Globalni pregled raziskav shranjevanja energije: inovacije, uporaba in prihodnji trendi

Shranjevanje energije hitro postaja ključni dejavnik za trajnostno energetsko prihodnost. Medtem ko svet prehaja na obnovljive vire energije, kot sta sončna in vetrna energija, nestanovitna narava teh virov zahteva zanesljive rešitve za shranjevanje energije, da se zagotovi zanesljiva in stabilna oskrba z električno energijo. Ta blog objava se poglablja v globalni pregled raziskav shranjevanja energije, raziskuje različne tehnologije, trenutne pobude, primere iz prakse in vznemirljive prihodnje usmeritve tega ključnega področja.

Zakaj je shranjevanje energije pomembno: globalna perspektiva

Vključevanje obnovljivih virov energije v globalno energetsko mešanico je ključnega pomena za blaženje podnebnih sprememb in zagotavljanje energetske varnosti. Vendar pa spremenljivost proizvodnje obnovljive energije predstavlja pomemben izziv. Sistemi za shranjevanje energije (SSE) rešujejo ta izziv z:

• Uravnoteženjem ponudbe in povpraševanja: Shranjevanjem odvečne energije, proizvedene v obdobjih visoke proizvodnje (npr. sončni dnevi za sončno energijo), in njenim sproščanjem, ko povpraševanje presega ponudbo (npr. v večernih konicah).
• Izboljšanjem stabilnosti omrežja: Zagotavljanjem pomožnih storitev, kot sta regulacija frekvence in podpora napetosti, ki so ključne za ohranjanje stabilnega in zanesljivega električnega omrežja.
• Omogočanjem mikroomrežij in rešitev zunaj omrežja: Olajšanjem dostopa do čiste energije na oddaljenih območjih in v skupnostih z omejenim dostopom, s čimer se spodbuja energetska neodvisnost in odpornost.
• Podporo uvajanju električnih vozil (EV): Zagotavljanjem zmogljivosti za shranjevanje energije, potrebne za široko uporabo električnih vozil, s čimer se zmanjšuje odvisnost od fosilnih goriv v prometnem sektorju.

Te prednosti spodbujajo znatne naložbe in raziskovalna prizadevanja po vsem svetu, katerih cilj je razvoj učinkovitejših, stroškovno ugodnejših in trajnostnih tehnologij za shranjevanje energije.

Raznolik portfelj tehnologij za shranjevanje energije

Področje shranjevanja energije zajema širok spekter tehnologij, od katerih ima vsaka svoje prednosti in slabosti, zaradi česar so primerne za različne aplikacije. Sledi pregled nekaterih ključnih tehnologij:

1. Elektrokemično shranjevanje energije: baterije

Baterije so najbolj prepoznavna in razširjena tehnologija za shranjevanje energije. Kemično energijo pretvarjajo v električno energijo z elektrokemičnimi reakcijami.

a. Litij-ionske baterije (LIB)

Litij-ionske baterije prevladujejo na trgih prenosne elektronike in električnih vozil zaradi visoke gostote energije, dolge življenjske dobe in relativno visoke gostote moči. Trenutne raziskave se osredotočajo na:

• Izboljšanje gostote energije in življenjske dobe: Raziskovanje novih materialov za elektrode in sestav elektrolitov za izboljšanje delovanja. Raziskovalci na Japonskem na primer delajo na silicijevih anodnih materialih, da bi dramatično povečali gostoto energije.
• Povečanje varnosti: Reševanje varnostnih pomislekov v zvezi s toplotnim pobegom z razvojem varnejših elektrolitov in zasnov celic. Polprevodniški elektroliti so obetavna pot za izboljšanje varnosti.
• Zmanjšanje stroškov: Raziskovanje alternativnih katodnih materialov, kot so litijev železov fosfat (LFP) in natrij-ionske baterije, za zmanjšanje odvisnosti od dragih in redkih materialov, kot sta kobalt in nikelj.
• Razvoj zmogljivosti za hitro polnjenje: Osredotočanje na materiale in zasnove celic, ki omogočajo hitro polnjenje, kar je ključno za uvajanje električnih vozil. Podjetja, kot je Tesla, nenehno uvajajo inovacije na tem področju.

b. Polprevodniške baterije (SSB)

Polprevodniške baterije (SSB) nadomeščajo tekoči elektrolit v litij-ionskih baterijah s trdnim elektrolitom, kar ponuja potencialne prednosti v smislu varnosti, gostote energije in življenjske dobe. Raziskovalna prizadevanja so osredotočena na:

• Razvoj polprevodniških elektrolitov z visoko ionsko prevodnostjo: Iskanje materialov z visoko ionsko prevodnostjo pri sobni temperaturi za omogočanje učinkovitega transporta ionov. Raziskujejo se različni materiali, vključno s keramiko, polimeri in kompoziti.
• Izboljšanje stika na mejni ploskvi: Zagotavljanje dobrega stika med trdnim elektrolitom in elektrodami za zmanjšanje upornosti. To je velik izziv pri razvoju SSB.
• Povečanje proizvodnje: Razvoj razširljivih in stroškovno učinkovitih proizvodnih procesov za proizvodnjo SSB. Podjetja, kot sta QuantumScape in Solid Power, so v ospredju razvoja SSB.

c. Pretočne baterije

Pretočne baterije shranjujejo energijo v tekočih elektrolitih, ki so v zunanjih rezervoarjih. Ponujajo prednosti v smislu razširljivosti, dolge življenjske dobe ter neodvisnega nadzora nad energijsko in močnostno zmogljivostjo. Raziskave so osredotočene na:

• Izboljšanje gostote energije: Razvoj elektrolitov z višjo gostoto energije za zmanjšanje velikosti in stroškov sistemov pretočnih baterij.
• Zmanjšanje stroškov: Raziskovanje cenejših in bolj dostopnih materialov za elektrolite.
• Povečanje učinkovitosti: Optimizacija zasnove celic in sestave elektrolita za izboljšanje povratne učinkovitosti.
• Razvoj novih kemij elektrolitov: Raziskovanje nevodnih in organskih elektrolitov za izboljšano delovanje in trajnost.

Pretočne baterije so še posebej primerne za aplikacije shranjevanja energije v omrežnem merilu. Podjetja, kot sta VanadiumCorp in Primus Power, so dejavno vključena v razvoj in uvajanje pretočnih baterij.

d. Natrij-ionske baterije (SIB)

Natrij-ionske baterije (SIB) uporabljajo natrijeve ione kot nosilce naboja, kar predstavlja potencialno alternativo litij-ionskim baterijam zaradi obilice in nizkih stroškov natrija. Raziskovalna prizadevanja se osredotočajo na:

• Razvoj ustreznih materialov za elektrode: Iskanje materialov, ki lahko učinkovito in reverzibilno interkalirajo natrijeve ione.
• Izboljšanje življenjske dobe: Povečanje stabilnosti materialov za elektrode in elektrolitov za doseganje dolge življenjske dobe.
• Povečanje gostote energije: Raziskovanje novih materialov in zasnov celic za izboljšanje gostote energije.

SIB pridobivajo na veljavi za aplikacije shranjevanja energije v omrežnem merilu zaradi svojih stroškovnih prednosti.

2. Mehansko shranjevanje energije

Tehnologije za mehansko shranjevanje energije shranjujejo energijo s fizičnim premikanjem ali deformacijo medija. Te tehnologije vključujejo:

a. Črpalne hidroelektrarne (ČHE)

ČHE so najbolj zrela in razširjena oblika shranjevanja energije v omrežnem merilu. Vključujejo črpanje vode navzgor v zbiralnik v obdobjih presežne energije in njeno spuščanje skozi turbine za proizvodnjo električne energije po potrebi. Raziskave se osredotočajo na:

• Razvoj zaprtozančnih sistemov ČHE: Zmanjšanje vpliva na okolje z uporabo zbiralnikov zunaj rečnih strug.
• Izboljšanje učinkovitosti: Optimizacija zasnov turbin in črpalk za povečanje povratne učinkovitosti.
• Vključevanje ČHE z obnovljivimi viri energije: Razvoj strategij nadzora za optimizacijo delovanja sistemov ČHE v povezavi s spremenljivo proizvodnjo obnovljive energije.

ČHE so preizkušena tehnologija za shranjevanje energije v velikem obsegu, ki zagotavlja znatne koristi za stabilizacijo omrežja.

b. Shranjevanje energije s stisnjenim zrakom (CAES)

CAES shranjuje energijo s stiskanjem zraka in njegovim shranjevanjem v podzemnih kavernah ali rezervoarjih. Stisnjen zrak se nato sprosti za pogon turbine in proizvodnjo električne energije. Raziskave se osredotočajo na:

• Izboljšanje učinkovitosti: Razvoj adiabatskih sistemov CAES, ki zajemajo in shranjujejo toploto, nastalo med stiskanjem, kar izboljšuje povratno učinkovitost.
• Zmanjšanje stroškov: Raziskovanje cenejših možnosti shranjevanja, kot so solne kaverne.
• Razvoj hibridnih sistemov CAES: Vključevanje CAES z obnovljivimi viri energije in drugimi tehnologijami za shranjevanje energije.

c. Shranjevanje energije z vztrajnikom

Vztrajniki shranjujejo energijo z vrtenjem mase pri visokih hitrostih. Ponujajo hiter odzivni čas in visoko gostoto moči, zaradi česar so primerni za kratkotrajne aplikacije, kot je regulacija frekvence. Raziskave se osredotočajo na:

• Izboljšanje gostote energije: Razvoj vztrajnikov z višjimi vrtilnimi hitrostmi in močnejšimi materiali za povečanje gostote energije.
• Zmanjšanje izgub zaradi trenja: Minimiziranje trenja za izboljšanje povratne učinkovitosti.
• Optimizacija nadzornih sistemov: Razvoj naprednih nadzornih sistemov za natančno in odzivno delovanje.

3. Shranjevanje toplotne energije (TES)

TES shranjuje energijo v obliki toplote ali hladu. Uporablja se lahko za različne aplikacije, vključno z:

• Ogrevanje in hlajenje stavb: Shranjevanje toplotne energije za kasnejšo uporabo pri ogrevanju ali hlajenju stavb, kar zmanjšuje porabo energije in konično povpraševanje.
• Industrijski procesi: Shranjevanje toplotne energije za uporabo v industrijskih procesih, kar izboljšuje energetsko učinkovitost in zmanjšuje emisije.
• Koncentrirana sončna energija (CSP): Shranjevanje toplotne energije, ki jo proizvedejo elektrarne CSP, za proizvodnjo električne energije po potrebi.

Tehnologije TES vključujejo:

• Shranjevanje občutne toplote: Shranjevanje energije z dvigom temperature medija za shranjevanje, kot so voda, olje ali kamenje.
• Shranjevanje latentne toplote: Shranjevanje energije z izkoriščanjem fazne spremembe materiala, kot je taljenje ledu ali strjevanje solnega hidrata.
• Termokemično shranjevanje energije: Shranjevanje energije z izkoriščanjem reverzibilnih kemičnih reakcij.

Raziskovalna prizadevanja se osredotočajo na razvoj novih materialov z visoko zmogljivostjo shranjevanja toplote in izboljšanje učinkovitosti sistemov TES.

Globalne raziskovalne pobude in financiranje

Raziskave shranjevanja energije so globalno prizadevanje z znatnimi naložbami in pobudami, ki potekajo v različnih državah in regijah. Nekaj pomembnih primerov vključuje:

• Ministrstvo za energijo ZDA (DOE): DOE je sprožilo več pobud za pospešitev raziskav in razvoja shranjevanja energije, vključno z Velikim izzivom shranjevanja energije (Energy Storage Grand Challenge) in Združenim centrom za raziskave shranjevanja energije (JCESR).
• Evropska unija (EU): EU je ustanovila Evropsko baterijsko zvezo (EBA) za spodbujanje razvoja konkurenčne in trajnostne baterijske industrije v Evropi. Program EU Obzorje Evropa prav tako financira številne raziskovalne projekte na področju shranjevanja energije.
• Kitajska: Kitajska močno vlaga v tehnologije za shranjevanje energije kot del svojih prizadevanj za prehod na čistejši energetski sistem. Država se močno osredotoča na proizvodnjo baterij in uvajanje shranjevanja energije v omrežnem merilu.
• Japonska: Japonska ima dolgo zgodovino inovacij v baterijski tehnologiji in še naprej vlaga v napredne raziskave shranjevanja energije, zlasti v polprevodniške baterije in shranjevanje vodika.
• Avstralija: Avstralija v velikem obsegu uvaja sisteme za shranjevanje energije za podporo svoji naraščajoči zmogljivosti obnovljive energije. Država vlaga tudi v raziskave shranjevanja energije v omrežnem merilu in virtualnih elektrarn.

Te pobude zagotavljajo financiranje za raziskovalne projekte, podpirajo razvoj novih tehnologij in spodbujajo sodelovanje med raziskovalci, industrijo in vladnimi agencijami.

Primeri uporabe shranjevanja energije v praksi

Sistemi za shranjevanje energije se že uporabljajo v širokem spektru aplikacij po vsem svetu. Nekateri primeri vključujejo:

• Shranjevanje energije v omrežnem merilu: Baterijski sistemi za shranjevanje se uporabljajo za zagotavljanje omrežnih storitev, kot so regulacija frekvence, podpora napetosti in zmanjševanje konične obremenitve. Na primer, Hornsdalska energetska rezerva v Južni Avstraliji je velik baterijski sistem za shranjevanje, ki je znatno izboljšal stabilnost omrežja in znižal cene električne energije.
• Mikroomrežja: Sistemi za shranjevanje energije omogočajo razvoj mikroomrežij, ki lahko delujejo neodvisno od glavnega omrežja. Mikroomrežja se uporabljajo za zagotavljanje zanesljive energije oddaljenim skupnostim, industrijskim obratom in vojaškim bazam. Na primer, številna mikroomrežja na otoških državah uporabljajo baterije in obnovljivo energijo za zmanjšanje odvisnosti od uvoženih fosilnih goriv.
• Električna vozila: Baterije so ključna komponenta električnih vozil, ki zagotavljajo zmogljivost shranjevanja energije, potrebno za vožnjo na dolge razdalje. Rast trga električnih vozil spodbuja znatne inovacije v baterijski tehnologiji.
• Shranjevanje energije v gospodinjstvih: Domači baterijski sistemi postajajo vse bolj priljubljeni, saj lastnikom stanovanj omogočajo shranjevanje sončne energije, proizvedene podnevi, in njeno uporabo ponoči, s čimer se zmanjšuje njihova odvisnost od omrežja.
• Shranjevanje energije v industriji: Sistemi za shranjevanje energije se uporabljajo v industrijskih obratih za zmanjšanje stroškov konične porabe, izboljšanje kakovosti električne energije in zagotavljanje rezervnega napajanja.

Prihodnji trendi v raziskavah shranjevanja energije

Področje raziskav shranjevanja energije se nenehno razvija, pojavljajo se novi materiali, tehnologije in aplikacije. Nekateri ključni prihodnji trendi vključujejo:

• Napredne baterijske tehnologije: Nadaljnji razvoj polprevodniških baterij, litij-žveplovih baterij in drugih naprednih baterijskih tehnologij z višjo gostoto energije, izboljšano varnostjo in daljšo življenjsko dobo.
• Inovacije pri pretočnih baterijah: Razvoj novih kemij elektrolitov in zasnov celic za izboljšanje delovanja in zmanjšanje stroškov pretočnih baterij.
• Preboji v znanosti o materialih: Odkrivanje novih materialov za elektrode, elektrolite in druge komponente sistemov za shranjevanje energije z izboljšanim delovanjem in trajnostjo.
• Umetna inteligenca in strojno učenje: Uporaba tehnik umetne inteligence in strojnega učenja za optimizacijo načrtovanja, delovanja in nadzora sistemov za shranjevanje energije.
• Integracija in upravljanje omrežja: Razvoj naprednih sistemov za upravljanje omrežja za vključevanje sistemov za shranjevanje energije z obnovljivimi viri energije in električnim omrežjem.
• Shranjevanje vodika: Raziskave učinkovitih in stroškovno ugodnih metod za shranjevanje vodika, obetavnega nosilca energije za različne aplikacije.
• Elektrokemični kondenzatorji (superkondenzatorji): Nadaljnji razvoj superkondenzatorjev z visoko gostoto moči in hitrimi zmožnostmi polnjenja/praznjenja.
• Inovativno shranjevanje toplotne energije: Raziskovanje novih materialov in konfiguracij za učinkovitejše in kompaktnejše shranjevanje toplotne energije.

Zaključek: Na poti k trajnostni energetski prihodnosti

Raziskave shranjevanja energije igrajo ključno vlogo pri omogočanju trajnostne energetske prihodnosti. Razvoj učinkovitejših, stroškovno ugodnejših in trajnostnih tehnologij za shranjevanje energije je bistvenega pomena za vključevanje obnovljivih virov energije v globalno energetsko mešanico, izboljšanje stabilnosti omrežja in omogočanje dostopa do čiste energije za vse. Ker raziskave še naprej napredujejo, lahko pričakujemo še več inovativnih rešitev za shranjevanje energije, ki bodo preoblikovale način, kako proizvajamo, shranjujemo in uporabljamo energijo.

Globalna skupnost mora še naprej podpirati in vlagati v raziskave shranjevanja energije, da bi pospešila prehod v čistejšo in bolj trajnostno energetsko prihodnost za prihodnje generacije. Sodelovanje med raziskovalci, industrijo in vladnimi agencijami je ključno za premagovanje izzivov in uresničitev polnega potenciala tehnologij za shranjevanje energije. S spodbujanjem inovacij in sodelovanja lahko sprostimo moč shranjevanja energije za ustvarjanje svetlejše in bolj trajnostne prihodnosti za vse.