышения температуры материала, такого как вода, масло или расплавленная соль.

Аккумулирование скрытой теплоты

Аккумулирование скрытой теплоты предполагает хранение энергии путем изменения фазового состояния материала, например, плавления льда или испарения воды. Этот метод обеспечивает более высокую плотность хранения энергии по сравнению с аккумулированием явной теплоты.

Термохимическое аккумулирование

Термохимическое аккумулирование предполагает хранение энергии посредством обратимых химических реакций. Этот метод потенциально обеспечивает очень высокую плотность хранения энергии.

Концентрирующие солнечные электростанции (CSP) часто используют тепловые накопители для хранения солнечной энергии, собранной в течение дня, и выработки электроэнергии ночью. Например, станция Нур-Уарзазат в Марокко использует тепловой накопитель на расплавленной соли для обеспечения электроэнергией в течение нескольких часов после захода солнца.

Применение накопителей энергии

Технологии накопления энергии имеют широкий спектр применения в различных секторах:

• Стабилизация сети: Балансировка спроса и предложения электроэнергии, регулирование частоты и поддержка напряжения.
• Интеграция возобновляемой энергии: Сглаживание колебаний выработки солнечной и ветровой энергии.
• Зарядка электромобилей: Обеспечение зарядной инфраструктуры для ЭМ и смягчение влияния их зарядки на сеть.
• Резервное питание: Обеспечение резервного питания во время сбоев в сети или чрезвычайных ситуаций.
• Управление спросом: Смещение потребления электроэнергии на часы внепиковой нагрузки для снижения пикового спроса и затрат на электроэнергию.
• Микросети: Создание независимых и устойчивых энергетических систем для населенных пунктов или предприятий.
• Автономное энергоснабжение: Обеспечение электроэнергией удаленных районов или островов, не подключенных к основной сети.

Преимущества накопления энергии

Внедрение технологий накопления энергии дает многочисленные преимущества:

• Повышение надежности и устойчивости сети: Обеспечение стабильного и надежного электроснабжения даже в периоды высокого спроса или сбоев в сети.
• Снижение зависимости от ископаемого топлива: Обеспечение более широкой интеграции возобновляемых источников энергии и сокращение выбросов парниковых газов.
• Снижение затрат на электроэнергию: Оптимизация потребления электроэнергии и снижение платы за пиковую мощность.
• Улучшение качества воздуха: Сокращение выбросов от электростанций, работающих на ископаемом топливе.
• Повышение энергетической безопасности: Диверсификация источников энергии и снижение зависимости от импортного топлива.
• Экономическое развитие: Создание новых рабочих мест и отраслей в секторе накопления энергии.

Проблемы в области накопления энергии

Несмотря на многочисленные преимущества, широкое внедрение технологий накопления энергии сталкивается с рядом проблем:

• Высокие затраты: Технологии накопления энергии, особенно аккумуляторы, могут быть дорогостоящими, хотя цены быстро снижаются.
• Технологические ограничения: Некоторые технологии накопления энергии имеют ограничения по плотности энергии, сроку службы или эффективности.
• Нормативные барьеры: Нормативно-правовая база может быть не приспособлена для накопителей энергии, что создает неопределенность для инвесторов и разработчиков.
• Сложности с получением разрешений и выбором площадок: Получение разрешений и поиск подходящих мест для проектов по накоплению энергии могут быть сложными и трудоемкими.
• Ограничения в цепочке поставок: Доступность сырья для производства аккумуляторов, такого как литий и кобальт, может вызывать обеспокоенность.
• Проблемы безопасности: Некоторые технологии накопления энергии, такие как литий-ионные аккумуляторы, имеют потенциальные риски безопасности, которые необходимо решать.

Будущие тенденции в области накопления энергии

Ожидается, что в ближайшие годы рынок накопителей энергии будет быстро расти, что обусловлено все более широким внедрением возобновляемых источников энергии и электромобилей. Ключевые тенденции, формирующие будущее накопления энергии, включают:

• Снижение стоимости аккумуляторов: Ожидается, что постоянные усовершенствования в аккумуляторных технологиях и производственных процессах приведут к снижению стоимости аккумуляторов, делая накопление энергии более доступным.
• Разработка новых аккумуляторных технологий: Научно-исследовательские усилия сосредоточены на разработке новых аккумуляторных технологий с более высокой плотностью энергии, более длительным сроком службы и повышенной безопасностью. Твердотельные и литий-серные аккумуляторы являются многообещающими кандидатами для будущих аккумуляторных технологий.
• Увеличение внедрения накопителей в масштабах сети: Системы накопления энергии в масштабах сети будут играть все более важную роль в балансировке спроса и предложения электроэнергии и интеграции возобновляемых источников энергии.
• Рост числа бытовых и коммерческих накопителей: Все больше домовладельцев и предприятий будут внедрять системы накопления энергии, чтобы уменьшить свою зависимость от сети и снизить затраты на электроэнергию.
• Интеграция накопителей энергии с инфраструктурой зарядки электромобилей: Системы накопления энергии будут интегрированы с зарядными станциями для электромобилей для обеспечения быстрой зарядки и смягчения влияния зарядки электромобилей на сеть.
• Разработка передовых систем управления накоплением энергии: Сложное программное обеспечение и системы управления будут использоваться для оптимизации производительности систем накопления энергии и их бесшовной интеграции в сеть.
• Повышенное внимание к устойчивости и экономике замкнутого цикла: Будут прилагаться усилия для повышения устойчивости процессов производства и переработки аккумуляторов, снижая воздействие накопления энергии на окружающую среду.

Мировые примеры внедрения накопителей энергии

Различные страны и регионы активно внедряют технологии накопления энергии для удовлетворения своих специфических энергетических потребностей:

• США: Калифорния лидирует во внедрении систем накопления энергии в масштабах сети, что обусловлено ее амбициозными целями в области возобновляемой энергетики и поддерживающей политикой.
• Австралия: Южная Австралия стала мировым лидером в области аккумуляторных накопителей, где реализовано множество крупномасштабных проектов для повышения стабильности сети и поддержки интеграции возобновляемой энергии.
• Германия: В Германии высокое проникновение бытовых систем «солнечные панели плюс накопитель», что обусловлено государственными стимулами и высокими ценами на электроэнергию.
• Китай: Китай активно инвестирует в ГАЭС и аккумуляторные накопители для поддержки своей растущей мощности возобновляемой энергетики.
• Япония: Япония сосредоточена на разработке и внедрении передовых аккумуляторных технологий для сетевых накопителей и электромобилей.
• Индия: Индия способствует внедрению накопителей энергии для повышения надежности сети и поддержки своих амбициозных целей в области возобновляемой энергетики.

Заключение

Технология накопления энергии призвана сыграть преобразующую роль в глобальном энергетическом ландшафте. По мере того как мир переходит к более чистому и устойчивому энергетическому будущему, накопление энергии будет иметь важное значение для обеспечения широкого внедрения возобновляемых источников энергии, повышения надежности сети и сокращения выбросов парниковых газов. Хотя проблемы остаются, постоянные инновации и поддерживающая политика проложат путь к широкому развертыванию технологий накопления энергии, создавая более устойчивое и надежное энергетическое будущее для всех.

Рекомендации к действию:

• Для политиков: Внедрять поддерживающую политику и нормативно-правовую базу для стимулирования развертывания накопителей энергии и устранения барьеров для входа на рынок.
• Для бизнеса: Изучать возможности для инвестирования в технологии накопления энергии и разрабатывать инновационные решения для стабилизации сети, интеграции возобновляемой энергии и зарядки электромобилей.
• Для потребителей: Рассмотреть возможность установки бытовых или коммерческих систем накопления энергии, чтобы уменьшить зависимость от сети и снизить затраты на электроэнергию.
• Для исследователей: Продолжать разрабатывать и совершенствовать технологии накопления энергии для увеличения их плотности энергии, срока службы и эффективности, а также для снижения их стоимости.