Зберігання відновлюваної енергії: глобальна перспектива

Світ стрімко переходить на відновлювані джерела енергії, такі як сонячна, вітрова та гідроенергетика. Однак переривчастий характер цих ресурсів становить серйозну проблему. Зберігання відновлюваної енергії (ЗВЕ) має вирішальне значення для розв'язання цієї проблеми, забезпечуючи надійне та стабільне енергопостачання. Цей вичерпний посібник досліджує технології, застосування та глобальний ландшафт зберігання відновлюваної енергії.

Чому зберігання відновлюваної енергії є важливим?

Відновлювані джерела енергії, хоч і є чистими та сталими, часто бувають нестабільними. Сонячна енергія залежить від сонячного світла, а вітрова — від погодних умов. Ця переривчастість може призводити до коливань в електромережі, спричиняючи нестабільність та потенційні відключення. Системи зберігання енергії діють як буфер, накопичуючи надлишкову енергію, вироблену в періоди пікової генерації, і вивільняючи її, коли попит високий або відновлювані джерела недоступні. Це дозволяє ширше інтегрувати відновлювані джерела в енергетичний баланс, зменшуючи залежність від викопного палива та пом'якшуючи наслідки зміни клімату.

• Підвищує стабільність мережі: Забезпечуючи стабільне та надійне енергопостачання, накопичувачі енергії допомагають підтримувати частоту та напругу в мережі в допустимих межах.
• Зменшує обмеження генерації: Енергія, яка в іншому випадку була б втрачена через надвиробництво, може бути збережена та використана пізніше.
• Дозволяє зміщувати споживання в часі: Енергія, вироблена в непікові години, може бути збережена та використана під час пікового попиту, зменшуючи пікове навантаження на мережу.
• Забезпечує резервне живлення: Системи зберігання можуть забезпечувати резервне живлення під час відключень електроенергії, підвищуючи енергетичну безпеку.
• Сприяє розвитку мікромереж: Зберігання енергії є необхідним для мікромереж, дозволяючи громадам генерувати та зберігати власну енергію з відновлюваних джерел.

Типи технологій зберігання відновлюваної енергії

Існує безліч технологій зберігання енергії, кожна з яких має свої переваги та недоліки. Найкраща технологія для конкретного застосування залежить від таких факторів, як ємність зберігання, тривалість розряду, вартість та вплив на навколишнє середовище.

Акумуляторні накопичувачі

Акумуляторні накопичувачі є однією з найбільш поширених та швидкозростаючих технологій зберігання енергії. Акумулятори зберігають енергію електрохімічним шляхом, пропонуючи швидкий час відгуку та високу ефективність. Існують різні хімічні типи акумуляторів, кожен зі своїми характеристиками.

Літій-іонні акумулятори

Літій-іонні акумулятори є найпоширенішим типом акумуляторів, що використовуються для зберігання енергії, завдяки їх високій енергетичній щільності, тривалому терміну служби та відносно низькій вартості. Вони застосовуються в широкому діапазоні, від побутових систем зберігання енергії до великомасштабних проєктів зберігання для мережі.

Приклад: Енергетичний резерв Hornsdale Power Reserve у Південній Австралії, що працює на літій-іонних акумуляторах Tesla, є яскравим прикладом великомасштабної системи зберігання, яка значно покращила стабільність мережі та знизила ціни на електроенергію в регіоні. Ця система продемонструвала можливості швидкого реагування акумуляторів для стабілізації мережі після несподіваних подій.

Свинцево-кислотні акумулятори

Свинцево-кислотні акумулятори — це зріла і добре відома технологія, що пропонує нижчі початкові витрати порівняно з літій-іонними акумуляторами. Однак вони мають коротший термін служби, нижчу енергетичну щільність та вимагають більшого обслуговування.

Проточні акумулятори

Проточні акумулятори зберігають енергію в рідких електролітах, що дозволяє незалежно масштабувати потужність та енергоємність. Вони пропонують тривалий термін служби та можливість глибокого розряду, що робить їх придатними для застосування в масштабах мережі.

Приклад: Кілька проєктів з проточними акумуляторами реалізуються по всьому світу, зокрема в Китаї та США, з метою забезпечення тривалого зберігання енергії для стабілізації мережі та інтеграції відновлюваних джерел енергії.

Гідроакумулюючі електростанції (ГАЕС)

Гідроакумулюючі електростанції — це зріла і широко поширена технологія, яка використовує гравітацію для зберігання енергії. Вода перекачується з нижнього резервуара до верхнього в періоди низького попиту або надлишкової генерації з відновлюваних джерел. Коли потрібна енергія, вода спускається назад до нижнього резервуара, приводячи в рух турбіни для виробництва електроенергії.

Приклад: ГАЕС округу Бат у Вірджинії, США, є однією з найбільших гідроакумулюючих станцій у світі. Гідроакумулювання є особливо ефективним для забезпечення великомасштабного, довготривалого зберігання енергії. Інші значні об'єкти ГАЕС існують у Китаї, Японії та Європі.

Теплові накопичувачі енергії (ТНЕ)

Теплове зберігання енергії передбачає накопичення енергії у вигляді тепла або холоду. Це можна досягти за допомогою різних матеріалів, таких як вода, розплавлені солі або фазоперехідні матеріали (ФПМ). ТНЕ можна використовувати для зберігання тепла від сонячних теплових колекторів, промислових процесів або джерел відпрацьованого тепла, а пізніше вивільняти його для опалення, охолодження або виробництва електроенергії.

Приклад: Концентровані сонячні електростанції (КСЕС) часто використовують ТНЕ на розплавлених солях для зберігання сонячної енергії та виробництва електроенергії навіть тоді, коли сонце не світить. У регіоні Близького Сходу та Північної Африки (MENA), де сонячні ресурси є в достатку, ТНЕ відіграють вирішальну роль у проєктах КСЕС.

Хімічні накопичувачі енергії

Хімічне зберігання енергії передбачає накопичення енергії у вигляді хімічних зв'язків. Водень є перспективним хімічним носієм енергії, оскільки його можна виробляти з відновлюваних джерел шляхом електролізу, а потім використовувати в паливних елементах або двигунах внутрішнього згоряння для виробництва електроенергії чи тепла.

Приклад: Проєкти з виробництва та зберігання водню розробляються в різних країнах, включаючи Німеччину, Японію та Австралію, для підтримки інтеграції відновлюваної енергії та декарбонізації різних секторів, таких як транспорт та промисловість. Ці проєкти часто передбачають використання надлишкової відновлюваної енергії для виробництва водню шляхом електролізу, який потім можна зберігати та використовувати за потребою.

Маховикові накопичувачі енергії

Маховиковий накопичувач енергії використовує обертову масу для зберігання кінетичної енергії. Енергія зберігається шляхом прискорення маховика до високої швидкості та вивільняється шляхом його уповільнення. Маховики пропонують швидкий час відгуку та тривалий термін служби, що робить їх придатними для таких застосувань, як регулювання частоти та стабілізація мережі.

Приклад: Маховикові системи зберігання енергії використовуються в різних сферах, включаючи джерела безперебійного живлення (ДБЖ) та послуги зі стабілізації мережі. Компанії в Європі та Північній Америці розгорнули маховикові системи для покращення якості та надійності електропостачання.

Застосування систем зберігання відновлюваної енергії

Зберігання відновлюваної енергії має широкий спектр застосувань, від побутових до розгортання в масштабах мережі.

• Побутові системи зберігання енергії: Домовласники можуть встановлювати акумуляторні системи для зберігання надлишкової сонячної енергії, виробленої вдень, і використовувати її вночі або під час відключень електроенергії.
• Комерційні та промислові системи зберігання енергії: Підприємства можуть використовувати накопичувачі енергії для зменшення плати за пікове споживання, покращення якості електроенергії та забезпечення резервного живлення.
• Системи зберігання енергії в масштабах мережі: Проєкти зберігання енергії комунального масштабу можуть надавати різноманітні послуги для мережі, включаючи регулювання частоти, підтримку напруги та згладжування пікових навантажень.
• Мікромережі: Зберігання енергії є необхідним для мікромереж, дозволяючи громадам генерувати та зберігати власну енергію з відновлюваних джерел.
• Зарядка електромобілів: Накопичувачі енергії можуть використовуватися для буферизації мережі від високих потреб в потужності зарядних станцій для електромобілів.

Глобальні тенденції у зберіганні відновлюваної енергії

Світовий ринок зберігання енергії переживає стрімке зростання, зумовлене все більшим впровадженням відновлюваної енергетики та зниженням вартості технологій зберігання. Кілька ключових тенденцій формують майбутнє зберігання енергії.

• Зниження вартості: Вартість акумуляторних накопичувачів різко впала за останні роки, що робить їх все більш конкурентоспроможними порівняно з традиційними джерелами енергії.
• Політична підтримка: Уряди по всьому світу впроваджують політику підтримки розгортання систем зберігання енергії, таку як податкові кредити, субсидії та мандати.
• Технологічні інновації: Постійні дослідження та розробки спрямовані на покращення продуктивності, терміну служби та безпеки технологій зберігання енергії.
• Збільшення впровадження: Розгортання систем зберігання енергії стрімко зростає, особливо в регіонах з високим рівнем проникнення відновлюваної енергії.
• Модернізація мережі: Зберігання енергії відіграє ключову роль у модернізації електромережі, забезпечуючи більшу гнучкість та стійкість.

Регіональні приклади розгортання систем зберігання відновлюваної енергії

Різні регіони світу застосовують різні підходи до зберігання енергії, залежно від своїх конкретних потреб та ресурсів.

• Європа: Європа є лідером у розгортанні систем зберігання енергії, маючи кілька великомасштабних проєктів акумуляторних накопичувачів та гідроакумулюючих станцій. Німеччина, зокрема, має високий рівень проникнення побутових сонячних електростанцій у поєднанні з акумуляторними накопичувачами.
• Північна Америка: У Сполучених Штатах спостерігається стрімке зростання впровадження систем зберігання енергії, зумовлене політикою на рівні штатів та зниженням вартості акумуляторів. Каліфорнія є провідним ринком для зберігання енергії.
• Азійсько-Тихоокеанський регіон: Азійсько-Тихоокеанський регіон є найбільшим і найшвидше зростаючим ринком зберігання енергії, де лідерами є Китай, Японія та Південна Корея. Китай активно інвестує в гідроакумулюючі та акумуляторні накопичувачі для підтримки своїх амбітних цілей у галузі відновлюваної енергетики.
• Австралія: Австралія має високий рівень проникнення дахових сонячних електростанцій і переживає стрімке зростання побутових та мережевих акумуляторних накопичувачів. Енергетичний резерв Hornsdale Power Reserve у Південній Австралії є яскравим прикладом.

Виклики та можливості

Хоча зберігання відновлюваної енергії пропонує численні переваги, необхідно вирішити кілька проблем, щоб розкрити його повний потенціал.

Виклики

• Вартість: Хоча вартість значно знизилася, системи зберігання енергії все ще відносно дорогі порівняно з традиційними джерелами енергії.
• Продуктивність: Продуктивність технологій зберігання енергії може з часом погіршуватися, зменшуючи їхню ємність та ефективність.
• Безпека: Деякі технології зберігання енергії, такі як літій-іонні акумулятори, можуть становити ризики для безпеки, якщо ними неправильно керувати.
• Ланцюг постачання: Ланцюг постачання матеріалів для систем зберігання енергії може бути вразливим до збоїв.
• Нормативно-правова база: Для підтримки розгортання систем зберігання енергії необхідні чіткі та послідовні нормативні рамки.

Можливості

• Технологічні інновації: Постійні інновації в технологіях зберігання енергії знижуватимуть витрати та покращуватимуть продуктивність.
• Політична підтримка: Підтримуюча державна політика може прискорити розгортання систем зберігання енергії та створити нові ринкові можливості.
• Модернізація мережі: Зберігання енергії може відігравати ключову роль у модернізації електромережі та створенні більш стійкої та гнучкої енергетичної системи.
• Декарбонізація: Зберігання енергії є необхідним для декарбонізації енергетичного сектору та пом'якшення наслідків зміни клімату.
• Створення робочих місць: Галузь зберігання енергії створює нові робочі місця у виробництві, монтажі та обслуговуванні.

Майбутнє зберігання відновлюваної енергії

Зберігання відновлюваної енергії готове відігравати все більш важливу роль у глобальному енергетичному переході. Оскільки вартість технологій зберігання продовжує знижуватися, а державна політика стає більш сприятливою, ми можемо очікувати значного збільшення розгортання систем зберігання енергії по всьому світу. Це дозволить ширше інтегрувати відновлювану енергію в енергетичний баланс, зменшити залежність від викопного палива та створити більш стійку та надійну енергетичну систему.

Майбутнє, ймовірно, передбачатиме поєднання різних технологій зберігання, адаптованих до конкретних застосувань та регіональних умов. Акумуляторні накопичувачі продовжуватимуть домінувати на побутовому та комерційному ринках, тоді як гідроакумулюючі та проточні акумулятори відіграватимуть ключову роль у зберіганні в масштабах мережі. Нові технології, такі як зберігання водню та теплові накопичувачі, також стануть важливими учасниками ландшафту зберігання енергії.

Висновок

Зберігання відновлюваної енергії є критично важливим фактором глобального енергетичного переходу. Вирішуючи проблему переривчастості відновлюваних джерел енергії, системи зберігання забезпечують надійне та стале енергопостачання. Завдяки постійним технологічним досягненням, сприятливій політиці та зростаючому впровадженню, зберігання відновлюваної енергії готове відіграти трансформаційну роль у майбутньому енергетики.

На шляху до чистішого та сталішого енергетичного майбутнього, зберігання відновлюваної енергії буде необхідним для розкриття повного потенціалу відновлюваної енергетики та створення більш стійкої та справедливої енергетичної системи для всіх.